特許 6789345 ガスを検出するためのセンサおよびガスを検出するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6789345

(24)【登録日】2020年11月5日

(45)【発行日】2020年11月25日

(54)【発明の名称】ガスを検出するためのセンサおよびガスを検出するための方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/3504 20140101AFI20201116BHJP

   G01N 33/497 20060101ALI20201116BHJP

   G01N 21/03 20060101ALI20201116BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/3504

   G01N33/497 Z

   G01N21/03 B

【請求項の数】37

【外国語出願】

【全頁数】43

(21)【出願番号】特願2019-78650(P2019-78650)

(22)【出願日】2019年4月17日

(62)【分割の表示】特願2016-528488(P2016-528488)の分割

【原出願日】2014年7月21日

(65)【公開番号】特開2019-164141(P2019-164141A)

(43)【公開日】2019年9月26日

【審査請求日】2019年5月14日

(31)【優先権主張番号】PCT/EP2013/065379

(32)【優先日】2013年7月22日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】501204802

【氏名又は名称】センテック アーゲー

【氏名又は名称原語表記】Ｓｅｎｔｅｃ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ラドマン，ドミニク

(72)【発明者】

【氏名】シューマッハー，ペーター・マティアス

(72)【発明者】

【氏名】ラン，ジョセフ

(72)【発明者】

【氏名】カルエル，シモン

(72)【発明者】

【氏名】エレンベルガー−ジラルド，クリストフ

(72)【発明者】

【氏名】スタンリー，ロス

(72)【発明者】

【氏名】エッケルト，ロルフ

(72)【発明者】

【氏名】トルメン，マウリジオ

(72)【発明者】

【氏名】ティモティジェビク，ブラニスラブ

【審査官】 嶋田 行志

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０４０４１９３２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５２２８６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５４４４２４９（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／０６４３１３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００４／０１７０５４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 英国特許出願公開第０２０５４８４４（ＧＢ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−１００３３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Noninvasive Optical Transcutaneous pCO2 Gas Sensor，Sensors and Materials，２００５年，Vol.17, No.5，pp. 249-257

【文献】 Characteristics of Transcutaneous pCO2 Gas Sensor Based on LiF Glass Using Soft Lithography，Sensors and Materials，２００７年，Vol.19, No.8，pp. 465-476

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／７４

Ｇ０１Ｎ ３３／４８−３３／９８

Ｇ０１Ｎ １／００− １／４４

Ａ６１Ｂ ５／０６− ５／２２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

経皮ガスを検出するための、特にＣＯ２を検出するための、センサ（１）であって、測定対象のガスの測定箇所に向けて方向付け可能な接触面（２）と、測定放射を発するための少なくとも１つの放射源（３）と、前記測定対象のガスを受けるための測定体積部（４）と、伝達される放射を検出するための少なくとも第１の検出器（５）とを備え、前記放射は前記測定体積部（４）を通って伝達され、前記放射源（３）および前記第１の検出器（５）はそれぞれコンパートメント（１３）内に配置され、
前記コンパートメント（１３）はそれぞれ少なくとも１つのシール素子（１４）によって前記測定体積部（４）から分離されており、
前記センサ（１）は、前記放射源（３）が位置する前記コンパートメント（１３）と前記測定体積部（４）との間の少なくとも１つのチャネル（８）を含み、
前記センサ（１）は、前記測定体積部（４）と前記第１の検出器（５）が位置する前記コンパートメント（１３）との間の少なくとも１つのチャネルを含み、
前記シール素子（１４）は、前記放射源（３）と前記測定体積部（４）との間の前記チャネル（８）に配置されるとともに、前記測定体積部（４）と前記第１の検出器（５）との間の前記チャネル（８）にも配置されており、
前記センサ（１）は、前記シール素子（１４）とそれぞれの前記チャネル（８）との間のシール（１５）を備え、前記シール（１５）は金属を含むポリマーから形成され、
前記シール素子（１４）は、少なくとも部分的に、反射層でコーティングされている、センサ。

【請求項2】

前記シール素子（１４）は円筒形であり、好ましくは前記シール素子（１４）は楕円形または円形シリンダであることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ（１）。

【請求項3】

前記シール素子（１４）は、前記第１の検出器（５）によって検出されるべき放射に対して実質的に透過的な材料からなり、好ましくは前記シール素子（１４）は、サファイア、ルビー、シリコン、酸窒化アルミニウム、またはフッ化物ガラスなどの赤外線透過ガラスからなることを特徴とする、請求項１または２に記載のセンサ（１）。

【請求項4】

前記測定体積部（４）は、前記測定箇所に向けて方向付けられる透過壁（２９）を備え、前記透過壁（２９）は、放射を反射する多孔面（３０）を備え、前記多孔面（３０）の細孔開口部（３１）は好ましくは５μｍ未満の寸法を有し、より好ましくは、細孔開口部（３１）は１μｍ未満の寸法を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項5】

前記透過壁（２９）は、反射層（３２）でコーティングされた、好ましくはＡｕ（金）、ＴｉＮ（窒化チタン）、またはＡｌ（アルミニウム）でコーティングされた、ｅＰＴＦＥ、ナノ多孔性酸化アルミニウム、多孔性シリコン、または焼結もしくはエッチングされた膜もしくは薄シートなどの多孔性ポリマーまたはセラミックまたは半導体または金属を備えることを特徴とする、請求項４に記載のセンサ（１）。

【請求項6】

前記放射源（３）は放熱器であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項7】

前記放射源（３）は赤外線ＬＥＤを備えることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項8】

センサケーシング（３３）は気密であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項9】

前記放射源は、ＶＣＳＥＬなどの赤外レーザを備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項10】

少なくとも１から１２μｍの範囲内、好ましくは１から５μｍの範囲内、より好ましくは３から５μｍまたは２から４μｍの範囲内の波長帯域の放射が、前記第１の検出器（５）によって検出可能であることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項11】

前記測定体積部（４）は、１０ｍｍ³未満、好ましくは２ｍｍ³未満、より好ましくは１ｍｍ³以下の体積を有することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項12】

前記センサ（１）は、第２の検出器（３４）と、測定体積部（４）と第２の検出器（３４）との間の第２の経路（３５）とを備えることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項13】

前記第２の経路（３５）は、第１の検出器（５）と測定体積部（４）との間の経路から少なくとも部分的に分離されていることを特徴とする、請求項１２に記載のセンサ（１）。

【請求項14】

細孔充填物（４２）を備える、請求項１から１３のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項15】

通信および電力供給手段を有さない前記センサは、直径３０ｍｍおよび高さ２０ｍｍの仮想シリンダに、または１５ｃｍ³の仮想体積に収まり、好ましくは、直径２０ｍｍおよび高さ１６ｍｍの仮想シリンダに、または５ｃｍ³の仮想体積に収まり、最も好ましくは、直径１７ｍｍおよび高さ１３ｍｍの仮想シリンダに、または３ｃｍ³の仮想体積に収まることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項16】

前記センサは、電気または電子手段によってＰＣＢまたはディスプレイなどの他の装置と通信するのみの通信インターフェイスを備えることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項17】

前記測定体積部（４）を介した前記放射源（３）から前記検出器（５）または前記検出面（４３，４４）までの最短の完全な光路の全長は、２０ｍｍを超えず、好ましくは１０ｍｍを超えないことを特徴とする、請求項１から１６のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項18】

前記測定体積部（４）以外のガスアクセス可能体積を通って延びる、前記測定体積部（４）を介した前記放射源（３）から前記検出器（５）または前記検出面（４３，４４）までの最短の完全な光路のそれらの部分の長さの合計は、３ｍｍを超えず、好ましくは１．５ｍｍを超えず、より好ましくは０．８ｍｍを超えないことを特徴とする、請求項１から１７のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項19】

前記センサ（１）に供給される平均電力は、５Ｗ未満であり、より好ましくは２Ｗ未満であり、最も好ましくは１Ｗ未満であることを特徴とする、請求項１から１８のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項20】

前記検出器は、少なくとも第１の検出面（４３）と、第２の検出面（４４）と、好ましくは干渉フィルタなどの波長フィルタである少なくとも１つの波長高感度素子とを備え、前記波長高感度素子は、第１の入射角範囲内で前記波長高感度素子上に入射する第１の波長帯域内の波長の放射に対して、かつ第２の入射角範囲内で前記波長高感度素子上に入射する第２の波長帯域内の波長の放射に対して実質的に透過的であり、
前記第１および前記第２の波長帯域は少なくとも部分的に互いに異なり、前記第１および前記第２の入射角範囲は少なくとも部分的に互いに異なり、
前記第１の検出面（４３）および前記第２の検出面（４４）および前記少なくとも１つの波長高感度素子は、前記第１の波長帯域内の放射が前記第１の検出面（４３）に衝突して前記第１の検出面（４３）によって検出可能であるように前記波長高感度素子を通って伝搬するように、かつ、前記第２の波長帯域の放射が前記第２の検出面（４４）に衝突して前記第２の検出面（４４）によって検出可能であるように前記波長高感度素子を通って伝搬するように配置されることを特徴とする、請求項１から１９のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項21】

前記第２の検出面（４４）は、前記第１の検出面（４３）に対して同心円状に配置されることを特徴とする、請求項２０に記載のセンサ。

【請求項22】

前記第２の検出面（４４）は、前記第１の検出面（４３）を少なくとも部分的に、好ましくは実質的に完全に囲むことを特徴とする、請求項２０または２１に記載のセンサ。

【請求項23】

前記検出器は、２つの検出面（４３，４４）を備えることを特徴とする、請求項２０から２２のいずれか１項に記載のセンサ。

【請求項24】

前記第１および前記第２の検出面は、共通のサポート、好ましくは共通のセラミックサポート、より好ましくは共通のシリカサポート上に配置されることを特徴とする、請求項２０から２３のいずれか１項に記載のセンサ。

【請求項25】

前記検出器（５）は、測定放射が前記センサ（１）の内部で複数の異なる光路に沿って前記放射源（３）から前記測定体積部（４）を通って前記検出器（５）に向かって伝搬しており、前記測定放射の光線が前記波長高感度素子に衝突した時に明確に発散する場合、前記第１および前記第２の波長帯域内の放射が前記第１および第２の検出面（４３，４４）によって検出可能であるように配置されることを特徴とする、請求項２０から２４のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項26】

前記検出器（５）は、異なる波長の測定放射光線が共通のビームの内部で前記波長高感度素子に向かって伝搬している場合、異なる波長帯域内の前記光線は、前記波長高感度素子に入った後に別個のビームの内部を前記第１および第２の検出面（４３，４４）へと伝搬するのみであるように配置されることを特徴とする、請求項２０から２５のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項27】

前記センサは、放射源（３）と第１の検出器（５）との間に前記放射の経路（６）を備え、前記放射は非結像的に前記経路に沿って伝搬することを特徴とする、請求項１から２６のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項28】

非結像光学素子（７）はセンサケーシング（３３）の一体部分であることを特徴とする、請求項２７に記載のセンサ（１）。

【請求項29】

前記経路（６）は、前記放射源（３）と前記測定体積部（４）との間に、および／または、前記測定体積部（４）と前記第１の検出器（５）との間に、少なくとも１つのチャネル（８）を備え、好ましくは前記チャネル（８）は充填物（９）を備えることを特徴とする、請求項２７または２８に記載のセンサ（１）。

【請求項30】

前記測定体積部は、反射率が９０％を超える、好ましくは９５％を超える、より好ましくは９８％を超える主に反射性の表面（３６）を有することを特徴とする、請求項２７から２９のいずれか１項に記載のセンサ（１）。

【請求項31】

請求項１から３０のいずれか１項に記載のセンサ（１）を用いる、ガス、特にＣＯ２を検出するための方法であって、放射が少なくとも１つの放射源（３）から発せられ、測定体積部（４）を通って伝達され、検出器（５）によって検出され、前記測定体積部（４）内に経皮拡散した後の測定対象のガスは前記測定体積部（４）の中に受けられ、
前記放射は、放射源（３）と検出器（５）との間を非結像的に伝搬することを特徴とする、方法。

【請求項32】

液体または粘稠液体が前記測定体積部（４）に入ることが防止されることを特徴とする、請求項３１に記載の方法。

【請求項33】

検出対象のガスを含むガス混合物から、特に、前記測定体積部（４）および前記拡散経路（２６）に入っているガス混合物から、水蒸気が少なくとも部分的に除去されることを特徴とする、請求項３１または３２に記載の方法。

【請求項34】

請求項３１から３３のいずれか１項に記載のガスを検出するための方法であって、前記放射は、ＮＡ変換器（２２）またはビーム分割ＮＡ変換器（２２）および波長フィルタ（２１）を通って少なくとも部分的に伝達されることを特徴とする、方法。

【請求項35】

ガス、特にＣＯ２を検出するための、請求項３１から３４のいずれか１項に記載の方法であって、
前記ガスは、前記測定体積部のアクセス領域（２５）よりも大きい収集領域（２４）を有するガス収集器（２３）によって収集されることを特徴とする、方法。

【請求項36】

前記放射源（３）は、シール素子（１４）として同時に用いられることを特徴とする、請求項１から１８のいずれか１項に記載のセンサ。

【請求項37】

前記測定体積部は、前記測定体積部の入口から前記測定体積部に入る光子がランダムウォークを行なった後に前記測定体積部の出口から出るように、反射性の表面を備える、請求項１から１８および３６のいずれか１項に記載のセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

発明はガスを検出するためのセンサ、およびガスの発生または量を検出するための方法に向けられる。

【背景技術】

【0002】

ガスを測定するための現在のシステムは、さまざまな測定原理を採用している。医療技術では、主に、経皮拡散した、すなわちヒト患者または動物の皮膚を通じて拡散したガスを測定するために電気化学センサが用いられている。経皮ＣＯ₂を測定するための現在の
センサは非常に高感度であり、良好な応答時間を示す。それでもやはり、それらのセンサは測定時間が長引くにつれてドリフトし、頻繁な較正を必要とするため、使用時に、ユーザは較正ガス供給を含むかなり嵩高い較正機器を用いる必要がある。センサ較正およびメンテナンスによって、技術の有用性が損なわれる。経皮ガスを測定するための電気化学センサは、たとえば国際公開第ＷＯ２００８／１３２２０５号から知られている。

【0003】

今日、経皮血液ガス、特にＣＯ₂の測定は、実質的にすべての臨床設定において患者換
気の連続的かつ非侵襲的なリアルタイム監視に主に用いられている。経皮システムは、ガスが皮膚および身体組織を通じて拡散し、当該ガスが適切なセンサによって皮膚の表面上で検出可能であるという事実に依拠している。検出されたガスの濃度は次に典型的に、数学的関係を用いてガスの動脈分圧に変換される。この情報は、特に呼吸パターン、肺胞換気、肺灌流、または人工呼吸器および麻酔回路からのＣＯ₂の排除などの局面に関して、
治療中に患者の健康状態の健全性および臨界の明確なイメージを提供する。通常、皮膚は、臨床的に関連のある測定結果を得るために３７℃〜４５℃、好ましくは４１℃〜４３℃に加熱される必要がある。

