专利名称：自动识别气体样品的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于精确识别包含在气体样品中的组分及其浓度的设备，例如识别包含在被麻醉的病人的呼吸气体样品中的呼吸和麻醉气体的浓度。具体来说，本发明涉及一种气体光谱分析器设备，用于按照所选的一个工作循环从光源经样品和基准气室向探测器的曲折光路发出辐射。
在医学监测设备领域中的一个问题是生产一种造价低廉、使用简单、测量极其准确迅速、并且适于测量引入麻醉领域的新麻醉剂的、用于测量呼吸气体样品中的麻醉剂浓度的设备。在麻醉领域，有四种常用的麻醉剂氧化亚氮、氟烷、安氟醚(enflurane)、和异氟烷。大多数现有的麻醉剂红外监测设备是通过在四个光波长测量呼吸气体样品的光透射率而进行操作的。使用矩阵数学来处理所得的测量结果，以识别包含在气体样品中的这四种麻醉剂中的一种麻醉剂及其浓度。
现有的麻醉剂红外监测设备一般要完成两个功能第一，识别呼吸气体样品中存在的麻醉剂第二，确定在呼吸气体样品中已识别的麻醉剂的浓度。或者通过设备中的分开的两组电路、或者通过一组共用的电路来完成这两种功能。这些设备都是一些已确定的系统，其中所用的光谱过滤器的数目等于该设备要识别的麻醉剂的数目。按照要使用能被要识别的麻醉剂强烈唯一吸收的波长的愿望，来选择光谱过滤器能够通过的波长。比耳定律(A＝ECL)给出如下的教导呼吸气体样品展现的吸光率和呼吸气体样品中的麻醉剂浓度基本上是线性相关的。因为在这个方程式中项E和L是常数，所以通过监测波长的特定吸光率值就可确定麻醉剂的存在和部分压力。如果每一种麻醉剂只在一个所选波长处吸收能量，那么分析的任务就很简单，每一种麻醉剂的浓度都和在这一波长处测得的吸光率成线性关系。然而，这些麻醉剂的化学性质类似，并且它们的吸收光谱一般都要重叠，共线性程度有所变化。因为吸光率缺乏唯一性，所以必须在所有的所选波长处测量呼吸气体样品的吸光率，才能识别并量化包含在呼吸气体样品中的麻醉剂。
现有的已确定的麻醉剂红外监测设备的一个基本的限制是，当呼吸气体样品包括一些普通的污染物时，例如包括酒精和甲烷，因这些污染物的吸收光谱与麻醉剂的吸收光谱是相互重叠的，这些设备不能检测足够多的光谱波长，因此不能精确识别麻醉剂。产生这一问题的原因是，分析样品(麻醉剂加上污染物)的数目超过了麻醉剂监测设备可以得到的光谱测量值的数目，因而使麻醉剂监测设备成为一个欠定系统。此外，在引进新的麻醉剂时，就必须重新设计麻醉剂监测设备，这种设备面对较宽范围的麻醉剂又变为一个欠定系统。
此外，现有技术的麻醉剂监测设备不能测量呼吸气体样品中的CO2气的浓度。为进行这种测量按惯例要提供单独的设备。
某些现有的麻醉剂监测设备的另一个基本问题是和使用多个放射源、多个光谱过滤器、和/或多个辐射探测器有关。在这种设备中的误差潜在来源包括源强或者光谱输出的变化、和光源及探测器之间的光学元件与光路有关的变化、以及探测器响应的变化。某些这种变化归因于多个系统部件(如，多个源或探测器)之间的差异或者单个部件的性能随时间而发生的变化，另外一些变化则归因于环境因素，如环境温度的改变。显然，在包括监测呼吸和麻醉气体在内的许多应用中，把这些潜在误差来源减至最小是至关重要的。
除了要消除误差来源外，还期望限制诸如辐射源和接收器部件之类的有源部件的数目，从而可简化分析器设计、减小成本、减小功耗和发热、增加可靠性。但是，对许多空间受到限制的应用中，还期望减小分析器尺寸。
某种现有的麻醉剂监测设备的另一个问题是设备的光源利用率不高。为了分析气体样品中的多种组分，可在多个波长处独立地分析穿过气体样品发射的光。某些常规设备通过依次定位在设备的光路中有不同波长透射率特性的光学带通滤波器来进行这样的多波长分析。另外一些常规的设备使用了带有全处在一个宽的光束区的相关的滤波器的多个分隔开的探测器。在上述的每一种情况下，大部分光源能量都没有用于气体分析的目的。结果，使这种设备的光源利用率都不高，产生了比所需热量更多的热量。
