特許 7520046 機械的な妨害作用に対して補償されたマルチチャネルＩＲガスセンサ

(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】

(24)【登録日】2024-07-11

(45)【発行日】2024-07-22

(54)【発明の名称】機械的な妨害作用に対して補償されたマルチチャネルＩＲガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/3504 20140101AFI20240712BHJP

   A61M 16/00 20060101ALI20240712BHJP

【ＦＩ】

G01N21/3504

A61M16/00 370Z

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2021565087

(86)(22)【出願日】2020-04-27

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-07-01

(86)【国際出願番号】 EP2020061644

(87)【国際公開番号】W WO2020225010

(87)【国際公開日】2020-11-12

【審査請求日】2023-04-26

(31)【優先権主張番号】102019111563.9

(32)【優先日】2019-05-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】515233591

【氏名又は名称】ハミルトン メディカル アーゲー

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】クリストフ・シュランツ

(72)【発明者】

【氏名】ドミニク・ノヴォトニ

【審査官】比嘉 翔一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０７７２２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２２０５８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２１２３１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０７５３８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５１７７２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭４２－０１６０３８（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】米国特許出願公開第２００１／００１５４０８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第０１４８２３０１（ＥＰ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０５９７３８３１（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ２１／００－Ｇ０１Ｎ２１／０１

Ｇ０１Ｎ２１／１７－Ｇ０１Ｎ２１／６１

Ａ６１Ｍ１１／００－Ａ６１Ｍ１９／００

Ｇ０１Ｊ １／００－Ｇ０１Ｊ １／６０

Ｇ０１Ｊ１１／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

マルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）であって、
－所定の入射軸（Ｅ）に沿ってビームスプリッタアセンブリ（８４）に入射する赤外線ビーム（６４）を、複数の赤外線部分ビーム（８５、８６、８７、８８）に分割するように構成されたビームスプリッタアセンブリ（８４）と、
－第１の赤外線部分ビーム（８５）の第１のビーム経路に配置された第１の帯域フィルタ（９０）であって、所定の第１の帯域幅と、所定の第１の有用信号波長において透過極大とを有する第１の帯域フィルタ（９０）と、
－前記第１の赤外線部分ビーム（８５）の前記第１のビーム経路において、前記第１の帯域フィルタ（９０）の後方に配置された第１の赤外線有用信号センサ（９２）と、
－前記第１の赤外線部分ビーム（８５）とは異なる第２の赤外線部分ビーム（８６）の第２のビーム経路に配置されており、所定の第２の帯域幅と、所定の第１の基準信号波長において透過極大とを有している第２の帯域フィルタ（９４）であって、前記第１の基準信号波長が、前記第１の有用信号波長とは異なっている第２の帯域フィルタ（９４）と、
－前記第２の赤外線部分ビーム（８６）の前記第２のビーム経路において、前記第２の帯域フィルタ（９４）の後方に配置された第１の赤外線基準信号センサ（９６）と、
を含んでいるマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）であって、
前記ビームスプリッタアセンブリ（８４）は、入射する前記赤外線ビーム（６４）を少なくとも４つの前記赤外線部分ビーム（８５、８６、８７、８８）に分割するように構成されており、マルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）は、さらに、
－第３の赤外線部分ビーム（８７）の第３のビーム経路に配置された第３の帯域フィルタ（９８）であって、所定の第３の帯域幅と、所定の第２の有用信号波長において透過極大とを有する第３の帯域フィルタ（９８）と、
－前記第３の赤外線部分ビーム（８７）の前記第３のビーム経路において、前記第３の帯域フィルタ（９８）の後方に配置された第２の赤外線有用信号センサ（１００）と、
－第４の赤外線部分ビーム（８８）の第４のビーム経路に配置された第４の帯域フィルタ（１０２）であって、所定の第４の帯域幅と、所定の第２の基準信号波長において透過極大とを有する第４の帯域フィルタ（１０２）と、
－前記第４の赤外線部分ビーム（８８）の前記第４のビーム経路において、前記第４の帯域フィルタ（１０２）の後方に配置された第２の赤外線基準信号センサ（１０４）と、
を含んでおり、
第１、第２、第３及び第４のビーム経路の延在方向（８５ｖ、８６ｖ、８７ｖ、８８ｖ）は、対において互いに異なっており、前記第１の基準信号波長及び前記第２の基準信号波長のいずれの波長も、前記第１の有用信号波長及び前記第２の有用信号波長のどの波長とも異なっており、前記第１の赤外線有用信号センサ及び前記第２の赤外線有用信号センサ（９２、１００）は、前記第１の赤外線有用信号センサ及び前記第２の赤外線有用信号センサ（９２、１００）のそれぞれの有用信号センサ検出面（９２ａ、１００ａ）が、前記有用信号センサ検出面（９２ａ、１００ａ）の間に位置する有用信号センサ対称面（Ｗ）に関して対称に方向付けられているように配置されており、前記第１の赤外線基準信号センサ及び前記第２の赤外線基準信号センサ（９６、１０４）は、前記第１の赤外線基準信号センサ及び前記第２の赤外線基準信号センサ（９６、１０４）のそれぞれの基準信号センサ検出面（９６ａ、１０４ａ）が、前記基準信号センサ検出面（９６ａ、１０４ａ）の間に位置する基準信号センサ対称面（Ｖ）に関して対称に方向付けられているように配置されており、前記有用信号センサ検出面（９２ａ、１００ａ）は、前記有用信号センサ対称面（Ｗ）に直交するようには方向付けられておらず、前記基準信号センサ検出面（９６ａ、１０４ａ）は、前記基準信号センサ対称面（Ｖ）に直交するようには方向付けられていないマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）において、
前記第１の赤外線有用信号センサ（９２）及び前記第２の赤外線有用信号センサ（１００）が、それぞれの有用信号センサ検出面（９２ａ、１００ａ）が仮想の有用信号傾斜軸（Ｍ）の周りで互いに対して傾斜しているように配置されていること、並びに、前記第１の赤外線基準信号センサ（９６）及び前記第２の赤外線基準信号センサ（１０４）が、それぞれの基準信号センサ検出面（９６ａ、１０４ａ）が、仮想の基準信号傾斜軸（Ｎ）の周りで互いに傾斜しているように配置されていることを特徴とするマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）。

