专利名称：用于肺活量计的已个别化及校准的空气管的制作方法
发明的背景1、发明的领域本发明涉及用于肺活量计的空气管，并且涉及使用这种空气管的肺活量计。更加具体地说，本发明涉及一次性的和可至少部分地生物降解的空气管，并且涉及校准和跟踪技术，以保证在可随意处置的空气管和肺活量计一起使用时有高水平的精度。
2、相关技术的描述肺活量计是用来测量一个使用者或一个患者(如一个病人)呼出和吸入的气体的体积和流速的设备。两个大类的肺活量计是分别测量体积和流量。对于测量流量的类型，用来测量流量的肺活量计的实际端口是呼吸速度测量仪(Pneumotach)，弗莱施尔(Fleisch)是一种类型的呼吸速度测量仪。这些测量对于生理研究以及对于肺活量计的使用者的肺功能诊断分析都是至关重要的。例如，可以通过监测服药前和服药后呼出的气体的体积和流速来分析用来治疗有肺病或哮喘病的病人的各种药品的效果。在市场上可以得到称之为呼吸速度测量仪的几种设备，如弗莱施尔呼吸速度测量仪。这些设备依赖于通过一个阻性元件的空气层流。其它的肺活量计使用了更加复杂的电子学设计，因此不需要层流。
测量呼出的气体穿过一个可产生或引起压差的元件的压差或不均匀压力是压差式肺活量计的基础。在这样一种压差式肺活量计中，重要的是，空气管(呼吸速度测量仪)例如要相对于肺活量计的压力检测和电子测量系统准确地配置和定位，从而使测量能够可靠地和可重复产生地进行。这样的经准确配置的呼吸速度测量仪不是一次性的，要由金属或耐用塑料制作，从而才能长期使用，并且在多次使用后仍旧有效，而不会引起结构的质量下降。例如参见Waterson等人的美国专利第5137026号，这里参照引用了这个专利公开的全部内容。
由于大多数肺活量计都要把来自于一个使用者的呼吸系统的呼出的气体直接送到该仪器中以备测量，所以如果两个患者使用同一个肺活量计，则使用这种设备的一个重要的复杂问题就是从一个患者到另一个患者的污染问题。已经提出了克服这个污染问题的各种处理方法。一种特别流行的处理方法是使用一次性的口承和／或设在肺活量计的入口处的细菌过滤器。使用肺活量的患者只与口承和／或细菌过滤器接触，因此至少在理论上能够避免污染设备的其余部分。这种处理方法的缺点包括这种口承和／或过滤器相当昂贵，这种系统的效率相当低。
克服这个污染问题的另一种处理方法是在两患者使用之间消毒与使用者和／或呼出的气体接触的肺活量计的一个或多个部分。这种处理方法的缺点包括必须花费额外的费用去购买消毒的设备和能源，必须监视消毒设备的操作和效果，必须购买相当耐用的和昂贵的肺活量计才能经得住消毒的过程。
已经提出的第三种可替换方案是使用一次性肺活量计部件。例如参见以下的美国专利Norlien等人的5038773；Acorn等人的5305762；Karpowicz的Des．272184；Boehringer等人的4807641及Bieganski的4905709。这些现有的一次性肺活量计部件一般是由耐用塑料或医用级的金属制作出来的，因此即使它们是一次性的，生产这种部件的成本也是相当高的。此外，这样一些一次性部件处理起来是相当困难的，因为它们是由耐用持久的材料制成的。
人为过错因素也可能存在，即使和一次性肺活量计部件一起使用，也能把污染引入肺活量计系统中。例如，一个使用者在使用后没有处置空气管，而是让这个肺活量计的空气管随后为另一个患者使用，这就可能使后一个患者污染。空气管的随后的使用还可能在空气管内引起过大的冷凝作用，这可能导致不准确的肺活量计读数。
例如出于质量控制方面的考虑，迄今一直在禁止从低成本的和／或可生物降解的材料廉价制造相当便宜的肺活量计部件。普通的工业规定要求高质量的肺活量计部件，但因为例如可使这些部件生物降解，所以这些部件的质量可能降低，在肺活量计内部这些部件的位置和布局也可能出现问题。例如，在每个空气管内的阻性元件的布局和位置可能影响整个肺活量计的性能。阻性元件的位置应该垂直于空气管的内壁，并且进一步地，应该距空气管的相对的两端有准确的预定距离。现有技术的阻性元件通常没有表示出阻力相对于流速的线性响应。更加具体地说，在高流速下表示出良好阻力性的阻性元件在低流速下通常表现得不那么好，另一方面，在低流速下表现良好的阻性元件在高流速下通常不能提供理想的电力。因此，制造相当便宜的肺活量计以替换现有技术的当前正在使用的耐用塑料部件或金属非可生物降解部件的任何可能性由于存在制造和性能方面的问题而变得渺茫。这些制造方面的问题包括可在一个装配线上生产的各个一次性可生物降解的肺活量计部件之间的不一致性；并且进一步包括由这些不一致性产生的肺活量计部件之间的随后的性能变化。
当把这些部件装配在一起并且放入肺活量计中时，可能使这些部件的不一致性增加。例如，不可能完美地形成空气管的直通端口，并且当随后把这个直通端口放到肺活量计中时，由于在这个压力端口周围有空气泄漏，所以还可能引入异常低的压力读数。即使像在另一个实施例中那样，在空气管中放置阻性元件，这个阻性元件的位置在各次装配之间也不可能是准确的。因此，在现有的耐用塑料部件或金属的不可生物降解部件中，准确度问题可能是压倒一切的。因此，有益的作法是，要提供可在来自于一个装配线的各个肺活量计部件之间保证高的性能质量和一致性的一种装置，和肺活量计部件是金属的、塑料的、还是可生物降解的无关。