通过本发明的自动识别气体样品的设备和方法解决了上述问题并在本领域内取得了技术进展，本发明利用了一种新的技术构成来精确识别包含在气体样品中的分析组分以及它们的相应的浓度。这种设备的一个应用是识别包含在呼吸气体样品中的麻醉剂及它们的相关浓度。该设备发射预定频带的至少一束光，该光束穿过一个通过气体样品室的呼吸气体样品。对这个频带进行选择，使它能够包含所有感兴趣的分析组分的独特光谱特征。通过使用一个光路来确定呼吸气体样品中二氧化碳(CO2)和麻醉剂这两者的存在和浓度，在本发明的一个实施例中，该光路包括一个可变滤波器，该滤波器能够通过穿过气体样品室发射到光探测器阵列的光束的所选波长分量(7-10微米)。相对于可变滤波器来确定每一个光探测器位置，使光探测器只能接收到穿过气体样品室发射的光束的一个很窄的通带分量。处理器接收光探测器阵列的输出信号并精确识别包含在呼吸气体样品中的一种或多种麻醉剂的存在和浓度。
该设备可同时测量麻醉剂和CO2。通过专用的探测器(一个或多个)来提供CO2信号，该专用探测器设在一个单独的CO2滤波器的下方，CO2滤波器紧挨着可变滤波器。该专用探测器在光学方面与用于线性可变滤波器的那些探测器是分隔开的，但该专用探测器仍可成为一个单独的探测器阵列的一部分。如果不使用两种滤波器，那么还可以使用横跨单个通频带(例如3-5微米)的用于CO2和麻醉剂的所选波长分量。处理器使用多变量统计技术在多种麻醉剂之间进行精确区分。特别是，该麻醉剂监测设备使用了局部最小二乘法作为计算方法。这种方法比其它计算方法更加优越之处是可以彼此独立地计算每一个分析组分的回归系统和预测的浓度。此外，局部最小二乘法技术能较好地适用于在存在非线性时对分析组分浓度进行预测。最小二乘法是在该气体样品识别系统中实施的，该系统是一个“超定”系统，通过使用调谐到可提供有用信息(大的信噪比的信息)的光谱富集区的可变滤波器，该系统在每个采样周期都能提供过多数量的光谱信息。检测数目多于分析组分数目的波长的一个超定系统可得到更多的光谱信息，并且和一个确定的系统相比，该超定系统能够更好地分辨化学性质类似的分析组分的吸收光谱之间的细微差别。该超定系统处理的是来源于麻醉剂的独特光谱特征的光谱测量频谱图形，而不是寻求麻醉剂的光谱特征的单个独特特点。该麻醉剂监测设备可同步获得所关注的整个光谱，从而能够更加快速、更加准确地识别和量化包含在呼吸气体样品中的麻醉剂。
向自动气体样品识别设备提供一组麻醉剂试验样品和麻醉剂的组合样品以产生数据，这些数据代表用于特定的麻醉剂或麻醉剂组合的光探测器的输出信号的组合。处理器使用该数据产生一组校准值在随后的测量中，通过比较现行值与这组校准值，就可使用这组校准值来识别在呼吸气体样品中存在的麻醉剂及其浓度。通过提供新的一组校准值，处理器就能接纳新的输入，并且处理器借此可扩充它的功能以覆盖新的麻醉剂及其浓度，勿需修改设备。所关注的麻醉剂在所选的波长范围具有强烈的吸光性，一种新的麻醉剂在此范围也可能有强烈的吸光性。
使用下述的设备结构，即可很好地实现上述的特征从样品室的光源侧穿过样品室发送一个会聚的辐射束直接击中一个探测器，即可减小或者消除对探测器侧的集光元件的需要。这样一种设备包括在采样室一侧的一个辐射源、在采样室的相对侧的一个辐射探测器、以及在采样室的光源侧的用于收集光源的辐射的集光元件，以便形成穿过样品室朝向探测器的会聚光束。可以使用与探测器结合的一个滤波器，最好是一种可变滤波器，从而即可进行如上所述的多组分的或多色的分析。滤波器和探测器按此方式即可在采样室的出口端直接接收来自一个相对定位的光源的辐射，从而可减少探测器侧的部件和对空间的要求，减少下游方向的光损失。
在一个实施例中，从单个辐射源向单个辐射探测器提供两个光路。一个光路穿过包含待分析气体的样品室。使用通过另一个光路发出的辐射作为一个基准，这个辐射或者可定向穿过一个抽成真空的室，该室和周围环境连通，或者该室包含具有已知气体组分的样品。从光源开始经基准光路向探测器发出的辐射提供出一个有价值的光性能信息，用于精确确定待分析的气体的组分。光源最好定位在气室的上游方向，并且最好和热敏的光学元件及探测器元件、以及气体样品热屏蔽，以减小不期望出现的和热有关的变化。
该优选设备进而使用了一个光学斩波器，以便按照选定的工作循环经两个光路有选择地从一个光源发出辐射。每个光路都由接收光源的辐射的一个光学元件(如透镜或反光镜)部分地确定。该光学斩波器包括一个至少有一个可通过辐射的开口的可移动的辐射屏蔽。每个光路包括一个光学元件，该元件的位置应使相关的一些元件与光源至少隔开约90°。具体来说，相关的一些光学元件与光源分开约180°，即它们基本上是共线的。此外，该屏蔽最好是围绕光源定位的一个可旋转的圆柱体。该圆柱体除了提供光屏蔽外还能提供一定程度的热隔离。光学斩波器的操作可以与探测器的周期动作协调一致以实现期望的采样速率或工作循环。
