专利名称：气体传感器的制作方法
气体传感器本发明涉及用于检测气体物质的传感器，特别是用于检测患者或受试者呼出的气 流中存在的物质的传感器。所述传感器特别适用于但不限于气流的二氧化碳和/或水含量 的分析。该传感器作为用于检测和测量在人和动物的呼出气中的气体如二氧化碳的浓度的 二氧化碳描记传感器(capnographic sensor)找到特别的用途，从而提供患者或受试者的 呼吸系统状况的指示和辅助鉴别和诊断呼吸失调或疾病。在一个特别优选的实施方案中， 将传感器用于确定受试者呼出的气流的水蒸气含量中并且将其结果用于指示受试者的肺 功能。对于人或动物呼出气的二氧化碳含量的分析是评估受试者健康的宝贵工具。特 别地，二氧化碳浓度的测量允许评价各种肺部和/或呼吸疾病的程度和/或进展，所述肺 部和/或呼吸疾病特别是哮喘和慢性阻塞性肺病(chronic obstructive lung disease) (COPD)。可以使用多种分析技术和仪器检测二氧化碳。最实用且广泛使用的分析仪采用分 光红外吸收(spectroscopic infra-red absorption)作为检测方法，但是也可以采用质谱 法、气相色谱法、热导率等检测气体。虽然大多数用于二氧化碳测量的分析仪器、技术和传 感器是基于该气体的物理化学性质的，但是正在开发利用电化学的新技术，并且已经提出 了一类电化学方法。然而，还无法直接电化学技术使用测量二氧化碳(CO2)气体该气体在电 解质中的溶解以及随后电解质PH的变化，设计了间接方法。其它电化学方法利用二氧化碳 的高温催化还原。然而，这些方法通常非常昂贵、使用不方便并且经常表现非常低的灵敏度 和慢的响应时间。这些缺点致使它们不足以用于分析呼吸样品，特别是在潮式呼吸(tidal breathing)的分析中。新近采用的技术在于监测在含有合适的有机金属配体的电解质中的特定化学反 应，所述有机金属配体在二氧化碳气体的溶解所引起的PH变化之后化学相互作用。pH变化 随后干扰一系列反应，并随后根据酸碱化学的变化间接估计气氛中的二氧化碳浓度。二氧化碳是酸性气体，并且与水以及其它(质子性)溶剂相互作用。例如，二氧化 碳依照下列反应溶解在水溶液中
权利要求
1.一种用于确定受试者的呼吸功能的方法，所述方法包括 测量所述受试者呼出的气流中的水蒸气浓度；和从测量的水蒸气浓度确定所述受试者的呼吸功能。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述水蒸气浓度是对至少一个完整的呼气持续时 间测量的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述水蒸气浓度是在所述受试者的潮式呼吸过程 中测量的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所呼出的气流是从所述受试者的口中呼出的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述水蒸气含量是使用电化学传感器测量的。
6.根据权利要求5所述的方法，所述方法包括使所述气流撞击包含工作电极和对电极的传感元件； 在所述工作电极和对电极之间施加电势；测量作为施加电势结果的在所述工作电极和对电极之间流动的电流；和 从测量的电流确定所述气流中的水蒸气浓度的指示。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在所述工作电极和所述对电极之间施加恒定电压。
8.根据权利要求6所述的方法，其中在所述工作电极和所述对电极之间施加可变电压。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述可变电压在静止电势和高于反应阈电势的电 势之间交替。
10.根据权利要求9所述的方法，其中使所述电压在0.IHz至20kHz的频率脉冲。
11.根据权利要求5所述的方法，其中所述电化学传感器包括多个电极和在所述电极 之间延伸的离子交换材料层，所述离子交换材料层包含分散在其中的中孔材料粒子。
12.根据权利要求11所述的方法，其中中孔材料的分散体是精细分散体。
