信號質量確定和信號校正系統和方法

2023-04-26 21:26:41

專利名稱：：信號質量確定和信號校正系統和方法
技術領域：
：本發明涉及用於監測用戶代謝參數的系統和方法。
背景技術：
：眾所周知地，為了監測某個人的生理狀況，要監測該人的耗氧量或氧攝取量。短語"氧攝取量"和"耗氧量"是以同義方式使用的，均用表達式"、"表示，或者，簡寫為"vo2"。耗氧量是人體在給定時間，諸如一分鐘內使用的氧氣量的測量。通常將其表示為每公斤體重每分鐘使用的毫升氧氣量(ml/kg/min)。例如，在麻醉和重病特別護理的情況下，測量耗氧量速率是有價值的，這是由於其提供了對患者心肺功能的充足性的指示。vo2也可以用於監測個人或運動員的健康狀況。常規上將V02作為吸入氧體積和呼出氧體積之間的差異進行計算。由如下方程給出V02的標準或直接計算其中"V02"為耗氧量，"Vi"為吸入體積，"Fi02"為吸入氧氣濃度，"Ve"為呼出休積，"^^"。2"為混合呼出氧氣濃度。計算V02的可替代方法僅使用呼出呼吸體積Ve。在這種情景下，基於針對吸入和呼出氣體中氮氣體積都相同的假設計算(而非測量)吸入呼吸體積Vi，這種假設通常是真實的，這是由於身體不消耗或產生氮氣。這被稱為氮氣平衡。計算而不是測量Vl還假設對於吸入和呼出氣體體積而言溫度和溼度的效應是相同的。方程(1)的這一變形使用了基於上文所述氮氣平衡的Vi計算，其被稱為Haldane變換。根據該技術，如下計算Vi:W=Fe*^2mW2(2)其中，"WW2"為呼出氮氣的濃度，"FiN2"為吸入氮氣的濃度。基於這點，Haldane變換變成=&*(1-/^c。2-)/(1-屍"2-F/。2)(3)並且耗氧量計算變為其中，"^c。2"為呼出的二氧化碳濃度，Fico2為吸入的二氧化碳濃度。禾,Haldane變換計算V02的優點是消除了非"公共模式"的體積測量中的誤差效應，這是由於僅僅使用了呼出體積測量。公共模式誤差是影響Vi和Ve測量兩者的誤差，諸如流量傳感器中的校準誤差。當然，假設使用相同的傳感器測量Ve和Vi。常規C02傳感器技術通常能夠非常快且精確地測量氣道C02，並且可以足夠魯棒以在長時間中追蹤呼吸C02的變化。希望能夠以類似的速度和精度測量呼吸氧氣，從而能夠精確評估諸如耗氧量、能量消耗、呼吸商數或相關代謝測量的一個或多個參數。例如，可以將其用於諸如肺活量測定的各種應用。儘管已經有主流氧感測技術潛在地足夠快速和精確以用於這種應用，但其速度和魯棒性可能劣於可用的C02感測技術。僅在所有氣體測量充分精確時，對耗氧量或從呼吸氣體測量導出的代謝參數的估計才能夠精確。還需要一種確定氣道條件是否幹擾氧測量的方法，以確保不將被破壞的波形用於計算耗氧量或其他代謝參數。假設快速、精確而魯棒的氧測量可能是獲取耗氧量或代謝評估的呼吸測量的限制因素，則希望有方法幫助識別劣化的氧波形並校正這種波形。不過，也應當理解，本發明可以應用於感測其他氣體，而不限於測量氧或二氧化碳。
發明內容因此，本發明的目的是提供一種克服常規氣體監測系統缺點的氣體監測系統。本發明的特定實施例利用了公知的在結合較不魯棒的氧氣傳感器使用魯棒、快速而精確的C02傳感器時可應用的呼吸氣體交換的物理性質。在特定實施例中，提供了使用二氧化碳測量來確定氧氣測量質量是否足以用於耗氧量或其他代謝估算的方法。可以將這種質量確定用於提高諸如耗氧量和代謝估算的導出計算精確度，當來自氧氣傳感器的測量質量差於二氧化碳傳感器的測量質量時，計算精確度可能受到限制。在特定實施例中，提供了利用二氧化碳測量提高氧氣測量的方法。根據本發明的一個實施例，提供了一種用於測量呼吸氣體的系統，其包括第一氣體傳感器，其被構造和設置成測量第一氣體的量；第二氣體傳感器，其被構造和設置成測量第二氣體的量；以及與所述第一氣體傳感器和第二氣體傳感器可操作地相連的處理器。該處理器從第一氣體傳感器接收第一信號並從第二氣體傳感器接收第二信號。該處理器基於第二氣體的所測量調節第一氣體的所測量。根據本發明的另一個實施例，提供了一種用於測量呼吸氣體的系統，其包括第一氣體傳感器，其測量吸入和呼出氧氣的量；第二氣體傳感器，其測量至少呼出C02的量；以及與所述第一氣體傳感器和第二氣體傳感器可操作地相連的處理器。該處理器從第一氣體傳感器和第二氣體傳感器接收信號並基於co2的所測量調節氧氣的所測量。根據本發明的另一個實施例，提供了一種用於測量呼吸氣體的方法，其包括如下步驟測量第一氣體的量；測量第二氣體的量；確定第一氣體的所測量是否需要調節；以及如果第一氣體需要調節，基於第二氣體的所測量調節第一氣體的所測量。根據本發明的另一個實施例，提供了一種用於測量呼吸氣體的系統，其包括用於測量第一氣體的量的模塊；用於測量第二氣體的量的模塊；以及用於基於第二氣體的所測量調節第一氣體所測量的模塊。[16]參照附圖考慮以下說明書和所附權利要求，將更加明了本發明的這些和其他目的、特徵和特性以及結構相關元件及部件組合的操作方法和功能，以及製造的經濟性，全部附圖構成本說明書的一部分，其中，類似的附圖標記表示各圖中的對應部分。