该优选设备还使用了一个新颖的红外(IR)源。该红外源包括一个与细长的发射器板热接触的电阻加热器元件。该发射器板最好有一个大致平板形的发射器表面，并且具有两个指向相对的基本上平板形的发射器表面以照射两个光路则更好。在一个实施例中，该表面的宽度至少约3mm，长度至少约12mm。该发射器可由黑色的氮化硅构成。加热器元件适于连接到一个在100伏(有效值)下可提供功率的外部电源。红外源最好在至少约800℃-900℃的温度下操作，并发出黑体辐射，其中包括4-12微米波长区的辐射，特别是7-10微米波长区的辐射。红外源在至少约1200℃的温度下操作则更好。已经发现，红外源在优选温度范围中操作便于在下面将要详细描述的系统中进行极其准确的分析，并能改善信噪比。
图1以方块图形式说明本发明的自动麻醉剂气体样品识别设备的总体结构；图2通过该设备的顶视图说明该自动麻醉剂气体样品识别设备的附加实施细节；图3和4分别以分解的方块图的形式和侧视图说明光探测器设备的一个实施例图5-6按侧视图说明光产生装置；图7a和7b和8分别是气体样品和基准室的前视图、顶视图和分解的透视侧视图。
图9以方块图形式说明在探测器电路中使用的数据转换装置的结构；以及图10a和10b分别是图1的设备的光源的侧视图和底视图。
图1以方块图的形式说明气体样品自动识别设备的总体系统结构，图2说明该设备的附加实施细节。该气体样品识别设备1有两个功能，即探测穿过气室20的气体样品中包含的分析组分的存在并且测量它们的浓度。这里作为本发明的一个优选实施例描述的麻醉剂监测系统设备只表示本发明的概念的一种应用，该气体样品识别设备1的总体结构完全可以同样应用到在气体样品中包含一种或多种分析组分的、并且必须精确确定这些分析组分的存在和浓度的其它一些应用场合。基本的系统结构在图1中，表示出一个气体样品识别设备1，该设备1包括光源10、反光镜13-16、气室20、探测器电路30、和计算电路40。在操作中，气体样品穿过气室20，同时光源10产生的至少一束光通过气室20被发射出去。该气体样品具有由包含在气体样品中的组分类型及其浓度确定的透光率特征。因此，通过包含在探测器电路30中的各种滤波器和探测器元件对穿过气室20中的气体样品的光束进行光学处理。产生可被计算电路40用来精确识别包含在该气体样品中的组分及其相关浓度的电信号。在该设备应用到麻醉剂监测的情况下，从被麻醉的病人那里获得的呼吸气体穿过气室20，从而即可识别二氧化碳(CO2)的存在和浓度、以及在病人的呼吸气体中的一种或多种麻醉剂的存在和浓度。这些测量必须在识别使用中的麻醉剂的存在以及这些麻醉剂的浓度这两个方面都极其准确，以避免对病人的伤害。
在麻醉领域，有四种常用的麻醉剂氧化亚氮、氟烷、安氟醚(enflurane)、和异氟烷。现在正在引进的其它的新麻醉剂是脱氟烷(desflurane)和七氟醚(sevoflurane)。因此，探测器电路30和计算电路40必须具有测量气体样品中的透光率的微小差别的能力，只有这样才能区别出各种麻醉剂和以各种浓度使用的麻醉剂的组合。气体样品识别设备的外壳图2表示气体样品识别设备1的一部分的附加实施细节。该气体样品识别设备1一般装配在一个外壳201里，外壳201的作用是提供一个保护气体样品识别设备1的元件不受周围环境影响的封闭空间。外壳201由漏气很少但在整个宽温度范围内尺寸稳定的材料(如铝)制成。外壳201还起一个刚性底盘的作用，该气体样品识别设备1的各个元部件都固定并定位在外壳201上。图2的气体样品识别设备1的顶视图中的外壳201是拆除了它的上盖板后的状态。外壳201分成两个部分211、212。第一部分211容纳光学元件11-16、和气室20，第二部分212容纳光探测器30和至少某些计算电路40。隔板213形成了第一部分211和第二部分212的一个共用的壁，它的作用是提供一个屏障，用于限制杂散光从第一部分211传递到第二部分212。光源图5和6表示用于该气体样品识别设备1的光源10的两个侧视图。光源10包括一个安装在图2的外壳201中的“黑体”红外光源11。红外光源11由装在外壳201的上盖板202上的一个鼓形光学斩波器412包围，并且产生期望波长带的光束。红外光源11是一个没有其它特征的“条”形元件，它有两个平直的、180°相对的发射表面，由此可以产生从红外光源11开始沿相对的两个方向发射的两个光束。通过反光镜13-16向气室20发送红外光源11的图像，因此使用没有其它特征的平直光源能使加到气室20的光束最为均匀。