【0004】

従来の非侵襲的な換気監視は、患者の息のサンプル内の呼吸ガスの濃度の測定によって行なわれる。しかし、そのような技術には、一定の臨床設定においていくつかの欠点がある。体外の血液循環を含む一定の臨床設定では、患者の血流から血液ガスを直接測定することもさらに可能である。

【0005】

経皮ガス検知における主な技術的課題の１つは、ガスが組織および皮膚を透過する速度が非常に低いという事実と関連している。したがって、その測定メカニズムが、測定チャンバ内のガスの濃度と、皮膚内のそれぞれの濃度との平衡に依拠する経皮ガス測定用センサは、極めて小さい体積のそのような測定チャンバを有する必要があり、そうでなければ平衡完了までの時間が許容できないほど長くなってしまう。さらに、そのような測定チャンバを採用する光学センサは、十分な光強度を維持しつつ、極めて小さい測定チャンバに光学放射を案内し、チャンバを通って伝達し、チャンバから収集するという課題を克服しなければならない。別の制約は、典型的に成人患者の耳たぶまたは新生児の大腿である測定箇所である。

【0006】

米国特許第７，１６４，８１２号には、光ビームが光源から検出器に伝搬する際に通る螺旋光導波路を含むセンサシステムが開示されている。光ビームのエバネッセント場が隣接の媒体に入り込み、その中の化学物質によって、たとえば経皮ガスによって吸収され得る。

【0007】

そのようなセンサシステムは、小型センサに正確に組込むことが困難な光ファイバを採用している。さらに、エバネッセント場が物質と相互に作用し得る短い距離には、高精度の製造および組立が必要である。エバネッセント場が測定対象のガス以外の多数の物質に
干渉することによって、必要な信号と不要な信号との区別が妨げられ得る。

【0008】

国際公開第ＷＯ２００８／１１０９２７号には、光学サンプリングセルを含むセンサシステムが開示されており、光ビームは単一モード伝搬によってエミッタから検出器へと当該セルを通って伝搬する。光ビームは、サンプリングセルの内部のガスと相互に作用する。

【0009】

そのようなセンサシステムは高額かつ複雑であり、製造が困難である。製造仕様からの小さい偏差が単一モード伝搬に、それによってシステム性能に著しく影響を与えるため、公差を非常に厳しくする必要がある。当該分野において使用時にセンサ信頼性を維持することは達成が非常に困難であり、初期故障のリスクがある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明の目的は、最新技術の欠点を回避することであり、特に、特に少量のガスの濃度を求めるためにガスを検出するためのロバストなセンサと、特に、頻繁な較正が不要であり、かつ許容可能な応答時間内に正確な結果を提供する、少量のガスの濃度を求める、ガスを検出するための方法とを提供することである。

【0011】

本文脈における応答時間とは、センサが、たとえば患者から外されて、一定の状況から安定した測定値の９０％に達するのに要する時間と理解される。許容可能な応答時間は１０分よりも短く、好ましくは５分よりも短く、より好ましくは２．５分よりも短い。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明によると、この目的は、独立特許請求項に係る検出器、センサおよび方法によって達成される。

【0013】

発明の第１の局面によると、放射源によって発せられる電磁放射を検出するための、典型的にセンサ内の放射を検出して測定するための検出器が提供される。上記検出器は、第１の検出面と、第２の検出面と、少なくとも１つの波長高感度素子とを含む。検出面は、検出すべき放射が検出器に衝突する領域を形成する。波長高感度素子は、第１の波長帯域内の波長の放射が第１の入射角範囲内で波長高感度素子上に入射する際に、この放射に対して実質的に透過的である。好ましくは、厳密に１つの共通の波長高感度素子がすべての検出面について用いられる。当該素子はさらに、第２の波長帯域内の波長の放射が第２の入射角範囲内で波長高感度素子上に入射する際に、この放射に対して実質的に透過的である。これら第１および第２の波長帯域は少なくとも部分的に互いに異なるが、重なり合っていてもよい。第１および第２の入射角範囲も少なくとも部分的に互いに異なるが、重なり合っていてもよい。波長高感度素子はさらに、さらなるそのような波長帯域内の、さらなるそのような入射角範囲内で入射する波長の放射に対して実質的に透過的であってもよい。

【0014】

波長高感度素子は好ましくは、干渉フィルタなどの波長フィルタである。回折素子も考えられる。干渉層に基づく波長フィルタのフィルタリング特性は、衝突する光線の入射角に依存する。典型的に、バンドパス干渉フィルタの通過帯域の中心波長は、入射角が増加すると低波長側にずれる。さらに、通過帯域形状は変化し得る。したがって、バンドパス干渉フィルタは、第１の入射角範囲内の入射角（ＡＯＩ）で衝突する光線が、それらの波長が第１の波長帯域内にある時にのみ当該フィルタを通過可能であり、第２の入射角範囲内のＡＯＩで衝突する光線が、それらの波長が第２の波長帯域内にある時にのみ当該フィルタを通過可能であるような通過帯域形状および中心波長を有するように設計され得る。波長帯域および入射角範囲は重なり合っていてもよいがその必要はなく、第２の波長帯域
は典型的に、第２の入射角範囲が第１の入射角範囲よりも高いＡＯＩに及ぶ時、第１の波長帯域よりも低い波長に及ぶ。

【0015】

第１の検出面および第２の検出面および少なくとも１つの波長高感度素子は、第１の波長帯域内の放射が上記第１の検出面に衝突して上記第１の検出面によって検出可能であるように波長高感度素子を通って伝搬するように配置される。これに対応して、第２のまたはさらなる波長帯域の放射は、第２またはさらなる検出面に衝突してこれら第２のまたはさらなる検出面によってそれぞれ検出可能であるように波長高感度素子を通って伝搬する。典型的に、放射が波長高感度素子に衝突する前に空気中を伝搬する場合、第１の波長帯域内の波長を有する放射の入射角は、波長高感度素子に垂直な表面に対して０°から３０°であってもよく、第２の波長帯域内の波長を有する放射の入射角は、波長高感度素子に垂直な表面に対して２５°から６０°であってもよい。

【0016】

そのような検出器は小型化に適している。好ましくは、そのような検出器は、測定放射が、非平行光線からなる、特に明確に発散している光線からなるビームとして伝搬する状況において、および／またはコリメータもしくは集光器などのビーム成形手段がたとえばサイズ制約のために使用できない状況において用いられ得る。本発明における明確に発散している光線からなるビームは、自由空間の短い部分を通って伝搬している時に断面が明らかに変化するビームと理解される。これが起こるのは、たとえば、ビームが空気または真空中を伝搬している時に、当該ビームの別の大量の光線に対して３０°を超える、特に６０°を超える角度を形成する大量の光線を含む時である。さらに、各検出面の前に個々に１つの波長高感度素子がある従来のアプローチとは異なり、すべての検出面の前に１つの波長高感度素子のみが適用されるため、原則として、個々の波長高感度素子の形状、サイズ、および組立による制約なしに、検出面同士は互いに非常に近くに配置され得、任意の形状を有し得る。特に、１つの波長高感度素子から隣接の素子に通過する不要な放射の除去は、波長高感度素子が１つしかない場合は問題ではない。これによって、より小型で組立がより容易な、それによってより安価な検出器の作製が可能になる。

【0017】

また、典型的に多くの種類のそのような検出面に当てはまるが、検出面が放射に対してだけでなく温度に対しても高感度である場合、そのような小型化された検出器は温度差に起因する測定誤差が少なくなる。検出面が互いに近くに配置され得るため、より離れている場合よりも同じ温度にある可能性が高いからである。これによって、検出器信号が温度依存性を有する場合、測定結果が向上する。

【0018】

そのような設計によって、中心検出面および周辺のさらなる検出面による放射の検出が可能になる。特に、周辺検出面は、中心検出面に対して同心円状に配置されてもよい。たとえば、第２の検出面は、第１の検出面を部分的にまたは実質的に完全に囲んでもよい。本文脈において実質的に囲むとは、導体経路などの導体の配置を可能にする小さい隙間が隣り合う表面同士の間に存在し得ることを意味する。特に、第２のまたは任意の他の周辺検出面は、実質的にリング状であってもよい。

【0019】

完全にまたは部分的に第１の中心検出面を囲む第２の検出面は、第２の検出面が第１の検出面の一方側にのみ位置している場合と比べて、第２の波長帯域内の波長のより多くの放射の検出を可能にする。これによって、特に、中心検出器のすべての側に広がる明確に発散する放射ビーム、たとえば（固体）円錐を形成するほぼ回転対称のビームを検出する場合、第２の波長帯域内の放射のより正確な測定が得られる。

【0020】

個別の検出面同士の間に配置される隙間は、対応する入射角の範囲同士の、したがって検出された放射の対応する波長帯域同士の重なりを減少させ得る。さらに、そのような隙間に、かつ非完全的に囲んでいる検出面の異なる部分同士の間の隙間に、電気コンタクト
が配置され得る。

【0021】

検出器は、厳密に２つの検出面を含み得る。
厳密に２つの検出面によって、たとえば、第１の波長帯域内の放射の多くが測定対象のガスによって吸収され得、第２の波長帯域内の放射がかなりまたは完全に測定対象のガスに対して低感度であり、したがって基準放射として用いられ得る、検出器がたとえばガスセンサに用いられる場合に、２つの対応する波長帯域内の放射の検出が可能になる。たとえば、この第１の波長帯域の放射は中心検出面によって検出され得、信号放射となり、より低い波長の第２の波長帯域内の放射は周辺の第２の検出面によって検出され、基準放射となる。代替的に、信号放射も周辺検出器によって検出されてもよく、より高い波長の第２の波長帯域内の放射が中心検出面によって検出され、基準放射となる。

【0022】

代替的に、検出器は厳密に３つの検出面を含んでもよい。たとえば、検出器は、中心および外側周辺検出面が主に、検出対象のガスに対して高感度の放射の波長帯域よりも実質的に高いおよび低い波長帯域内のガス低感度放射に対してそれぞれ高感度であり、主要なガス高感度放射が内側周辺検出面によって検出されるように、設計および配置されてもよい。そのような配置によって、ガス高感度放射の範囲の上下の基準放射の検出が、したがって放射源から発せられる放射のスペクトル変化への適合が同時に可能になる。

【0023】

第１および第２の検出面は、共通のサポート、好ましくはセラミックサポート、より好ましくは、特に石英の形態のシリカ製サポート上に配置されてもよい。

【0024】

共通のサポートを用いることによって、小型化された検出器の作製が可能になり、検出面同士を同じ温度に維持するのに役立つ。

【0025】

発明の別の局面によると、測定箇所に向けて方向付け可能な接触面を含む、ガスを検出するための、特にＣＯ２を検出するためのセンサが提供される。センサは、少なくとも１つの放射源と、測定対象のガスを受けるための測定体積部と、上述の検出器とを含む。放射源から発せられる放射は、検出器の波長高感度素子によって分離可能な少なくとも２つの波長を含む。上記センサは、光学ガス測定経路および基準経路を含む。検出器は、ガス測定経路の放射が一方の検出面に衝突し、基準経路の放射が他方の検出面に衝突するように配置される。

【0026】

そのようなセンサは、よりコンパクトに、かつより少ない部品で作ることができるため、より単純かつ容易に小型化される。

【0027】

好ましくは、検出器は、測定放射が上記センサの内部で複数の異なる光路に沿って放射源から上記測定体積部を通って上記検出器に向かって伝搬している時に、かつ、上記測定放射の光線が上記波長高感度素子に衝突すると明確に発散する時に、上記第１および上記第２の波長帯域内の放射が上記第１および第２の検出面によって検出可能であるように配置される。

【0028】

検出器は、異なる波長の測定放射光線が波長高感度素子に向かって共通のビーム内を伝搬している場合は、異なる波長帯域内の光線が波長高感度素子から上記第１および第２の検出面へと別個のビーム内を伝搬するのみであるように構成されてもよい。次に波長高感度素子を用いて、たとえば、波長高感度素子に入った後にそれぞれの検出面に個別に伝搬する測定波長および基準波長の放射同士が区別される。

【0029】

発明のさらに別の局面によると、ガスを検出するための、特にＣＯ₂を検出するための
センサが提供される。センサは光学測定原理を用いる。赤外放射が少なくとも１つの放射
源によって発せられ、少なくとも１つの経路に沿って、測定対象のガスを受けるための測定体積部を通って、少なくとも第１の放射検出器上に案内される。

【0030】

発明のこの局面の文脈では、上述のような第１および第２の検出面ならびに１つの共通の波長高感度素子を有する１つの検出器が好ましくは用いられ得る。

【0031】

代替的に、互いに分離した第１および任意に１つ以上のさらなる検出器を用いることも可能である。任意に、そのような検出器の各々には、個々の波長高感度素子が設けられてもよい。そのような放射検出器の一定の電子特性は、当該特性を測定することによって、衝突放射の強度変化が、好ましくはマイクロプロセッサを含む電子回路を用いて推測され得るように、衝突放射の強度に依存する。そのようなセンサはさらに、センサの接触面とその測定体積部とを接続するいくつかの拡散経路を含む。

【0032】

測定箇所にセンサを装着すると、接触面の近傍に存在する分子が、１つまたはいくつかの膜、場合によってはさらなる拡散経路を通って測定体積部内に拡散し始める。センサは、測定体積部内にガス状で存在する分子種について設計される。ある時間の後、測定体積部内の測定対象の分子種は測定箇所と平衡しており、すなわち、測定体積部内の分子種の濃度は、測定箇所における濃度が一定であり続ける限り、それ以上変化しない。平衡期間の後、測定濃度は測定箇所における濃度を表し、所望のパラメータ、たとえばＣＯ₂の動
脈分圧の計算を可能にする。

【0033】

放射源によって発せられる放射の波長は、発せられた放射の少なくとも一部が、測定体積部内に拡散してその中に気相で存在する分子によって吸収され得るように選択される。発明に係る測定放射は、第１の検出器によって検出され得る放射であり、たとえば、測定対象の分子種によって吸収され得る放射、またはガスによる吸収によって大幅に減衰され得ず、したがって基準放射となり得る放射である。測定体積部内に存在するそのようなガス分子が多いほど、測定体積部を通って伝達される測定放射がより多く吸収され、その放射に対して高感度の第１の検出器に衝突する測定放射の強度が低くなる。このように、検出器に衝突する測定放射強度の変化によって、特定のガス種の濃度を求めることができる。

【0034】

センサは、測定対象のガスの測定箇所に向けて方向付け可能な接触面を含む。センサはさらに、少なくとも１つの放射源と、測定対象のガスを受けるための測定体積部と、測定体積部を通って放射源から第１の検出器に伝達される放射を検出するのための少なくとも第１の検出器とを含む。センサは、放射源と第１の検出器との間に複数の放射経路を含む。放射は、非結像的に経路に沿って伝搬する。

【0035】

測定箇所において、測定対象のガスの分子は気相で存在し得るか、または媒体に、たとえばヒト組織または血液に溶解し得る。経皮ガスの測定については、測定箇所は被験者または被験動物の皮膚上にある。呼吸ガスの測定については、測定箇所は何らかのチャネル、たとえば呼気を搬送する管上にある。

