用于使用反射的輻射來發射紅外輻射以提升發射效率的系統與方法
【專利摘要】一種被配置為生成紅外電磁輻射的源組件(48)，包括在發射立體角上發射電磁輻射的發射器(60)。所發射的電磁輻射的部分被用于檢測。用戶電磁輻射的所述部分圍繞可用立體角中的光路。在所述可用立體角以外的電磁輻射被反射組件(64)聚焦回到所述發射器上，以提升所述發射器的效率。
【專利說明】用于使用反射的輻射來發射紅外輻射以提升發射效率的系統與方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及一種用于生成紅外電磁輻射的方法與裝置，以用于被配置為檢測流體中的一種或多種分子種類的相對量的系統中。
【背景技術】
[0002]存在現有系統，其被配置為監測被遞送給對象的可呼吸氣體流的組分。一些這樣的系統依賴對組分的光學檢測。通常，傳輸一束電磁輻射通過所考慮的可呼吸氣體流的樣品，并且在另一側上的光學檢測器測量電磁輻射在其已穿過可呼吸氣體流之后的一個或多個參數。一個或多個參數可以包括，例如光帶邊緣、帶傳輸、或帶吸收。這樣的布置被稱作非色散(ND)系統。
[0003]在這些系統中電磁輻射的源通常在比實際用于測量的更大的立體角上生成電磁輻射。在使用的立體角以外發射的電磁輻射一般丟失，或者沒有被常規系統用于實際目的。

【發明內容】

[0004]因此，本公開的一個或多個方面涉及一種紅外源組件。在一些實施例中，所述源組件包括發射器和反射組件。所述發射器被配置為沿光路發射紅外電磁輻射，其中，所述發射器在發射立體角上發射紅外電磁輻射。所發射的紅外電磁輻射中沿所述光路可用的部分是在可用立體角上發射的，所述可用立體角小于所述發射立體角使得所述發射立體角包含所述可用立體角。所述反射組件被配置為反射所發射的紅外電磁輻射中在所述可用立體角以外的至少一部分，使得所反射的紅外電磁輻射被聚焦在所述發射器處或附近，由此增加所述發射器的熱。
[0005]本公開的另一方面涉及一種發射紅外電磁福射的方法。在一些實施例中，所述方法包括從發射表面沿光路發射紅外電磁輻射，其中，所述紅外電磁輻射是在發射立體角上發射的，并且其中，所發射的紅外電磁輻射中沿所述光路可用的部分是在可用立體角上發射的，所述可用立體角小于所述發射立體角使得所述發射立體角包含所述可用立體角；以及反射所發射的紅外電磁輻射中在所述可用立體角以外的至少一部分，使得所反射的紅外電磁輻射被聚焦在所述發射表面處或附近，由此增加在所述發射表面處或附近的熱。
[0006]本公開的又一方面涉及一種被配置為發射紅外電磁輻射的系統。在一些實施例中，所述系統包括用于沿光路發射紅外電磁輻射的器件，其中，所述紅外電磁輻射是在發射立體角上發射的，并且其中，所發射的紅外電磁輻射中沿所述光路可用的部分是在可用立體角上發射的，所述可用立體角小于所述發射立體角使得所述發射立體角包含所述可用立體角；以及用于反射所發射的紅外電磁輻射中在所述可用立體角以外的至少一部分，使得所反射的紅外電磁輻射被聚焦在用于發射的所述器件處或附近，由此增加用于發射的所述器件的熱的器件。
[0007]在參考附圖考慮以下描述以及權利要求書后，本公開的這些以及其它目的、特征和特性，以及操作方法，以及相關結構元件和部件組合的功能，以及制造的經濟性將變得更加明顯，所有附圖形成本說明書的一部分，其中，在各個附圖中相似的附圖標記指示對應的部分。然而，應明確理解，附圖僅出于說明和描述的目的，而并不旨在作為本公開的限制的定義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為被配置為監測被遞送給對象的可呼吸氣體流的組分的系統；