所示的光源11发射包括至少一种感兴趣的呼吸/麻醉组分的特征吸收频带的光。虽然可以使用各种波长或光谱，其中包括红外、可见、和紫外波长范围，但所示的光源11是发射波长范围为4-12微米的光的多色黑体红外光源，特别是波长范围为7-10微米的光的黑体红外光源，这一波长范围包括了几种呼吸/麻醉组分的强吸收频带。
如图10a和10b所示的光源11为细长的基本上均匀的条。如以下将描述的，所述系统的探测器由一个列形的探测器阵列组成，即为一个1×N的阵列。使用与可变滤波器结合的探测器阵列，以使阵列元件能对穿过期望的光谱范围的多个波长或波长带提供强度检测。细长的均匀光源11与所示成像光学元件组合起来可对该探测器阵列进行完全的、基本上均匀的、并且强烈的照射，从而可强化多色分析。
该光源11包括夹在发射器板124和126之间的加热器元件122。加热器元件122可以是任何一种适宜的电阻元件，最好把加热器元件122盖在板124或126中的一个上，板124或126用作一个基片，当然还可以使用单独的电阻丝。所示的板124和126由黑色的氮化硅构成，约3-3.5mm宽、约12mm长。通过氮化硅基片板124或126把至所示加热元件的引线直接连到一个电源上。为能提供期望的照射，该光源最少在至少800℃-900℃的温度下操作，大于900℃则更好。所示的光源通过100伏有效值的电路128供电，并且达到约1200℃的温度。已经发现，在优选的温度范围中操作可改善信噪比，并且可以改进所示高频斩波光路设备1所涉及的总体性能。
光学斩波器412包括一个电机411，电机411通过一个轴固定到光学斩波器鼓412上，在鼓412上至少形成一个孔413。当光学斩波器鼓412旋转时，通过孔413交替地发射出由红外光源11发出的两个光束，孔413把这两个光束传递到球面镜13、14中的相应的一个球面镜上。孔413大体为矩形，有圆形的角。孔413的尺寸和形状应使光学斩波器鼓412的25％转动循环时间照亮气体样品室22a，接下去的25％循环时间是黑暗时间，而后的25％循环时间照亮基准室22b，再接下去的25％循环时间又是黑暗时间。
球面镜13、14把从光学斩波器鼓412接收到的光束分别聚焦到平面镜15、16上。平面镜15、16产生小角度弥散的光束，分别将该光束加到气室20的气体样品室22a和基准室22b。这种结构能够确保光束在室22a、22b上的入射角是一个很小的值。镜13-16是由热稳定并且强反射的材料(如，抛光的铝)制造出来的。这些镜必须能反射红外波长光并能保持它们的准直性，通过用相同的材料来制造外壳和反光镜就能简化这一要求，借此作为一个因素可消除热特性的差异。
球面镜13、14、平光镜15、16、和气室20的相对几何位置确定了两个光路，使在探测器电路30上的两个光束入射角几乎成相互垂直关系。为了提高包括可变滤波器在内的探测器电路30的操作效率，最好使该入射角和垂直关系相差大大小于30-35°(例如，如果使光束直接从球面镜13、14反射到探测器电路30而不介入平光镜15、16就可能得到该角)。更为优选的是，该入射角和垂直关系相差小于15°左右，以减小光谱模糊。在所示的实施例中，限定的入射角和垂直关系相差小于约15°，例如对于该探测器阵列的中央定位的象素约为10°，对于其外部的象素为14°，所有这些角度全在滤波器指标规定之内。麻醉剂探测器-光学处理图7a和7b分别是气室20的前视图和顶视图，图8是一个分解的视图。气室20由共面并且并排设置的气体样品室22a和基准室22b组成。气室20包括一个框架20a，氟化钡窗口22b固定到框架20a上，因此只有波长范围为0-12微米的光可进入两个气室部分22a、22b。氟化钡窗口20c也固定到框架20a上，在窗口20b的相对的一侧。