【請求項2】

前記有用信号センサ対称面（Ｗ）と前記基準信号センサ対称面（Ｖ）とが、互いに異なっていることを特徴とする、請求項１に記載のマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）。

【請求項3】

前記ビームスプリッタアセンブリ（８４）が、リフレクタ－ビームスプリッタアセンブリであること、及び、全ての前記赤外線有用信号センサ（９２、１００）と全ての前記赤外線基準信号センサ（９６、１０４）とが、前記ガスセンサ（５４）に進入する前記赤外線ビーム（６４）が前記ビームスプリッタアセンブリ（８４）に入射する、前記ビームスプリッタアセンブリ（８４）の入射面に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）。

【請求項4】

前記赤外線有用信号センサ（９２、１００）と前記赤外線基準信号センサ（９６、１０４）とが、仮想の配置軸（Ａ）の周りで周方向において交互に配置されていることを特徴とする、請求項３に記載のマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）。

【請求項5】

前記第１の赤外線有用信号センサ及び前記第２の赤外線有用信号センサ（９２、１００）が、仮想の前記配置軸（Ａ）に関して互いに直径上で向かい合っていること、又は／及び、前記第１の赤外線基準信号センサ及び前記第２の赤外線基準信号センサ（９６、１０４）が、仮想の前記配置軸（Ａ）に関して互いに直径上で向かい合っていることを特徴とする、請求項４に記載のマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）。

【請求項6】

前記仮想の配置軸（Ａ）が、前記入射軸（Ｅ）であることを特徴とする、請求項４又は５に記載のマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）。

【請求項7】

前記有用信号センサ対称面（Ｗ）又は／及び前記基準信号センサ対称面（Ｖ）が、前記配置軸（Ａ）を含んでいるか、又は、前記配置軸（Ａ）に対して平行に延在していることを特徴とする、請求項４から６のいずれか一項に記載のマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）。

【請求項8】

前記赤外線有用信号センサ（９２、１００）それぞれの前記センサ検出面（９２ａ、１００ａ）と、前記赤外線基準信号センサ（９６、１０４）それぞれの前記センサ検出面（９６ａ、１０４ａ）とが、前記ビームスプリッタアセンブリ（８４）に対して傾斜していることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）。