然而應當明白地理解，附圖僅僅是為了示例和說明的目的而非意在定義本發明的限制。如在說明書和權利要求中所用的，除非上下文明確做出不同說明，單數形式"一"、"一個"和"該"包括多個所指對象。圖1是根據本發明原理的氣體感測系統的第一實施例的透視圖；[18]圖2是圖1的氣體感測系統的氣道適配器和氣體傳感器的透視圖；[19]圖3是圖1的氣體感測系統部件的示意圖；圖4是根據本發明原理的氣體感測系統的第二實施例的部件的示意圖；圖5是根據本發明第三實施例的氣道適配器和氣體傳感器的透視圖；[22]圖6是根據本發明另一實施例的氣道適配器和氣體傳感器的透視圖;[23]圖7為示出了表示呼吸氣體中0)2和02濃度之間關係的波形的曲線圖；圖8為示出了表示呼吸氣體中C02和02濃度之間關係的波形的曲線圖，其中，C02波形被縮放並倒置；圖9是根據本發明各方面用於監測傳感器質量的流程圖；圖10A-10B提供了根據本發明各方面用於校正傳感器產生的信號的過程的流程圖；以及圖11是示出了一個示例中的氧氣測量質量的最小二乘法擬合圖。具體實施方式[28]圖1示意性示出了根據本發明原理的主流氣體監測系統30的示例性實施例。氣體監測系統30包括用於呼吸電路40中的氣道適配器32以及在34總體表示的氣體感測組件。呼吸電路40用於向患者傳送氣流。例如，呼吸電路40的第一端42與患者接口器具相連，所述患者接口器具被配置為與患者的氣道相通。適用於呼吸電路40的患者接口器具的示例包括，但不限於氣管導管、鼻插管、氣管切開插管、面罩或與用戶氣道連通氣流的任何其他設備或裝置。呼吸電路40的第二端44被配置為與氣體源相通。例如，氣體源可以包括周圍大氣、壓縮氣體源、壓力支持設備、呼吸器或其他氣體源。在圖示的實施例中，第二端44包括Y連接器46，一般在呼吸器電路中可見到，圖示為連接到氣道適配器的第二端。Y連接器的一條腿對應於吸入分支，其從呼吸器(未示出)向患者遞送氣體，Y連接器的另一條腿對應於呼出分支，從患者遞送氣體。通常，由呼氣分支將氣體遞送回呼吸器，在本實施例中這是氣體源。在單分支系統(未示出)中，第二端包括在患者和氣體源之間連通氣流的單個導管，其常常是壓力支持系統，諸如CPAP、雙水平或自動滴定壓力支持設備。如可能在圖2和3中最佳示出的，氣道適配器32提供了與呼吸電路40串聯的流路徑50，氣體通過流路逕往返於患者。氣道適配器32還提供了在52處總體表示的氣體監測部分或採樣點，在這裡對通過氣道適配器的氣體的成分進行監測或測量。在美國專利no.5,789,660("專利'660")和6，312，389("專利'389〃)以及美國專利申請no.09/841,451("申請'451",公開號no.2002/0029003)中描述了適用於本發明中的氣道適配器的示例，在此通過引用將其每者的內容併入本文。在圖1-3所示的實施例中，氣體感測組件34包括氣體感測部分36和處理部分38。在該圖示的示例性實施例中，如箭頭A所示，將氣體感測部分36可拆除地耦合到氣道適配器32，氣體感測部分36包括用於檢測被監測的一種或多種氣體成分的部件，所述氣體成分也被稱為分析物。應當認識到可以實施多種機構來將氣體感測部分36可拆除地耦合到氣道適配器32。在圖2所示的示例性實施例中，在氣道適配器32的外表面上提供承座區域33，其適於牢固地接收氣體傳感器部分36的外殼37。外殼37是大致12"U"形的，以藉助通道35匹配到承座區域33上，所述通道35接收氣道適配器的承座區域的大致匹配形狀。可以在氣道適配器上提供凸緣39，以將外殼與氣道適配器對準並將外殼連接到氣道適配器上。美國專利no.6,616,896("專利'896")和6,632,402("專利'402")描述了用於將氣體感測部分36耦合到氣道適配器32的技術，其每者的內容通過引用併入本文。本發明也想到將氣體感測部分36永久性地連接到氣道適配器32，從而將每個部件的功能性有效組合到公共元件中。通信鏈路48允許在氣體感測部分36和處理部分38之間連通數據、功率和任何其他信號、命令等。儘管圖1-3中示出了硬線通信鏈路48，但顯然本發明想到了通信鏈路可以是使用任何形式無線通信或通信協議的無線鏈路。當然，如果提供了無線鏈路，則諸如電池的電源必需被包括在氣體感測部分36中，或者必需要以一些其他方式向氣體感測部分供電。[33]氣體感測組件34檢測通過樣品池的氣流中的一種或多種氣體(分析物)的濃度。在圖l-3所示的示例性實施例中，氣體感測組件34用於採用發光猝滅技術來測量流經氣道適配器32的氧氣或其他氣體的分壓或量。例如，將該氧氣測量用於確定Fio2和^。2的值。發光猝滅是一種已用於測量氣體中的氧氣濃度的技術。在利用發光猝滅測量氧氣濃度時，如箭頭B所示，通過向可發光材料遞送激勵能激勵可發光材料60(參見圖3)發光。在被激勵發光時，如箭頭C所示，可發光材料將發射能量。然而，在將發光材料暴露於包括氧氣的氣體混合物時，根據可發光材料所暴露的氧氣量(即，濃度或比例)或氣體混合物中的氧氣量，使發光熄滅。