将框架20a、窗口20b、20c组合起来，产生一个密封的基准室22b，室22b有一个向外壳201的内部的周围压力和气体环境开通的出口。基准室22b可按不同的方式抽成真空，或者包含不会吸收用于气体样品室22a的感兴趣的波长的选定气体。光源10发出的两个相同的光束经过相同的光路穿过气体样品识别设备1。光路中的唯一差别是，基准室22b不包含呼吸气体样品、而气体样品室22a包含呼吸气体样品。因为除了存在呼吸气体样品外这两个光路是完全相同的，所以通过测量穿过基准室22b的光束的强度，该设备就可确定在所选波长的吸光率值的基线基准。通过计算穿过基准室22b的光束的强度的对数与穿过气体样品室22a的光束的强度的对数之比，就可确定在气体样品室22a中存在的呼吸气体样品的浓度。
将框架20a、窗口20b、20c组合起来，还可以产生密封的气体样品室22a，室22a在一端有入口21a和出口21b。如由图7a和7b清晰可见，来自病人的呼吸气体经入口21a进入气体样品室22a，并且沿和窗口20b并列的气体样品室22a的整个长度、然后沿窗口20c到达出口21b，并从出口21b射出。这就是说，窗口20b形成了入口通道220的一个壁，窗口20c形成了出口通道222的一个壁，因此呼吸气体样品可穿过气体样品室22a流通，如图7b所示。气体入口通道220和气体出口通道222沿它们的长度方向提供了基本上不变的横截面积，并且当通道进入气体样品室22a时通道220和222的形状逐渐改变成最终的平直扇形孔，从而沿窗口20b的整个宽度均匀扩展了气体样品，就此而论，当从上部观察时(图7b)通道220和222变窄，当从侧面观察时(图7a)通道220和222变宽，从而在室22a的入口和出口得到一个很窄的气体滑流。通过按此渐进方式形成的气体。可以最小的混合实现更多的层流和更加均匀的散布，从而提高了精度。另一方面，通过构成一个入口管21使气体垂直指向窗口20b，就可扩展入口的气体。通过光源10产生的两个相同的光束之一沿气体样品室22a的整个长度方向照射该气体样品。
在确定气体样品识别设备1的光学元件结构的过程中，重要的是要注意到，所用的光的光谱特性和各个象素的光谱分辨率是主要的设计考虑内容。所用光的波长最好应包括目标分析组分的某些独特的吸收频谱，同时还要覆盖污染物具有低吸光率的一个范围。探测器的数目和唯一识别所感兴趣的组分组所需的光谱测量数密切相关。获取一个气体样品的附加光谱特征，可提高分析能力，但因从一个呼吸气体样品可同时获取整个吸收光谱，所以探测器数目还和减小各个探测器上的信噪比相关。此外，需要光谱分析的样品数目越大，则气体样品室(线性可变滤波器的分布范围)越大，并且由于气体穿过气体样品室22a传递存在等待时间，所以响应时间越慢。按照被测的组分来选择气体样品室22a的路径长度。该路径长度应该足够长，以便使轻度吸收的组分能产生可测的强度变化，并且还不会使强烈吸收的组分把所选波长的入射光几乎全都吸收掉。就光谱分辨率而论，通过对线性可变滤波器的设计、象素宽度、探测器和滤波器的接近程度、和光在探测器上的入射角来确定象素带宽。对这个应用，所选的象素带宽是中心波长的0.69％。重要的是，要保持一个高的光谱分辩率以把和比耳定律的偏差减至最小，并且还能保持所感兴趣的组分的光谱区分特征。减小象素宽度就可提高光谱分辩率，但却会使每个探测器的入射光减少，并且可能减小信噪比。探测器图3和4分别表示光探测器装置30的侧视分解图和侧视图。光探测器装置30包括一个陶瓷封装件31，其中装有多个元件。由光学级的锗制成的一个阻断滤波器32封住封装件31，并可通过波长为4-12微米的光。两个滤波器元件CO2滤波器34和紧靠CO2滤波器34的可变滤波器35安装在阻断滤波器32的下方。CO2滤波器34由光学级的锗制成，并可通过一个窄带的、中心在4.26微米波长附近的光，它代表CO2的吸收光谱。可变滤波器35的结构能在7-10微米的波长范围中产生一个随空间变化的滤波器特性。因此，设在可变滤波器35后边的每个探测器的实际位置就确定了由该探测器探测的频带的所选通带组成部分。在这里公开的优选实施例中，选择基本上线性变化的滤波器特性在所选的感兴趣的通带上产生测量结果。为此可由一系列方法来实现，最好使用楔形滤波器，该楔形滤波器由在一个透明的基片上有选择地淀积的高、低折射率层交错构成。