【請求項9】

前記第１の有用信号波長の値又は／及び前記第２の有用信号波長の値が、前記第１の基準信号波長の値と前記第２の基準信号波長の値との間にあることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）。

【請求項10】

前記第１の有用信号波長の値及び前記第２の有用信号波長の値が、前記第１の帯域幅及び前記第３の帯域幅の内、値の小さい方の帯域幅の３分の１以上は異ならないことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）。

【請求項11】

前記第２の帯域幅及び前記第４の帯域幅の内のいずれの帯域幅の値も、前記第１の帯域幅及び前記第３の帯域幅の内のいずれの帯域幅の値より小さいことを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）。

【請求項12】

前記ガスセンサ（５４）が、評価装置（１４）を含んでおり、前記評価装置は、前記第１の赤外線基準信号センサ及び前記第２の赤外線基準信号センサ（９６、１０４）の信号から、基準情報（１３６）を決定し、前記第１の赤外線有用信号センサ及び前記第２の赤外線有用信号センサ（９２、１００）の信号から、有用情報（１３２）を決定し、前記基準情報（１３６）と前記有用情報（１３２）との比較から、前記第１の有用信号波長又は／及び前記第２の有用信号波長によって識別されたガスの、入射する前記赤外線ビーム（６４）が照射された試料ガスに占める割合に関する情報を出力することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）。

【請求項13】

前記ガスセンサ（５４）が、前記ビームスプリッタアセンブリ（８４）、前記赤外線有用信号センサ（９２、１００）及び前記赤外線基準信号センサ（９６）が配置された第１の区画（６８）と、赤外線ビーム源（７４）が配置され、前記第１の区画（６８）とは空間的に離れた第２の区画（７２）とを備えたセンサハウジング（６６）を有しており、前記第１の区画と前記第２の区画（６８、７２）との間には、測定キュベット（５２）を前記第１の区画と前記第２の区画（６８、７２）との間で受容するための受容構造（７９）が配置されていることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）。

【請求項14】

生きている患者に少なくとも補助的に人工呼吸を行うための人工呼吸器（１０）であって、
－呼吸ガス源（１２）と、
－吸気呼吸ガスを、前記呼吸ガス源（１２）から、患者側の近位呼吸ガス排気口（６２）に誘導するため、及び、呼気呼吸ガスを、近位の呼吸ガス吸入口（６２）から離れるように誘導するための呼吸回路アセンブリ（２０）と、
－前記呼吸回路アセンブリ（２０）内で呼吸ガスの圧力を変更するための圧力変更装置（１３）と、
－前記呼吸ガス源（１２）又は／及び前記圧力変更装置（１３）を動作させるための制御装置（１４）と、
－前記吸気呼吸ガス又は／及び前記呼気呼吸ガスにおける少なくとも１つのガス成分を検出するための、請求項１から１３のいずれか一項に記載されたマルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）と、
を含んでいる人工呼吸器（１０）。

【請求項15】

前記マルチチャネル赤外線ガスセンサ（５４）が、請求項１１に記載のガスセンサ（５４）であり、評価装置（１４）が、人工呼吸器（１０）の前記制御装置（１４）の一部であることを特徴とする、請求項１４に記載の人工呼吸器（１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マルチチャネル赤外線ガスセンサに関するものであり、マルチチャネル赤外線ガスセンサは、
－所定の入射軸に沿ってビームスプリッタアセンブリに入射する赤外線ビームを、複数の赤外線部分ビームに分割するように構成されたビームスプリッタアセンブリと、
－第１の赤外線部分ビームの第１のビーム経路に配置された第１の帯域フィルタであって、所定の第１の帯域幅と、所定の第１の希望信号波長において透過極大とを有する第１の帯域フィルタと、
－第１の赤外線部分ビームの第１のビーム経路において、第１の帯域フィルタの後方に配置された第１の赤外線希望信号センサと、
－第１の赤外線部分ビームとは異なる第２の赤外線部分ビームの第２のビーム経路に配置されており、所定の第２の帯域幅と、所定の第１の基準信号波長において透過極大とを有している第２の帯域フィルタであって、第１の基準信号波長が、第１の希望信号波長とは異なっている第２の帯域フィルタと、
－第２の赤外線部分ビームの第２のビーム経路において、第２の帯域フィルタの後方に配置された第１の赤外線基準信号センサと、
を含んでいる。