因此，可發光材料發光量的減少率或發光熄滅速率(即，可發光材料發射的光量)對應於氣體混合物中的氧氣量。因此，可以使用由可發光材料發射的能量來確定通過氣道適配器的氣體濃度。美國專利no.6，325,978、6，632，402、6,616,896和6,815,211都公開了使用發光猝滅確定流經樣品池的氣體中的氣體(諸如，氧氣)濃度的氧氣傳感器示例，在此通過引用將每者的內容併入本文。如圖1-3所示，設置一定量的可發光材料60，使其暴露於通過氣道適配器32在流路徑50中流動的氣體。本發明也想到提供與流經氣道適配器的氣體相連通的可發光材料的組合。卟啉是可用作可發光材料60的材料的示例。葉啉是常常包括金屬原子的穩定有機環狀結構。當金屬原子是鉑或鈀時，磷光衰變時間從大約10ps到大約lOOOp。卟啉也對分子氧敏感。在將卟啉用作可發光材料60時，優選在重複使用時卟啉保持基本其所有可光激勵性。換言之，優選卟啉是"光穩定的"。諸如中四苯基卟吩的螢光卟啉尤其是光穩定的。可以用作可發光材料30以便於氧氣檢測的各種類型的卟啉包括，但不限於鉑中-四(五氟)苯基卟吩、鉑中-四苯基卟吩、鈀中-四(五氟)苯基卟吩和鈀中-四苯基卟吩。當然，也可以在結合了本發明教導的氣道適配器中使用公知在暴露於氧氣、二氧化碳或另一種被分析物質(例如，氣體、液體或蒸汽)時淬滅的其他類型的可發光材料。[36]在圖示的實施例中，在氣道適配器32上提供可發光材料60，並在氣道適配器的主體中的開口64中提供窗口62以允許將激勵能B傳輸到可發光材料。窗口62優選具有針對激勵輻射的波長以及針對從可發光材料發射的輻射C的波長的高透射率，所述激勵輻射激勵可發光材料60。例如，可以由藍寶石、一種或多種聚合物(例如，聚乙烯等)、玻璃和/或其他基本透明的材料形成窗口62。在示例性實施例中，由膜或基體(matrix)承載可發光材料60，所述膜或基體設置於界定氣體流路徑50的氣道適配器的表面或壁的主要部分上或包括該主要部分。本發明也想到不需要將諸如膜的可發光材料和相關部件直接耦合到氣道適配器，而是可以進行選擇性耦合，從而無需取下或替換整個氣道適配器就能夠替換可發光材料。在氣體感測部分36中提供發射體66以向可發光材料60發射激勵能量B。在本發明的示例性實施例中，由發射體66發射的能量包括其波長使可發光介質60發光的電磁輻射。發射體66可以包括一個或多個有機發光二極體("OLED")、雷射器(例如，二極體雷射器或其他雷射源)、發光二極體("LED")、熱陰極螢光燈("HCFL")、冷陰極螢光燈("CCFL")、白熾燈、滷素燈、所接收的環境光和/或其他電磁輻射源。[39]在一種示例性實施中，發射體66包括一個或多個綠色和/或藍色LED。這些LED通常在可發光介質60的可發光成分吸收區中具有高亮度，而在其他波長(例如，紅色和/或紅外)輸出較少量的輻射。這使得雜散幹擾光和傳感器的光劣化最小。然而，本發明決不限於使用LED，將LED用作發射體30的其他優點包括其重量輕、緊湊、功耗低、低電壓要求、低熱產生、可靠、耐用、成本較低和穩定。而且可以非常快速、可靠和可再現地對其進行開關。在氣體感測部分36中提供探測器68以檢測輻射C。探測器68位於氣體感測部分36之內，從而在氣體感測部分3和氣道適配器32相耦合時，探測器68接收來自可發光介質60的電磁輻射C的至少一部分。基於所接收的輻射，探測器60產生與所接收輻射的一個或多個性質相關的一個或多個輸出信號。例如，該一個或多個輸出信號可以與輻射量、輻射強度、輻射的調製和/或輻射其他性質相關。在一個實施例中，探測器68包括PIN二極體。在其他實施例中，將其他光敏設備用作探測器68。例如，探測器68可以採取二極體陣列、CCD晶片、CMOS晶片、光電倍增管和/或其他光敏設備的形式。可發光介質60響應於來自發射體66的輻射B在與由發射體提供的電磁輻射不同的波長處以基本全向方式發出電磁輻射C。該發光電磁輻射的強度和/或持續性根據氣體流路徑50內部氣體主體中包括的諸如氧氣的一種或多種分析物的相對量升降。在一個實施例中，氧氣通過使磷光反應熄滅而使發光輻射B的強度和/或持續性發生變化。隨著氧氣濃度增大，發光輻射B的強度和/或持續性的變化減小。在一個實施例中，可以將可發光介質60形成為發光片(film)。例如，併入本文的專利'896和'402都公開了可用作可發光介質60的膜。基於來自氣體感測部分36的輸出信號，處理部分38確定與置於流路徑50之內的氣體中包括的一種或多種分析物或成分的一種或多種性質相關的信息。在圖示的示例性實施例中，處理部分38包括處理器70，所述處理器70控制發射體66並接收來自探測器68的信號。如下文詳細討論的，處理器70使用來自探測器68的信號確定氧氣濃度。儘管未示出，但處理器70和/或處理部分38可以包括通常用於監測氣體成分的其他部件，諸如存儲器(RAM、ROM)。如圖3所示，本發明想到處理部分38包括用於以人可感知的格式提供處理器70的輸出的輸入/輸出設備72。在示例性實施例中，輸入/輸出設備72是直觀向用戶表明氧氣濃度的監視器或顯示器。