这些层的厚度按可控的方式逐渐变小，从而产生一个两维的可精确控制可变特性的干涉滤波器。按另一种方式，还可使用构成一个线性阵列的多个带通滤波器，象本发明的优选实施例那样，线性通带滤波器35的一端可通过的波长是7.2微米，而在线性可变滤波器35的另一端可通过的最大波长是9.8微米，可通过的波长是沿线性可变滤波器35的长度方向的位置的函数。只有光的波长和在该特定位置的可变滤波器35的滤波器特性一致的条件下，可变滤波器35才允许光从气体样品室22a离开。因此，通过沿可变滤波器35的长度方向在各个位置设置探测器331-33n，就能够探测到中心在所选波长附近的窄通带光(这里，简称之为“波长”)。每个探测器的位置确定了由气体样品室22a接收的光的波长。探测到的光的波长的数目和沿线性可变滤波器35的长度方向设置的光探测器331-33n的数目成简单的函数关系。要探测一个附加的通带光，只需简单地在和期望的光波长对应的一个位置增加另一个探测器33*即可。这样的元件结构，使设备的复杂性减至最小，并可相当简单地进行增加和改变。在信号线52上输出探测器331-33n产生的信号以作进一步处理，从而识别各种气体样品的存在和浓度，下面对此再进行描述。
设在CO2滤波器34和线性可变滤波器35下方的探测器元件33*阵列的功能是产生一个幅度正比于入射到阵列中每个探测器元件33*的光的强度的信号。入射到每个探测器33*上的光是位于CO2滤波器34和线性可变滤波器35中的对应的一个滤波器的下方的探测器33*的位置的函数。前置放大器电路36最好也包括在光探测器装置30中，电路36的作用是调节探测器33*产生的信号，以便经线52传送到计算电路40。数据转换装置每个光探测器33*输出的模拟信号经线52加到一个数据转换装置，数据转换装置是计算电路40的一部分，用于把光探测器33*输出的(并经前置放大器电路36调节的)模拟测量值转换成可被计算电路40用来进行确定的数字值。具体来说，图9用方块图形式表示出一个典型数据转换装置的总体结构，其中将探测器33*的输出加到具有预定增益特性的放大器42上，产生具有足够大幅度的信号以备进一步处理。在处理器46的控制下把来自于每个探测器33*的放大器输出加到模拟-数字转换器44上，转换器44把放大了的模拟信号幅度转换成一个数字表示值，该数字值代表相应的光探测器元件33*接收到的光束的强度的大小。然后把模拟-数字转换器44产生的数字式数据装入输入寄存器45，处理器46使用这里的数字式数据产生代表所接收的光束的强度的大小的数字渣。然后把这些计算出来的数字值装入输出寄存器47，以备传送到计算电路40中的附加电路以完成分析功能。对探测器采样处理的一些考虑由比耳定律可知，包含在气体样品中的一个组分的吸光率是该组分在用来照射气体样品的光的所选波长下的消光系数、该组分在气体样品中的浓度、和穿过气体样品的光的光程长度的乘积。气体样品中的每一种组分都有一个随波长变化的吸光率的唯一频谱，称之为该组分的吸收光谱。由于组分的吸光率服从比耳定律，所以可以使用线性分析技术来识别和确定可能包含在一个气体样品中的各种组分的浓度。如果在一个特定的波长(光谱吸收峰)N个组分中的每一个组分都吸收光，则仅需N个光谱采样值就能唯一确定一个气体样品中N个组分中的任何一个组分的存在。然而，光谱吸收峰在各个相关组分之间有些重叠，各个组分的吸收光谱相对来说还是各不相同的。因此，通过使用大于N次的光谱测量对气体样品进行采样，就能够获得足够多的分析数据来保证精确识别包含在气体样品中的组分以及它们的浓度。在气体样品识别设备1中，计算电路40使用已得到的光谱采样值来识别包含在该气体样品中的组分及其浓度。计算电路40使用多变量统计技术来精确区分各种麻醉剂。具体来说，麻醉剂监测设备1使用局部最小二乘法作为计算方法。和其它计算方法相比，这种方法的优点是可以彼此独立地计算每一个分析组分的回归系数和预测的浓度。此外，局部最小二乘法技术能使在分析组分的浓度的确定中的误差减至最小，确定浓度是该系统要完成的两种测量中的一种。局部最小二乘法技术能够处理组分的吸收光谱。在校准过程中使用线性分析技术来识别一个组分吸收特征的频谱。向自动气体样品识别设备提供一组具有各种浓度的试验用的麻醉剂，这是校准过程的一部分。