发明的概述已经发现了和肺活量计一起使用的新的校准的空气管，以及包括这种校准的空气管的肺活量计。本发明的校准的空气管是一次性的，因此一个患者使用后，要从肺活量计上拆下空气管并将其丢弃。在肺活量计和／或空气管中加入跟踪装置，以保证使用后可丢弃空气管。跟踪装置通过减小在空气管中的冷凝作用，可以减小或消除患者之间的交叉污染并可提高准确度。为每个空气管提供专用的校准信息。肺活量计例如在使用一个指定的空气管时可以在这个指定的空气管上存储校准信息，并且将存储的校准信息与随后的空气管上的校准信息进行比较以保证先前用过的不会重新插入肺活量计中。按另一种方式，在一个空气管上除了放置校准信息外或作为校准信息的替换，可以放置特殊的跟踪信息。
空气管最好可几乎完全生物降解，可相当经济地制造，并且能够产生高的和一致性的性能特征。如这里使用的，术语“可生物降解“的意思是如果将组分或者材料暴露到一个典型的挖坑掩埋条件下，在5年以内，最好在3年以内，更好在一年以内，这些组分或材料例如通过自然的生物过程，如微生物的作用，可以分解成更容易为环境接受的组分，如二氧化碳、水、甲烷、或类似物。
使校准的空气管可生物降解可提供明显的优点。首先，在丢弃空气管和阻性元件时，和不可生物降解的空气管相比，例如和由常规的塑料或金属制造的空气管相比，减小了这种丢弃对于环境的负担。此外，由于空气管和阻性元件是可生物降解，所以空气管和阻性元件可由便宜的和大量存在的(容易得到的)材料制造。因此，本发明的空气管相当便宜，制造起来容易而简单。空气管的随后的校准可计及空气管在尺寸、形状、和性质方面的任何差异。
由于可经济地制造本发明的空气管，所以用新的空气管去替换用过的空气管是没有重大的经济障碍的。此外，在肺活量计中替换本发明的空气管极其容易。这些优点激励操作人员(例如护理人员或患者都可操作肺活量计)更加愿意在每个患者或治疗之后更换本发明的空气管，因此减小了疾病(例如结核病和其它呼吸系统疾病、爱滋病、其它系统的疾病、和类似疾病)的感染和传播的危险。
使用本发明的校准的空气管的肺活量计可提供使用者的肺部功能的成本有效的、可靠的、和可以重复产生的(从一个空气管到另一个空气管)测量值，同时还减小了污染的危险。简言之，本发明的一次性的、可生物降解的、校准的空气管是廉价的，并且容易制造成达到可以接受的精度规定的指标(对于可重复制造的性能)，在使用中是有效和可靠的，并且可以按在环境方面可以接受的安全方式进行方便和有效的处理，从而可减小由肺活量计的使用引起的污染的危险。
附图简述
图1是按本发明的一个肺活量计的侧视图，除手持单元外还示出了布置的电子学电路的一部分；图1A是图1所示的肺活量计的前侧视图；图2是本发明的空气管的分解视图；图3是本发明的空气管的剖面图；图4是本发明的阻性元件的一个顶视平面图；图5是用在图1所示的肺活量计中的空气管的部分剖开的顶视前视立体图；图6是一个示意图，表示按本发明的一个肺活量计；图6A是大致沿图6的6A-6A线的剖面图；图7是大体上沿图1的7-7线取的剖面图8是按照本发明的肺活量计的一个可替换实施例的侧视图；图9是图8所示的肺活量计的一个后侧视图；图10是表示当前优选的实施例的肺活量计的条形码读出装置的一个透视图；图11是说明图10的条形码读出装置的一个特定实施场合的一个电路图；图12是按照当前优选的实施例的用于接收来自于条形码的光的光二极管的一个线性阵列的示意图；图13是按照当前优选的实施例的用于向光二极管的线性阵列聚焦光的一个自动聚焦阵列的透视图；和图14和15表示按照当前优选的实施例的一个肺活量计设计外形的透视图。
附图的详细描述现在参照附图1和1A，在10处概括表示的按照本发明的一个肺活量计包括一个一致性的可生物降解的空气管12、一个外壳14、和控制电路16。肺活量计10就是通常所说的压差式肺活量计，并且一般来说按照和上述的Waterson等人的美国专利第5137026号公开有肺活量计相似的方式操作。
参照附图2和3描述空气管12。空气管12包括第一管段18、第二管段20、和套管21。阻性元件22安装在第一管段18和第二管段20之间。空气管12和阻性元件22最好是约99％可生物降解的。管段18、20、21例如由可生物降解的硬纸板或厚纸制成，制造方法类似于按传统方式制作硬纸板管的方法，例如和制作浴室的手纸和类似产品的方法类似。这些管段源8、20、21最好涂有一个光滑层。阻性元件22最好包括具有好的记忆特性的可生物降解材料。如当前实施例化的，阻性元件22包括一种Nomex材料。阻性元件22的材料按另一种方式可以包括尼龙或其它对于湿气有点阻力的材料。如当前实施例化的，阻性元件22大约0．003英寸厚，但按照设计参数也可以使用其它厚度。
先将阻性元件22固定到第一管段18或第二管段20，然后再将另一个管段18或20固定到阻性元件22上。最好使用可生物降解的粘结剂。如当前实施例化的，第一管段18的外径等于第二管段20的外径，并且阻性元件22的外径等于第一管段18的外径。
套管21的内径约等于第一管段18的外径。套管21适于装配在第一管段18和第二管段20这两者的上边。虽然最好使用粘结剂把阻性元件22固定在第一管段18和第二管段20之间，但套管21在第一管段18和第二管段20上边用紧密摩擦配合就足以在第一管段18和第二管段20之间固定阻性元件22。
当套管21正确固定在第一管段18和第二管段20这两者上时，套管21的远端23与第一管段18的远端25齐平。此外，切口27最好是在套管21的远端23冲出的半圆，切口27最好与第二管段的一个端口24对齐。第二管段20的端口24最好是在第二管段20中冲出的圆。切口27和／或端口24可在安装3个部件18、20、21之前或之后在套管21和／或第二管段20上形成。在安装3个部件18、20、21后，端口24直接通入空气管12的中空空间(图3)。