本發明也想到該輸入/輸出設備72包括通信元件，諸如終端、收發器、數據機等，用於向遠程位置發送處理器70的輸出。可以以無線方式、經由硬線通信系統或使用其任意組合來實現這一目的。在圖1-3的實施例中，氣體感測部分36和處理部分38是包含其相應部件的獨立結構。本發明也想到可以將這兩個部分組合成公共氣體感測/處理部分90，如圖4和圖5中示意性示出的。亦即，可以在附著到氣道適配器32的傳感器頭90中提供用於檢測、監測、確定、顯示和連通與氣體濃度(諸如V02)相關的信息所需的所有部件。具有這種功能的傳感器頭90的示例在圖5中示出並例如在美國專利申請no.11/368832(公開號no.US-2006-014078-A1)中公開，在此通過引用將其內容併入。[45]本發明想到可以在氣體感測部分36中使用額外的部件。例如，可以將一個或多個濾波器元件定位在氣體感測部分之內，例如，在可發光介質60和探測器68之間。通常將這種濾波器元件設計成防止不是由可發光介質發射的電磁輻射入射到探測器上。例如，在一個實施例中，濾波器元件是波長特異性的，允許磷光輻射C通過其入射到探測器68上同時基本上阻擋其他波長的輻射。可用於氣體感測部分36中的其他部件包括參考探測器和分束元件，所述分束元件將向探測器68傳播的輻射引導到參考探測器上。可以將由參考探測器產生的一個或多個輸出信號提供到處理器70並用作參考，來說明和補償由探測器68產生的信號中的系統噪聲(例如，發射體66中的強度起伏等)。在一些實施方式中，氣體感測部分36可以包括一個或多個光學元件(未示出)以引導、聚焦和/或以其他方式處理髮射體66發射的或提供到探測器68的輻射。例如，一個或多個透鏡可以沿選定方向準直輻射。作為更具體的示例，本文併入的專利'896和'402都公開了使用光學元件處理由類似於發射體66的發射體發射的輻射。本發明還想到利用熱容器來將可發光介質60維持在基本恆定的工作溫度，以減小或消除氣體測量系統30中由於可發光介質溫度變動造成的不精確性。於是，熱容器是實現該功能的任何器件，諸如基於溫度傳感器輸出以反饋方式控制的加熱器、熱沉等。在美國專利no.6,888，101和美國專利申請no.11/069,114(公開號no.US-2005-0，145，796-Al)中公開了加熱元體形式的適當熱容器的示例，在此通過引用將其每者的內容併入本文。[49]在圖l-4所示的實施例中，在氣道適配器上提供單個窗口62。本發明也想到在氣道適配器中提供兩個類似於窗口62的窗口。如專利'402所示和所述的，可以將兩個窗口彼此相對地設置於氣道適配器32中，使得電磁輻射能夠通過適配器。在本實施例中，可以將探測器32定位在氣道適配器上與發射體66相對一側，當傳感器。本發明還想到氣道適配器32可以包括其他一個或多個額外的氣體測量和/或感測部件。在圖3中將這些其他感測部件示意性示為80。這種傳感器的示例包括溫度、光、聲音、溼度、壓力、流量和氣體濃度傳感器。可以將這種傳感器用於監測氣流、氣體感測部分36或兩者。例如，可以在外殼37中提供溫度傳感器以檢測外殼中的過熱情況。還可以提供溫度傳感器來檢測在氣道適配器中流動的氣體溫度。圖5示出了包括二氧化碳(C02)濃度檢測能力和氧氣(02)濃度檢測能力二者的氣體監測系統。氧氣濃度檢測系統對應於上述發光猝滅技術且包括置於氣道適配器132的窗口62上的可發光材料。C02監測系統是吸收型氣休(分析物)檢測系統，其中，從置於外殼120的一條腿(諸如，腿122)上的發射體發射能量。在腿122的內表面上示出了窗口123，能量從所述窗口123射出外殼120。將能量提供到在氣道適配器中界定的第一窗口(未示出)。能量穿過氣體樣本(流經氣體流路徑50的氣體)並離開也在氣道適配器中界定的與第一窗口大致相對的第二窗口134。由第二條腿124中提供的探測器(未示出)測量經第二窗口134在採樣點發出的能量。[52]如現有技術所知，來自探測器的信號被用於確定氣體(分析物)濃度。例如，已知使用這種類型吸收系統的輸出檢測經過氣道適配器的氣體中的C02的量，使用該量來確定呼出C02的量(^^。2)和吸入C2的量(Fico2)。來自探測器的信號可以由外殼37中提供的處理器處理或以無線方式或經由硬線48發送到處理部分。在該圖示的實施例中，將處理部分併入外殼120中並在顯示器72上顯示所得的分析物測量結果。[53]以類似的方式，本發明還想到可以將氣道適配器配置成包括流量感測系統，以測量通過氣道適配器的氣體的流量或流率。使用流率來確定在一定時間內或在呼吸周期或其階段期間通過氣道適配器的分析物的量。—種適用於本發明的該實施例中的流量感測系統為呼吸速度描記器型流量傳感器。這種流量傳感器包括設置於氣體流路徑中的流量元件(未示出)，以便沿著氣體流路徑在氣流中生成壓降。測量由流量元件生成的壓降並用於確定流率。圖6示出了具有這種流量感測能力的氣道適配器232。應當指出，氣道適配器也具有利用上述技術的02和C02感測能力。氣道適配器232包括在氣道適配器之內包含的流量元件每側上提供的一對孔口234a和234b。