然后，对这些组分建立预测分析模型，以使计算电路40能把试验用的那组麻醉剂的结果外推到包括在一个气体样品中的任何一种组分组合和组分的浓度上。光谱分析的局部最小二乘法建立局部最小二乘法模型是用于定量分析数据的多变量统计方法。这种方法是一种能够得到全光谱的方法，因为有了全光谱所以这种方法的优点是对信号进行了平均。因为在所测的吸光率和气体样品中的组分浓度之间存在基本上线性的关系，所以可使用一个校准步骤来确定来自于校准样品试验组的吸收光谱和组分浓度之间的关系。在校准步骤之后进行一个预测步骤，在预测步骤，使用校准的结果来预测或估算气体采样室20中存在的“未知”样品的组分浓度。这些操作步骤还可用于其它的一些多变量统计方法中，例如经典的最小二乘法和多次线性回归法。经典最小二乘法的主要缺点是，在感兴趣的光谱区中的所有干扰的化学组分都需已知并且都要包括在校准值中。多次线性回归法的主要缺点是，因为频率的数目受到校准混合物的限制，所以分析仅限于很小数目的频率，增加频率的数目将导致一个不切实际大的校准组。此外，在多次线性回归法中还包括测量噪声，所以预测结果的精确度比局部最小二乘法差。局部最小二乘法。处理过程通过下面要讨论的数据约化消除了绝大部分测量噪声。和其它计算技术相比，局部最小二乘法处理的优点是，可以彼此独立地计算每一个分析组分的回归系数和预测浓度。此外，局部最小二乘法技术能在存在非线性的情况下较好地适于预测分析组分的浓度。
在局部最小二乘法处理器48的一个实施例中，局部最小二乘法分析采取了由下述矩阵方程确定的一个反线性模型C＝Ab＋e其中，项A是用于校准样品系列的仪器响应矩阵(例如，一批光谱)，项C是和所有校准样品中感兴趣的麻醉剂浓度有关的矢量(这里，对于一个分析组分，一次建立一个模型)，项b是包含模型参数的回归矢量，项e是浓度残差矢量。局部最小二乘法分析按以下方程通过计算矩阵A的伪逆矩阵估算值来估算回归矢量b＝A＋C在局部二乘法分析中对伪逆矩阵的估算分三步进行。第一，把矩阵A分解成两个矩阵，如以下方程所示A＝TPT其中，T矩阵的列是正交的。T和P矩阵通常分别称之为得分(scores)矩阵和装入(loading)矩阵。可将装入矩阵P进一步分解为下述的两个矩阵P＝SVT其中，V矩阵的列是正交的，S是一个双对角矩阵。因此，响应矩阵A最终被分解成如下的三个矩阵A＝TSVT然后进行通过矩阵截断的低维数近似，以便在能保持所有的有关信息的同时又能滤除噪声。最后按下述方程计算这个近似的伪逆矩阵A+＝VS-1TT其中，在矩阵上方的横杠表示该矩阵已针对最佳伪秩被截断。伪秩对应于被截断的矩阵中的列的数目。伪秩的选择非常重要，可使模型中的噪声最小并可使模型的预测能力最佳。一旦在计算步骤计算出矩阵A的伪逆，就可估算回归矢量和得到该模型。一旦构成该模型，就可使用这个模型进行未来的预测。因此，通过下述方程即可估算在一个未知的呼吸气体样品中的感兴趣的分析物的浓度C^un=aunTb^]]>其中， 是在一个未知的样品“un”中感兴趣的分析物的浓度的估算值，aun是为该未知样品测得的仪器灵敏度。
因此，一旦使用一个适当的试验样品组启动了该气体样品设备1，就可使用上述的关系处理提供给计算电路40中的局部最小二乘法处理系统48的数据。处理的结果是识别了气体样品室22a中存在的气体样品中所含的特定组分并且确定了它的浓度。通过显示装置49向用户显示计算的结果，显示装置49以人可读出的形式(如，数字读数)显示识别的已确定的组分和它的浓度。显示结果的精度和气体样品与启动该系统的校准样品组的相差的大小、以及在系统中存在的非线性的大小相关。
虽然已经描述了本发明的特殊实施例，但我们期望，在本领域中的普通技术人员能够并目将会设计出落入所附权利要求书的范围内的本发明的替换实施例。
权利要求
1.一种用于识别包含在呼吸气体样品中n种麻醉剂组分中的多种组分的浓度的设备，n是大于零的正整数，该设备包括一个具有入口和出口的气体样品室，待分析的呼吸气体样品从所说入口穿过气体样品室填充到所说出口；当所说呼吸气体样品穿过所说气体样品室时用预定频带的光照射所说气体样品的装置；用于在大于n个所选波长处探测用所说预定频带的光照射所说呼吸气体样品后从所说气体样品室发出的光的装置；以及用于多变量统计处理所说探测的光以识别所说麻醉剂组分的浓度的装置。
