专利名称：检测呼吸的方法、传感器和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测人或动物呼吸的方法、实施该方法的一种呼吸传感器以及一种检测人或动物呼吸的装置。
本文件中，术语“检测呼吸”主要用来指在相当程度上呼吸气流后获得的某一信号。
许多情形下需要检测人或动物的呼吸。许多疾病情况、重病看护、体格检查和睡眠状态下的呼吸监测需要测量呼吸速率和呼吸的最后中断，或研究与某一呼吸对应的波形。
已尝试采用许多种不同方法来检测呼吸。例如，根据可影响膜的呼吸气流中的压力变化，通过用一种应变片式传感器或另一种方法来探测压力变化曲线。另一种方法是通过呼吸气流使一热敏电阻冷却，并测量该热敏电阻两端电压。再一种方法是检测气流中小球的运动。
本发明的目的在于提供一种检测呼吸的方法和装置以及可灵活应用于检测呼吸的新型、简单和可靠的呼吸传感器。本发明的目的还在于提供一种便于病人携带且无需在人体附近连接电缆线的呼吸传感器。本发明的另一个目的在于当需要无菌操作时提供一种清洁卫生的呼吸传感器，由于这种呼吸传感器价格低廉，如有需要，可作一次性产品使用。本发明的其他目的在下文中作更详细的描述。
按照本发明的检测呼吸的方法和装置以及呼吸传感器是基于这样的事实，即，吸气与呼气之间，呼吸气流的湿度发生强烈的变化。吸气时，鼻腔或口腔处呼吸气流的相对湿度近似与周围空气的湿度相同，即通常远低于100％，而在呼气时，呼吸气流基本上被水蒸气所饱和，即相对湿度为100％。
如果人们让呼吸气流通过一个温度低于37℃的表面，那么当呼出的空气通过时水就会凝结在该表面上。在表面上生成汽雾。例如，如果所述的表面是某一光纤的一个端面，那么就可以采用下述方法来研究这一水的凝结过程。光束或其他电磁射束借助于一光纤从某一射束源被引导到该光纤内，这里，射束源可以是一个激光器、激光二极管、发光二极管或某种灯泡。到达光纤远端的光束，其一部分将被反射回来，一部分将被泄漏出去。如果光纤的这一端上覆盖有汽雾，则这一关系将会改变，从而光线被反射回来的部分在光纤是湿润的情况下比在干燥的情况下小。这是因为组成汽雾的小水滴形成一个个小透镜，而由这些小透镜泄漏的辐射的角度要比干燥情况下的辐射角度多。然后，可以通过下文中描述的任何一种恰当的方法来检测由于呼吸而形成的反射光的强度变化。
还可以检测透射射束的强度变化，来根据这一强度变化检测呼吸。例如，可以通过一光电探测器或另一光纤端来实施，该光纤端俘获在光纤第一端附近的一部分透射辐射。也可以以另一种方式来应用本发明的原理。比如，可以采用一个环形光纤，传感器表面由一任意形状的窗口构成，由该窗口泄漏出一部分光纤内传播的辐射，并将其余部分传送到光纤的另一端。以基本设计中相同的方式，该窗口上的水分将影响通过该窗口辐射的射束强度，由此也影响进一步在光纤内传播的射束的强度。
还可以无需使用光导体或光纤来应用本发明。如果有一个完全反射或部分反射或透射之元件被置于呼吸气流之中，并被暴露在一光信号下，则可以检测该透射信号或反射信号，并根据其变化来判定该呼吸。光信号可被直接传导到该反射元件或透射元件之类的传感器上，光信号源或传感器或这二者都可以包括构成某一传感器表面的反射元件或透射元件。
由塑料光纤得到的反射射束进行的实验表明，射束强度与呼吸气流的改变良好地一致，并且无需为将热从该光纤引出而采取特别行动。
下面结合附图更加详细地描述本发明，其中
图1是描述本发明装置的示意图，图2和图3描述的是本发明的呼吸传感器的不同实施例，图4描述了一例可被用于本发明装置的电路图，图5和图6描述的是本发明呼吸传感器的进一步实施例，以及图5b描绘的是一光纤支架和一氧气导管。
在图1所示的本发明实施例中，一激光器驱动电路1被耦连至一激光二极管2，其光信号通过第一光导体4、光纤耦合器3和第二光导体5而传导到构成一测试对象的人7的呼吸道附近。光纤耦合器3使得从光导体4得到的光信号主要被传播至光导体5，而在第三光导体6上的输出信号主要由另一光导体5导入光纤耦合器3中的光信号产生，本例中由来自激光二极管2的部分信号产生，该信号被该传感器表面所在的第二光纤5的那一端反射。光纤耦合器3可以由与第二光纤5边对边地连接在一起的第一光纤(4)和第三光纤(6)组成，第二光纤5的直径是另二根光纤直径的两倍。
光信号从第三光纤6传送到一光电探测器8。投射到光探测器上的光所产生的输出电信号由两部分组成。即，仅取决于射束源、光纤以及光电探测器特性的直流电平；以及叠加在该直流电平上的电压变化，该电压变化取决于有多大一部分入射光因光纤端传感器表面上的汽雾而从测试对象处的光纤中被耦合出来。该叠加的电压电平具有正弦波的特性。