這些壓力感測元件能夠測量橫跨流量元件兩端的壓降，從而可以定量地測量通過氣道適配器的氣流。例如，可以將一對導管或壓氣軟管236a和236b耦合到孔口234a和234b並耦合到處理部分38中的壓力傳感器(參見圖1)。壓力傳感器測量壓降並將該輸入用於確定通過氣道適配器的流量。[56]在圖6所示的實施例中，外殼37中不包含額外的流量感測功能，其還包含分析物感測系統的至少一些部件。可以通過通信鏈路48向處理器(例如，前述處理器70，但具有新增的功能或完全不同的數字處理器)發送信號。不過，本發明也想到可以在外殼37中包含流量感測元件，諸如(一個或多個)壓力傳感器和處理器。在這種情況下，孔口234a和234b會直接耦合到外殼。在圖6所示的實施例中，在氣體測量點的一側上提供流量元件。本發明還想到利用氣體測量點生成壓降。在這種情況下，孔口234a和234b會被提供於氣體測量點的任一側。例如，在專利'660、專利'389和申請'451中教導過這種配置。在特定實施例中，提供主流氧氣感測系統，其考慮了呼出氣體的溫度和溼度與吸入氣體的溫度和溼度相比的變化效應(由於吸入氣體未暴露於體溫和飽和狀態)。這一溫度和溼度的變化引起測量到的呼出氣體體積增大，並可以通過校正所測量的吸入氧氣比例來解決。通過這種方式校正吸入氧氣的比例可以獲得使用Haldane變換測量耗氧量時更高的精確度。在美國專利申請no.11/948080中描述了實現這種精確度改善的系統和方法，在此通過引用將其全部內容併入本文。圖7的曲線圖描繪了表示吸入和呼出氣體中被測02152和C02150濃度的波形。在呼吸期間，在氧氣濃度中觀察到的起伏僅僅追蹤二氧化碳濃度的起伏，只是在所觀察時段期間02波形152的形式基本是C02波形150的倒置。因此，可以利用C02時變濃度的翻轉和適當縮放形式來近似吸入和呼出氣體中的時變氧氣濃度。要認識到，可以用氣體分壓、氣體百分比、每氣體體積的部分、每氣體質量的部分或如本申請中所述的任何有助於比較氣體濃度和計算不同氣體間關係的測量系統來表示氣體濃度。[59]圖7的曲線圖描繪了在將C02波形150倒置並適當縮放後代表所測02152和C02150濃度的波形的關係。可以利用具有充分高準確度、精確度和測量速度的氧氣傳感器測量氧氣濃度，以正確地測量呼吸周期中氧氣的峰(最高水平)和谷(最低水平)。可以將這些氧氣峰和谷水平用於根據C02波形150產生縮放的參考02波形154。通過翻轉C02波形150並應用縮放因子來提供縮放的參考02波形154(圖8),將該縮放因子計算為所測的氧氣峰到谷水平與所測的C02峰到谷水平之比。然後可以將參考波形154的形狀、形式、時間和頻率內容與由氧氣傳感器產生的波形152進行比較。某些實施例採用曲線擬合算法或其他適當技術來確定信號的相關性，以測量02波形152的質量。可以利用所計算的02波形152擬合到縮放參考02波形154的測量對質量進行量化。可以將質量的測量表達為隨時間變化的擬合的計算係數或其他測量。[61]例如，可以使用最小二乘法擬合方式，其中，W是可在0和1之間變化的描述性測量，並可以被視為模型的相對相對預測能力。圖ll利用圖10A和10B的流程圖所示的呼吸部分示出了該W測量。如果W值低於預定或規定值，那麼可以認為02波形的相關部分是調節或替換的候選者。作為非限制性示例，如果W值小於0.95，02波形的部分將是用於調節或替換的候選者。不過，應當認識到，可以使用很多不同的方法或算法確定氧氣測量質量，最小二乘擬合方法僅是一個示例。要認識到吸入C02的濃度通常非常低(接近零)。因此，在某些實施例中，可以將C02的吸入濃度估計為零而不會在獲得縮放參考02波形154中損失很大精度。這種近似可以有助於使獲得和處理參考02波形154的計算的簡易性。本發明的實施例利用高度集成的數位訊號處理(DSP)技術來執行包括程序的小的單片處理器中的很多複雜電子接口功能和數據存儲以及模擬到數字轉換。通常基於包括處理器70的能力、所測波形的頻譜內容和對輸出變動的響應的因素選擇曲線擬合算法。在很多實施例中，可以實現一個或多個濾波器，以在處理中的各個點，包括曲線擬合或其他類型處理之前、期間和之後，處理所測的波形150和152和參考波形154。可以使用濾波器消除瞬變現象，並可以用濾波器消除或調節可能因為環境和其他因素導致的傳感器靈敏度和精確度的緩慢變化。於是，要認識到，可以使用低通、高通和帶通濾波的組合來準備用於處理的所測和導出信號。[65]在特定實施例中，可以用參考信號154調節或替代所測02波形152的部分。例如，當氧氣信號質量降低到某閾值以下時，處理邏輯可以指出應當將02信號以所計算的因子進行放大或衰減。所計算的因子典型地將反映出所測02波形152與參考波形154之間的差異程度。在特定實施例中，可以對計算因子的施加進行延遲。在這種實施例中，延遲可能是因為使用了消除所測和導出信號的高頻分量的濾波器。也可能因為處理邏輯可能會基於配置和編程系統參數延遲調節所測02信號而發生延遲。例如，處理邏輯可以用於將所計算的因子延遲最小時間期間，並還可以用於將所計算的因子延遲與所測02波形152的計算質量相關的時間期間。