2.如权利要求1的设备，其中每个所说麻醉剂组分都有一个唯一的光谱波长吸收特征曲线，所说大于n的所选光波长代表所说麻醉剂组分的特征吸收波长，其中所说探测装置探测所说光的强度，所说多变量统计处理装置包括一个最小二乘法处理器，它从所说探测装置接收数据，该数据代表用所说预定频带的光照射所说气体样品后从所说气体样品室发出的在所说大于n个所选光谱波长中的相应的一个波长处的光的强度，所说最小二乘法处理器至少有一个输出，用于输出代表所说被识别的麻醉剂组分的浓度的数据。
3.如权利要求1的设备，其中每个所说麻醉剂组分都有一个唯一的光谱波长吸收特征曲线，其中所说大于n个所选的光波长代表所说麻醉剂组分的特征吸收波长，并且其中所说探测装置探测所说光的强度，所说探测装置包括在包括在7-10微米波长带中的一个波长范围并按空间分布方式对从所说气体样品室发出的所说光进行滤波的装置；以及多个探测器装置，每个所说探测器装置都定位在所说滤波装置上的一个相应位置的对面，以测量在所说相应位置从所说滤波装置传出来的一个所选波长光的强度。
4.如权利要求3的设备，其中所说滤波装置包括一种线性可变滤波器，它的频率响应沿所说线性可变滤波器的长度方向至少发生一维变化，并且沿所说线性可变滤波器的所说长度方向把所说多个探测器装置构成一个直线阵列。
5.如权利要求4的设备，其中所说线性可变滤波器可通过波长在7.2和9.8微米之间的光。
6.如权利要求4的设备，其中所说滤波器装置可通过波长中心在所说所选波长附近的窄带的光。
7.如权利要求6的设备，其中所说滤波器装置可通过的所说窄带光的带宽为中心波长的0.69％。
8.如权利要求3的设备，进一步还包括对从所说气体样品室发出的所说光进行滤波以通过范围为4-5微米的所选通带的光的装置；以及通过确定由所说滤波装置通过的所说光的强度来确定所说气体样品中的CO2的浓度的装置。
9.如权利要求8的设备，其中所说的4-5微米的滤波装置与所说7-10微米的滤波装置并排设置，以便一起接收从所说气体样品室发出的所说光。
10.一种识别包含在呼吸气体样品中的n种麻醉剂组分中的多种组分的浓度的方法，n是大于零的正整数，该方法包括如下步骤让一种待分析的呼吸气体样品从具有入口和出口的气体样品室的所说入口穿过气体样品室至所说出口；当所说呼吸气体样品穿过所说气体样品室时用预定频带的光照射所说气体样品；在大于n个所选波长处探测用所说预定频带的光照射所说呼吸气体样品后由所说气体样品室发出的光；以及对所说探测到的光进行多变量统计处理以识别所说麻醉剂组分的浓度。
11.如权利要求10的方法，其中所说多变量统计处理步骤中包括一个最小二乘法处理器，该处理器响应于用所说预定频带的光照射所说气体样品后从所说气体样品室发出的在所说大于n个所选光谱波长中的相应一个波长的光而从大于n个的探测器接收数据，所说最小二乘法处理器至少有一个用于输出数据的输出，用于确定所说被识别的麻醉剂组分的浓度。
12.如权利要求10的方法，其中的每个所说麻醉剂组分都有一个唯一的光谱波长吸收特征曲线，所说大于n个的所选光波长代表所说麻醉剂组分的特征吸收波长，其中所说探测步骤探测所说光的强度，所说探测步骤包括使用空间可变滤波器在7-10微米波长带中包括的波长范围以空间分布形式对从所说气体样品室发出的所说光进行滤波，其中所说大于n个光波长中的每一个波长的光都从位于多个位置中的一个相应的预定位置的所说空间可变滤波器传出来；以及使用多个探测器测量从位于所说相应位置的所说滤波器传出来的所选波长光的强度。
全文摘要
该气体样品识别设备至少发出一束预定频带的光，该束光穿过存在于气体样室中的气体样品。通过一个线性可变滤波器来确定气体样品中各种媒剂的存在和浓度，其中的这个滤波器使穿过气体样品室发射的光束有选择地到达探测器阵列。确定探测器的位置，使其只能接收光束的一个很窄的通带分量。通过多变量统计处理器处理探测器阵列的输出信号，从而可精确识别包含在气体样品中的一种或多种媒剂的存在和浓度。
文档编号G01N33/483GK1147633SQ9610189
公开日1997年4月16日 申请日期1996年3月13日 优先权日1995年3月13日
发明者R·J·费希尔, P·F·克雷恩, C·L·余, S·D·沃克 申请人:奥梅达有限公司