可以采用各种方法来使用并处理从光电探测器8得到的取决于呼吸的输出信号。图1中描述的是一检测电路9，它将光电探测器的信号按照呼吸时间转换成方波脉冲。在时间-频率转换器10中转换成呼吸频率，而在显示器11中显示出来。
图2描述的是本发明呼吸传感器的较佳实施例。光导体5的端面51形成一通常使一部分提供的光信号泄漏并反射一部分的传感器表面，从而透射与反射之间关系受传感器表面51上呼吸气流71所产生的凝结速率的影响。因此，光导体5中的信号52包括一提供的信号和一反射的信号。具有传感器表面51的光导体5的一端主要由一管状支架20包裹，从而使光导体5和传感器表面51保持在例如鼻孔的呼吸气流中。光导体5可以由市场上出售的塑料光纤构成。传感器表面51最好与气流平行。
呼吸传感器的一种变化形式见图3所示。这里，传感器表面53构成从光导体上去掉了包层的一部分光导体，这里光导体形成一环形，从而在传感器表面53处不离开光导体的那部分射束继续向一接由器传播。采用这种传感器，无需光纤耦合器3之类的装置，但是某一端4可以接收提供的光束41，而另一端6发射直接传送到一光电探测器8的输出信号61。
图5和图6描述的是两种原理与图2相同的呼吸传感器的设计。其结构是，基本呈管形的支架20a和20b分别具有大体成球形的一端，用来插入到鼻孔内，还可以有一个或多个外槽，并包含一用于呼吸气流的主通道21。在图5所示的实施例中，光纤5与主通道21同轴地固定，从而传感器表面51朝向呼吸气流的方向。光纤5的附件上有多个小孔22，从而呼吸气流可以通过主通道21、传感器表面51和孔22。在一种较佳实施例中，主通道21的直径可达约8mm，其端部是直径约为3.5mm的5个孔22。用作氧气导管的槽23可以配置在支架20a中，氧气导管可以与光纤5一起连接到病人身上。如图5b所示，可以为此采用具有开孔和通道而分别用来连接光纤和氧气导管的支架元件25或25a。在图6所示的第二种实施例中，主通道从中穿过，并且在主通道中经向配置了光纤5，从而呼吸气流可以主要沿平行于传感器表面51的方向扫过。也可以与已描述的实施例不同，沿与呼吸气流成其他角度的方向配置光纤5和传感器表面51。支架20a和20b最好用塑料材料制成，例如聚乙烯材料，并且光纤5可以被支托在支架上，使光纤的外套分别被旋入支架内的螺孔23和24内。
正如前文中已提及的那样，尽管可以构思设计其他形式的呼吸传感器，但是专利保护应仅由专利的权利要求的语言来限定。在发明构思的范围内，还可以例如用其他合适的装置来取代管形支架20，用来保持呼吸气流中的传感器表面，如一带状物(tape)之类的装置，或设计成其他式样的支架。例如，管形支架20上可以配置一个便于带状物固定的片状物(flap)。当然，按照本发明还可以将传感器配置在呼吸器或其他类似设备之面罩或管道的呼吸气流中。
本发明具有很大价值的一种特殊应用是在磁摄像机(magneticcamera)中的应用。其中，可以在需要作相当长时间检查的病人体内不插入金属部件。
探测器电路9的一种实施例见图4所示。这一电路已被设计成即使在非对称以及强扰动呼吸循环下，确保呼吸探测器的功能。除了用于检测呼吸信号的主电路以外，图4还包含一±5伏的转换器电路91和一用于激光二极管D1的驱动电路1。
光电晶体管T1(对应于图1中的标号8)接收的信号被传送到具有截止频率5赫兹的低通滤波器94。经滤波的信号被耦连至由二个运算放大器组成的峰值检波器95。随后，在一差分放大器96中，形成峰值检波器输入信号与输出信号之间的差。在其输出处，现在就求得了作为基线的信号的上峰值以及位于该线顶部的经放大约100倍的信号。该放大级后面连接了一个由两个顺序连接的“与非”门(IC11)组成的脉冲整形器。与第一“与非”门连接的单稳态多谐振荡器MV1受一6秒脉冲长度的激励。这一单稳态触发器仅受正向脉冲沿(脉冲上升沿)的触发。另一“与非”门通过一微分电路与该单稳态触发器的复位输入端相连。其结果是，当信号由于呼气而下降时，单稳态触发器的6秒脉冲中断。然而，如果呼气信号由于障碍而减弱或来得太迟时，将超过6秒时间，而该单稳态触发器复位。该单稳态触发器MV1后连接了另一个单稳态触发器MV2，其脉冲长度是0.1秒，该触发器的任务是通过两个场效应晶体管使峰值检波器95复位，从而可以开始新的吸气阶段。