於是，處理邏輯可以對較大質量下降做出比較小質量下降更快的響應。在一個示例中，可以設置預定最小延遲來降低瞬變現象的影響。在另一個示例中，可以基於所測02波形152和參考02波形154之間的瞬時差異的量化修改預定最小延遲。在特定實施例中，可以由參考02信號替換所測02信號。通常，在確定所測02波形152的質量劣化到預定閾值水平以下之後，處理邏輯確定指出所測02信號替代參考02信號。在特定實施例中，當所測02波形152的質量改善時，處理邏輯可以終止信號替換。處理邏輯可以延遲替換和替換終止，以確保質量的劣化和改善不僅僅是暫時的。在特定實施例中，處理邏輯可以判定所測02波形152的質量以周期性方式變化。例如，對於大部分呼吸而言，所測02波形152的質量可以始終低於閾值水平。在這種情況下，處理邏輯可以在呼吸期間反覆抑制所測02波形152並在對其有利時替換參考02信號。要認識到，可以將參考02信號用作已確定為臨界質量的所有或任何部分氧氣波形的替代品。典型地，基於已知的或計算得到的吸入和呼出氣體中氧氣和二氧化碳含量之間的關係處理所測C02信號，從而產生參考02信號。本發明還想到可以使用氣體的其他組合來確定所測氣體波形的質量。例如，麻醉氣體的存在可以被測量並與吸入和呼出氣體中的氧氣含量相關聯。[69]圖9的流程圖示出了基於所計算的至少一個被測氣體含量信號的質量針對被測氣體含量信號控制參考氣體含量信號的一個或多個部分的替換的過程。為了易於理解，將針對該流程圖參考圖7和8的示例。在步驟700，例如，使用圖6的實施例測量第一呼吸氣體(例如，02)和第二呼吸氣體(例如，co2)的氣體含量水平。然而，可以使用其他氣體含量測量技術。通常將該水平作為信號提供給處理器70，所述處理器70確定所測02波形152的質量。應當指出，使用"呼吸"一詞描述氣體，是由於本發明中的氣體是向呼吸的哺乳動物遞送並從其接收的。不過，本發明想到了除本發明所想到的呼吸氣體之外的氣體流。如上所述，可以在步驟702利用例如曲線擬合技術的信號分析技術確定所測02波形152的質量，以獲得所測02波形152和所測C02波形150的倒置縮放版本之間的相關性測量。在步驟704，確定所測02波形152的質量是否超過預定閾值。如果所測02波形152的質量超過了預定閾值，那麼可以將所測02波形152用於進一步的計算，諸如基於由02傳感器檢測到的氧氣量導出耗氧量或代謝估計值。不過，如果所測02波形152的質量是不夠高的質量，那麼可以在步驟706用參考02波形154的部分或全部替代所測02波形152。儘管在一個實施例中通過用參考02波形完全替換來調節02波形，但可以想到其他類型的調節是可能的，諸如向所測02波形152施加校正因子。可以根據所測C02導出校正因子。圖10A和10B的流程圖描述了根據本發明一個實施例的用於生成參考波形的示例性過程。為了易於理解，將針對該流程圖參考圖7和8的示例。在步驟710，通常對第二呼吸氣體(例如C02)的波形500進行濾波，以消除高頻噪聲。典型地，波形500經過低通濾波，然而，在一些實施例中，可能希望除了高頻噪聲之外還有選擇地消除低頻幹擾。在濾波時獲得了經濾波的C02波形720。在一個實施例中，對C02波形進行濾波的目的是使得相位和/或頻率與氧氣波形匹配，諸如在氧氣波形是兩者中較低者時(在使用紅外C02傳感器和發光猝滅氧氣傳感器時就是這種情況)。然而，在C02波形可能比氧氣波形慢的實施例中，可以對氧氣波形進行濾波和/或延遲。[74]在步驟712，確定經濾波的C02波形720的最大值722和最小值723，並確定氧氣波形738的最大值742和最小值743。對於圖10A中在步驟712所示的示例性C02和02波形而言，在下表中示出了最小值和最大值以及它們的差異(範圍)。tableseeoriginaldocumentpage22然後，可以在步驟714使用第一氣體(例如，氧氣)的最大值742和最小值743之間的差異和第二氣體(例如，C02)的最大值722和最小值723之間的差異來計算表示第一和第二氣體波形的最大值和最小值的差異的比例的縮放值。對於以上示例而言，縮放值會是41.95/32.4或1.295。然後可以在步驟714使用該縮放值以根據濾波後的CCV波形720獲得經縮放的C02波形724。然後翻轉經縮放的C02波形724，以獲得經倒置濾波的0)2波形725。在步驟716，可以執行額外處理來調整和調節經翻轉濾波的C02波形725。例如，可以對倒置濾波的C02波形725進行額外的縮放，以更好地匹配所測02波形152的某些值。在步驟718，可以為調節後的經翻轉濾波的C02波形725增加偏移，由此產生參考02波形154。本發明的特定實施例提供了評價結合二氧化碳傳感器使用的氧氣傳感器的測量精度的方法，以獲得耗氧量的呼吸評估或其他代謝參數。如上所述，可以通過將參考02波形154與所測02波形152進行比較來確定氧氣傳感器的精確度。基於該比較，可以獲得縮放值調節量並用於校準氧氣傳感器。