[0009]圖2為氣道適配器和氣體測量模塊；
[0010]圖3為氣道適配器和氣體測量模塊；
[0011]圖4圖示氣體測量模塊的源組件；
[0012]圖5圖示氣體測量模塊的源組件；
[0013]圖6圖示氣體測量模塊的源組件；并且
[0014]圖7圖示生成紅外電磁輻射的方法。
【具體實施方式】
[0015]本文中所用的單數形式的“一”、“一個”和“該”包括多個指代物，除非上下文中明確地另行規定。本文中所用的兩個或更多個部分或部件被“耦合”的表述應意指所述部件直接或間接地(即，通過一個或多個中間部分或部件)被結合到一起或一起工作，只要發生鏈接。本文中所用的“直接耦合”意指兩個元件彼此直接接觸。本文中所用的“固定耦合”或“固定”意指兩個部件被耦合以作為一體移動，同時維持相對于彼此的恒定取向。
[0016]本文中所用的詞語“單式的”意指部件被創建為單件或單個單元。亦即，包括單獨創建并之后被耦合到一起成為單元的多件的部件不是“單式”部件或主體。本文中采用的兩個或更多個部分或部件相互“接合”的表述應意指所述部分直接地或通過一個或多個中間部分或部件而相互施加力。本文中采用的術語“數目”應意指一或大于一的整數(即，多個)。
[0017]本文中使用的方向短語，例如但不限于，頂部、底部、左、右、上、下、前、后以及它們的派生詞涉及附圖中所示的元件的取向，并且不對權利要求構成限制，除非在權利要求中明確記載。
[0018]圖1圖示系統10，其被配置為分析呼吸線路12內的氣體的組分，對象14可以從呼吸線路12接收通氣治療。在一個實施例中，呼吸線路12在一端被連接到壓力發生器，所述壓力發生器被配置為生成可呼吸氣體的加壓流，以通過呼吸線路12向對象14的氣道的遞送。然而，這并不旨在為限制性的。在一個實施例中，系統10包括氣體測量模塊16。
[0019]呼吸線路12包括線路導管18和對象接口器具20。在多個不同的治療情境中，對象14的氣道被接合，以將呼吸線路12置于與對象14的氣道流體連通中。對象14的氣道被對象接口器具20嚙合，并被置于與呼吸線路12的流體連通中。對象接口器具20可以以密封或非密封的方式，接合對象14的氣道的一個或多個孔口。對象接口器具20的一些范例可以包括，例如氣管內導管、鼻套管、氣管切開套管、鼻罩、鼻/ 口罩、全罩式面罩、全面罩、局部再呼吸面罩或者與患者的氣道傳遞氣體流的其他接口器具。本發明不限于這些范例，并且預見到任何對象接口的實施方式。[0020]線路導管18被配置為將氣體朝向或遠離對象接口器具20傳送。通過非限制性舉例，線路導管18可以包括柔性導管。出于本公開的目的，線路導管18不必須被限制為向對象接口器具20傳送加壓氣體流和/或從對象接口器具20傳送加壓氣體流的管狀構件。線路導管18可以包括任意中空體、容器和/或腔，其通過對象接口器具20被置于與對象14的氣道的流體連通中。
[0021]線路導管18包括接合部，氣體測量模塊16能夠被可拆卸地耦合到所述接合部。所述接合部在一些實施例中是由被包括在線路導管18中的氣道適配器22形成的。通過圖示的方式，圖2為氣道適配器22與氣體測量模塊16的分解視圖。氣道適配器22包括第一開口 24和第二開口 26，并且被配置為形成在它們之間的流動路徑，使得在呼吸線路12內的可呼吸氣體流被傳送通過氣道適配器22。氣道適配器22能夠為由聚對苯二甲酸丁二醇酯聚酯和/或其他聚合物塑造成的一件式單元。氣道適配器22具有大體為平行六面體的中間段32和兩個圓柱形末端段28和30，圓柱形末端段28和30分別形成第一開口 24和第二開口 26。末端段28和30與中間段32軸向對齊。