【0036】

放射を非結像的に伝搬させるために、経路に沿ったすべての光学素子が結像するわけではない。経路に沿って存在する結像光学素子は、結像目的を有しない。この結果、測定体積部に入る放射は、結像システム内に伝搬する放射に必要であるように、特定の横および角度強度分布プロファイルによって特徴付けられる必要がない。特に、発明に係るセンサの光学的設計は、放射源によって発せられる放射ビーム全体を案内するおよび／または分割することを目的としており、たとえば集束または相互アライメント（コリメーション）のためにそのビームの個々の光線に影響を及ぼすことを試みていない。個々の光線に影響を及ぼすために用いられ得る素子が装置内に存在する場合でも、それらの素子は結像のた
めに用いられない。たとえば、そのような非結像光学素子は、反射側壁を有するシリンダ、または厚い光ファイバであってもよく、その唯一の目的は、放射を入口から出口面へ、途中のロスを最小に抑えつつ案内することである。

【0037】

好ましくは、測定体積部の入口における強度分布プロファイルは非常に特徴的でなく、すなわち、放出光子が取る放射経路は別の放射経路よりも好ましくない。この結果、測定体積部に入るいずれの光子も、多数の反射によって特徴付けられるランダムウォークを行う。したがって、測定体積部の出口および検出面における強度分布も特徴的でない。結像光学素子は、当該経路に沿って、上述の限定を満たす限り存在し得る。

【0038】

放射源の画像を形成することを試みないいずれの任意の形状の反射器または光学素子も、非結像光学素子として作用し得る。これはたとえば、放物面反射器、複合放物面集光器、複合楕円集光器、光円錐、粗面等を含む。

【0039】

放射の非結像的なランダムウォーク伝搬のため、放射を閉じ込めて案内する光学素子の詳細な幾何学的形状は、結像システムについてよりも重要性がはるかに低い。したがって、製造公差を大幅に緩和することができ、センサの製造が容易になる。これは、経皮ガス測定用センサなどの、非常に小型のセンサおよび測定体積部が非常に小さいセンサに特に当てはまる。さらに、製造コストが低下し、センサの信頼性が高まる。

【0040】

非結像光学素子は、センサケーシングの一体部分であってもよい。
発明に係る一体という用語は、内側がコーティングされたケーシングの一部と理解すべきである。チャネル内に他の別個の非結像光学素子が存在する必要はない。

【0041】

センサケーシングの一体部分として非結像光学素子を含むセンサは、小型化に有利である。

【0042】

ケーシングの一体部分としての非結像光学素子は、たとえば、金属に、好ましくはアルミニウムに、またはプラスチックにフライス加工もしくはドリル加工されるか、または成形されてもよい。反射が不十分な非結像光学素子の表面は、反射層でコーティングされてもよい。

【0043】

代替的に、キャビティ、たとえば孔またはチャネルを、測定放射に対して透過的であり、かつ外側に反射層を有し得る材料で充填することによって、非結像光学素子を作製することもさらに可能である。非結像光学素子は個々の部品で作製され、後で完全な光学部品に組合されてもよいし、または１つの部品内に作製されてもよい。非結像光学素子は、たとえばプラスチックケーシングなどのケーシング内に埋込まれてもよい。これによって、個々の非結像光学素子は、埋込工程時に組合された光学素子に組立てられてもよいし、または予め組立てられて光学素子全体として埋込まれてもよい。

【0044】

放射の経路は、放射源と測定体積部との間に、および／または測定体積部と第１の検出器との間に少なくとも１つのチャネルを含んでもよく、好ましくはチャネルは充填物を含んでもよい。

【0045】

チャネルを用いることによって、非結像光学素子によって屈折する放射が放射源から測定体積部に、かつ測定体積部から検出器に伝搬することが可能になる。チャネルの内部に充填物を用いることによって測定結果が向上する。充填物は、チャネル内のガス含有量が変化せず、したがって測定がチャネルに出入りするガスを吸収することによってバイアスされ得ないことを保証し得るためである。

【0046】

チャネル充填物は好ましくは、測定放射に対して実質的に透過的な材料から、またはそのような透過性材料とさらなる材料との組合せからなる。さらに、充填材は、主にシール目的のために、すなわちチャネルとその近傍との間のガス交換を防止するために、チャネル内に存在していてもよい。

【0047】

チャネルは好ましくは、チャネルが放射入口および出口面以外のすべての表面上が反射コーティングされた透過性充填物を含まない限り、反射面または反射コーティングされた表面を有する。これによって測定放射の光吸収が減少し、したがって測定信号が向上する。

【0048】

チャネルは円筒形であってもよい。円筒形チャネルは、材料内にドリル加工されるか、または射出成形によって形成されるか、または管を含んでもよい。これによって、費用効率の高い製造が可能になる。さらに、円筒形チャネルは、より容易に透過性材料で完全に充填できる。好ましくは、円筒形チャネル用の充填物は、円筒形または少なくとも部分的に球形の形状である。

【0049】

一般的に、他の形態のチャネルも考えられる。
典型的なチャネル直径は実質的に０．３から２ｍｍであり、好ましくは実質的に０．５から０．８ｍｍである。チャネルの長さは実質的に２から５ｍｍであってもよい。

【0050】

測定体積部は、反射率が９０％を超える、好ましくは９５％を超える、より好ましくは９８％を超える反射面を有してもよい。

【0051】

それらの表面は、ガス濃度測定について、対象の波長範囲内の放射に対して高反射性である。

【0052】

測定体積部はさらに、放射が出入りすべき表面を含む。そのような透過面は、３５％未満の、好ましくは１５％未満の、より好ましくは７％未満の低反射率を特徴とする。

【0053】

測定体積部は、高反射面よりも低い反射率を示すさらに他の表面を含んでもよい。そのような低反射面は望ましくなく、それらの表面積は最小限に抑えることが求められるが、それらは完全には回避できないことが多い。低反射面の例は、チャネル充填物の周りのシール、測定体積部と接触面とを接続するガスアクセス孔もしくは細孔などの拡散経路の開口部、または測定体積部を汚染から保護する内側膜である。

【0054】

測定体積部は、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、またはＡｕ（金）などの金属などの高反射性材料内にフライス加工またはドリル加工することによって測定体積部を形成する際に得られる、固有の劣化しない高反射面を有してもよい。代替的に、測定体積部の少なくとも一部が、プラスチック、一定の金属または金属合金または多くの他の材料などの、高反射性でない、またはその反射率が時間とともに劣化することが予想される材料内にまたは当該材料から形成されてもよい。特に、プラスチックの射出成形は安価であり、したがって魅力的な製造法である。そのような材料は、ある段階において、必要な高反射面を形成および／または保存する、Ａｌ、Ａｕ、ＴｉＮ（窒化チタン）、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、もしくはＷなどの反射コーティング、および／またはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、パリレン、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）、Ｓｉ_xＮ_y（窒化シリコン）、ＭｇＦ₂（フッ化マグネシウム）等
の反射コーティングでコーティングされる必要がある。さらに、低反射面は、反射および／または保護材料を用いた同様のコーティングによって少なくとも部分的に高反射面に変換されてもよい。

【0055】

代替的に、測定体積部は、２枚の板または板状素子を接合することによって形成されてもよく、このうち少なくとも一方は、接合後に２枚の板の界面にキャビティが形成されるように成形される。

【0056】

測定体積部は任意に成形されてもよい。しかし、その体積は、経皮ガス検知に適しているように小さい必要があり、好ましくはその体積は１０ｍｍ³未満であり、より好ましく
は２ｍｍ³未満であり、さらにより好ましくは１ｍｍ³未満である。さらに、測定体積部は５ｍｍ×５ｍｍ×３ｍｍのサイズの直方体に収まるが、測定体積部はその直方体体積を充填するほどではない。好ましくは、測定体積部は２ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍのサイズの直方体に、または１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×１ｍｍのサイズの直方体に収まる。

【0057】

測定体積部の最小開口、すなわち放射入口開口部と出口開口部との間の測定体積部の最小断面積は少なくとも０．１５ｍｍ²であり、好ましくは少なくとも０．３ｍｍ²である。

【0058】

測定体積部は壁または壁の一部を含み、当該壁において拡散経路は測定体積部内で終了し、すなわち当該壁において測定対象の分子が測定体積部に入ることができる。壁は非多孔性であってもよく、たとえば、測定対象のガス分子がそれを通過して拡散可能な内側膜からなってもよい。壁は多孔性であってもよく、すなわち多数の不規則的にまたは規則的にまたは意図的に配置された開口部または細孔または孔を含んでもよい。たとえば、開口部は、ドリル加工もしくは切除された孔、エッチングされた細孔、または多孔性材料を通過するランダムな経路からなってもよい。好ましくは、測定体積部に向けて方向付けられる壁の大部分または全面が測定放射に対して本質的に反射性であるか、または反射および／もしくは保護コーティングを含む。

【0059】

発明の別の局面によると、測定対象のガスの測定箇所に向けて方向付け可能な接触面を含む、ガスを検出するための、特にＣＯ₂を検出するためのセンサが提供される。センサ
は、受け位置で外側膜を受けるように適合される受け面と、少なくとも１つの放射源と、測定対象のガスを受けるための測定体積部と、伝達される放射を検出するための少なくとも第１の検出器とを有する。放射は、測定体積部を通って伝達される。センサは、測定体積部と受け位置との間に、測定体積部を保護するための内側膜を含む。

【0060】

好ましくは、センサはさらに、上述のようなセンサの特徴を含む。
受け位置は、センサの一部または膜の搬送対象の一部である膜の位置を決定する。一実施形態では、外側膜は、単に使用時に接触面を完全に被覆している。

【0061】

内側膜はしたがって、特に外側膜がセンサ自体の一部でない場合、センサの内部に、またはさらには接触面を被覆して配置されてもよい。

【0062】

内側膜がセンサの外部と接触する必要がない場合、内側膜の機械的ロバスト性および耐化学性に対する要求が最小になる。これは、膜が外部からの直接衝撃から保護されるためである。特に内側膜が測定体積部の境界を形成する場合、内側膜は好ましくは測定放射に対して反射性であるか、または反射コーティングを含む。

【0063】

内側膜を用いることによって、使い捨て装置に組込まれた第２の外側膜を、測定箇所にセンサを当てるために用いられる、たとえば国際公開第ＷＯ２０１３／０６４３１３号に記載されているような患者アプリケータなどのアプリケータとして用いることができる。外側膜がセンサの一部でない場合であっても、測定体積部は粒子または流体によって汚染されない。さらに、内側膜を用いることによって、いずれの場合もガスセルの保護が向上する。

【0064】

内側膜は、非多孔膜、好ましくはポリマーからなる膜、より好ましくはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）またはポリエチレン（ＰＥ）またはポリプロピレン（ＰＰ）などのフルオロポリマーからなる膜であってもよい。

【0065】

他の可能な材料は、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシ）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＦＥＰ（フッ素化エチレンプロピレン）、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ナイロン、ポリメチルペンテン、パリレン、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリスルホン（ＰＳ）、アクリル共重合体、セロファン、ゴム、またはシラスティックなどのシリコーンエラストマー等である。ポリエチレンとして、可能な材料は、ＵＨＭＷＰＥ（超高分子量ポリエチレン）、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）等を含んでもよい。

【0066】

そのような膜はガス透過性であるが流体不透過性であるため、測定体積部を保護する。
内側膜は代替的に、多孔性の流体不透過膜、特に、ｅＰＴＦＥ、ナノ多孔性酸化アルミニウム、多孔性シリコン、または焼結もしくはエッチングされた膜もしくは薄シートなどの多孔性ポリマーまたはセラミックまたは半導体または金属を含む膜であってもよい。

【0067】

多孔膜を用いることによってガス透過率が向上するが、それにも拘わらず膜は流体不透過性のままである。

【0068】

多孔内側膜は好ましくは、ｅＰＴＦＥ（膨張ＰＴＦＥ）、ＰＴＦＥ、ＰＥＳ、ＰＳ、ＰＶＤＦ、ＰＢ、（ナノ−）ファイバ、ナイロン、アクリル共重合体を含む高分子膜、またはガラス繊維もしくは焼結もしくはプレス加工された金属もしくはセラミック粉末を含む膜、またはナノ多孔性酸化アルミニウム、多孔性チタニア、多孔性シリコン、ゼオライト、多孔性ガラス、二酸化シリコン、シリカゲル、粘土などの多孔性セラミックもしくは半導体を含む膜、または化学的もしくはトラックエッチング、切除、侵食、ドリル加工、もしくは他の処理によって意図的に導入された細孔を有するポリマー、セラミック、もしくは金属、特にアルミナ、シリカ、シリコン、チタン、チタニア、窒化シリコン、ＰＴＦＥ、アルミニウム、ステンレス鋼、ポリカーボネート、もしくはポリエステルを含む膜からなる。

【0069】

内側膜は、特に第１の検出器によって検出されるべき放射に対して反射性である反射膜であってもよい。

【0070】

内側膜の反射面または内側膜の表面上の反射コーティングは、測定体積部内の放射が内側膜によって吸収されること、または細孔を通って失われることを阻止し得るため、重要な利点である。細孔径は反射率に影響する。

【0071】

内側膜は、疎水性の、かつ任意に疎油性の細孔、特に、５μｍ未満の開口部を有する、好ましくは１μｍ未満の開口部を有する、反射トップコーティングおよび疎水性細孔コーティングを有する細孔を含んでもよい。

【0072】

細孔は、材料に固有であってもよい。代替的に、細孔または細孔状の構造は、好適な前駆物質の伸縮、化学または電気機械またはトラックエッチング、切除、ドリル加工、侵食等によってランダムにまたは意図的に生じてもよい。さらに、内側膜は、細孔の、粗孔の、または多孔性の、および細孔のない、などの異なる多孔性の組合せを含んでもよい。内側膜はさらに、好適な材料の粉末または粒子をプレス加工または焼結することによって生じていてもよい。

【0073】

好ましくは、細孔または細孔状の構造は、疎水性の、かつ任意にさらに疎油性の表面特性を有するか、または、細孔面がこれらの特性を達成するように、たとえばコーティングによって改質されてもよい。

【0074】

これによって、液体が測定体積部に入ることが阻止される。
内側膜は、ガス収集メカニズムを含んでもよい。

【0075】

これによって、センサのガス収集効率が向上し、したがってセンサの応答時間が減少する。

【0076】

ガス収集メカニズムは、測定箇所からガスを収集する特定のチャネルまたは細孔を含んでもよい。さらに、表面粗さが１００μｍ〜１μｍの範囲内に制御される、意図的に構造化されるかスクラッチされた単数または複数の表面が、ガス収集メカニズムとして用いられてもよい。

【0077】

内側膜がガス収集メカニズムを含む場合、別個のガス収集メカニズムを組込む必要がなく、センサアセンブリの複雑度が低下する。

【0078】

少なくとも使用時、接触面は外側膜を含んでもよい。
外側膜は、センサ、および特に測定体積部を、埃、塗布もしくはシールゲル、汗、洗浄液、または他の液体もしくは粒子などの汚染物質から保護する。たとえば洗浄または消毒中に外側膜が損傷した場合、外側膜は新たな外側膜と交換されてもよい。センサが内側膜も含む場合、たとえば膜交換中に外側膜がセンサに取付けられていなくても、測定体積部は保護され続ける。