此外，可以連同歷史校準和波形質量信息一起保持所測02波形152樣本的歷史。可以使用該歷史信息調節傳感器的輸出，由此提高從氧氣傳感器獲得的氧氣測量的精度。在特定實施例中，可以在各種條件下計算氣體傳感器的靈敏度。例如，靈敏度可以在一定程度上取決於傳感器上存在的特定氣體的瞬時水平，龍"5TDJ但娃坊準佶自求其平阪^則ll泰ll的與^k7k平〗屆書佑鹹哭輸,屮佶縣—誦乂I■一V、J'J■IH/Lli、乂I、，t了一|(x、j一JHWWr"T,J、I'/':JI，HU一lirJ~*~4,HVw*^x>常，校準信息與所測瞬時氣體水平的組合相關聯，並且可以包括處理器70可用的其他環境信息，例如，包括傳感器溫度、氣體溫度等。[78]在特定實施例中，可以通過連續測量氧氣數據流和經翻轉的二氧化碳數據流之間的相關性來測量氧氣信號質量。還可以僅利用呼吸周期的一部分，例如僅利用吸氣階段或呼氣階段來測量相關性。可以對在呼吸周期不同階段所獲得的相關因子進行組合來獲得信號質量的更加精細的表徵。[79]在特定實施例中，可以將從C02波形導出的經縮放的參考氧氣波形用作呼吸周期的一部分，諸如僅吸氣階段或僅呼氣階段，或整個周期的氧氣測量流的替代者。在一個示例中，可以將從C02波形導出的經縮放的參考氧氣波形用作各呼吸階段間轉換期間的氧氣測量流的替代者，以便有效地加快氧氣傳感器的響應，以匹配C02傳感器的響應。[80]本發明不限於氧氣的定性控制，而是可用於具有已知或可預測關係的其他氣體。例如，在一個實施例中，可以基於氧氣波形調節C02波形。[81]本發明的這些和其他方面相對於常規傳感器技術具有顯著優點。例如，可以提供價格合理、容易使用、自我校準的氧氣傳感器，其表現出比當前可用傳感器更快的速度和精確度。儘管已經基於當前認為是最實際和優選的實施例出於示例的目的詳細描述了本發明，但應當理解，這樣的細節僅僅出於上述目的，本發明不限於所公開的實施例，而是相反，意在覆蓋所附權利要求的精神和範圍之內的修改和等價設置。例如，可以理解本發明在可能的程度上想到了可以將任何實施例的一個或多個特徵與任何其他實施例的一個或多個特徵相組權利要求1、一種用於測量呼吸氣體的系統(30)，包括第一氣體傳感器，其被構造和設置成測量第一氣體的量；第二氣體傳感器，其被構造和設置成測量第二氣體的量；以及與所述第一氣體傳感器和所述第二氣體傳感器可操作地連接的處理器(70)，所述處理器接收來自所述第一氣體傳感器的第一信號以及來自所述第二氣體傳感器的第二信號，所述處理器基於所述第二氣體的所測量調節所述第一氣體的所測量。2、根據權利要求1所述的系統，其中，所述調節基於(a)所述第二信號的倒置表示、(b)所述第一信號和所述第二信號的縮放版本或(c)所述第二信號的縮放表示。3、根據權利要求1所述的系統，其中，所述處理器基於所述第一信號與所述第二信號的比較計算所述第一信號的質量測度，利用所述第一信號到所述第二信號的曲線擬合計算所述質量測度。4、根據權利要求1所述的系統，其中，所述第一信號和所述第二信號分別表示對所述第一氣體和所述第二氣體的測量。5、根據權利要求1所述的系統，其中，所述第一氣體傳感器是發光猝滅傳感器。6、根據權利要求5所述的系統，其中，所述發光猝滅傳感器被構造和設置成測量氧氣或二氧化碳。7、根據權利要求1所述的系統，其中，所述第一氣體傳感器測量吸入的氧氣和呼出的氧氣，並且其中，所述處理器輸出表示調節後的所述吸入的氧氣、所述呼出的氧氣或所述吸入的氧氣和所述呼出的氧氣兩者的所測量的波形。8、根據權利要求1所述的系統，其中，所述第二氣體傳感器是紅外傳感器。9、根據權利要求8所述的系統，其中，所述紅外傳感器測量C02。10、根據權利要求1所述的系統，其中，所述第二氣體傳感器僅測量呼出的第二氣體的量，不測量吸入的第二氣體的量。11、根據權利要求10所述的系統，其中，所述第二氣體為C02,並且其中，假設吸入的C02的量為零。12、根據權利要求1所述的系統，其中，所述第二氣體傳感器測量呼出的第二氣體的量和吸入的第二氣體的量二者。13、根據權利要求1所述的系統，其中，將第一呼吸氣體的量和第二呼吸氣體的量按照氣體分壓進行測量，或者其中，將所述第一呼吸的氣體的量和所述第二呼吸的氣體的量按照氣體百分比進行測量。14、根據權利要求1所述的系統，其中，所述處理器基於所述第一信號與所述第二信號的比較計算所述第一信號的質量測度，其中，所述處理器被配置成在所述質量測度降到預定最小質量閾值之下時用參考信號的一部分替換所述第一信號，並且其中，所述參考信號是從所述第二信號導出的。15、根據權利要求14所述的系統，其中，所述參考信號是所述第二信號的縮放倒置版本。16、根據權利要求1所述的系統，其中，所述處理器基於所述第一信號與所述第二信號的比較計算所述第一信號的質量測度，並且其中，所述處理器被配置成縮放所述第一信號以補償所述質量測度的變化。17、一種用於測量呼吸氣體的系統(30)，包括第一氣體傳感器(66、68)，其測量吸入和呼出的氧氣的量；第二氣體傳感器，其至少測量呼出的C02的量；以及與所述第一氣體傳感器和所述第二氣體傳感器可操作連接的處理器(70)，其中，所述處理器接收來自所述第一氣體傳感器和所述第二氣體傳感器的信號並基於C02的所測量調節氧氣的所測量。