图3表示的是处在装配好状态的空气管12。虽然空气管12的3件式的结构在现在被认为是优选的，但这3个部件18、20、21也可以由例如单个管代替，并且／或者，可将阻性元件22固定到一个圆环(未示出)上，再将它插入这个单管内。
图4表示按当前优选的实施例的阻性元件22的一个顶视平面图。阻性元件22包括一个中心孔32和多个从中心孔32径向伸出的缝34。每一对相邻的缝34形成一个活动(活页)窗口36，当前实施例中的活动窗口36是箭头形状。每一个箭头形活动窗口36都包括一个靠近中心孔32定位的点和位于中心孔32远端的颈38。如当前实施例中的，阻性元件32包括8个活动窗口36，但按照设计参数可以使用数目或多些或少些的活动窗口36。每个颈38的宽度控制对应的活动窗口36的柔性。较大的颈使对应的活动窗口36具有较小的柔性，较小的颈使对应的活动窗口36具有较大的柔性。
病人呼出的气体吹入空气管12的一端，通过阻性元件22产生一个气流，这个气流的流速一般是在0和16升／秒之间。在理想情况下，由阻性元件22提供的在这些不同的空气流速之间的阻力应该是线性的。例如由其中带有单个孔的一个圆盘构成的现有技术的阻性元件没有压力相对于流速的线性关系。现有技术的圆盘形阻性元件例如在约12升／秒下具有良好的阻力每秒每升小于1．5厘米的水；但这种阻性元件在低流速下却没有良好的阻力。更加具体地说，这种常规的圆盘形的阻性元件在低流速下有一个极小的阻力，这是不可接受的。
本发明的阻性元件22利用了具有颈38的独特的活动窗口36，可将其设计成能够得到在各种流速下的阻性元件22的阻力。本发明的阻性元件22在流速约为12升／秒的情况下，适于提供理想的阻力每秒每升小于1．5厘米的水；但和常规的圆盘形阻性元件相比，本发明的阻性元件22还能在低流速下提供良好的阻力。一般来说，阻性元件22在0和16升／秒之间可提供极好的、近似线性的、流速相对于阻力的响应。在高流速，活动窗口36打开的很宽，可提供不是太高的良好的阻力。在低流速，活动窗口36打开的极少，借此可提供不是太低的良好的阻力。
按当前优选的实施例，在两个缝34之间的角度约为45度，并且每个缝34的宽度约为0．02英寸。用来控制颈38的宽度的每个垂直的活动部分37的优选宽度约为0．04英寸。阻性元件22的直径最好是1．09英寸±0．0005英寸，在平分活动窗口36之一的线39和穿过一个缝34的另一个线41之间的宽度约为0．0625英寸±0．005英寸。
本发明的阻性元件22的一个重要的问题是在低流速下提供的阻力，因为在一般的情况下不健康的患者是不能产生高流速的。所说的同一个阻性元件在高流速下也能很好地发挥作用，而不考虑患者正在呼气或吸气。
现在参照附图5，空气管12包括一个开通的入口46和一个开通的出口48。确定在开通的入口46周围的区域的大小，使这个区域适于装在人的口中。使用肺活量计10(图1)的患者通过把区域46放入口中并向空气管12的中空空间30内呼气来使用这个管口区。
现在回到图1，当期望使用空气管12时，打开空气管12的包装，并将其接合到外壳14。具体来说，空气管12接合到外壳管51。外壳管51包括一个薄片52，薄片52适于装入空气管12的缺口27内(图2)。在空气管12放入外壳管51之前，缺口27要与端口24对齐(图2)，并且如当前实施例化的，在插入外壳管51之前由使用者手动对齐。当缺口27与端口24对齐时，端口24就与压力检测柱76对齐，如图6所示。具体来说，压力检测柱76的一个配件最好是一个吸杯形状77，装在端口24的周围以便气密装配。吸杯形的配件77最好由硅橡胶或乙烯树脂构成，并且适于在端口24的周围提供良好的配合，借此减小空气在这个接口处的泄漏。因此，没有把患者的呼吸引入压力检测柱76，避免了压力检测柱76的污染。
在把空气管12的缺口27放入外壳管51内之后，更加具体地说，放在对齐薄片51上之后，套管21的远端应该和外壳管51的远端齐平。就此而论，肺活量计10是容易使用的。应该注意的是，空气管12比外壳管51长，当将空气管12正确地接合到外壳管上时，空气管12从外壳管51的一端伸出。相当长的空气管12减小了肺活量计使用者呼出的空气与外壳终将接触并且污染外壳的危险。
图6表示一个肺活量计的总体操作，肺活量计用标号10概括表示。以下所述是肺活量计10在空气管12正确就位并且相对于压力检测柱76定位后的总体操作。在下面给出的总体操作评述后，将要更加详细地描述本发明校准方法和设备。对于使用按照本发明的任何肺活量计(如肺活量计10)，这个总体描述都是适用的。通过端口24(图2)与压力检测柱76进行通信。作为进一步的保护措施，压力检测柱76配有一个过滤器，当然这并非是必须的。压力检测柱76与一个压差式或“测量”型压力传感器80通信，压力传感器80例如可以是由Motorola以商标MPX2020D销售的一种传感器。压力传感器80在一对输出线82上产生一个电信号，这个电信号正比于在压力检测柱76和一个检测的大气压力之间的压差。这个信号由一个差分放大器级86放大，并加入到一个模拟／数字转换器88，模拟／数字转换器88把放大器的输出转换成数字信号。