[0022]氣道適配器22的中間段32為氣體測量模塊16提供座。整體式U形套管元件34將氣體測量模塊16積極地定位于氣道適配器22末端，并且還定位在由圖1中的箭頭36指示的橫向方向中。箭頭36也示出移動氣道適配器22以將其組裝到氣體測量模塊16的方向。窗口 38在氣道適配器22的第一側40和第二側42上被形成在氣道適配器22的中間段32中。窗口 38由對紅外電磁輻射為光學透射的一種或多種材料形成。利用被組裝到氣道適配器22的氣體測量模塊16，這些窗口 38沿本文中進一步討論的光路對齊。該光路橫向地在由氣道適配器22形成的并且(一種或多種)氣體所流經的流動路徑上從第一側40延伸到第二側42。
[0023]氣體測量模塊16被配置為分析呼吸線路12內的氣體的組分。氣體測量模塊16包括外殼44,外殼44容納和/或承載光學和/或電子部件，所述光學和/或電子部件便于對在由氣體測量模塊16形成的采樣室內的氣體的組分的分析。具體地，氣體測量模塊16被配置為跨氣道適配器22的采樣室，引導紅外電磁輻射通過窗口 38，以接收所述紅外電磁輻射，并被配置為生成輸出信號，所述輸出信號傳達與所接收的電磁輻射的一個或多個參數相關的信息。所述一個或多個參數可以包括強度、相位、通量、波長和/或其他參數中的一個或多個。這些輸出信號能夠被用于確定所述采樣室內的氣體的組分。
[0024]通過進一步圖示的方式，圖3示出被連接用于操作的氣體測量模塊16和氣道適配器22的示意性截面視圖。該視圖示出被形成在氣道適配器22內的采樣室46。如在圖2和圖3的每個中能夠看出的，外殼44具有U形截面，并且包圍源組件48、檢測器50和/或其他部件。U形外殼44的兩個相對的腿部限定它們之間的間隙的相對兩側。源組件48被設置在所述間隙的一側上的腿部中，并且檢測器50被設置在所述間隙的另一側上的腿部中。氣體測量模塊16還包括被設置在外殼44內的獨立式電子器件(未示出)。
[0025]形成在外殼44中的是一對窗口 51,當氣體測量模塊16以圖3中所不的方式與氣道適配器22對接時，窗口 51與窗口 38對齊。窗口 51由對紅外電磁輻射為透射的一種或多種材料形成，使得紅外電磁輻射能夠沿光路穿過窗口 38和51兩者，以在采樣室46與外殼44的內部之間行進。
[0026]源組件48為產生寬帶輻射的輻射源，所述寬帶輻射包括“麗IR” (中波長紅外)帶。紅外輻射一般指占據光譜中0.7 μ m至300 μ m間的波長帶的輻射。“麗IR” 一般指紅外福射帶中在3 μ m至8 μ m間的中波長子集。由源組件48發射的MWIR福射包括參考波長和二氧化碳波長(分別為λΚΕΡ和λ^)。源組件48可以針對所述譜的至少一部分(例如
0.7 μ m至300 μ m間)，基本上作為黑體操作。
[0027]檢測器50包括兩個分離的光敏傳感器52和54。經由檢測器50的二氧化碳測定/ 二氧化碳描記背后的基本操作原理在于，根據可靠地可重復的關系，在4.275 μ m附近的帶中的紅外輻射(當通過樣品氣體行進了固定長度的路徑時)隨著二氧化碳濃度增大，經歷增大的吸收。通過比較的方式，3.681 μ m紅外輻射在相同條件下的吸收基本上不受二氧化碳濃度影響。