【背景技術】

【0002】

本発明はさらに、当該マルチチャネル赤外線ガスセンサを有する人工呼吸器に関する。

【0003】

本出願において「赤外線」という概念は、ＩＲとも略される。同様に、マルチチャネル赤外線ガスセンサは、以下において、「マルチチャネルＩＲガスセンサ」、又は、略して「ガスセンサ」とのみ表されることもある。

【0004】

冒頭に述べた種類のガスセンサは、特許文献１から知られている。特許文献１からは、同様に、当該ガスセンサを、生きている患者の呼吸ガス内のガス成分、特にＣＯ_２を測定するために用いることが知られている。

【0005】

生きている患者に人工呼吸を行う際、それが完全に鎮静状態又は昏睡状態にあり、従って自発呼吸が不可能である患者に対する人工呼吸であるにせよ、又は、少なくとも一時的に自発呼吸を行っている患者への補助的な換気であるにせよ、呼吸ガスのガス成分を知ることは、患者の生体機能を監視するため、又は／及び、人工呼吸器の正しい動作を監視するために有用かつ重要である。このことは、当該専門分野において、十分に知られている。例えば、吸気呼吸ガス及び呼気呼吸ガス中のＣＯ_２の割合を検出することによって、患者において酸素代謝がどの程度良好に機能しているかを調べることができる。しかしながらこれは、複数の可能な例の内の１つにすぎない。

【0006】

特許文献１から知られているガスセンサは、ビームスプリッタに入射する赤外線ビームを、２つの赤外線部分ビームに分割するために、反射だけではなく、透過も行うビームスプリッタを用いている。第１の赤外線部分ビームは、第１の帯域フィルタを通じて、第１のセンサに誘導される。この第１の帯域フィルタは、希望信号波長としてのＣＯ_２の赤外線吸収波長において、透過極大を有していると共に、小さい第１の帯域幅を有しており、センサ信号は、ガスセンサに入射する赤外線ビームによって照射される試料ガスのそれぞれのＣＯ_２含有量に依存して、可能な限り大きく変化する。従って、第１のセンサは、赤外線希望信号センサである。

【0007】

第２の赤外線部分ビームは、第２の帯域フィルタと、付加的にノッチフィルタとを通過した後、第２のセンサに誘導される。第２の帯域フィルタは、基準信号波長としてのＣＯ_２の赤外線吸収波長において、透過極大を有していると共に、第１の帯域フィルタよりも大きい帯域幅を有している。ノッチフィルタは、ＣＯ_２の赤外線吸収波長においても同様に、減衰極大又は透過極大を有している。結果として、第２のセンサの信号は、試料ガスのＣＯ_２含有量の変化と共には変化しないか、又は、無視できる程度にのみ変化する。従って、第２のセンサは、赤外線基準信号センサである。

【0008】

ＩＲ基準信号センサは、ＩＲ希望信号センサの信号とＩＲ基準信号センサの信号との比較によって、試料ガス内のＣＯ_２による赤外光の吸収程度と、それに伴って試料ガス内のＣＯ_２の割合とを判断可能にするために必要である。このことは、本発明にも当てはまる。

【0009】

この際、一方でのＩＲ希望信号センサの希望信号と、ＩＲ基準信号センサの基準信号とを、１つかつ同一の入射する赤外線ビームから導出することが有用であり、これによって、希望信号も基準信号も、質的にも量的にも、概ね同じ妨害要素に晒されたので、単に妨害要素によってもたらされる希望信号の量的な変化が、基準信号の対応する変化ももたらすことが保証される。これによって、希望信号の変化から、希望信号波長によって識別されるガス成分の変化を誤って推測することが防止され得る。このことは、本発明にも当てはまる。

【0010】

既知のガスセンサには、ＩＲ希望信号センサとＩＲ基準信号センサとが、そのそれぞれのセンサ検出面が仮想の傾斜軸の周りで互いに対して傾斜するように配置されている。特許文献１において示された概略的な描写では、それぞれ平らなセンサ検出面は、互いに対して９０°傾斜するように方向付けられている。既知のガスセンサの各方向に延長したと想定されるセンサ検出面は、その共通の仮想の傾斜軸において交差する。ＩＲ希望信号センサのセンサ検出面と、ＩＲ基準信号センサのセンサ検出面とは、仮想の傾斜軸を含む対称面に関して鏡面対称に配置されている。