【0079】

外側膜は流体不透過性およびガス透過性であってもよく、特に、ＰＴＦＥもしくはポリエチレンもしくはポリプロピレンなどのフルオロポリマー、または、ｅＰＴＦＥ、ナノ多孔性酸化アルミニウム、多孔性シリコン、または焼結もしくはエッチングされた膜もしくは薄シートなどの多孔性ポリマーまたはセラミックまたは半導体または金属を含む。

【0080】

そのような外側面は機械的かつ化学的にロバストであり、それにも拘わらず薄い。
外側膜は本質的に、上述の多孔または非多孔内側膜に用いられ得るのと同じ材料からなってもよい。

【0081】

発明の別の局面によると、測定対象のガスの測定箇所に向けて方向付け可能な接触面を含む、ガスを検出するための、特にＣＯ₂を検出するためのセンサが提供される。センサ
はさらに、少なくとも１つの放射源と、測定対象のガスを受けるための測定体積部と、伝達される放射を検出するための少なくとも第１の検出器とを含み、放射は測定体積部を通って伝達される。放射源および少なくとも第１の検出器は、コンパートメント内に配置される。コンパートメントは、少なくとも１つのシール素子によって測定体積部から分離されている。

【0082】

有利には、このセンサは上述のようなセンサの特徴と組合される。
コンパートメントは、放射不透過性および／または熱分離素子によって分離される少なくとも１つの放射源および少なくとも１つの検出器のための別個の区域を含んでもよい。したがって、コンパートメントという用語は、センサの電子部のための１つの開放された部屋を必ずしも意味するとは限らない。

【0083】

放射源と測定材料との間のチャネル内、または測定体積部と検出器との間のチャネル内のシール素子は、ガス分子が測定体積部からチャネル内にもしくはその逆に、またはコン
パートメントからチャネル内にもしくはその逆に拡散することを阻止する。

【0084】

代替的に、放射源は同時にシール素子として用いられてもよい。たとえば、放射源は、チャネル内にシール素子として配置されるバルブを有するフィラメントランプであってもよい。そのような実施形態によって、測定体積部内の高放射強度が得られる。さらに、別個のシール素子はもはや不要であるため、センサの部品数が減少する。

【0085】

シール素子は、測定体積部とチャネルとの間の、またはコンパートメントとチャネルとの間のチャネルをシールする。これによって、測定放射を吸収可能なガスが測定体積部とチャネルとの間で、またはコンパートメントとチャネルとの間で交換され得ないことが保証される。測定は、測定体積部内またはコンパートメント内のそのようなガスの変化する濃度によってバイアスされるからである。したがって、シール素子は測定精度を向上させる。

【0086】

センサは放射源と検出器との間に少なくとも１つのチャネルを含んでもよく、少なくとも１つのシール素子はチャネルの端の近くに配置されてもよく、少なくとも部分的にテーパ状であり、テーパ部の断面はチャネルの中心に向かって小さくなる。

【0087】

好ましくは、シール素子のテーパ部は円形断面を有する。
そのような部分的にテーパ状のシール素子はチャネルに圧入されて密封をもたらし得る。特に、これによってシール素子とチャネル壁との間に大きいシール面が得られる。

【0088】

部分的にテーパ状のシール素子の非テーパ部は、基本的に任意の形状を有してもよい。好ましくは、非テーパ部は、楕円形、円形または六角形状を有する。

【0089】

シール素子はさらに、少なくとも部分的に球形または楕円形であってもよい。好ましくは、シール素子は球体であってもよい。

【0090】

そのような少なくとも部分的に球形のシール素子はチャネルに圧入されて密封をもたらし得る。さらに、特に球形のシール素子は市場で標準的な高精度部品として入手可能であるため、カスタム製造する必要がなく、製造コストの低下につながる。

【0091】

さらに、少なくとも部分的に球形の形状を用いることによって、内部放射全体の量が減少し得るため、光学スループットに有利であり得る。これによって測定精度が向上する。

【0092】

シール素子はまた、円筒形であってもよい。好ましくは、シール素子は楕円形または円形シリンダであってもよい。

【0093】

本願の意味における円筒形とは、円筒形の数学的定義と理解すべきであるため、円、楕円、矩形または六角形などの異なる底面積を含む。

【0094】

円筒形シール素子によってチャネル内部のガスが除去され得るため、測定精度が向上し得る。円筒形シール素子は、シール素子と１つの素子内の充填物との組合せであってもよい。

【0095】

放射源と測定体積部との間のチャネルは２つのシール素子によって、好ましくは２つのシール球体によってシールされてもよく、一方のシール素子は放射源に面しており、第２のシール素子は測定体積部に面している。

【0096】

２つ以上のシール素子を用いることによって、センサの単純な設計が、それにも拘わら
ず正確な測定結果がもたらされる。シール素子はチャネル内に容易に導入され、密封チャネルがもたらされる。２つ以上のシール素子を用いると、Ｙ字状チャネルなどの非円筒形または分岐チャネルもシールされ得る。

【0097】

第１の検出器と測定体積部との間のチャネルは、２つのシール素子によって、好ましくは２つのシール球体によってシールされてもよく、一方のシール素子は第１の検出器に面しており、第２のシール素子は測定体積部に面している。

【0098】

２つ以上のシール素子を用いることによって、センサの単純な設計が、それにも拘わらず正確な測定結果がもたらされる。シール素子はチャネル内に容易に導入され、密封チャネルがもたらされる。２つ以上のシール素子を用いると、Ｙ字状チャネルなどの非円筒形または分岐チャネルもシールされ得る。

【0099】

好ましくは、すべてのチャネルがシール素子によってシールされる。
好ましくは、２つ以上のシール素子によってシールされるチャネルが、そのチャネルのすべての端の近くでシール素子によってシールされる。

【0100】

これによって、大量のチャネルがガスフリーになる。
測定放射は、放射源から測定体積部を介して検出器に達するために、チャネルを通って伝搬する必要がある。したがって、シール素子は、第１の検出器によって検出されるべき放射に対して実質的に透過的な材料からなってもよい。好ましくは、シール素子は、サファイア、ルビー、シリコン、酸窒化アルミニウム、またはフッ化物ガラスもしくは石英などの赤外線透過ガラスからなる。

【0101】

これによって、検出器に衝突する放射強度が高まるため、より正確な測定結果が得られる。

【0102】

シール素子はさらに、イットリア、ＹＡＧ、スピネルまたはポリマーからなってもよい。フッ化物ガラスとして、たとえばＺＢＬＡＮが用いられてもよい。シール素子は、そのような材料もしくはそれらの前駆体を機械加工、鋳造、成形、もしくは焼結することによって、またはこれらの方法の組合せによって製造されてもよい。鋳造、成形、または焼結は、Ｙ字状チャネルなどの特に非円筒形の分岐チャネル内にシール素子を作製するための好ましい方法である。

【0103】

放射はシール素子を通って伝搬するため、シール素子は、放射がシール素子に入る時に通る入口面と、放射がシール素子から出る時に通る出口面とを含む。入口、特に出口面は研磨されてもよいし、研磨されなくてもよいし、または意図的にスクラッチされてもよい。

【0104】

さらに、シール素子は反射層で少なくとも部分的にコーティングされてもよい。特にチャネルの一方端に近いところから当該チャネルの他方端に近いところまで延在する１つのシール素子のみを用いる場合は、シール素子の入口および出口面以外を反射層でコーティングすると有利である。代替的にまたは付加的に、反射層がチャネルの内側層上に堆積されてもよい。

【0105】

シール素子上の反射コーティングは、シール素子の内部の放射が当該素子を出ること、かつ、シール素子よりも透過性が低く、あまり良好な反射率を有しないチャネル内またはチャネル上またはチャネルの材料によって吸収されることを防止する。これによって、第１の検出器に衝突する放射強度が高まり、したがってよりよい測定結果が得られる。

【0106】

センサは、シール素子とチャネルとの間のシール、好ましくはエポキシなどのポリマーから形成されるシールを含んでもよい。

【0107】

シール素子のシール特性がチャネルとその近傍との間のガス交換を防止するのに十分であることが保証されていない場合、シール素子とチャネルとの間に付加的なシールが用いられてもよい。好ましくは、当該シールは、塗布中または塗布後に流れることができ、その後で固体になるか固体にすることができる材料からなる。これによって、シールがシール素子とチャネルとの間のすべての空隙を充填した後にそこに残って自身のシール機能を果たすことが保証される。好ましくは、シールは、エポキシなどの液体樹脂を硬化することによって調製されたポリマーを含むか、または鋳造もしくははんだ付によって調製された金属を含むか、またはＬＴＣＣもしくはガラスフリットなどの焼結またはプレス加工されたセラミックもしくはガラスを含む。シールはさらに、シール素子とチャネルとの間にプレス加工された弾性材料からなってもよい。たとえば、シールは、シール素子の周りのＯリングまたはシリコーンエラストマーによって形成されてもよい。

【0108】

測定放射がシールを通って伝搬し得る場合、シールは測定放射に対して非常に透過的であるか、または測定放射を吸収しないように薄いことが有利である。

【0109】

発明の別の局面によると、測定対象のガスの測定箇所に向けて方向付け可能な接触面を含む、ガスを検出するための、特にＣＯ₂を検出するためのセンサが提供される。センサ
は、少なくとも１つの放射源と、測定対象のガスを受けるための測定体積部と、伝達される放射を検出するための少なくとも第１の検出器とを含む。放射は、測定体積部を通って伝達される。センサは、測定体積部から水分子が少なくとも部分的に除去されるように配置されるウォータートラップを含む。

【0110】

有利には、センサは上述のようなセンサの特徴と組合される。
発明に係るウォータートラップは、ウォータートラップの近傍から水を捕えることができるすべてのものであり、特にガス混合物から水分子を捕えることができるすべてのものである。

【0111】

測定体積部の内部の液体水は、光学信号の大部分を吸収する場合があり、これは望ましくない。ウォータートラップを用いることによってガス混合物、特に測定体積部および拡散経路内のガス混合物を、水の凝縮が起こらないように十分乾燥させ続けることができる。これによって、測定信号の品質が十分高く維持される。

【0112】

ウォータートラップは乾燥剤、特に分子篩、シリカゲル、またはゼオライトであってもよい。

【0113】

他の可能な材料は、活性炭、硫酸カルシウム、塩化カルシウム、粘土、またはソーダ石灰である。好ましくは、ウォータートラップは水分子を閉じ込めるが、測定対象のガスの分子は閉じ込めない。最も好ましくは、ウォータートラップは３Ａ分子篩である。

【0114】

乾燥剤は標準的な構成要素であり、センサに容易にかつ費用効率が高い態様で組込まれ得る。

【0115】

ウォータートラップは、測定体積部にアクセス可能なガス混合物と接触するようにセンサに組込まれる。１つまたはいくつかのウォータートラップが１つのセンサ内に用いられてもよい。ウォータートラップは、特に大量の測定放射を吸収しない場合、測定体積部壁に組込まれてもよい。ウォータートラップの反射率が不十分である場合、ウォータートラップは反射コーティングでコーティングされてもよい。

【0116】

ウォータートラップはさらに、接触面と測定体積部との間で移動する水分子がウォータートラップによって閉じ込められ得るように、拡散経路の近くまたは周りに配置されてもよい。

【0117】

ウォータートラップはさらに、測定体積部内のガス混合物からの分子が交換チャネルを介してウォータートラップに達し得るように、センサの他の部分に組込まれてもよい。

【0118】

さらに、センサは、ウォータートラップから周囲までの交換チャネルを含んでもよいし、またはウォータートラップは周囲と直接接触していてもよい。センサは典型的に加熱されるため、周囲の相対湿度は通常は測定体積部内の相対湿度よりも低く、したがってウォータートラップは周囲にいくらかの水を出し得る。それによって、ウォータートラップは飽和することが防止される。これによって、ウォータートラップの閉じ込め能力に対する要求が減少する。したがって、ウォータートラップをより小型化し、センサの寿命を長くすることができる。

【0119】

ウォータートラップはさらに、内部に水透過性対象物が好ましくは測定体積部の近くに配置される交換チャネルによって、測定体積部から分離されてもよい。水透過性対象物はＨ₂Ｏ分子に対して少なくともやや透過性であり、測定対象のガス種、たとえばＣＯ₂に対する水透過性対象物の透過率は減少するか、または水透過性対象物は測定対象のガス種に対してさらに不透過性である。好ましくは、水透過性対象物はナフィオンなどのイオノマーを含む。

【0120】

そのような水透過性対象物を交換チャネル内に配置する利点は、ガスが相対的な透過度で水透過性対象物の後ろの交換チャネルにアクセスできないため、対象物が測定対象のガスをより小さい体積に閉じ込めることである。これによって、センサの応答時間を短く維持することができる。

【0121】

さらに、測定体積部内のガス混合物からの水分子が周囲に達することができるように、水透過性対象物が配置されるがウォータートラップは存在しない、周囲に通じる交換チャネルを作製することも可能である。好ましくは、反射素子は交換チャネルの前に、または交換チャネルの入口に配置される。この場合、周囲がウォータートラップとして働く。

【0122】

センサは、ウォータートラップから周囲までの交換チャネルを含んでもよい。
周囲の相対湿度は、測定体積部内の相対湿度よりも常に低いことになる。したがって、ウォータートラップは周囲にいくらかの水を出し得るため、ウォータートラップは決して飽和しない。これによって、センサ内のウォータートラップの寿命が長くなる。

【0123】

ウォータートラップはさらに、患者アプリケータ内などの、センサの使い捨て部分に配置されてもよい。ウォータートラップが使い捨て部分に配置される場合、ウォータートラップは飽和する前に容易に交換可能である。好ましくは、ウォータートラップは、ウォータートラップが新たなセンサの適用ごとに自動的に交換される患者アプリケータなどの使い捨てアプリケータ内に配置される。これによって、ウォータートラップが機能し続けること、およびセンサ性能の信頼性が保証される。

【0124】

センサはさらに、ガスおよび少なくとも水分子に対して透過性の、かつ交換チャネル内に配置されるか交換チャネルを被覆している反射素子を含んでもよい。好ましくは、反射素子は、好ましくは反射コーティングでコーティングされた、ｅＰＴＦＥ、ナノ多孔性酸化アルミニウム、多孔性シリコン、または焼結もしくはエッチングされた膜もしくは薄シートなどの多孔性ポリマーまたはセラミックまたは半導体または金属を含む膜である。

【0125】

たとえば、反射素子は、測定体積部の近くに、または測定体積部壁の一部として配置されてもよい。反射素子は好ましくは測定放射を反射する。

【0126】

そのような反射素子は、測定放射が吸収されること、かつ交換チャネルを通って失われることを防止し得る。好ましくは、反射素子は、ウォータートラップおよび水透過性対象物またはウォータートラップのみが内部に配置される交換チャネルの入口に、または交換チャネルの前に配置される。

【0127】

反射素子はさらに、内側膜の機能を果たしてもよい。好ましくは、ウォータートラップは次に、少なくとも使用時に反射素子と接触面との間にあるように配置される。好ましくは、そのようなウォータートラップは、使い捨てアプリケータまたは患者アプリケータの一部である。