转换器88的输出加到一个微处理器90，微处理器90是控制电路16的一部分。微处理器90使用由空气管12上的编码信息提供的校准数据，并且结合存储在一个ROM中的一个算法，以实现对于来自于转换器88的信号的几种运算，并且在一个显示器94上，例如一个常规的监视器或液晶显示模块，显示校准的最终结果，如体积和流速。微处理器90例如由一个电源91供电，电源91或者是一个电池组，或者是一个能够耦合到或连接到常规的电网电源的连接器。可激励开关96以便通过微处理器90启动肺活量计的操作。可以在一个RAM98中存储每次测量期间得到的结果供未来参考。还可提供一个输入／输出端口100，以便可以改变微处理器90的编程。进而，可以对微处理器90进行编程，从而使微处理器90可以按照命令通过输入／输出端口100向一个打印机或一个计算机下载在RAM98中累积的结果。Waterson等人的美国专利第5137026号提供了有关一个常规的肺活量计的操作的细节。当一个患者已经有了使用肺活量计10得到的有关治疗和诊断的结论时，从外壳管上拆下这个可生物降解的空气管12，并且可以按照环境允许的安全方式对其进行处理。
如图1和1A所示，外壳14的结构适于握在使用者的一只手里。例如，外壳14的手柄102的结构易于手握。此外，提供手指刻痕104，以使手持这个设备更加容易。在可替换实施例中，可把手指刻痕104放在不同的位置，或者在另外的可替换实施例中可完全省去手指刻痕104。
图1和1A中所示的实施例包括位于手持式外壳14中的控制电路16。与外部计算机或打印机的通信可通过电缆106进行，电缆106可使用在外壳14上的塞孔105连到转换器上，塞孔105例如是一个常规的RJ-11型快接塞孔。如当前可以实施的，通信还可能通过常规的可在外壳14和外部计算机或打印机之间操作的附加红外数据(IRDA)链接进行。外壳14中的电路最好由一个电池组供电，例如用一个常规可充电的镍镉电池。如果使用这样的电池组，外壳14可以包括一个可为电池组充电的端口。
在图1和1A所示的实施例中，微处理器90可以是一种专用的微处理器，其中包括一个有透明覆盖物的小键盘，适于专门控制肺活量计的操作。按另一种方式，微处理器90可以是有整个键盘的通用个人计算机、视频监视器、硬盘驱动器、和打印机的一个部件，专用的微处理器是特别有益的，因为它相当简单、费用低、使用容易。此外，外壳14的手柄102包括一个锥形部分107，如图1A所示，这样作便于例如在两次使用之间在一个平的表面上放置和保持这个外壳。
图1和1A所示的实施例或者用作一个完全新型的肺活量计，或者使用空气管12和外壳14来改进现有的肺活量计。例如，一个现有的肺活量计包括一个手持单元，其中包括一个永久性的呼吸管、压力检测柱、压力传感器、放大器、和模拟／数字转换器，并且将其连接到一个专用的控制系统，这个控制系统以基本上类似于控制电路16的方式操作。只要简单地用外壳14和接合到或放置在外壳14中的部件去替换现有的手持单元，就可以产生一个具有本发明的许多优点的改进的肺活量计。图7是沿图1的线7-7取的图1的肺活量计10的一个剖面图。
在图8和9中表示的是另一个实施例。这个肺活量计总体用210表示，除非这里另有明确说明，这个肺活量210的构成方式类似于肺活量计10。和肺活量计10对应的肺活量计210的部件具有对应的标号，但要再加上200。
肺活量计210和肺活量计10之间的主要差别与空气管212的结构以及外壳管251的结构有关。空气管212的结构基本上类似于空气管12，只是在靠近开通的出口248的区域提供两个定位端口107和108。外壳管251的结构起空气管212的支架的作用，而不外壳管51那样包围空气管212。此外，外壳管251包括两个向上延伸的突起109、110，这两个突起的位置适于在将空气管212耦合到外壳管251上时由定位端口107和108分别接纳。借助于由定位端口107和108接纳或啮合的突起109和110，使端口224(未示出)与压力检测柱276(未示出)正确对齐。
如图8和9所示，在外壳214的手柄302上定位微处理器90的有透明覆盖物的小键盘112。此外，这个实施例最好包括较大的ROM，并且，显示器94定位在外壳214中有透明覆盖物的小键盘112的下方。在肺活量计210中，电源91是一个电池组，例如是常规的可充电的镍镉电池，电源91定位在外壳214内。在外壳214上的端口114适于在电池组91和常规的电池充电器之间进行通信，以备在需要时为电池组充电。I／O端口100也由外壳124携带，并且在希望从电子学电路111向这样的其它设备下载信息时I／O端口100在微处理器90和计算机或打印机之间提供方便的通信。就图1的实施例而论，在手柄302上还设置一个IRDA光学端口。肺活量计210是可由单个病人操作的一个自备单元。
为了操作肺活量计210，把空气管212接合到外壳管251，使突起109和110分别与定位端口107和108啮合。然后患者激励位于有透明覆盖物的小键盘112，并且使用肺活量计210进行任何期望的治疗和／或诊断操作。当期望从外壳管251拆下空气管212时，可从这个外壳管上简单地抬起可生物降解的空气管212，并且按照环境可接收的方式将其丢弃。再次参照附图6，在肺活量计10的外壳14内设置一个特征识别单元304。特征识别单元304最好包括用于识别条形码之类的长条的设备。特征识别单元304设在外壳14中，以便在空气管12装在外壳14中时与空气管12上的一个特征序列306(最好是条形码状的长条)对齐。按照本发明，在特征序列306内对于有关空气管12的校准信息和／或跟踪信息进行编码。这个编码的信息由特征识别单元304读出并且经过线308传送到转换器88，然后再传送到微处理器90。转换器88最好包括8个输入端。在这8个输入端中，两个输入端接收压力传感器80的信号，一个输入端接收流动管压，一个输入端用于鼻气流计(鼻气压)。在一个替换实施例中，用于鼻气流计的输入可用来接收脉冲血氧定量测量输入。如当前可以实施的，特征识别单元304可以设在肺活量计10的外壳14内，以便自动读出特征序列306，但按另一种方式，也可以手动完成从特征序列306的信息读出。例如，在紧挨着特征序列306的位置可以设置人可读出的特征。此外，按照设计的意愿，肺活量计10可在每次读出之前、之中、或之后从特征序列306读出信息。