【0011】

特許文献１は、既知のガスセンサにおいて使用される具体的なＩＲセンサを挙げてはいない。しかしながら、赤外光の入射に関してだけではなく、衝撃等の機械的負荷に関しても高感度を有するＩＲセンサが存在する。このような機械的に高感度を有するＩＲセンサは、さらに、方向に依存して、機械的に高感度を有している。すなわち、同じ値の機械的負荷が、１つかつ同一のＩＲセンサに対して、ＩＲセンサに機械的負荷が加えられる方向に依存して、異なって作用する。

【0012】

従って、特許文献１から知られているガスセンサの欠点は、ガスセンサに全体として均一に加えられる機械的負荷が、ＩＲ希望信号センサとＩＲ基準信号センサとで異なって作用し、従って、試料ガスにおける関係するガス成分の決定に、望ましくない不正確性がもたらされ得ることにある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【文献】米国特許出願公開第２００７／０２４１２８０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

従って、本発明の課題は、冒頭に挙げたガスセンサを、その機械的感度に関して改善し、当該ガスセンサが、先行技術に係るガスセンサと同じ機械的負荷において、より高い正確性を提供するようにする、又は、当該ガスセンサの検出結果が、先行技術に係るガスセンサの検出結果よりも、機械的負荷による影響を受けにくくすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明によると、本課題は、冒頭に挙げたガスセンサによって解決され、当該ガスセンサにおいて、ビームスプリッタアセンブリは、入射する赤外線ビームを少なくとも４つの赤外線部分ビームに分割するように構成されており、マルチチャネル赤外線ガスセンサは、さらに、
－第３の赤外線部分ビームの第３のビーム経路に配置された第３の帯域フィルタであって、所定の第３の帯域幅と、所定の第２の希望信号波長において透過極大とを有する第３の帯域フィルタと、
－第３の赤外線部分ビームの第３のビーム経路において、第３の帯域フィルタの後方に配置された第２の赤外線希望信号センサと、
－第４の赤外線部分ビームの第４のビーム経路に配置された第４の帯域フィルタであって、所定の第４の帯域幅と、所定の第２の基準信号波長において透過極大とを有する第４の帯域フィルタと、
－第４の赤外線部分ビームの第４のビーム経路において、第４の帯域フィルタの後方に配置された第２の赤外線基準信号センサと、
を含んでおり、第１、第２、第３及び第４のビーム経路又は赤外線部分ビームの延在方向は、対になって互いに異なっており、第１及び第２の基準信号波長のいずれの波長も、第１及び第２の希望信号波長のどの波長とも異なっており、第１及び第２の赤外線希望信号センサは、そのそれぞれの希望信号センサ検出面が、希望信号センサ検出面の間に位置する希望信号センサ対称面に関して対称に方向付けられているように配置されており、第１及び第２の赤外線基準信号センサは、そのそれぞれの基準信号センサ検出面が、基準信号センサ検出面の間に位置する基準信号センサ対称面に関して対称に方向付けられているように配置されており、希望信号センサ検出面は、希望信号センサ対称面に直交するようには方向付けられておらず、基準信号センサ検出面は、基準信号センサ対称面に直交するようには方向付けられていない。

【0016】

本出願において、本発明に関連して一般的にＩＲセンサが言及される場合、それによって、ＩＲ希望信号センサだけではなくＩＲ基準信号センサも表現されている。両方のＩＲ希望信号センサのみが、又は、両方のＩＲ基準信号センサのみが言及されており、希望信号センサ又は基準信号センサとしての、それぞれのＩＲセンサ対の目的が重要ではない場合、本出願では、目的が同じＩＲセンサと表現される。