[0028]當來自源組件48的麗IR輻射穿過采樣室46中的可呼吸氣體流時，在Xra2處的紅外輻射根據可呼吸氣體流中二氧化碳的濃度而衰減。然而，在Xkef處的紅外輻射則不受氣體主體中的任何二氧化碳影響，并且僅隨著來自源組件48的紅外輻射的強度而變化。在λ KEF處的紅外福射被分束器56引導到傳感器52,而在λ處的紅外福射則被分束器56引導到傳感器54。由于λ EEF和λ C02在黑體福射曲線上相當靠近,則傳感器52和54的輸出信號(其對IR電磁輻射敏感)將在源輻射強度的小變化上大致彼此成比例，只要氣體主體中的二氧化碳濃度保持恒定。通過利用N2(或利用室內空氣一在針對大氣中的殘留二氧化碳進行適當補償之后)“歸零”檢測器50，建立來自傳感器52與傳感器54的輸出信號水平之間的參考比率。每當兩個信號之間的比率等于該參考比率時，則采樣室46中沒有二氧化碳。傳感器54的輸出信號相對于傳感器52的輸出信號的任意減小均指不米樣室46中二氧化碳濃度的對應增加。
[0029]在圖4至圖 6中，圖示了源組件48的一個或多個實施例。如在圖4至圖6中能夠看出的，源組件48可以包括以下中的一個或多個:發射器60、準直光學器件62、反射組件64和/或其他部件。
[0030]發射器60被配置為響應于被施加到其的電流，沿光路發射紅外電磁輻射。例如，發射器60可以包括襯底66,襯底66具有被印刷在其上的發射兀件(未不出)。響應于被施加到所述發射元件的電流，所述發射元件可以加熱，并發射紅外電磁輻射。發射器60在發射立體角上發射紅外電磁輻射。所述發射立體角例如可以為約180°。所發射的電磁輻射在所述發射立體角上的分布可以為朗伯型。
[0031]準直光學器件62被配置為接收由發射器60沿所述光路發射的電磁輻射的部分，并被配置為沿所述光路準直電磁輻射的所接收的部分。在圖4至圖6中圖示的實施例中，準直光學器件62包括準直反射鏡70。這不旨在為限制性的，因為其他光學器件(例如一個或多個準直透鏡)也可以被實施為準直光學器件。被準直光學期間62接收的電磁輻射的部分為在發射器60的可用立體角內發射的電磁輻射。所述發射器的所述可用立體角小于所述發射立體角，使得所述發射立體角包含所述可用立體角。所述可用立體角可以通過準直光學器件62的尺寸、形狀和/或位置限定。所述發射立體角內的落在所述可用立體角以外的電磁輻射一般由沒有被所述準直光學器件接收的電磁輻射構成。在常規設置中，所述發射立體角中落在所述可用立體角以外的部分內的電磁輻射可能被“丟失”(例如，沒有被實施用于提升系統10的操作)。
[0032]反射組件64被配置為將所述電磁輻射中在所述可用立體角以外的至少一部分反射回發射器60。反射組件64可以被配置為將所反射的電磁輻射聚焦在發射器60處或附近。這可以包括在由襯底66上的發射元件形成的發射表面處，聚焦所反射的電磁輻射。
[0033]在圖4至圖6中圖示的一個或多個實施例中，反射組件64可以包括多個反射器68。反射器68被布置在所述光路周圍，以接收所述電磁輻射中在所述可用立體角以外的至少一部分。反射器68可以被配置為使得在第一位置處入射在反射器68上的電磁輻射，與在第二位置處入射在反射器68上的電磁輻射相比，被聚焦在發射器60的不同部分上(例如發射元件的發射表面上的不同位置，襯底上的不同位置，和/或其他不同部分)。這可以提升和/或維持通過被反射組件64聚焦的電磁輻射施加到發射器60的熱的均勻性。將認識到，針對反射組件64的該配置不旨在為限制性的。在一些實施例中，不是在圖4至圖5中所示的反射器68,而是反射組件64包括一個或多個反射鏡(例如,單個反射鏡),所述反射鏡被制造為提供在所述可用立體角的至少一部分周圍的連續反射表面。
[0034]反射組件64可以被配置為在反射立體角上接收電磁輻射。在一些實施例中，所述反射立體角始于所述可用立體角的結束，并且繼續到從所述光路起的反射組件64接收電磁輻射的最大角度。該最大角度可以小于所述發射立體角，因為在相對高角度時的電磁輻射將傾向于在一些分布(例如朗伯分布)中具有低的強度。該最大角度可以小于約90°，小于約80°，小于約70°，小于約60°，和/或具有其他值。在所述可用立體角以外的電磁輻射中被反射組件64接收，并被聚焦回到發射器60上的百分比可以為至少30%、至少40%、至少50%、至少60%、至少70%、至少80%和/或其他百分比。