在肺活量计10的操作完成之后，按照本发明应该丢弃空气管12。在每次使用之后丢弃每个空气管减小或避免了患者的交叉感染。使用之后丢弃每个空气管，还可减小在空气管中积累的凝结，从而提高了精度。在当前优选的实施例中，肺活量计10比较在每个新空气管12的特征序列306中的信息，以便确定一个新的特征序列306的确存在。因此，在肺活量计10每次操作之前，最好都通过特征识别单元304读出来自于特征序列306的信息。在RAM中存储由特征识别单元304读出的信息，以备将来参考。如果没有检测到新的特征序列306，则肺活量计10要认为上次读出后还没有更换空气管12。
在肺活量计10每次新操作之前，特征识别单元304都要读出特征序列306中的信息，从而可以保证先前用过的空气管已经拆下。如果特征序列306中的信息对应于存储在RAM98中的信息，即对应于先前读过的特征序列306，则作出确定先前使用的空气管仍旧存在。一旦有了这样一种确定，即先前用过的空气管还没有拆下来，肺活量计10按照本发明将要整体地或部分地停止操作。例如，肺活量计10可能会拒绝提供读数，直到安装了一个新的未使用过的空气管为止。按另一种方式，可以激励一个报警，例如可视的或可听见的报警。在另一个实施例中，肺活量计将整个地或部分地停止操作，并激励一个报警。
肺活量计10可以包括一个比较器，用于比较每个空气管的每个特征序列306的整体，或者使它的结构只能比较每个空气管的每个特征序列306的一部分，从而可防止重复使用。在每个特征序列306内，除了要提供校准信息外，最好还要提供一个唯一的跟踪特征或跟踪特征序列。可对肺活量计10编程，以便保持已经使用过的空气管的记录。例如，肺活量计10的结构适于保持肺活量计10已经读出的100个用过的空气管的记录。在肺活量计每次新的操作之前；要将新的特征序列中的信息与用过的100个空气管的特征序列中的信息进行比较，以便保证不会重新使用老的空气管。
特征识别单元304最好是适于读出条形码特征序列306的一个光特征识别单元，但按另一种方式，还可以实施其它的信息传递技术。例如可以使用磁特征识别、光数字识别、光符号识别、等，只要空气管12的校准信息传送到微处理器90就行。优选地，特征识别单元304包括一个用于识别条形码的线性阵列。
图6A表示沿图6的线6A-6A取的一个剖面图。如当前实施例化的，光源310沿箭头A1的方向向设置在空气管12的表面上的一个特征序列306投射光。如当前实施例化的，特征序列306包括一个条形码标签，或者按另一种方式，包括直接印在空气管12上的条形码。光源310的光从特征序列306开始沿箭头A2方向反射，并且进入一个自聚焦透镜阵列313。来自于自聚焦透镜阵列313的光随后聚焦到光二极管线性阵列315。光二极管线性阵列315产生电输出，这个电输出随后由转换器88以及后边的微处理器90解释(图6)，从而可以鉴别包含在特征序列306中的跟踪信息和／或校准信息。按当前优选的实施例，将一个楔形黑色塑料保持架318设置在光源310、自聚焦透镜阵列313、和光二极管线性阵列315之间。这个楔形黑色塑料保持架适于在这里固定这3个元件以便在肺活量计10的外壳14内正确对准。
图10表示的是当前优选实施例的特征识别单元304的一个透视图。光源310的光聚焦在位于空气管12上的特征序列306上。由当前实施例化的自聚焦透镜阵列313接收反射光，反射光相对于光源310所成的角度321约为45度。光源310和自聚焦透镜阵列313这两者的长度基本上平行于穿过特征序列306扫描的中心扫描线323。
光二极管线性阵列315的位置大体上平行于自聚焦透镜阵列313，并且适于接收来自于自聚焦透镜阵列313的光。在一部分自聚焦透镜阵列313上方设置一个外来光的光阑327，并且在光二极管线性阵列315的上方设置另一个外来光的光阑。
图13表示按当前优选实施例的夹紧型的挡光器325，用于容纳自聚焦透镜阵列313。挡光器325最好是黑色塑料的，并且可以通过摩擦力装配在自聚焦透镜阵列313的周围和／或使用粘结剂固定到自聚焦透镜阵列313。按设计意愿，可以按另一种方式实施较便宜的挡光技术。如以前参照附图6A所说的，光源310和自聚焦透镜阵列313这两者，并且更加优选还有光二极管线性阵列315，都设置在楔形黑色塑料保持架318上。楔形黑色塑料保持架318在光源310和自聚焦透镜阵列313以及光二极管线性阵列315之间提供正确的角度。楔形黑色塑料保持架318还便利于保持光源310、自聚焦透镜阵列313、和光二极管线性阵列315相互之间以及相对于空气管12的正确空间关系。楔形黑色塑料保持架最好是黑色的，以便抑制光的反射。自聚焦透镜阵列313的全共轭焦距约为9．4毫米，这是从光二极管线性阵列315的灵敏内表面到特征序列306的目标表面测得的。如当前可以实施的，自聚焦透镜阵列313包括一个由Nippon Sheet Glass Co．，Ltd制造的SelfocR透镜阵列。这个自聚焦透镜阵列313定位在光二极管线性阵列315和特征序列306之间的中间，从而使光二极管线性阵列315和特征序列306都在自聚焦透镜阵列313的焦点上。如当前实施例化的，自聚焦透镜阵列313距特征序列306的距离是2．5毫米，距光二极管线性阵列315的距离是2．5毫米。