【0017】

ビームスプリッタアセンブリに入射する赤外線ビームを、少なくとも４つの赤外線部分ビームに分割することによって、少なくとも２つの赤外線センサがＩＲ希望信号センサとして、少なくとも２つの赤外線センサがＩＲ基準信号センサとして、利用され得る。本発明によると、それぞれ少なくとも２つの目的が同じ赤外線センサは、互いに対して対称に方向付けられている。従って、２つの目的が同じ赤外線センサの対称面に対して、すなわち一方でのＩＲ希望信号センサの希望信号センサ対称面に対して、及び、他方でのＩＲ基準信号センサの基準信号センサ対称面に対して直交する機械的負荷は、両方の対称に方向付けられたＩＲセンサに、作用の量は同じか又は類似しているが、作用方向は相反して作用し得る。両方の対称に方向付けられたＩＲセンサのセンサ信号の適切な切り替え又は／及び評価によって、量が同じ又は量が類似しているが方向が相反する望ましくない、衝撃等の機械的負荷の作用が、相互の減衰又は減退のため用いられ得る。各ＩＲセンサに、機械的負荷によって望ましくないことに変更されたセンサ信号が供給されるにもかかわらず、両方の目的が同じＩＲセンサの信号への機械的負荷の望ましくない作用は、専ら信号自体に基づいて、容易に削減又は除去さえされ得る。これは例えば、目的が同じセンサの各信号から、幾何平均値又は算術平均値を生成することによって得られる。これは、ＩＲ希望信号センサ同士に当てはまると共に、ＩＲ基準信号センサ同士にも当てはまる。従って、本発明に係るガスセンサの、機械的な妨害作用に対する補償が、少なくとも１つの空間方向から、付加的なフィルタを用いずに信号自体から、ＩＲセンサの上述の方向付け及び配置に基づいて可能である。

【0018】

この際、「対になって異なっている」とは、任意に選択された２つずつの赤外線部分ビームが、ビーム経路において異なる延在方向を有しているということを意味している。これは、ビーム経路の一部分に該当していてもよいが、好ましくは、ビームスプリッタアセンブリに到達した後の少なくとも４つの赤外線部分ビームのビーム経路全体に該当している。

【0019】

目的が同じＩＲセンサのセンサ検出面を、その配設された対称面に直交しないように方向付けることによって、ガスセンサが入射軸に直交する大きな表面積を有することなく、比較的大きなセンサ検出面と、従って、高いガスセンサ感度とが得られる。これによって、まさに以下に記載する人工呼吸器に関して、空間的に小型な有利なガスセンサを得ることが可能である。

【0020】

本出願において、さらなる有利な手段によって、機械的な妨害作用を、他の空間方向からも少なくとも部分的に補償することが可能であり、従って、上述した本発明に係るガスセンサをさらに発展させて、機械的な妨害作用に対してますます広範囲にわたって無反応なガスセンサが、容易な手段で得られることが言及される。

【0021】

ガスセンサは、４つより多いＩＲ部分ビームを利用することが可能ではあるが、ビームスプリッタアセンブリは、入射する赤外線ビームを、好ましくはまさに４つの赤外線部分ビームに分割し、当該赤外線部分ビームは、帯域フィルタを通過した後、ＩＲセンサに衝突する。

【0022】

本発明は、目的が同じＩＲセンサの対称軸に関して当該ＩＲセンサを対称に配置することを求めているのではないが、当該配置を排除するものでもなく、目的が同じＩＲセンサの対称面に関して当該ＩＲセンサのセンサ検出面を対称に方向付けることを求めているに過ぎないことに留意することが重要である。ガスセンサへの機械的負荷の作用に関しては、機械的負荷の作用方向のみが重要であるので、上述した、目的が同じＩＲセンサに配設されたセンサ対称面に関する当該ＩＲセンサそれぞれのセンサ検出面の対称の方向付けは、一方のＩＲセンサが、目的が同じＩＲセンサに、両方のＩＲセンサに配設されたセンサ対称面を介して向かい合わなければならないという厳格な意味での対称と理解されるべきではない。ここで求められる方向付けの対称性を満たすためには、目的が同じＩＲセンサのセンサ検出面が、当該ＩＲセンサに配設された対称面に直交せずに対称に方向付けられていれば十分であり、つまり、両方の目的が同じＩＲセンサのセンサ検出面が、当該ＩＲセンサの対称面に対して平行に配置されているか、又は、対称面の異なる側に、配設された対称面に位置する共通の仮想の傾斜軸に関して同じ角度で、しかしながら異なる傾斜方向において傾斜して配置されていれば、十分である。対称に方向付けられたセンサ検出面は、それぞれ配設された対称面に位置する軸に沿って、互いに対してずらされて配置されていてよい。