18、根據權利要求17所述的系統，其中，按與接收自所述第一氣體傳感器的信號的測量質量相關的量調節氧氣的所測量。19、根據權利要求18所述的系統，其中，通過表示由所述處理器接收的信號的曲線擬合信號來測量所述質量。20、根據權利要求19所述的系統，其中，所表示的信號之一是接收自所述第二氣體傳感器的信號的縮放倒置版本。21、根據權利要求17所述的系統，其中，響應於所述所測量質量下降到預定水平以下，根據呼出的C02的所測量估計吸入和呼出的氧氣的所測22、一種測量呼吸氣體的方法，包括測量第一氣體的量；測量第二氣體的量；確定所述第一氣體的所測量是否需要調節；以及基於所述第二氣體的所測量調節所述第一呼吸氣體的所測量。23、根據權利要求22所述的方法，其中，所述確定步驟包括比較表示所述第一氣體的所述量的第一信號和表示所述第二氣體的第二信號，其中，所述第二信號是由C02傳感器提供的信號的倒置縮放版本。24、根據權利要求23所述的方法，其中，所述確定步驟還包括對所述第一信號和所述第二信號進行曲線擬合以獲得所述第一信號的質量測量，其中，正比於所述質量測量調節所述第一氣體的所測量。25、根據權利要求24所述的方法，其中，所述調節步驟包括利用從所述第二氣體的所測量導出的估計值替換所述第一氣體的所測量。26、根據權利要求22所述的方法，述第一呼吸氣體。27、根據權利要求26所述的方法，和設置成測量氧氣或二氧化碳。28、根據權利要求26所述的方法，二呼吸氣體。29、根據權利要求28所述的方法，碳。30、根據權利要求22所述的方法，測量所述第二氣體。31、根據權利要求30所述的方法，其中，假設吸入的C02的量為零。其中，利用發光猝滅傳感器測量所其中，所述發光猝滅傳感器被構造其中，利用紅外傳感器測量所述第其中，所述紅外傳感器測量二氧化其中，僅按照呼出的第二氣體的量其中，所述第二氣體為CQ2，並且32、根據權利要求22所述的方法，其中，按照呼出的第二氣體的量和吸入的第二氣體的量二者測量所述第二氣體。33、根據權利要求22所述的方法，其中，將所述第一氣體的量和所述第二氣體的量按照氣體分壓進行測量，或者其中，將所述第一氣體的量和所述第二氣體的量按照氣體百分比進行測量。34、一種用於測量呼吸氣體的系統(30)，包括-用於測量第一氣體的量的模塊；用於測量第二氣體的量的模塊；以及用於基於所述第二氣體的所測量調節所述第一氣體的所測量的模塊(70)。35、根據權利要求34所述的系統，其中，所述調節基於表示所述第一氣體的所述量的第一信號和表示所述第二氣體的所述量的第二信號的比較。36、根據權利要求34所述的系統，其中，所述比較基於(a)所述第二信號的倒置版本、(b)所述第一信號和所述第二信號的縮放版本或(c)所述第二信號的縮放、倒置版本。37、根據權利要求34所述的系統，還包括用於計算表示所述第一氣體的所述量的第一信號和表示所述第二氣體的所述量的第二信號的質量測度的模塊。38、根據權利要求34所述的系統，其中，由發光猝滅傳感器提供所述第一信號。39、根據權利要求38所述的系統，其中，所述發光猝滅傳感器測量氧氣或二氧化碳。40、根據權利要求39所述的系統，還包括用於產生表示調節後的吸入的氧氣和呼出的氧氣的所測量的波形的模塊，其中，所述發光猝滅傳感器測量所述吸入的氧氣和所述呼出的氧氣。41、根據權利要求34所述的系統，其中，由紅外傳感器提供所述第二信號。42、根據權利要求41所述的系統，其中，所述紅外傳感器測量二氧化碳。43、根據權利要求34所述的系統，其中，所述第二信號僅表示呼出的第二氣體的量。44、根據權利要求43所述的系統，其中，^f述第二氣體是二氧化碳，並且其中，吸入的二氧化碳的量近似為零。45、根據權利要求44所述的系統，還包括用於響應於所述質量測度降低到預定最小質量閾值之下用參考信號的一部分取代所述第一信號的模塊，並且其中，所述參考信號是從所述第二信號導出的。46、根據權利要求34所述的系統，還包括用於縮放所述第一信號的一部分以補償所述質量測度變化的模塊。全文摘要一種主流氣體監測系統(30)和方法包括使用主流氣道適配器(32)以及與氣道適配器相關聯的氣體感測組件(34)測量通過適配器的氣體流的分析物。氣體感測部分(36)輸出表示主流氣道適配器中的氣體流中的分析物的信號。處理部分(38)從氣體感測部分接收信號並基於來自氣體感測部分的信號確定氣體流中分析物的量。處理部分確定氧氣測量的質量是否足以用於其預期用途，諸如用於測量耗氧量或代謝估算。可以使用質量測量來提高導出的代謝估算值的精確度。提供了可以處理二氧化碳測量並替代呼吸周期的全部或部分直接氧氣測量的方法。文檔編號G01N33/00GK101568806SQ200780046817公開日2009年10月28日申請日期2007年12月19日優先權日2006年12月21日發明者A·T·皮埃裡,P·B·貢內松申請人:Ric投資有限責任公司