当光源310照射特征序列306时，通过自聚焦透镜阵列313向光二极管线性阵列315传送沿特征序列中心线323的特征序列306的图像的一个约为1毫米宽的部分。如当前可以实施的，自聚焦透镜阵列313的长度约为18-20毫米，并且自聚焦透镜阵列313是一个单排的透镜336。自聚焦透镜阵列313最好略长于光二极管线性阵列315，而光二极管线性阵列315的长度是16毫米，从而可保证整个光二极管线性阵列315可以接收图象，允许在自聚焦透镜阵列313上有±1毫米的非准直性和／或端部透镜损失。虽然上述的取向、距离、和容差是优选的，但在另外的替换实施例中还可以实施不同的取向、距离、和容差，以产生类似的结果。在339和340表示出表示出自聚焦透镜阵列313的一个示例性单个透镜336两个焦点，透镜阵列没有按比例画出。
光二极管线性阵列315最好包括由Texas Instruments制造的型号为TSL215的一种智能光传感器，并且包括一个128×1的线性阵列，由128个电荷方式的象素组成。光二极管线性阵列315优选的是一种电荷耦合器件(CCD)，选择它的原因之一是容易使用。光二极管线性阵列315包括集成的时钟发生器、模拟输出缓冲器、和CCD电路可能需要的采样和保持电路。焦点340的聚焦位置例如在光二极管线性阵列315的上表面的下边约1毫米处。
如当前实施例化的，除了外加的挡光器327外，在灵敏表面346上还要设置一个干净的塑料包装344，如图12所示。中心扫描线346向灵敏表面346上伸出，如线348所示。如当前实施例化的，焦点340(图10)在干净的塑料包装344的上表面的下边约1毫米，并且伸向阵列的灵敏表面346。
当由微处理器90(图6)激励光源310时，光投射到光二极管线性阵列315的灵敏表面346上。如图11所示，微处理器90使用“照射接通”信号线350激励光源310，信号线350连到微处理器90的一个并行端口插针352。如当前可以实施的，光源310包括约为45毫烛光(流明／球面度)的一个有4个发光二极管元件的阵列，其波长约为635纳米，并且是一个近似的朗伯光源。按照本发明，光源310在中间两个灯上的偏置电流为20毫安，在两端的两个灯上的偏置电流为25毫安，从而可以沿特征序列306提供一个均匀的照射。光源310提供的照明大约为23毫瓦／厘米2，光源310定位在距用标号354表示的目标条形码约7毫米处。位于光源310和自聚焦透镜阵列313之间的光阑325抑制杂散光。本发明引入的波长是635纳米，这个波长粗略地匹配约为750纳米的光二极管线性阵列315的传感器峰值灵敏度。在光二极管线性阵列315中获得的灵敏度约为在750纳米波长的100％的最大线性阵列灵敏度的80％。光源310的长度约为16毫米。如当前实施例化的，光源310只在条形码读出期间才由微处理器90激励，因为很显然，光源310的激励是要消耗功率的。光源310和光二极管线性阵列315这两者最好外包括安装在柔性印刷电路板上的集成电路，并且相互之间形成一个45％的二面角321 。
参照附图11，光二极管线性阵列315的图像积分时间从通过微处理器90产生的在线360上的一个短脉冲开始，这个短脉冲进入光二极管线性阵列315的串行输入插针362。在大约1—10秒后，输入第二个串行输入脉冲，使其在线360上进入光二极管线性阵列315内。在这个第二串行输入脉冲之后，通过以在10千赫兹和100千赫兹之间的频率计时时钟插针366在图像输出插针364读出这个图像，其中使用了129个或更多个时钟脉冲。最终的信号放在串行视频输出线368上。在上述的计时操作期间，通过模块／数字(A／D)转换器370读出串行视频输出，这个串行视频输出是一个模块电压，最好有12位的精度和0-5伏的输入范围。模块／数字转换器370在数据总线373上输出数字数据，它反映每个视频脉冲的幅度，并非因此反映光二极管线性阵列315的每个传感器像素的暗度。随后由微处理器90读出在数据总线373上的这个数字数据。模块／数字转换器370由微处理器90控制，这个转换器370有一个大约为10毫秒的转换时间。因此，可以对光二极管线性阵列315计时，最多为10毫秒(100千赫兹)。
光二极管线性阵列315通过一个3端电压调节器375供电，从而可以把电源噪声和视频阵列噪声保持在最小。虽然Texas InstrumentTSL215当前是优选的，但还可以使用一种新的Texas Instrument产品TSL1402代替。这后一种型号在相同的16毫米长度上包括两倍数目的像素。这种型号有两倍的分辨率，并且允许有更多的数字和更大的可靠性。这后一种型号是插针兼容的，因此可以简单地从129到257改变时钟循环数，并对于光饱和不太敏感。TSL1402还不要求40毫秒的启动像素充电周期，并且有可能提供两倍的速度和精度。
特征序列306最好包括一个条形码，该条形码有任何一个交替的2／5ITF序列，可提供大约3个十进制数的校准数据再加上一个检查和数字，或者按另一种方式，可包括一个普通的二进制码。普通的二进制码在当前是优选的，这个普通的二进制码的配置适于提供大约5．5个数字再加上大约6位的二进制检查和。这个二进制码是带有恒定宽度的条和空间的一个NRZ(不归零)的码，再加上一个开始标记。这种配置可以保证码的宽度恒定不变，并且在每一侧允许有1毫米的码定位误差。对于条形码中的最小的白色和黑色条的宽度进行选择，使这些宽度是在光二极管线性阵列315上的至少2-3个像素的宽度。由于光二极管线性阵列在光二极管之间的间隔为0．125毫米，所以最小的条宽度约为这个宽度的两倍。这个结构可以保证在光二极管线性阵列315的视频输出中至少有一个位置将变为全高或全低，因为在阵列315中的一个像素是全黑或者是全白，不会定位在黑条和白区之间的中途。通过软件来解码相对于光二极管线性阵列315的视频输出中的其它电压的这个全高或全低电压，以便可靠地指示条的位置。