【0128】

発明の別の局面によると、ガスを検出するための、特にＣＯ₂を検出するためのセンサ
が提供される。センサは、測定対象のガスの測定側に向けて方向付け可能な接触面を含む。センサはさらに、少なくとも１つの放射源と、測定対象のガスを受けるための測定体積部と、伝達される放射を検出するための少なくとも第１の検出器とを含み、放射は測定体積部を通って伝達される。センサはさらに、第１の検出器によって検出された放射をフィルタリングする波長フィルタを含む。さらに、開口数変換器（ＮＡ変換器）が波長フィルタと放射源との間の経路内に配置される。特に、ＮＡ変換器は波長フィルタと測定体積部との間に、好ましくは波長フィルタに隣接して配置されてもよい。

【0129】

発明に係るＮＡ変換器は、屈折させなければ一定の閾値角度を超える入射角で波長フィルタに衝突する、測定放射の大量の光線を、より低い入射角で波長フィルタに衝突するように屈折させる。したがって、そのようなＮＡ変換器は、コリメータが形成するような平行またはほぼ平行の光線ビームを形成しない。ＮＡ変換器は、光線の角速度をある範囲に、典型的に２０°〜３０°半角内に閉じ込めるのみである。ＮＡ変換器は、一定の閾値角度を超える高角度光線を、たとえば適切に角度をつけられた鏡面における屈折によってより低角度光線に変換することによって、そのような閉じ込めを達成する。ＮＡ変換器は実際はさらにさまざまな閾値角度を有し、効率が制限され得るが、依然として、高角度光線の大部分を低角度光線に変換することを特徴とする。

【0130】

好ましくは、このセンサは上述のようなガスセンサの特徴と組合される。
波長フィルタは、一定波長の放射に対して透過的であり、さらなる放射に対して不透過的である。通常、波長フィルタは、放射が垂直入射で衝突する一定の波長帯域、すなわち公称通過帯域の放射に対して透過的であるように設計される。通過帯域位置および形状は、放射の入射角に依存する。したがって、公称通過帯域外の波長の放射は、入射角が十分高い場合にフィルタを通過し得る。そのような放射は通常、望ましくない放射である。さらに、入射角が十分高い場合、通過帯域内の有用な波長の放射がフィルタによって拒絶され得る。そのような放射は、失われた放射である。

【0131】

ＮＡ変換器を用いることによって、高入射角で波長フィルタに衝突する放射の量が減少し、波長フィルタのよりよいフィルタリング能力が得られる。したがって、公称通過帯域外のより望ましい波長放射、および公称通過帯域内のより有用な波長放射が波長フィルタを通過し得る。これによって、測定対象のガスの濃度に対する検出信号の意義が高まり、最終的により正確な測定結果が得られる。

【0132】

好ましくは、ＮＡ変換器は、放物面反射器、複合放物面集光器、複合放物面集光器、複合楕円集光器、光円錐、または少なくとも部分的にテーパ状であるその他の幾何学的対象
物の形状を有する反射性または不透過性材料の開口部として形成される。ＮＡ変換器は、たとえばフライス加工、ドリル加工、または射出成形によって製造され得る。さらに、ＮＡ変換器は反射面を有する必要がある。したがって、ＮＡ変換器は、本質的に高反射率を有する材料で形成されてもよいし、またはその表面が反射性材料でコーティングされてもよい。

【0133】

ＮＡ変換器の高さは実質的に０．３から２．５ｍｍであってもよく、好ましくは０．５から１．５ｍｍであってもよい。ＮＡ変換器の最小開口部は任意の形状であってもよく、面積は実質的に０．０７から２．３ｍｍ²であってもよく、好ましくは円形または矩形で
あってもよく、面積は実質的に０．１５から０．８０ｍｍ²であってもよい。ＮＡ変換器
の最大開口部は任意の形状であってもよく、面積は実質的に０．１５から９ｍｍ²であっ
てもよく、好ましくは円形または矩形であってもよく、面積は０．２５から２．３ｍｍ²
であってもよい。

【0134】

代替的に、ＮＡフィルタが用いられてもよい。
ＮＡフィルタは、ＮＡフィルタが変換によってではなく高角度光線の吸収によって光線の角速度を閉じ込める以外は、ＮＡ変換器に対応する。

【0135】

さらに、ＮＡ変換器は透過性充填物を含んでもよい。透過性充填物は、測定放射に対して透過的であり、部分的にまたは完全にＮＡ変換器に収まるように形成されてもよい。透過性充填物は、ＮＡ変換器からガスを部分的にまたは完全に取除き、したがって、測定結果をバイアスする、ＮＡ変換器内にさまざまな濃度で存在するガスによる測定放射の吸収リスクを減少させる。透過性充填物は、サファイア、ルビー、イットリア、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、スピネル、酸窒化アルミニウム、もしくはシリコン、またはたとえばＺＢＬＡＮなどのフッ化物ガラスなどの赤外線透過性ガラス、またはポリマーなどの透過性材料を機械加工することによって、またはそのような材料もしくはそれらの前駆体を鋳造、成形、もしくは焼結することによって形成されてもよい。

【0136】

さらに、ＮＡ変換器は、ＮＡ変換器の空隙を完全に充填する透過性充填物の形状を有する透過部分を形成することによって製造されてもよい。透過部分は、放射入口および出口面以外に反射コーティングを必要とする。そのようなＮＡ変換器は、透過性充填物によって完全に充填されるＮＡ変換器に対応し、センサにより容易に組込まれる。

【0137】

発明の別の局面によると、ガスを検出するための、特にＣＯ₂を検出するためのセンサ
が提供される。センサは、測定対象のガスの測定箇所に向けて方向付け可能な接触面を含む。接触面は、そこからガスを収集する収集領域を有するガス収集器を含む。センサはさらに、少なくとも１つの放射源と、測定対象のガスを受けるための測定体積部とを含み、測定体積部は、接触面に向けて方向付けられ、かつガスに対して透過性であるアクセス領域を含む。センサはさらに、伝達される放射を検出するための少なくとも第１の検出器を含み、放射は測定体積部を通って伝達される。ガス収集器の収集領域は、測定体積部のアクセス領域よりも大きい。

【0138】

アクセス領域は、ガス収集器が存在しない場合に使用時にガスがそこから測定体積部内に（または測定体積部外に）拡散し得る測定箇所上の領域と定義される。収集領域は、ガス収集器が存在する場合に使用時にガスがそこから測定体積部内に拡散し得る測定箇所上の領域と定義される。

【0139】

好ましくは、このセンサは上述のようなセンサの特徴と組合される。
アクセス領域よりも大きい収集領域を有することによって、より大きい面積の測定箇所からのガス分子がセンサ内に拡散できるため、測定箇所からの、特に皮膚からのガスの収
集がより効率的になる。これによって、測定体積部内のガス濃度と、測定箇所における対応する分子濃度との、特に皮膚内の濃度との平衡が高速化される。これによって次に、センサ応答時間が減少する。付加的にまたは代替的に、ガス収集器を含むことによって応答時間を損なうことなく測定体積部のサイズを増加させることができ、これによって測定体積部を通るより高い放射スループット、および最終的にセンサ精度の向上がもたらされる。

【0140】

ガス収集器の全体のガスアクセス可能体積は、拡散ガスがアクセスしなければならない体積を体積全体に追加するため、小さい必要がある。好ましくは、拡散経路の累積体積は測定体積部の体積の５０倍未満であり、より好ましくは測定体積部の体積の５倍未満であり、さらにより好ましくは測定体積部の体積の１倍未満である。

【0141】

ガス収集器は基本的に任意の形状を有してもよい。好ましくは、ガス収集器は、収集領域が実質的に３５０ｍｍ²未満であり、好ましくは１８０ｍｍ²よりも小さく５ｍｍ²より
も大きいような範囲に広がる。

【0142】

ガス収集器はガス用拡散経路を含んでもよく、拡散経路は接触細孔および収集チャネルを含み、拡散経路は接触面から測定体積部に、または測定体積部に通じるさらなる拡散経路に通じている。

【0143】

拡散経路、特に収集チャネルは、接触面に向かって開放されていてもよいし、または埋込まれていてもよいし、または開放と埋込の組合せであってもよい。

【0144】

拡散経路は、意図的に構造化されるかスクラッチされた表面同士の間に、または特に１００μｍから１μｍの範囲内の予め規定された表面粗さを有する２つの表面同士の間に形成されてもよい。

【0145】

これらの表面の少なくとも一方が内側膜または外側膜であってもよい。
そのような設計によって、測定体積部とセンサの接触面との間の効率的な断面拡散が可能になる。

【0146】

これによって、センサの応答時間が短くなる。
発明の別の局面によると、測定対象のガスの測定箇所に向けて方向付け可能な接触面を含む、ガスを検出するための、特にＣＯ₂を検出するためのセンサが提供される。センサ
は、少なくとも１つの放射源と、測定対象のガスを受けるための測定体積部とを含む。測定体積部は、測定箇所に向けて方向付けられる透過壁と、伝達される放射を検出するための少なくとも第１の検出器とを含む。放射は測定体積部を通って伝達される。透過壁は放射を反射する多孔面を含み、多孔面の細孔開口部は好ましくは５μｍ未満の寸法を有する。より好ましくは、細孔開口部は１μｍ未満の寸法を有する。

【0147】

好ましくは、センサは上述のようなセンサの特徴と組合される。
放射を反射する多孔面を用いることによって、放射が測定体積部の内部に維持されるが、それにも拘わらずガス分子は測定体積部に入ることができる。

【0148】

測定対象のガスにアクセス可能な体積全体は小さく維持される必要があるため、そのような透過壁は薄く小型であり、センサの許容可能な応答時間を得ることができる。

【0149】

透過壁は、上述のような内側膜として作用してもよい。
透過壁は本質的に、多孔内側膜に用いられ得るのと同じ材料、特に、反射層でコーティングされたナノ多孔性酸化アルミニウム、または多孔性シリコン、または焼結もしくはエ
ッチングされた膜もしくは薄シートを含んでもよい。好ましくは、反射層はＡｌ、Ａｕ、ＴｉＮ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、またはＷからなる。反射層は、反射層が細孔を閉塞せず、したがってガスが測定体積部に入るのを可能にするように塗布される必要がある。

【0150】

上述のセンサのいずれか１つは、比較的広い領域内の、典型的に赤外領域内の放射を反射し、かつ数マイクロメートルの発光帯域幅を有する放射源を含んでもよい。典型的におよび好ましくは、放熱器が放射源として用いられてもよい。

【0151】

放熱器は、測定放射が十分な強度で発せられる温度で、典型的に４００℃よりも高い温度で動作する。しばしば、放熱器は、黒体発光スペクトルに近づく発光スペクトルを有する。特に、放熱器は、測定対象のガスの吸収帯よりもはるかに広い波長帯域内の放射を発する。

【0152】

効率的な放熱器を用いることによって、合理的な駆動力に対して正確な測定結果が得られる。

【0153】

代替的に、放射源は赤外線ＬＥＤを含んでもよい。
赤外線ＬＥＤを用いることによって、赤外線ＬＥＤは放熱器よりもセンサに対する熱エネルギの損失が少ないため、かつ高周波数でパルス化され得るため、有利であり得る。これによって、検出器信号の好ましい信号対雑音比、およびそれによって正確な測定結果を得ることができる。さらに、ＬＥＤの発光帯が十分に狭い場合、波長フィルタは少なくとも第１の検出器について省略されてもよい。しかし、測定対象のガスの吸収帯よりも広い波長帯域内の放射を発するＬＥＤを用いてもよい。

【0154】

さらに、放射源は、十分な測定放射を発する、ＶＣＳＥＬなどの赤外レーザを含んでもよい。

【0155】

赤外レーザを用いることによって、赤外レーザは典型的に非常に高強度で非常に狭帯域の放射を発し、高周波数でパルス化され得るため、有利である。これによって、検出器信号の好ましい信号対雑音比、およびそれによって正確な測定結果を得ることができる。さらに、波長フィルタは少なくとも第１の検出器について省略されてもよい。

【0156】

センサケーシングは気密であってもよい。センサケーシングは少なくとも、測定体積部、拡散経路、チャネル、放射源、および検出器を含む。もちろん、拡散経路を通って測定体積部にアクセスするか測定体積部から出るガス、および意図的に導入された交換チャネルを通って測定体積部または拡散経路にアクセスするかこれらから出るガスは、気密センサケーシング内に許容される。

【0157】

気密センサケーシングによって、放射経路内の測定放射を吸収可能であり、したがって測定結果をバイアス可能なガスが測定体積部の内部以外では周囲と交換され得ないため、正確な測定結果が得られる。

【0158】

少なくとも１から１２μｍの範囲内、好ましくは１から５μｍの範囲内、より好ましくは３から５μｍまたは２から４μｍの範囲内の放射が、第１の検出器によって検出可能であってもよい。

【0159】

１から１２μｍ、特に１から５μｍの波長帯域は、測定対象のガス、特にＣＯ₂の吸収
線を含む。

【0160】

測定体積部は、１０ｍｍ³未満、好ましくは２ｍｍ³未満、最も好ましくは１ｍｍ³以下
の体積を有してもよい。

【0161】

そのような測定体積部に入っているガス種の濃度は、許容可能な応答時間内に患者の皮膚上の測定箇所における対応する濃度と平衡され得、さらに、そのような測定体積部によって、光放射が測定体積部を通って伝搬することができる。

【0162】

センサは、個別の第２の検出器、または上述のような第１および第２の検出面と、測定体積部と第２の検出器との間の第２の経路とを有する１つの検出器を含んでもよい。

【0163】

第２の検出器または第２の検出面を用いることによって、測定体積部に入っている異なるガス種の同時測定が可能になる。

【0164】

これによってさらに、２つの検出器または検出面に衝突する放射の強度を比較することができ、第１の検出器上に落下する放射は測定対象のガスによって吸収され得、第２の検出器上に落下する放射は検出対象のガスによって吸収され得ない。これによって、たとえば放射源の老化のために時間ともに起こり得る、放射源から発せられた放射強度の変化を検出することができる。そのような検出した変化を用いて測定結果を修正することができ、これによってセンサの精度、特に長期精度が高まる。

【0165】

第２の経路は、第１の検出器と測定体積部との間の経路から少なくとも部分的に分離されてもよい。

【0166】

経路の分離によって、放射は第２の検出器に達することができる。好ましくは、経路の分離は、測定周囲が２つの検出器に衝突する放射についてかなりの程度まで同一であるように、検出器の近くで起こる。

【0167】

たとえば、経路の主な分離は、波長高感度素子の内部で起こるようにも設計されてもよい。代替的に、経路分離は、シール素子、好ましくは測定体積部と検出器コンパートメントとの間のシール素子内で、または測定体積部内で、または代替的に放射源コンパートメント内で達成されてもよい。