该电路的输出信号由时间间隔为0.1秒的脉冲组成，用以测定呼吸速率。输出信号可以被连接至一频率变换器，用来按照常规技术在经过一定个数的脉冲后转换成一呼吸速率。还可以直接用于控制某一声信号，或被展现在一显示器上，也可以用模拟呼吸信号来完成，在这种情况下最好在差分放大器96后取出。
图4所示的电路可以与图2所示的检测器适配，其中，从传感器表面的反射光被检测出来。如果不是检测反射光，而是检测图3传感器的透射光，则可以采用相同电路，条件是使信号反转。
图4中的元件表名称型号/值IC114093IC12IR3C02IC13TLC274IC144538IC157660T1 TEYT5500T2，T3 2N3820R7 22Ω
R8 1.5KΩR9 5KΩR10 2.7KΩ/20℃R11 20KΩR12 1MΩR13 10KΩR14，R15 1KΩR16，R17，R19100KΩR18 1.2MΩR20 4.7KΩR21 27KΩR23 10KΩR22，R24，R25100KΩC6 22μFC7 0.47μFC8，C9 100μFC10 4.7μFC11 1μFC12 0.68μFC13 0.33μFC14，C15，C1610μFL1 47μHD1 LT022MCD2，D3，D4 1N4148D5 1N400权利要求
1.一种检测人或动物呼吸的方法，其特征在于，采用一种光学方法检测沉积在传感器上水分的呼吸传感器被置于呼吸气流中，并检测依赖于沉积水分的透射和/或反射光信号的变化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，一光信号通过一光导体传送到所述呼吸传感器，光导体的端面构成一传感器表面，检测所述端面处反射光信号中的变化，并将呼吸表示成所述变化的函数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，一光信号通过一光导体传送到所述呼吸传感器，一部分所述光导体表面形成一构成传感器表面的窗口，检测通过所述窗口的光导体中透射的光信号的变化，并将所述呼吸表示为所述变化的函数。
4.一种呼吸传感器，其特征在于，它包括一用来暴露在呼吸气流中的传感器表面(51，53)，光信号从所述传感器表面(51，53)的透射和/或反射随气流中沉积在所述传感器表面与从所述传感器表面蒸发的水分而变化，检测所述光信号的变化作为呼吸气流的一种测量。
5.如权利要求4所述的呼吸传感器，其特征在于，所述传感器表面由一光导体(5)的端面(51)构成，并检测所述光导体(5)的所述端面(51)处反射信号的变化。
6.如权利要求5所述的呼吸传感器，其特征在于，所述端面(51)基本与所述光导体垂直。
7.如权利要求4所述的呼吸传感器，其特征在于，所述传感器表面由一部分光导体构成，所述光导体形成一个引出一部分所述光导体中透射信号的窗口，检测的是所述透射信号的变化。
8.如权利要求5，6或7中任何一个权利要求所述的呼吸传感器，其特征在于，所述传感器表面(51，53)大体接触所述呼吸气流。
9.一种检测人或动物呼吸的装置，其特征在于，它包括发射一光信号的装置(1，2)；具有传感器表面(51，53)的呼吸传感器，用来放置在呼吸气流中，从而使光信号(52，41)被传送到所述传感器表面(51，53)，所述结构使得所述信号的光透射和/或光反射随由所述呼吸气流中沉积的水分变化而变化；以及从所述传感器检测光信号(52，61)的变化作为对所述呼吸的一种测量的装置(8，9)。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，用装置(9)来检测来自所述传感器的所述光信号的极值，而用装置(10，11)在一预定个数检测到的极值后指示呼吸速率。
11.如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，用一装置在来自所述传感器的所述光信号之某一极值已被探测到以后，如果随后未探测到任何新的极值，就发送一个持续一定时间的呼吸停止告警。
全文摘要
一种检测人或动物呼吸的方法、装置和传感器。采用光学方法探测沉积在传感器部分上水分变化的呼吸传感器置于呼吸气流中，检测依赖于沉积水分的透射或反射光信号的变化，作为呼吸的一种测量。本发明的传感器可以由一光纤构成，光纤的一个端面构成传感器表面，并以一依赖于传感器表面呼吸气流沉积的汽雾而变化的程度，反射光纤内的信号。
文档编号A61B5/087GK1116404SQ9419095
公开日1996年2月7日 申请日期1994年1月19日 优先权日1993年1月19日
发明者汉斯·培特松 申请人:奥泼特温公司