由于光源310最好具有恒定强度，所以要通过本发明补偿光源强度在各个单元之间的变化和随时间的变化。出于这个理由，并且为了补偿传感器效率，要对光二极管线性阵列315的光的积分进行调节。通过增加在所说的线360上的串行输入脉冲之间的时间，即增加光的积分的时间间隔，就可增加从光二极管线性阵列315读出的图像视频信号的电平。在读出每个条形码后，如果条形码的幅度数据太低，要调节积分时间使之增加，直到它的幅度足以检测到由白到黑的差别时为止。来自于每个读出操作的整个串行视频数据流的总幅度形成一个非线性曲线，这是因为光强度沿光源发生了变化的缘故。在软件中，按照本发明，一个运行差平均值或其它指示符表示沿整个视频数据长度的从白到黑的近似阈值。通过软件比较，这个平均值可用于检测从白到黑的数据。通过软件滤除高频噪声，最终的数据流包括条形码的图像。如当前可以实施的，根据所用的码，通过NRZ二进制法或交错的2／5方法，解码这个最终的数据流。如果数据位没有发生变化、并且当数据位的确发生变化时但没有改变条形码颜色，这个NRZ格式就要改变条形码的颜色。在或者通过NRZ方法或者通过交替的2／5方法解码后的最终数据流包括开始时在空气管12上编码的原始的二进制或十进制数。然后使用这个数来校准肺活量计的流量传感器。
在每个条形码读出之前，必须通过一个40毫秒的操作周期预先准备好光二极管线性阵列315，借此允许128个像素中的每个像素都可正确地从白变到黑，反之亦然。在这个预先准确周期期间，光源保持接通，并且忽略来自于条形码的数据。随后完成几次条形码扫描直到获得正确数据为止，正确数据是通过嵌入条形码中的检查和判断的。因此，整个读出操作约为40毫秒再加上每个条形码扫描的5毫秒，或者约为100毫秒。每个条的扫描需要128×10毫秒的最小时间，或128×100毫秒的最大时间。如以上所述，这个时间由所需的积分时间确定。
在所有的条形码扫描期间，最长为100毫秒，光源310连续地接通，并且在各个5毫秒之间光源310不断开，因为在整个积分时间都必须照明各个像素。对于一个嵌入式微处理器的16位定时器进行编程，以产生10—100毫秒的重复时间周期，每个时间周期产生一个中断。一个定时器中断启动一个在需要时用于输出积分启动脉冲的程序，然后输出由定时器计时的129个同步脉冲。在每个同步脉冲，由微处理器90通过数据总线373读出模拟／数字转换器370。并地行存储以备后来分析使用。在129个同步脉冲结束后，定时器停止操作，由微处理器90分析这些数据，以便利用连续的滤波和平均对于每个像素都找到活动的白—黑阈电平。然后，用软件来滤波这些数据，并且将这些数据和这个活动的阈电平比较，然后再将其转换成条形码。在当前优选的实施例中，一次取8个左右的条形码并且对其进行存储，需要8×12．5毫秒或100毫秒的最大时间，因而不必重复40毫秒的起始像素充电时间。
就自聚焦透镜阵列313而论，如果制造过程没有作出保证，则可能必须调节这个装置，以便在±0．3毫米内准确地聚焦在特征序列306上。可能必须在一个暗光条件下调节焦距，同时一个诊断程序在微处理器90上运行，这个诊断程序并且要连续地扫描特征序列306，由读出特征序列306输出读出的误差的百分数。最好对这个焦距进行调节，直到误差消除时为止。最好把最坏的情况或随机的条形码实例用于这个程序步骤。
按照校准所说的空气管12并且将特征序列306形式的校准信息放在空气管12上的方法，要检验来自于生产线上的大批量的空气管12的初始样品。如当前可以实施的，检验步骤包括每个空气管12放到在呼气方向流速为7．5升／秒的一个空气流中。在空气管12的直通端口24(图2)的上方设置一个类似于图6中在76处所示的传感器柱，并且这个传感器柱连接到一个高精度的压力传感器上。在管中可能需要一个机械式共振滤波器。对于每个管，记录在响应呼气方向的流速为7．5升／秒的空气流下的所测压力，随后对于每个管都获得在呼气方向的相同空气流速下的一个类似的所测压力。
本发明认为，虽然在每个空气管12之间存在着在制造方面的差别，但是对于每个空气管12，压力输出相对于气流输入的曲线却明显地相似。更加具体地说，这个压力输出相对于气流输入的曲线在数学上可以用具有固定系数的3阶多项式模拟。每个空气管12的多项式都只改变一个增益因子。于是，按当前优选的实施例，可以对任何所述的空气管12进行校准，以便只通过用一个常数去乘所说空气管的响应，就可以复制一个理想的响应或模拟的响应。
由于压力输出相对于气流输入的曲线对于每个空气管12只变化一个常数，所以可对所说的空气管12的所测压力进行补偿，以便对于任何在0和16升／秒之间的任何指定的空气流速都可得到一个理想的压力输出。虽然在一个特殊实施例中描述了本发明，其中每个所说的空气管的校准都是通过对于每个气流方向(吸和呼)只产生一个校准常数来实现，然而本发明不限于这外典型的实施例。