【0168】

代替的に、経路の分離はビーム分割ＮＡ変換器を用いることによって得られてもよい。ビーム分割ＮＡ変換器は、第１および第２の検出器の近くのチャネル充填物の端に配置されてもよい。ビーム分割ＮＡ変換器は、一方で、チャネル充填物から発せられる放射ビームを２つの別個のビームに分割する反射器であり、他方で、（ＮＡ変換器のように）一定の閾値角度を超える角度で衝突する光線をより低い角度に同時に変換する。そのような設計によって、１つのみのチャネル、好ましくは充填物を有するチャネルを有する２つの検出器を用いることができ、これによって、放射ビームの後の分離のために凝縮および侵食に対する感度が低下したより小型で高速のセンサの設計が可能になる。ビーム分割ＮＡ変換器は、板内の、たとえば楕円断面を有する２つの円錐角度のついた孔からなってもよく、小さい方の孔開口部が重なり合ってシール素子に面しており、大きい方の孔開口部も依然として重なり合うか空間的に分離されており、検出器に面している。

【0169】

さらに、好ましくは先の説明に係るセンサを用いる、ガスを検出するための、特にＣＯ₂を検出するための方法が提供される。放射が少なくとも１つの放射源から発せられ、測
定体積部を通って伝達され、検出器によって検出される。測定対象のガスは、測定体積部内に経皮拡散した後、測定体積部内に受けられる。放射は、放射源と検出器との間を非結像的に伝搬する。

【0170】

非結像的な伝搬によって、許容可能な応答時間で皮膚から経皮拡散するガスを検出可能
な小型センサを作製することができる。製造公差を大幅に緩和することができ、センサの製造が容易になる。これは、経皮ガスの測定に必要であるような、非常に小型のセンサおよび測定体積部が非常に小さいセンサに特に当てはまる。さらに、製造コストが削減され、センサの信頼性が高まる。

【0171】

洗浄液もしくは汗などの液体、またはゲルなどの粘稠液体が測定体積部に入ることが防止され得る。

【0172】

液体または粘稠液体が存在すると、液体の放射吸収特性のため、間違った測定結果につながり得る。液体または粘稠液体が測定体積部に入ることを防止するための手段は、液体に対して不透過性の膜である。

【0173】

水蒸気が、検出対象のガスを含むガス混合物から、特に、測定体積部および拡散経路に入っているガス混合物から少なくとも部分的に除去されてもよい。

【0174】

水蒸気を除去することによって相対湿度が低下し、それによって測定体積部内の、または拡散経路内の水凝縮の可能性が低下する。

【0175】

放射は、ＮＡ変換器または波長フィルタを通って少なくとも部分的に伝達されてもよい。

【0176】

ＮＡ変換器および波長フィルタを用いることによって、ＮＡ変換器なしの波長フィルタを用いる場合と比べて、フィルタの公称通過帯域外の波長を有する放射量が減少し、その公称通過帯域内の波長を有する放射量が増加する。
これによって、より正確な測定結果が得られる。

【0177】

発明の別の局面によると、好ましくは上述のような、ガス、特にＣＯ₂を検出するため
の方法が提供される。特に、方法は、先の説明に係るセンサを用いて実行される。放射が少なくとも１つの放射源から発せられ、測定体積部を通って伝達され、検出器によって検出される。測定対象のガスは、測定体積部内に経皮拡散した後、測定体積部内に受けられる。ガスは、測定体積部のアクセス領域よりも大きい収集領域を有するガス収集器によって収集される。

【0178】

アクセス領域よりも大きい収集領域を有することによって、より大きい面積の測定箇所からのガス分子がセンサ内に拡散できるため、測定箇所からの、特に皮膚からのガスの収集がより効率的になる。これによって、測定体積部内のガス濃度と、測定箇所における対応する分子濃度との、特に皮膚内の濃度との平衡が高速化され、センサ応答時間が減少する。代替的に、ガス収集器を含むことによって応答時間を損なうことなく測定体積部のサイズを増加させることができ、これによって測定体積部を通るより高い放射スループット、および最終的にセンサ精度の向上がもたらされる。

【0179】

さらに、温度の測定、多重波長パルスオキシメトリ、経皮酸素（ｔｃＰＯ２）、自己較正のためのさらなる放射強度、またはさらなるガス濃度測定などの異なる測定方法を１つのセンサ内に組合せることも可能である。

【0180】

１つのセンサ内のそのような組合せは用途において有利であり得る。
上述のようなセンサはさらに温度制御装置を含んでもよい。温度制御装置は、ヒータおよび温度センサを含んでもよい。

【0181】

温度制御装置は好ましくは、センサの温度を３７から５０℃の範囲内に、好ましくは４
１から４５℃の範囲内に維持する。

【0182】

さらに、センサはパワーユニットに接続可能である。センサはさらに、センサ動作を制御し、かつ検出器によって測定される信号を増幅、変換および処理し得る信号処理装置に接続可能であるか、または当該装置を含む。電力供給および信号処理ユニットは、１つの電子装置に、または別個の電子装置に組込まれてもよいし、またはユニットは別個の部分的なユニットに分割され、そのような全体的なまたは部分的なユニットが別個の電子装置に組込まれてもよい。

【0183】

そのような別個の電子装置がセンサヘッドから少し離れて配置される場合、皮膚に貼付けるのに特に適した小型センサヘッドが設計されてもよい。

【0184】

さらに、上述のようなセンサは、測定放射をフィルタリングするために用いられる能動波長フィルタを変更するために少なくとも２つの波長フィルタを含む変更メカニズムを含んでもよい。変更メカニズムは、ホイール、ボウ、またはアレイの形態で組込まれてもよい。

【0185】

波長フィルタを変更する可能性によって、１つのセンサ内の異なる吸収線の、したがって異なるガスの検出が可能になる。さらに、自己較正測定を行なうことが可能になり、より正確な測定結果が得られる。

【0186】

多孔内側および／または外側膜を有する発明に係るセンサは、ガス透過性材料、特にシリコーン（たとえばポリジメチルシロキサン等）またはフルオロポリマー（たとえばポリテトラフルオロエチレン、アモルファスフルオロポリマー等）などのポリマーからなる細孔充填物を含んでもよい。

【0187】

そのような細孔充填物は細孔の汚染および閉塞を阻止し、細孔内の水の凝縮を防止する。

【0188】

さらに、センサの膜の一方のみが細孔充填物を含むことも１つの選択肢である。特に、外側膜が細孔充填物を含んでもよい。外側膜はたとえば、たとえば鋼、チタン、アルミニウム等の金属から、または酸化アルミニウム、窒化シリコン等のセラミック化合物から、またはポリマー細孔充填物を含むガラスからなってもよい。

【0189】

そのような設計によって、測定体積部内へのガスの拡散と、汚染および水凝縮の予防との最適な組合せが得られる。

【0190】

さらに、たとえば国際公開第ＷＯ２０１３／０６４３１３号に記載されているような患者アプリケータの一部である第３の膜が適用時に存在していることも考えられる。この場合、適用時に合計３つの膜が存在しており、センサに取付けられる外側膜は中間膜となる。

【0191】

発明に係るセンサ（通信および電力供給なし）は好ましくは、直径３０ｍｍおよび高さ２０ｍｍの仮想シリンダに、または１５ｃｍ³の仮想体積に収まる。より好ましくは、セ
ンサは、直径２０ｍｍおよび高さ１６ｍｍのシリンダに、または５ｃｍ³の仮想体積に収
まる。最も好ましくは、センサは、直径１７ｍｍおよび高さ１３ｍｍのシリンダに、または３ｃｍ³の仮想体積に収まる。

【0192】

そのような体積に収まるそのようなセンサの内部に、センサの完全な測定光学部品が配置されるが、電気ケーブルなどの通信および電力供給手段は除外される。光路に沿ってエ
ミッタから検出器に伝搬するすべての測定放射光線がこの体積に閉じ込められる。特に、測定放射をセンサ内にまたはセンサから案内する光ファイバはセンサに接続されない。

【0193】

さらに、センサは好ましくは、電気または電子手段によってＰＣＢまたはディスプレイなどの他の装置と通信するのみである。この場合、外部からのセンサとの光通信は存在しない。

【0194】

好ましくは、測定体積部を介した放射源から検出器または検出面までの最短の完全な光路、すなわち測定放射が進む最短経路の全長は２０ｍｍを超えず、好ましくは１０ｍｍを超えない。そのような設計によって小型化センサの作製が可能になり、これはたとえばＣＯ₂センサなどの医療用センサの文脈において好ましい。

【0195】

測定体積部を介した放射源から検出器または検出面までの最短の完全な光路、すなわち測定放射が進む最短経路は、チャネル充填物などのガスアクセス不可能体積の中を、かつ測定体積部などのガスアクセス可能体積またはチャネル充填物と放射源との間の非充填空間の中を延びる。

【0196】

さらに、測定体積部以外のガスアクセス可能体積の中を延びるこの最短の完全な光路のそれらの部分の長さの合計は３ｍｍを超えず、好ましくは１．５ｍｍを超えず、より好ましくは０．８ｍｍを超えない。そのような設計によって、測定結果が向上する。測定対象のガスが時間とともに測定体積部以外のそのようなガスアクセス可能体積内に拡散すると、それは測定結果をバイアスし、測定精度が劣化する。測定体積部以外のガスアクセス可能体積の中の典型的な光路長が短く、特に測定体積部の中の典型的な経路長よりも短く設計されると、そのバイアスの影響が減少し、測定結果はより正確であり続ける。さらに、そのような設計によって、周囲に存在する測定ガスのために大きいバイアスを導入することなく、測定体積部以外のそのようなガスアクセス可能体積から周囲に通じる換気開口部を導入することもできる。

【0197】

好ましくは、当初のウォームアップ段階を除外する典型的な測定条件時にセンサに供給される平均電力は５Ｗ未満であり、より好ましくは２Ｗ未満であり、最も好ましくは１Ｗ未満である。

【0198】

これらの電力値を超えるとセンサ温度が増加し得、これによって、センサが患者の皮膚に付けられる場合、皮膚の火傷の原因となり得る。

【0199】

好ましい実施形態および以下の図面を参照して、発明をさらに説明する。

【図面の簡単な説明】

【0200】

【図1】放射が放射源から測定体積部を介して放射検出器に伝搬する態様、および測定体積部へのガスアクセスを可能にする可能な配置を示す、センサの概略断面図である。

【図2】非結像測定体積部の可能な形状、および測定体積部へのガスアクセスを可能にする可能な配置を示す、センサの概略断面図である。

【図3】放射が放射源から球形シール素子を介して測定体積部内に、そこからさらなる球形シール素子、ＮＡ変換器、および波長フィルタを通って放射検出器に伝搬する態様を示す、センサの概略断面図である。

【図4】非結像測定体積部のさらなる形状、およびチャネルを充填するさらなる方法を示す概略断面図である。

【図5】測定体積部の反射透過壁を示す、センサ詳細の概略断面図である。

【図6】ガス収集メカニズムを含む内側膜を示す、センサ詳細の概略断面図である。

【図7a】少なくとも部分的に球形のシール素子およびシールがチャネルをシールするために配置され得る態様を示す、センサ詳細の概略断面図である。

【図7b】少なくとも部分的に球形のシール素子およびシールがチャネルをシールするために配置され得る態様を示す、センサ詳細の概略断面図である。

【図8a】高角度でシール素子を出る光線が、波長フィルタに衝突する前に、ＮＡ変換器によって低入射角の光線に変換される態様を示す、センサ詳細の概略断面図である。

【図8b】高角度でシール素子を出る光線が、波長フィルタに衝突する前に、ＮＡ変換器によって低入射角の光線に変換される態様を示す、センサ詳細の概略断面図である。

【図9】周囲に通じる交換チャネルを示す、センサの概略断面図である。

【図10】乾燥剤を含む交換チャネルを示す、センサの概略断面図である。

【図11a】センサの使い捨て部分におけるウォータートラップの配置を示す、センサ詳細の概略断面図である。

【図11b】センサの使い捨て部分におけるウォータートラップの配置を示す、センサ詳細の概略断面図である。

【図11c】センサの使い捨て部分におけるウォータートラップの配置を示す、センサ詳細の概略断面図である。

【図12a】ガス収集器が存在しない場合のアクセスおよび収集領域を示す、センサの接触面の詳細の上からの概略図である。

【図12b】ガス収集器が存在する場合のアクセスおよび収集領域を示す、センサの接触面の詳細の上からの概略図である。

【図13】放射が第２の経路に沿って放射源から第２の検出器上に伝搬する態様を示す、センサの概略上面図である。

【図14a】ビーム分割ＮＡ変換器を有するさらなるセンサ実施形態の概略断面図である。

【図14b】ビーム分割ＮＡ変換器を有するさらなるセンサ実施形態の概略上面図である。

【図15a】１つの波長高感度素子およびいくつかの検出面を含む検出器を有するさらなるセンサ実施形態の概略断面図である。

【図15b】１つの波長高感度素子およびいくつかの検出面を含む検出器を有するさらなるセンサ実施形態の概略上面図である。

【図15c】１つの波長高感度素子およびいくつかの検出面を含む検出器を有するさらなるセンサ実施形態の概略上面図である。

【図16】シール素子、ならびに１つの波長高感度素子および少なくとも２つの検出面を含む検出器を有するさらなるセンサ実施形態の概略断面図である。

【図17a】細孔充填物がない場合の測定体積部の多孔壁の実現例を示す、センサ詳細の概略断面図である。

【図17b】細孔充填物がある場合の測定体積部の多孔壁の実現例を示す、センサ詳細の概略断面図である。

【図17c】細孔充填物がない場合の測定体積部の多孔壁の実現例を示す、センサ詳細の概略断面図である。

【図17d】細孔充填物がある場合の測定体積部の多孔壁の実現例を示す、センサ詳細の概略断面図である。

【図17e】細孔充填物がない場合の測定体積部の多孔壁の実現例を示す、センサ詳細の概略断面図である。

【図17f】細孔充填物がある場合の測定体積部の多孔壁の実現例を示す、センサ詳細の概略断面図である。

【図18a】波長高感度素子および少なくとも２つの検出面を含む検出器の実施形態の概略上面図である。

【図18b】波長高感度素子および少なくとも２つの検出面を含む検出器の実施形態の概略上面図である。

【図18c】波長高感度素子および少なくとも２つの検出面を含む検出器の実施形態の概略上面図である。

【図18d】波長高感度素子および少なくとも２つの検出面を含む検出器の実施形態の概略上面図である。

【図18e】波長高感度素子および少なくとも２つの検出面を含む検出器の実施形態の概略上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0201】

図１は、ガスを検出するためのセンサ１の概略断面図を示す。センサ１は、測定箇所に向けて方向付け可能な接触面２を含む。この場合、測定箇所は患者の皮膚上の領域であり、検出対象のガスは、患者の皮膚を通じて、すなわち経皮的に拡散したＣＯ₂である。セ
ンサはさらに、コンパートメント１３内に位置する放射源３を含み、放射源３は、少なくとも放射が検出対象のガスによって吸収され得る波長範囲内の放射を発する。発せられた好適な波長の放射は、さまざまな経路６に沿って放射源３から少なくとも１つのシール素子１４を含むチャネル８を通って測定体積部４に、かつ、そこから、これもシール素子１４を含むさらなるチャネル８を通って、波長フィルタ２１を通って、コンパートメント１３内に位置する第１の検出器５に伝搬する。発せられた放射の一定部分は、測定体積部４内のガスの濃度に応じて、測定体積部４内で検出対象のガスによって吸収される。ガスによる吸収の変化によって検出器５からの信号変化が生じ、これによってガス濃度を推測することができる。