13.一种用于确定受试者的肺功能的方法，所述方法包括 测量所述受试者的呼出气流的气体组分的浓度变化；对于所述呼出气流，将所述浓度变化确定为时间的函数，以获得浓度随时间变化的分 布曲线；测量所述分布曲线的上升阶段的斜率；和使用所述上升阶段的斜率进行所述受试者的肺功能的确定。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述气体组分选自由二氧化碳和水蒸气组成的组。
15.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括测量所述分布曲线的平顶阶段的斜率。
16.根据权利要求15所述的方法，其中确定所述上升阶段和所述平顶阶段的斜率的比率。
17.一种用于确定受试者的肺功能的方法，所述方法包括 测量所述受试者的呼出气流的气体组分的浓度变化；对于所述呼出气流，将所述浓度变化确定为时间的函数，以获得浓度随时间变化的分布曲线；分析所述分布曲线的在从上升阶段过渡到平顶阶段的区域中的部分；和 利用分析结果以进行所述受试者的肺功能的确定。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述分析包括对所述分布曲线的数据应用回归 技术。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述分析包括对所述分布曲线的数据应用最佳 拟合技术。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述分析包括用等式1表示所述分布曲线的在 从所述上升阶段过渡到所述平顶阶段的区域中的部分
21.根据权利要求20所述的方法，其中对Y’相对于时间的曲线应用最佳拟合分析，其 中用等式2定义Y’
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述系数a的值用于提供肺功能的指示。
23.根据权利要求17所述的方法，其中所述气体组分选自由二氧化碳和水蒸气组成的组。
24.一种用于监测受试者的肺功能的方法，所述方法包括以下步骤 测量所述受试者的呼出气流的气体组分的浓度变化；对于所述呼出气流，将所述浓度变化确定为时间的函数，以获得浓度随时间变化的分 布曲线；将这样获得的分布曲线与预先存在的分布曲线比较；和 将比较用于进行所述受试者的肺功能的确定。
25.根据权利要求M所述的方法，其中将这样获得的分布曲线与多条预先存在的分布 曲线比较，以提供肺功能随时间变化的模式。
26.根据权利要求M所述的方法，其中所述预先存在的分布曲线是从所述受试者获得 的分布曲线。
27.根据权利要求M所述的方法，其中所述预先存在的分布曲线是表现正常肺功能的 分布曲线。
28.根据权利要求M所述的方法，其中所述气体组分选自由二氧化碳和水组成的组。
29.一种用于监测受试者的肺功能的设备，所述设备包括用于测量所述受试者的呼出气流的气体组分的浓度变化的装置； 对于所述呼出气流将所述浓度变化确定为时间的函数以获得浓度随时间变化的分布 曲线的装置；用于存储多条分布曲线的装置；和用于将这样获得的分布曲线与从存储装置提取的预先存在的分布曲线比较的装置。
30.根据权利要求四所述的设备，其中所述用于存储多条分布曲线的装置适用于存储多条预先存在的分布曲线。
31.根据权利要求四所述的设备，其中所述用于比较分布曲线的装置包括用于显示多 条分布曲线的显示装置，以用于由使用者视觉比较。
32.根据权利要求四所述的设备，其中所述用于比较分布曲线的装置包括用于进行分 布曲线数学分析的装置。
33.一种用于确定呼出气流的二氧化碳含量的方法，所述方法包括 测量呼出气流的水蒸气含量；和从测量的水蒸气含量确定所述呼出气流中的二氧化碳浓度。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述呼出气流是从所述受试者的口中呼出的。
35.根据权利要求33所述的方法，其中所述水蒸气含量是使用电化学传感器测量的。