按当前优选的实施例，在对于一个所说的空气管12获得沿吸气方向和呼气方向的空气流速的压力测量值以后，将这两个压力测量值与两个相应的模拟压力测量值进行比较。模拟压力测量值是通过平均来自于生产线上的大批量的空气管12的初始样品获得的，这是当前优选的方法。基于所说的空气管12的管压力测量值以及管模拟压力测量值来确定增益因子。例如，如果吸气方向的模拟压力测量值略微大于吸气方向的所说管的压力测量值，则要产生一个校正因子，以增加所说空气管12的压力测量值到模拟压力测量值。这个校正因子在当前优选的实施例中是一个常数。可以使用具有一系列所说的空气管12的测量值和对应的校正因子的一个查找表，这只是一个例子。如当前可以实施的，这样一个查找表可以包括大量的符合期望精度的压力测量值和对应的校正因子。如当前可以实施的，校正因子校准每个所说的空气管到一个期望的精度水平。进而，按当前优选的实施例，使用一个二进制数来代表任何所说的空气管12的两个校正因子。由于针对一个测量值要在吸气方向和呼气方向这两个方向测试所说的空气管12，所以将产生两个不同的校正因子，它们对应于所说空气管12的两个被测压力的速度。一个二进制数现在最好代表处在压缩形式的这两个校正因子，校正因子还可以从查找表中得到。
图14和15表示按当前优选的实施例的一个肺活量计设计外形的透视图。空气管212基本上由外壳覆盖，并且显示器94和有透明覆盖物的小键盘112大于在以前描述过的实施例中的这些部件。
已经针对各种特殊实例和实施例描述了本发明。可替换实施例可包括不同的设备、取向、距离和容差，只要可以自动发送空气管上的信息就成。可以理解，本发明不限于此，在下述的权利要求范围内，本发明可以按各种各样的方式实施。
权利要求
1．一种适于保持一空气管的肺活量计，该肺活量计包括一个框架，适于按可拆卸方式保持具有跟踪信息的空气管；一个特征识别单元，适于自动读出跟踪信息；和一个确定电路，适于通过比较读出的跟踪信息和至少一个参考信息来确定肺活量计中的空气管先前是否曾经使用过。
2．如权利要求1的肺活量计，其特征在于肺活量计进一步包括禁止装置，用于当确定电路确定出肺活量计中的空气管先前已被使用时禁止肺活量计工作。
3．如权利要求1的肺活量计，其特征在于肺活量计进一步包括激励装置，用于当确定电路确定出在肺活量计中的空气管先前已被使用时激励肺活量计报警。
4．如权利要求1的肺活量计，其特征在于肺活量计进一步包括存储器，用于存储至少一个参考值。
5．如权利要求4的肺活量计，其特征在于该至少一个参考值包括先前由特征识别单元从另一个空气管上读出来的跟踪信息。
6．如权利要求4的肺活量计，其特征在于该至少一个参考值包括多个参考值，该多个参考值中的每一个都对应于先前由特征识别单元从单个空气管上读出来的跟踪信息。
7．如权利要求1的肺活量计，其特征在于所述框架适于按可拆卸方式保持一个空气管，所说空气管具有压力响应和有关空气管的压力响应的可机器读出的校准信息；并且所述特征识别单元适于自动读出校准信息。
8．如权利要求7的肺活量计，其特征在于肺活量计进一步包括一个压力检测组件，适于检测由框架保持的空气管中的压力，并且至少部分地根据空气管中的压力提供压力数据。
9．如权利要求8的肺活量计，其特征在于所说的确定电路适于自动处理由特征识别单元读出的校准信息，所说的确定电路适于使用读出的校准信息自动校正由框架保持的空气管的压力响应至一个模拟空气管的压力响应，所说模拟空气管的结构和尺寸基本上类似于由框架保持的空气管的结构和尺寸。
10．一种适于保持一个空气管的肺活量计，所述的肺活量计包括一个框架，适于按可拆卸方式保持一个空气管，所说空气管具有一个压力响应和与该空气管的压力响应有关的校准信息；一个压力检测组件，适于检测由框架保持的空气管中的压力，并且至少部分地根据空气管中的压力提供压力数据；一个特征识别单元，适于读出校准信息；一个存储器，用于存储由特征识别单元读出的校准信息；一个电路，适于处理由特征识别单元读出的校准信息，所说电路适于通过比较读出的校准信息和在存储器中的参考值确定肺活量计中的空气管先前是否使用过。
11．如权利要求10的空气管，其特征在于所说的电路进一步适于使用读出的校准信息将由框架保持的空气管的压力响应校正至一个模拟空气管的压力响应，所说模拟空气管的尺寸基本上类似于由框架保持的空气管的尺寸。
12．如权利要求10的空气管，其特征在于该校准信息是机器可读出的。
13．如权利要求10的空气管，其特征在于该特征识别单元适于自动读出校准信息。
14．如权利要求10的空气管，其特征在于所述空气管进一步包括跟踪信息，跟踪信息和校准信息是分开的并且是不同的。
15．一种用于肺活量计中的空气管，包括一个具有外表面的管状件；和设在空气管的外表面上的跟踪信息，该跟踪信息提供空气管区别于其它空气管的唯一识别特征。
16．如权利要求15的空气管，其特征在于空气管进一步包括机器可读出的校准信息，所说校准信息适于自动关联这个空气管的压力响应至一个模拟空气管的模拟压力响应，这个模拟空气管的尺寸基本上类似于这个空气管的尺寸。
17．如权利要求16的空气管，其特征在于该机器可读出校准信息除去字母数字文本。
18．如权利要求15的空气管，其特征在于校准信息包括条形码格式。
19．如权利要求15的空气管，其特征在于空气管是一次性的。
20．如权利要求15的空气管，其特征在于空气管是可生物降解的。
全文摘要
公开了一种其上设有跟踪信息的一次性空气管。还公开了一种用于读出在一次性空气管上的跟踪信息的肺活量计。跟踪信息可自动地保证空气管不会在不同的患者之间重复使用。跟踪信息因此减小或消除患者之间的交叉感染,并且通过减小在一次性空气管内的凝结积累提高了肺活量计读数的精度。
文档编号A61B5/00GK1278709SQ98811088
公开日2001年1月3日 申请日期1998年9月8日 优先权日1997年9月17日
发明者M·O·约翰逊 申请人:迪沙特蒙发展合伙人有限公司