【0202】

検出器５および波長フィルタ２１は代替的に、（たとえば図１８ａ〜図１８ｅに示されるような）第１および第２の検出面を含む１つの検出器、および干渉波長フィルタなどの１つの共通の波長高感度素子に置換えられてもよい。第２の検出面を有する検出器および波長高感度素子を用いることによって、より容易に小型化でき、さらにより正確であり得る、より単純で安価なセンサを作製することができる。

【0203】

測定体積部４の表面は、放射入口および出口開口部以外は、主に高反射性である。測定体積部４は結像目的を有さず、測定体積部４に入るいずれの光子もランダムウォークを行う。入射する放射は、結像システムの場合のように特定の空間および放射強度プロファイルを有することは重要でない。測定体積部４の形状は、放射源３および第１の検出器５に向けて方向付けられる上面が平面を形成するように設計される。シール素子１４の表面は、その平面の一部を形成する。そのような平面は、円筒形シール素子１４を板に、かつ必要であればさらにシールに粗く組込み、その後、平面が得られるまで研削および研磨することによって作製される。円筒形シール素子１４の他方の表面も平面であり、同様に作製される。もちろん、平面は、研削および研磨を行わずに、既に適切な形状のシール素子を組込むことによっても得ることができる。

【0204】

したがって、一方は平面および組込まれたシール素子１４を有し、他方は一方のシール素子１４の下から他方のシール素子１４の下に延在するピットまたは凹みを有する、２つの板状素子４０は、測定体積部４が２つの板状素子４０によって形成され、平面および凹部によって閉じ込められた空間で構成されるように接合される。

【0205】

検出対象のガスは、測定箇所から、接触孔２７および内側膜１１を含む接触面２および拡散経路２６を介して、測定体積部４内に拡散する。内側膜１１の第１の面は同時に、測定体積部４の透過壁２９の多孔面３０を形成し、かつ、本質的に反射性材料からなるために良好に反射している。代替的に、内側膜１１の第１の面は反射層３２を受けている。内側膜１１は、多孔面３０において非多孔性であるか、または非常に小さい細孔開口部を有して多孔性である。多孔面３０における細孔開口部のサイズは、約１μｍを超えない。内側膜１１の第２の面は、接触細孔２７が接触面２と内側膜１１の第２の面との接続部を形成する接触面２の後ろに配置されるため、測定箇所からのガス分子は、内側膜１１へのか
つ内側膜１１の中の拡散によって測定体積部４にアクセスし得、したがって拡散経路２６は内側膜１１の中を延びる。接触細孔２６はたとえば、接触面２もしくはセンサケーシング３３の、または接触面２を形成するように装着された板もしくは膜の小孔からなってもよい。ガス分子のための拡散経路２６は次に、接触面２から接触細孔２および内側膜１１を介して測定箇所４に通じていてもよい。

【0206】

代替的に、測定体積部４の透過壁２９は、内側膜によってではなく、たとえば小孔などの接触細孔２７を含む材料によって形成される。測定体積部に向けて方向付けられる当該材料の第１の面は反射性であるか、または反射層３２でコーティングされている。接触細孔は接触面２まで、または接触面２の近くまで延在してもよい。接触細孔２７を含む当該材料の第２の面は、多孔性または非多孔性であり、かつその外面が接触面２の少なくとも一部を形成し得る、内側膜１１の内面に隣接していてもよい。ガス分子のための拡散経路２６は次に、接触面２から内側膜１１および接触細孔２を介して測定箇所４に通じていてもよい。

【0207】

図２は、コンパートメント１３内に位置する測定放射を発する放射源３を含むセンサ１の概略断面を示す。測定放射は、非円筒形シール素子１４を含むチャネル８を通って測定体積部４内に伝搬する。測定放射は次に、測定体積部４と、これも非円筒形シール素子１４および任意にシールを含む少なくとも１つのさらなるチャネル８を通って伝搬し、ＮＡ変換器２２および波長フィルタ２１を通過し、最終的にコンパートメント１３内に位置する第１の検出器５に衝突する。

【0208】

測定対象のガスは、接触面２から、接触細孔２７および内側膜１１を含むガス拡散経路２６を介して、測定体積部４にアクセスし得る。外側膜１０が、少なくとも使用時に接触面２上に存在している。センサケーシング３３は、たとえば外側膜がセンサ１上にクリップ留めされ得るように外側膜１０を受け位置で受けるように適合された受け面を有する。内側膜１１は接触面２からセンサ内に延在してもよく、センサにおいて内側膜１１の内面は測定体積部４の透過壁２９を形成してもよい。代替的に、内側膜１１の内面は、測定体積部の閉込めから離れて位置決めされてもよく、拡散経路２６は、測定体積部４に通じる小孔または接触細孔２７からなる第２の透過ゾーンの中を延びる。さらに、内側膜１１は、その外面が接触面２から離れており、内側膜１１の内面がそれから離れて位置するようにも位置決めされる。拡散経路２６は次にさらに、接触面から、たとえば接触細孔２７を含むいくつかのさらなる透過ゾーンを通って内側膜１１に通じている。

【0209】

測定体積部４は、非結像光学素子７である。当該素子は、測定放射が測定体積部４に入るまたは測定体積部４から出るべきそれらの領域を除いて、主に反射面３６を有する。測定体積部４は２つの板状素子４０によって形成され、測定箇所に向けて方向付けられる素子は、ガスアクセスを可能にする孔または細孔は別として、平面である。第２の素子は、チャネル８およびシール素子１４を含む。その第２の素子内の特定のピットまたは凹部が、第１の素子の平面およびシール素子１４の端面とともに、測定体積部４の境界を形成する。これによって、放射が一方のシール素子１４の端面から他方のシール素子１４の端面に伝搬することができる。

【0210】

この実施形態の主な利点の１つは、第１の板状素子が基本的に平面鏡として作用し、それによって第１の板状素子は、放射入口および出口場所の正反対に位置する非常に良好に制御される箇所に凹部を得る必要がないことである。したがって、第１の板状素子の公差を緩和することができるが、第２の板状素子の公差はいずれにせよ厳しくする必要がある。

【0211】

図３は、コンパートメント１３内に位置する測定放射を発する放射源３を含むセンサ１
の概略断面を示す。測定放射は、さまざまな放射経路６に沿って、２つの球形シール素子１４ａを含むチャネル８を通って測定体積部４内に伝搬する。測定放射は次に、測定体積部４と、これも２つの球形シール素子１４ａおよび任意に充填物９を含む少なくともさらなるチャネル８の中を、さらにＮＡ変換器２２および波長フィルタ２１を通って伝搬し、最終的にコンパートメント１３内に位置する第１の検出器５に衝突する。チャネル８は反射面３６を含む。ガスは、接触面２から測定体積部４に延在する多孔または非多孔内側膜１１を通って測定体積部４にアクセス可能であり、この場合、それは良好な固有の反射率を有するか、または反射層３２でコーティングされた、測定体積部の透過壁２９を形成する。

【0212】

測定体積部４は２つの板状素子４０から形成され、測定箇所に向けて方向付けられる方の素子は本質的に平面である。他方の板状素子はシール素子１４ａおよび接続ピットを含み、この中を測定放射が伝搬する。測定体積部４は非結像的であり、したがって非結像光学素子７を表わす。

【0213】

図４は、コンパートメント１３内に位置する測定放射を発する放射源３を含むセンサ１の概略断面を示す。測定放射は、シール素子１４およびシール１５を含むチャネル８を通って測定体積部４内に伝搬する。測定放射は次に、非結像光学素子７を表わす測定体積部４を通って、かつシール素子１４およびシール１５を含むさらなるチャネル８を通って、波長フィルタ２１を通って伝搬し、最終的にコンパートメント１３内に位置する第１の検出器５に衝突する。コンパートメントは、熱的かつ光学的な分離壁によって２部分に分割される。チャネル８が反射面３６を含み、シール１５が測定放射に対して少なくとも合理的に透過的であるか、または反射チャネル８もしくは透過性シール１５を有する必要がないようにシール素子１４が反射層によってコーティングされている。

【0214】

測定体積部４は反射面３６を有し、アルミニウムなどの反射性材料内に２つ以上の合流孔を機械加工することによって形成される。これによって１つの材料片から材料体積４を機械加工することができるため、測定体積部を形成する板状素子４０の正確な位置合せが不要となる。

【0215】

測定体積部４へのガスアクセスは、接触細孔２７を通る拡散経路２６と、収集チャネル２８を含むガス収集器とによって保証される。代替の実施形態では、測定体積部４の底部は２つの合流孔によってではなく、代わりに、反射面を有する内側膜１１からなる透過壁によって形成される。

【0216】

図５は、測定体積部４の透過壁２９の可能な実現例を示す、センサ詳細の概略断面図を示す。透過壁２９は内側膜１１から形成されており、内側膜１１は、多孔面３０を有し、たとえば当該面に塗布された反射層３２のために反射面を有する。細孔３１が多孔面３０から接触面２に延在しているため、測定対象のガス分子が拡散経路２６に沿って接触面２から内側膜および細孔３１を通って測定体積部４内に拡散し得る。測定体積部４は、チャネル８を反射面３６でシールする球形シール素子１４ａによって規定される放射入口および出口面以外は、実質的にすべての部分に反射面３６を有する。

【0217】

図６は、ガス収集メカニズム１２を含む内側膜１１の可能な実現例を示す、センサ詳細の概略断面図を示す。内側膜１１は、測定体積部４の透過壁２９を形成し、多孔面３０と、たとえば多孔面３０上に塗布された反射層３２のために反射面とを有する。細孔３１が多孔面３０から接触面２までの、または収集チャネル２８までの接触細孔２７の形態で延在しているため、測定対象のガス分子が拡散経路２６に沿って接触面２から収集チャネル２８を通って、内側膜１１を通って、かつ細孔３１を通って測定体積部４内に拡散し得る。内側膜１１は、ガス透過領域、たとえば収集チャネル２８、接触細孔２７を通る拡散経
路２６等を含むが、ガス不透過領域を含んでもよく、当該不透過領域は、センサの応答時間を遅らせ得るガスアクセス可能体積を提供することなく、内側膜１１の寸法安定性を維持するように働く。

【0218】

測定体積部４は、チャネル８に入っている不規則な形状のシール素子１４によっても閉じ込められる。チャネル８は反射面３６を有してもよいし、またはシール素子１４は反射層でコーティングされてもよい。ガス収集メカニズムの収集領域２４はアクセス領域２５よりも大きい。

【0219】

図７ａおよび図７ｂは、球形シール素子１４ａ（図７ａ）または部分的に球形のシール素子１４ａ（図７ｂ）およびシール１５がチャネル８をシールするために配置され得る態様を示す、センサ詳細の２つの概略断面図を示す。たとえば、示されるセンサ詳細は、測定放射が球形シール素子１４ａを通ってチャネル８内に伝達されるように、または測定放射がチャネル８から球形シール素子１４ａを通ってコンパートメント１３内に第１の検出器に向かって伝達されるように、コンパートメント１３に隣接して位置してもよい。チャネル８は反射面３６を有する。そのようなチャネル充填物は、まず、たとえばプレス加工によって球形シール素子１４ａをその目標場所に運んだ後、たとえば硬化またはシール液体を用いて残りの空間の必要な部分を充填してシール１５を形成することによって形成されてもよい。シール１５は、球形シール素子１４ａのみでは十分きつくまたは確実にシールしない場合、チャネル充填物が漏れないことを保証する。

【0220】

部分的に球形のシール素子１４ａは、球形シール素子をたとえば研削などの適切な手段を用いて平坦化することによって、当該球形シール素子から得られる。平坦化処理は好ましくは、特に硬化シール液体の一部が球体の全面上に流れるかこぼれ得る場合は、シール１５の塗布および硬化の後に行なわれる。このように流れたりこぼれたりするのは、シールが測定放射に対して高度に透過的でない限り望ましくない。

【0221】

図８ａは、第１の検出器５の近傍のセンサ詳細の概略断面図を示す。放射は、放射体積からチャネル８を通って伝搬する。チャネル８は、反射面３６を有するシール素子１４およびシール１５からなる充填物９を含む。たとえば測定体積部などの放射経路に沿って存在する非結像光学素子のため、測定放射はチャネル充填物９を出るとさまざまな経路６を進む。放射は、典型的に広い角度分布でチャネル充填物９を出るが、これは高角度で出る放射を含む。そのような高角度放射は、放射面を有するＮＡ変換器２２の壁に当たり、低入射角で波長フィルタ２１に衝突するように反射される。ＮＡ変換器２２がない場合、高角度放射は屈折せず、はるかに高い角度で波長フィルタ２１に衝突する。波長フィルタ２１を通って伝達される放射は、コンパートメント１３内に位置する第１の検出器５に達して測定信号を生じさせ得る。低角度でチャネル充填物９を出る放射はＮＡ変換器２２に当たらず、反射せずに波長フィルタ２１に衝突する。したがって、ＮＡ変換器は、高角度を低角度放射に変換することによって、波長フィルタ２１に衝突する測定放射の角拡散を狭め、これによってフィルタ選択性が向上する。

【0222】

ＮＡ変換器２２は透過性充填物３８を含む。この透過性充填物は、ガスがＮＡ変換器にアクセスすることを防止し、したがって、測定結果は、測定放射を吸収するガスの変化する濃度によってバイアスされ得ない。

【0223】

図８ｂは、ＮＡ変換器２２が材料に形成される空隙で構成されず、当該空隙は透過性充填物を含んでもよいし含まなくてもよい代替の実施形態を示す。代わりに、ＮＡ変換器２２は、ＮＡ変換器２２の空隙を完全に充填する透過性充填物３８の形状を有する透過部分３９から形成される。透過部分３９は、放射入口および出口面以外に反射コーティング３６を有する。そのようなＮＡ変換器は、透過性充填物３８によって完全に充填されるＮＡ
変換器に対応し、より容易にセンサに組込まれる。

【0224】

図９は、センサ１の概略断面図を示す。測定体積部４は、交換チャネル１７を通じて周囲１９と接続されている。同時に測定体積部４に入っている測定対象のガスに対してほぼまたは完全に不透過性である水透過性対象物１８が、交換チャネル１７内の測定体積部４の近くに配置されている。これも水分子に対して透過性である反射素子２０が、測定体積部壁の一部に位置決めされている。したがって、放射源３からシール素子１４を介して測定体積部４内に伝搬する放射は交換チャネル１７に入らず、代わりに測定体積部４内に残ることになる。これによって、検出器に衝突する測定放射の量が増加し、これによって次に測定精度が向上する。測定体積部４に入っている水分子は反射素子２０を通じて水透過性対象物１８にアクセス可能であり、周囲１９に拡散し得る。このように、測定体積部４内のガス混合物は、液体水の凝縮が起こり得ないように十分乾燥した状態に維持される。