36.根据权利要求35所述的方法，所述方法包括 使所述气流撞击包含工作电极和对电极的传感元件； 在所述工作电极和对电极之间施加电势；测量作为施加电势结果的在工作电极和对电极之间流动的电流；和 从测量的电流确定所述气流中的水蒸气浓度的指示。
37.根据权利要求36所述的方法，其中在所述工作电极和所述对电极之间施加恒定电压。
38.根据权利要求36所述的方法，其中在所述工作电极和所述对电极之间施加可变电压。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述可变电压在静止电势和高于反应阈电势的 电势之间交替。
40.根据权利要求39所述的方法，其中使所述电压在0.IHz至20kHz的频率脉冲。
41.一种用于确定呼出气流中二氧化碳浓度的传感器，所述传感器包括 用于确定所述呼出气流中水蒸气浓度的装置；用于从测量的水蒸气浓度计算所述呼出气流中的二氧化碳浓度的装置。
42.根据权利要求40所述的传感器，所述传感器包括传感元件，所述传感元件被设置为暴露于所述气流，所述传感元件包含 工作电极；和 对电极。
43.根据权利要求42所述的传感器，所述传感器还包括导管，通过所述导管引导所述 气流以撞击所述传感元件。
44.根据权利要求43所述的传感器，其中所述导管包括接口管，患者可以向所述接口 管中呼气。
45.根据权利要求42所述的传感器，其中所述工作电极和对电极是选自点、线、环和平 坦平面中的形式。
46.根据权利要求42所述的传感器，其中所述工作电极和所述对电极之一或两者包含 多个电极部分。
47.根据权利要求46所述的传感器，其中所述工作电极和所述对电极都包含以联锁模 式布置的多个电极部分。
48.根据权利要求47所述的传感器，其中所述电极部分以同心模式布置。
49.根据权利要求42所述的传感器，其中所述对电极的表面积大于所述工作电极的表 面积。
50.根据权利要求49所述的传感器，其中所述对电极与所述工作电极的表面积比为至 少2 1，更优选至少5 1。
51.根据权利要求42所述的传感器，其中所述电极被支撑在惰性基底上。
52.根据权利要求42所述的传感器，其中每个电极都包含金属，所述金属选自元素周 期表第VIII族、铜、银和金，优选金或钼。
53.根据权利要求42所述的传感器，所述传感器还包括设置在每个电极的一部分之上 的绝缘材料层，所述绝缘层被成型为将每个电极的一部分暴露以与气流接触。
54.根据权利要求42所述的传感器，所述传感器还包括参比电极。
55.根据权利要求42所述的传感器，其中将所述电极安装在基底上，所述电极是通过 厚膜丝网印刷、旋涂/溅涂或可见/紫外/激光光刻涂覆到所述基底上的。
56.根据权利要求42所述的传感器，其中一个或多个电极包含多层，外层是通过电化 学镀涂覆的纯金属层。
57.一种用于监测气流的组成的系统，所述系统包括根据权利要求41所述的传感器；微控制器，所述微控制器用于接收来自所述传感器的输出；和显示器；其中将所述微控制器编程，以生成在所述显示器上分析的在所述气流中的二氧化碳浓度的 连续图像。
58.根据权利要求1至观或33至40中任一项所述的方法在提供受试者肺功能的指示 中的用途。
59.根据权利要求58所述的用途，其中所述指示涉及肺病的存在，所述肺病包括哮喘、 COPD、结核(TB)或肺癌。
60.根据权利要求58所述的用途，其中所述指示涉及受试者与肺间接关联的疾病或不 良状况。
61.根据权利要求58至60中任一项所述的用途，其中所述方法用于与一种或多种其它 肺功能测试的比较。
62.根据权利要求61所述的用途，其中所述其它肺功能测试包括FEVl和FVC。
全文摘要
公开了一种用于确定受试者的呼吸功能的方法，所述方法包括测量由受试者呼出的气流中的水蒸气浓度，并且从测量的水蒸气浓度确定受试者的呼吸功能。还公开了用于分析从呼出气流中的气体组分的浓度的测量获得的数据的数学技术及它们在确定受试者的肺功能中的应用。
文档编号G01N33/497GK102056540SQ200980121616
公开日2011年5月11日 申请日期2009年4月9日 优先权日2008年4月10日
发明者D·J·P·威廉姆斯, M·S·弗尼, M·加勒特 申请人:安纳克斯系统技术有限公司