【0023】

しかしながら、結果としてビームスプリッタアセンブリに到着した後の赤外線部分ビームのビーム誘導が容易になるので、好ましくは、目的が同じＩＲセンサは、そのそれぞれのセンサ検出面で、当該ＩＲセンサに配設された対称面に関して対称に方向付けられているだけではなく、当該ＩＲセンサの対称面に関して対称に配置され、好ましくは各対称面を越えて、互いに向かい合っている。

【0024】

目的が同じＩＲセンサの方向付けの対称は、少なくとも４つの赤外線部分ビームのビーム誘導が結果として容易になっているので、好ましくは鏡面対称である。従って、希望信号センサ対称面及び基準信号センサ対称面は、好ましくはそれぞれ鏡面対称面である。

【0025】

好ましくは、第１及び第２のＩＲ希望信号センサと、第１及び第２のＩＲ基準信号センサとはそれぞれ、焦電赤外線センサである。焦電赤外線センサは、一般的に、コーティングされたセンサ検出面を有しており、当該コーティングは、赤外光の入射によって加熱される。大多数の焦電赤外線センサは、圧電特性も有しており、従って、機械的負荷に関して高感度を有している。焦電赤外線センサにおける圧電効果は、一般的に、センサ検出面に直交して作用する機械的負荷成分に関してのみ生じ、センサ検出面に対して平行な機械的負荷成分に関しては生じないので、好ましい焦電赤外線センサは、本発明に係るガスセンサのＩＲセンサとして、異方的に、機械的に高感度を有している。

【0026】

好ましくは、ＩＲ希望信号センサと、ＩＲ基準信号センサとは、それぞれ同じ構造の、好ましくは同一のセンサである。従って、用いられるＩＲセンサをＩＲ希望信号センサとするのか、又は、ＩＲ基準信号センサとするのかの決定は、各ＩＲセンサと協働する帯域フィルタに依存する。各帯域フィルタの透過極大の波長は、各帯域フィルタの後方に配置されたＩＲセンサが、ＩＲ希望信号センサなのか、又は、ＩＲ基準信号センサなのかを優先的に決定する。第２及び第４の基準信号波長は、ガスセンサを用いて測定されるべき試料ガスのガス成分の吸収波長と可能な限り一致しないように選択される。従って、ＩＲ基準信号センサによって得られる信号は、望ましいことに、試料ガスの組成に概ね依存しない。

【0027】

これに対して、第１及び第２の希望信号波長からの少なくとも１つの波長は、好ましくは、ガスセンサによって検出されるべき試料ガスのガス成分の吸収波長と一致するように、又は、少なくとも、試料ガスにおける検出されるべきガス成分の割合の変更によって、ＩＲ希望信号センサの希望信号の重大な変更がもたらされる程度に、当該吸収波長に近くなるように選択される。本明細書で提示されるマルチチャネルＩＲガスセンサは、好ましくは非分散ＣＯ_２センサ又は非分散ＮＯ_ｘセンサ、特に非分散ＮＯ_２センサである。

【0028】

極めて基本的に、希望信号センサ対称面と基準信号センサ対称面とは、同一の対称面において一致し得る。この場合、当該対称面のいずれの側にもそれぞれＩＲ希望信号センサ及びＩＲ基準信号センサが位置している。この際、上述したように、目的が同じＩＲセンサが対称面を越えて直接向かい合う必要はないが、これは、結果として赤外線部分ビームのビーム誘導が容易になるので、一般的には行われるであろう。有利な空間的に小型なガスセンサは、基準信号センサ対称面が、希望信号センサ対称面とは異なる場合に得られる。これによってガスセンサを空間的に小型にできるので、各ＩＲセンサを配置するために同時に利用可能である設置空間が比較的大きい場合に、希望信号センサ対称面と基準信号センサ対称面との互いに直交する配置が特に有利である。

【0029】

上述したように、目的が同じＩＲセンサのセンサ検出面は、当該ＩＲセンサに配設された対称面に対して平行に方向付けられていてよい。しかしながら、これは、各センサ検出面への４つの赤外線部分ビームのビーム誘導を複雑にする可能性がある。従って、第１及び第２の赤外線希望信号センサが、そのそれぞれのセンサ検出面が仮想の希望信号傾斜軸の周りで互いに対して傾斜しているように配置されている場合、及び、第１及び第２の赤外線基準信号センサが、そのそれぞれのセンサ検出面が、希望信号傾斜軸とは異なる仮想の基準信号傾斜軸の周りで互いに傾斜しているように配置されている場合が、より有利である。