【0225】

図１０は、センサ１の概略断面図を示す。測定体積部４は交換チャネル１７に接続されている。測定体積部４に入っている測定対象のガスに対して好ましくはほぼまたは完全に不透過性であるウォータートラップ１６が、交換チャネル１７内の測定体積部４の近くに配置されている。これも水分子に対して透過性である反射素子２０が、測定体積部壁の一部に位置決めされている。したがって、放射源３からシール素子１４を介して測定体積部４内に伝搬する放射は交換チャネル１７に入らず、代わりに測定体積部４内に残ることになる。これによって、検出器に衝突する測定放射の量が増加し、これによって次に測定精度が向上する。測定体積部４に入っている水分子は反射素子２０を通じてウォータートラップ１６にアクセス可能であり、ウォータートラップ１６内に閉込められ得る。このように、測定体積部４内のガス混合物は、液体水の凝縮が起こり得ないように十分乾燥した状態に維持される。

【0226】

図１１ａ、図１１ｂおよび図１１ｃは、測定体積部４の近傍、およびセンサ１の使い捨て部分におけるウォータートラップ１６の３つの可能な配置を示す、センサ１の詳細の概略断面図を示す。測定体積部４は２つの板状素子４０によって形成され、板状素子４０の一方は実質的に平面である。測定体積部４は、内側膜１１によって形成される透過壁２９を含む。測定箇所に存在する分子は、拡散経路２６を介して測定体積部４内に拡散し得る。内側膜１１は、測定体積部４に入っている水分子が内側膜１１を通って拡散して１つまたはいくつかのウォータートラップ１６に達してその中に閉じ込められ得るように、水分子に対して透過性である。これによって、測定体積部４に入っているガス混合物は、液体水が測定体積部４内で凝縮し得ないように十分乾燥した状態に維持される。さらに、水分子は直接、すなわち測定体積部４を訪れずに、たとえばセンサ１の接触面２に沿った拡散によって、ウォータートラップ１６の場所における外側面１０を通る拡散によって、または特に拡散経路２６がウォータートラップ１６の材料に存在する接触細孔２７の中を延びる場合は拡散経路２６を介して、ウォータートラップ１６に達し得る。

【0227】

ウォータートラップ１６は、外側膜１０を交換するとウォータートラップ１６も交換されるように、外側膜と好適に組合される。このように、新たなウォータートラップ１６をセンサ１内に容易に設置することができる。

【0228】

図１２ａおよび図１２ｂは、ガス収集器２３が存在しない場合のアクセス領域２５（図１２ａ）ならびに存在する場合のアクセス領域２５および収集領域２４（図１２ｂ）を示す、センサ１の接触面２の、かつ接触面２上の詳細図を示す。

【0229】

ガス収集器２３が存在しない場合、図１２ａに示されるように、アクセス領域２５内の接触面２に存在するガス分子は、接触細孔２７に効率的にアクセスし、拡散経路を介して測定体積部内に拡散し得る。

【0230】

ガス収集器２３が存在する場合、図１２ｂに示されるように、収集領域２４内の接触面２に存在するガス分子は、接触細孔２７またはガス収集器２３に効率的にアクセスし得る。ガス分子はガス収集器２３に入ると、スクラッチまたは孔などのガス収集器２３内の収集チャネル２８およびさらなる拡散経路２６に沿って接触細孔２７内に拡散し、そこからさらに測定体積部内に拡散し得る。

【0231】

したがって、ガス収集器２３は、そこからガス分子が測定体積部に通じる拡散経路に効率的にアクセスできるゾーンを増加させ、センサの応答時間を短縮する。

【0232】

図１３は、測定放射が経路６に沿って、コンパートメント１３内に位置する放射源３からチャネル８を充填するシール素子１４を通って測定体積部４内に、さらにそこからチャネル８を充填するさらなるシール素子１４を通って、かつ波長フィルタ２１を通って、コンパートメント１３内に位置する第１の検出器５に伝搬する態様を示す、センサ１の、かつセンサ１の内部の概略上面図を示す。さらに、測定放射は、第２の経路３５に沿って、測定体積部４を通って、さらなるチャネル８を充填するさらなるシール素子１４を通って、かつ波長フィルタ２１と異なる公称通過帯域を有する第２の波長フィルタ４１を通って、コンパートメント１３内に位置する第２の検出器３４に伝搬している。代替的に、各々が波長フィルタ２１を有する第１の検出器５および第２の検出器３４の代わりに、図１８ａ〜図１８ｅに示されるような２つの検出面および１つの波長高感度素子を含む検出器が用いられてもよい。

【0233】

測定箇所からのガス分子は、接触細孔２７を通って測定体積部４にアクセスし得る。センサケーシング３３は、周囲または測定体積部４からのガスがコンパートメント１３にアクセスするかコンパートメント１３から出て、バイアスされた測定をもたらし得ないように、気密である。

【0234】

図１４ａおよび図１４ｂは、センサ１の概略断面図および上面図をそれぞれ示す。
図１４ａおよび図１４ｂは上述と同様の種類であるが、以下の異なる特徴を有するセンサ１の実施形態を示す。測定放射光線は、放射源３から光路６に沿って共通のビームの内部を、まずチャネル８内の第１のシール素子１４を通って、次に測定体積部４を通って、その次にチャネル８内の第２のシール素子１４を通って伝搬する（図１４ａの右側）。１つのシール素子１４をチャネル８に組込む代わりに、いくつかのシール素子をチャネル８に組込むことも考えられる。さらに、シール素子１４は、断面図に示されるようにチャネル８から突出していてもよく、反射外面３６を有していてもよい。放射は、その経路上の最後のチャネル８または最後のシール素子１４のうち、どちらか最後に来る方を出るまで、共通のビーム内を伝搬する。その後、放射ビームは、ビーム分割ＮＡ変換器であり、かつ透過性充填物をさらに含み得る、ＮＡ変換器２２に入る。放射ビームが２本の個々のビームに分割されるのは、ビーム分割ＮＡ変換器２２に入った後のみである。そのような設計によって、たとえば侵食、汚染または凝縮による特に測定チャンバ内の反射特性の変化に対してセンサがロバストになり、さらに、測定体積部を小型化できる。２本の個々の放射ビームはそれぞれ、第１の波長フィルタ２１上に向けて方向付けられ、そこから第１の検出器５に達し、第２の波長フィルタ４１上に向けて方向付けられ、そこから第２の検出器３４に達する（図１４ｂ参照）。それによって、第１の波長の測定放射が光路６に沿って案内されて第１の検出器５によって検出され得る一方で、第２の波長の測定放射が第２の光路３５に沿って案内されて第２の検出器３４によって検出され得る。

【0235】

本実施形態における測定体積部４は、２つの合流する、角度をつけられた孔と、底部反射器として反射面またはコーティング３６を有する透過壁２９とによって規定され、これらはともに非結像光学素子７を形成する。透過壁２９は同時に、センサの接触面２の近く
に存在するガスを測定するための拡散経路２６として作用する接触細孔２７を有する内側膜として作用する。

【0236】

図１５ａは代替のセンサ１の概略断面図を示し、図１５ｂおよび図１５ｃはセンサ１の概略上面図を示す。この実施形態は、以下の異なる特徴以外は、図１４ａおよび図１４ｂに示される実施形態と同様である。測定体積部４と検出器コンパートメント１３との間のシール素子１４は、比較的幅広である。これによって放射ビームが広がり、全波長の測定放射は当該ビーム内に同様に分布する。しかし、ビーム内の光線の角度分布は均一でなく、中心近くでシール素子１４を出る光線は、中心からずれてシール素子を出る光線よりもシール素子に垂直な表面に対する角度が低い。

【0237】

これは、図１５ｂに示されるように、それぞれ第１および第２の波長フィルタ２１および４１を有する第１の検出器５および第２の検出器３４を、シール素子と波長フィルタとの間に小さい隙間が存在し得るシール素子１４の表面上に配置する際に有利である。

【0238】

代替的に、図１５ｃに示されるように、単波長高感度素子２１ならびに第１および第２の検出面４３および４４を含む検出器がシール素子１４の出口面の近くに配置されてもよい。第１および第２の検出面４３および４４は、たとえば図１８ａ〜図１８ｄに示されるような形状を有してもよく、同心円状に配置されてもよい。

【0239】

そのような設計では、測定放射は、測定体積部は別として、ガスアクセス可能空間の非常に短い区間のみを通過する。したがって、検出器のコンパートメント１３に達したいずれの測定対象ガスも、測定体積部４内の測定対象のガスの測定結果を大きくバイアスすることはできない。これによって、チャネルシール１５に漏れが存在する場合でも、センサ測定を正確に維持することができる。

【0240】

図１６は、２つの主要な特徴以外は図１５ａ〜図１５ｃに示されるセンサ１と同様の実施形態を示す。第１の特徴は、同時にシール素子１４としても用いられる放射源３である。放射は効率的に測定体積部に注入され、チャネル８のまたは放射源３の両側の反射面３６が注入放射強度を高めるのにさらに役立ち得る。さらに、別個のシール素子は不要であり、設計上、ガスアクセス可能空間が測定対象のガスを含んでいる場合にバイアスされた測定結果につながり得るガスアクセス可能空間がシール素子と放射源との間に存在し得ない。第２の主要な特徴は、図１５ａ〜図１５ｃのような１つの幅広のシール素子１４がなく、代わりに、たとえば反射コーティング３６を有するより狭いシール素子１４ｂと、その上に、より幅広の、図１５ａ〜図１５ｃの実施形態と同様に放射ビームを広げることができるさらなるシール素子１４ｃが存在することである。この方法によって、測定体積部を小さく維持することが容易になる。

【0241】

図１７ａは、測定体積部４の底部のより詳細な図を示す。センサ１は、２つのチャネル８を有するセンサケーシング３３を含む。反射面３６を含むシール素子１４はチャネル８内に配置され、付加的なシール１５によってシールされる。測定対象のガスは、接触面２から接触細孔２７、拡散経路２６、透過壁２９、および細孔３１を通って測定体積部４内にアクセスし得る。透過壁２９を含む測定体積部は、反射面３６を含む。透過壁２９は同時に内側膜１１として作用し得る。外側膜１０は使用時に、または常に存在していてもよい。代替的に、外側膜は省略されてもよい。付加的な外側膜（図示せず）、たとえば、上述のような患者アプリケータとしての使い捨て装置に組込まれた外側膜が使用時にのみ存在する場合、患者の皮膚上の測定時に合計３つの膜が存在するため、センサに取付けられる外側膜が中間膜４５になる。

【0242】

図１７ｂは、細孔３１内に付加的な細孔充填物４２を有する図１７ａのすべての特徴を
示す。

【0243】

図１７ｃは、少なくとも０．０１ｍｍから最大で０．５ｍｍの直径および反射面３６を有する、より少ないがより幅広の細孔３１を有する透過壁２９が用いられる点で図１７ａと異なっており、幅広細孔３１の場所は、これらを通る測定放射の過度の損失を回避するためにうまく選択される必要がある。

【0244】

図１７ｄは、幅広細孔３１内に付加的な細孔充填物４２を有する図１７ｃのすべての特徴を示しており、これは、汚染は狭い細孔を通るよりも広い細孔３１を通って測定体積部４により容易にアクセスし得るため、この場合特に有用である。

【0245】

図１７ｅは、図１７ａおよび図１７ｃの組合せを示す。測定体積部４の透過壁２９ａは狭い細孔および反射面３６を有し得、同時に内側膜１１として作用し得る。第１の透過壁２９ａに接触して、または第１の透過壁２９ａの非常に近くに配置されたより幅広の細孔を有する第２の外側透過壁２９ｂは、同時に外側膜１０として作用し得る。付加的な外側膜（図示せず）、たとえば、上述のような患者アプリケータとしての使い捨て装置に組込まれた外側膜が使用時にのみ存在する場合、外側透過壁２９ｂは中間膜４５として作用し得る。

【0246】

図１７ｆは、外側透過壁２９ｂの幅広細孔３１内に付加的な細孔充填物４２を有する図１７ｅのすべての特徴を示す。これによって、測定体積部４に向かって充填されていない開口部を有するセンサの接触面２が形成される。

【0247】

図１８ａ〜図１８ｅは、検出器５の好ましい実施形態の詳細概略図を示す。検出器５は、第１の波長帯域内の放射を検出するための第１の検出面４３と、第２の波長帯域内の放射を検出するための少なくとも第２の検出面４４とを含む。検出器には、干渉波長フィルタ２１によって形成される波長高感度素子が設けられている。検出面４３および４４によって生成される測定信号の電気収集に必要な検出面との電気コンタクト、ならびに検出面および波長フィルタが上に配置される共通のサポートは図示されていない。この検出器は好ましくは、たとえば図１５ｃを参照して本明細書中の上記に説明したようなセンサ内に用いられる。

【0248】

図１８ａは、丸い第１の検出面４３と、実質的に囲んでおり、同心であり、実質的にリング状の周囲の第２の検出面４４とを有する実現例を示しており、両検出面とも１つの干渉波長フィルタ２１の下方に位置している。両方の検出面４３および４４は互いに離れて配置され、電気的に分離されている。２つの検出面４３と４４との間の隙間は、電気コンタクトを引回すために用いられる。これによってさらに、検出面４３および４４によって検出可能な放射波長帯域のよりよい分離がもたらされる。

【0249】

図１８ｂは、第１の検出面４３が円形ではなく正方形である以外は、図１８ａのすべての特徴を示す。

【0250】

図１８ｃは、第２の検出面４４が、第１の検出面４３の各側に位置するリングの２つの部分のみからなる以外は、図１８ａと同じ特徴を基本的に示している。第２の検出面４４は、たとえば、それらの信号が平均されるように平行に接続されてもよく、これは、２つの第２の検出面４４が同じ波長帯域の波長に対して高感度であるように検出器５が配置される場合に特に有利である。図１８ａのリング状の第２の検出面４４は、図１８ｃの２つの第２の検出面４４よりも多くの放射を収集できる可能性があるが、これにはより大きい空間が必要であるため、小型化がより困難である。

【0251】

図１８ｄは、第１の検出面４３が円形ではなく正方形であり、第２の検出面４４も矩形である以外は、図１８ｃのすべての特徴を示す。そのような形状は、電気コンタクトにより容易に接続することができる。

【0252】

図１８ｅは、２つの第２の検出面４４の一方が省略されている以外は、図１８ｄの特徴を示す。第１および第２の検出面４３および４４はこの実施形態ではもはや同心ではないが、検出器５はやはり、図１８ａ〜図１８ｄに示される他の実施形態と同様に、第１および第２の入射角範囲の、かつ第１および第２の波長帯域内の放射が第１および第２の検出面４３および４４にそれぞれ達するように配置されている。この結果、放射ビームに対して、第１の検出面４３は中心に位置しているが、第２の検出面４４は周辺に位置している。したがって、図１８ｄと比較して、図１８ｅの設計では、第２の検出面４４によって検出可能な第２の波長帯域内の放射が減少するが、代わりに検出器をさらにコンパクトにすることができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7a】

【図7b】

【図8a】

【図8b】

【図9】

【図10】

【図11a】

【図11b】

【図11c】

【図12a】

【図12b】

【図13】

【図14a】

【図14b】

【図15a】

【図15b】

【図15c】

【図16】

【図17a】

【図17b】

【図17c】

【図17d】

【図17e】

【図17f】

【図18a】

【図18b】

【図18c】

【図18d】

【図18e】