[0035]反射所述可用立體角以外的電磁輻射可以提升發射器60的效率。此外，在其中利用電流脈沖驅動發射器60的實施例中，所反射的電磁輻射將傾向于與電流脈沖基本同步地增加熱。這將便于通過電流脈沖對發射器60的熱進行調制。
[0036]圖7圖示了監測呼吸線路內的可呼吸氣體流的組分的方法80，所述呼吸線路與對象的氣道流體連通。下文提供的方法80的操作旨在為說明性的。在一些實施例中，可以利用一個或多個未描述的額外操作，和/或無需所討論的操作中的一個或多個，完成方法80。額外地，在圖7中圖示并在下文描述的方法80的操作的順序不旨在為限制性的。
[0037]在操作82，生成紅外電磁輻射。所述紅外電磁輻射是沿光路從發射表面發射的。所述電磁輻射是在發射立體角上發射的。所發射的電磁輻射中沿所述光路被使用的部分是在可用立體角上發射的，所述可用立體角小于所述發射立體角，使得所述發射立體角包含所述可用立體角。在一些實施例中，由與(在圖4-6中示出并在本文中描述的)發射器60相同或相似的發射器執行操作82。
[0038]在操作84，反射所發射的電磁輻射中在所述可用立體角以外的至少一部分。該反射將所述電磁輻射聚焦在所述發射表面處或附近，由此增加所述發射表面處或附近的熱。在一些實施例中，由與(在圖4-6中示出并在本文中描述的)反射組件64相同或相似的反射組件執行操作84。
[0039]在操作86，接收已穿過可呼吸氣體流的通過所述可用立體角發射的電磁輻射。在一些實施例中，由與(在圖3中示出并在本文中描述的)檢測器組件50相同或相似的檢測器組件執行操作86。
[0040]在操作88，生成輸出信號，所述輸出信號傳達與所接收的電磁輻射的一個或多個參數相關的信息。在一些實施例中，由與(在圖3中示出并在本文中描述的)檢測器組件50相同或相似的檢測器組件執行操作88。
[0041]在操作90，從所述輸出信號確定與所述可呼吸氣體流的組分相關的信息。該信息可以包括所述可呼吸氣體流內的一種或多種分子種類的相對量、濃度和/或水平。在一些實施例中，由接收所述輸出信號的一個或多個處理器執行操作90。
[0042]將認識到，本文中對被設置在被配置為檢測呼吸路線中的二氧化碳的系統中的源組件48的描述不旨在為限制性的。可以實施本文中描述的原理，以在各種背景中提升各種類型的流體(例如氣體、液體和/或其他流體)中的各種分子種類的傳感器的性能。對被配置為檢測呼吸路線中的二氧化碳的系統的描述僅為示范性實施方式。
[0043]在權利要求中，置于括號中任何附圖標記都不得被解釋為對權利要求的限制。詞語“包括”或“包含”不排除存在權利要求中列出的那些之外的其他元件或步驟。在列舉了若干器件的設備權利要求中，這些器件中的一些可以由同一件硬件來實現。元件前面的詞語“一”或“一個”不排除存在多個這樣的元件。在列舉了若干器件的設備權利要求中，這些器件中的一些可以由同一件硬件來實現。互不相同的從屬權利要求中記載了特定元件并不指示不能有利地使用這些元件的組合。
[0044]盡管己經出于說明的目的基于當前認為是最實際和優選的實施例詳細描述了本發明，但要理解，這樣的細節僅出于該目的，本發明不限于公開的實施例，而是相反，旨在涵蓋在權利要求書的精神和范圍之內的修改和等價布置。例如，要理解，本公開預見到，在可能的范圍內，能夠將任意實施例的一個或多個特征與任意其他實施例的一個或多個特征相組合。
【權利要求】
1.一種紅外源組件，所述源組件包括: 發射器，其被配置為沿光路發射紅外電磁輻射，其中，所述發射器在發射立體角上發射紅外電磁輻射，并且其中，所發射的紅外電磁輻射中沿所述光路可用的部分是在可用立體角上發射的，所述可用立體角小于所述發射立體角，使得所述發射立體角包含所述可用立體角；以及 反射組件，其被配置為反射所發射的紅外電磁輻射中在所述可用立體角以外的至少一部分，使得所反射的紅外電磁輻射被聚焦在所述發射器處或附近，由此增加所述發射器的熱。
2.如權利要求1所述的源組件，其中，所述反射組件包括至少一個聚焦反射鏡。
3.如權利要求1所述的源組件，其中，所述反射組件聚焦所述可用立體角以外的所發射的紅外電磁輻射的至少30%。
4.如權利要求1所述的源組件，其中，所述反射組件被配置為使得從不同位置反射的紅外電磁輻射被聚焦在所述發射器上的不同位置處。
5.如權利要求1所述的源組件，其中，所述反射組件形成單個基本連續的反射表面，所述單個基本連續的反射表面反射所發射的紅外電磁輻射。
6.一種發射紅外電磁福射的方法，所述方法包括: 從發射表面沿光路 發射紅外電磁輻射，其中，所述紅外電磁輻射是在發射立體角上發射的，并且其中，所發射的紅外電磁輻射中沿所述光路可用的部分是在可用立體角上發射的，所述可用立體角小于所述發射立體角，使得所述發射立體角包含所述可用立體角；以及 反射所發射的紅外電磁輻射中在所述可用立體角以外的至少一部分，使得所反射的紅外電磁輻射被聚焦在所述發射表面處或附近，由此增加在所述發射表面處或附近的熱。
7.如權利要求6所述的方法，其中，所述反射操作由至少一個聚焦反射鏡執行。
8.如權利要求6所述的方法，其中，在所述反射操作處，在所述可用立體角以外的所發射的紅外電磁輻射的至少30 %被聚焦在所述發射表面處或附近。
9.如權利要求6所述的方法，其中，從不同位置反射的紅外電磁輻射被聚焦在所述反射器上的不同位置處。
10.如權利要求6所述的方法，其中，所述反射操作由單個基本連續的反射表面執行，所述單個基本連續的反射表面反射所發射的紅外電磁輻射。
11.一種被配置為發射紅外電磁輻射的系統，所述系統包括: 用于沿光路發射紅外電磁輻射的器件，其中，所述紅外電磁輻射是在發射立體角上發射的，并且其中，所發射的紅外電磁輻射中沿所述光路可用的部分是在可用立體角上發射的，所述可用立體角小于所述發射立體角使得所述發射立體角包含所述可用立體角；以及 用于反射所發射的紅外電磁輻射中在所述可用立體角以外的至少一部分，使得所反射的紅外電磁輻射被聚焦在用于發射的所述器件處或附近，由此增加用于發射的所述器件的熱的器件。
12.如權利要求11所述的系統，其中，用于反射的所述器件包括至少一個聚焦反射鏡。
13.如權利要求11所述的系統，其中，用于反射的所述器件被配置為使得在所述可用立體角以外的所發射的紅外電磁輻射的至少30%被聚焦在所述發射表面處或附近。
14.如權利要求11所述的系統，其中，用于反射的所述器件被配置為使得從不同位置反射的紅外電磁輻射被聚焦在用于發射的所述器件上的不同位置處。
15.如權利要求11所述的系統，其中，用于反射的所述器件包括單個基本連續的反射表面，所述單個基本連 續的反射表面反射所發射的紅外電磁輻射。
【文檔編號】G01N21/35GK103998919SQ201280062584
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年12月14日 優先權日:2011年12月19日
【發明者】J·T·拉塞爾 申請人:皇家飛利浦有限公司