【0030】

上述の互いに対して傾斜した配置の場合、ＩＲセンサのセンサ検出面に直交して、最も頻繁に生じるＩＲセンサの圧電特性において、さらなる補償効果が利用され得る。すなわち、目的が同じＩＲセンサ対の対称面に直交する機械的負荷の成分は、上述したように、その量は同じか又は類似するが方向が相反する信号寄与ゆえに、目的が同じＩＲセンサのいずれにおいても、相互の減衰又は少なくとも減退によって補償され得る。対称面内の、かつ、仮想の傾斜軸に直交する機械的負荷のさらなる成分は、両方の目的が同じＩＲセンサにおいて、機械的負荷の量も方向も同じ信号寄与をもたらす。ＩＲ希望信号センサもＩＲ基準信号センサも、同じように、それぞれ希望信号傾斜軸又は基準信号傾斜軸の周りで傾斜しており、両方の異なる傾斜軸が、共通の平面又は互いに対して平行な平面に位置する場合、各対称面内の、かつ、各傾斜軸に直交する機械的負荷の信号寄与の成分は、全てのＩＲセンサに関して、同じ大きさであり、同じ方向を向いており、同時に生じる。従って、各ＩＲセンサの各信号は、機械的負荷によって変化するが、各ＩＲセンサの各信号は、同じように、同じ量で、同時に変化するので、機械的負荷のこの影響も、試料ガス内のガス成分の割合を特定するために基準信号と希望信号とを考慮する際、著しく減少するか、又は、完全に相殺され得る。

【0031】

同様に、ガスセンサの必要な設置空間を可能な限り小さくするためには、ビームスプリッタアセンブリが、リフレクタ－ビームスプリッタアセンブリであると有利であり得る。これは、少なくとも４つの赤外線部分ビームが全て、入射する赤外線ビームの、リフレクタ－ビームスプリッタアセンブリから異なる方向への反射によって形成されることを意味している。当該リフレクタ－ビームスプリッタアセンブリを用いることによって、これら４つの反射によって形成された赤外線部分ビームは、非常に容易に、上述した、各傾斜軸の周りで互いに対して傾斜したＩＲ希望信号センサ及びＩＲ基準信号センサのセンサ検出面に誘導され得る。リフレクタ－ビームスプリッタアセンブリを使用する際、全ての赤外線希望信号センサ及び全ての赤外線基準信号センサは、リフレクタ－ビームスプリッタアセンブリの１つかつ同一の面に、例えば入射する赤外線ビームがビームスプリッタアセンブリに入射するビームスプリッタアセンブリの入射面に存在し得る。従って、マルチチャネル赤外線ガスセンサの光学系及びセンサ系全体は概ね赤外線ビームが通過してビームスプリッタアセンブリに入射するところの入射開口部又は入射窓と、リフレクタ－ビームスプリッタアセンブリの支持体との間に配置されていてよい。

【0032】

ビームスプリッタアセンブリは、複数の部分アセンブリを含むことが可能であり、当該部分アセンブリのいずれも、入射する赤外線ビームを、４つよりも少ない赤外線部分ビームに分割するが、当該赤外線部分ビームは、全体として、初めに入射する赤外線ビームのために、４つの赤外線部分ビームを供給する。しかしながら、上述の好ましいリフレクタ－ビームスプリッタアセンブリは、容易に、複数の反射体を有することが可能であり、当該反射体は、それぞれ異なる方向付けを有する複数の反射面を有しており、好ましくは、望ましい各赤外線部分ビームに関して１つの反射面を有している。すなわち、反射体は、テーパ軸に沿って先細になる多面体であってよく、その側面は、入射する赤外線ビームのための反射面である。例えば、正確に４つの赤外線部分ビームが望まれる場合には、四角錐状の反射体が使用可能であり、好ましくは、結果として生じるガスセンサの対称構造ゆえに、四角錐状の反射体のテーパ軸は、それぞれ入射軸に対して平行に方向付けられている。

【0033】

全体として必要な設置空間は小さいが、比較的大きなセンサ検出面の配置のために十分な空間が必要である場合、赤外線希望信号センサと赤外線基準信号センサとを交互に、周方向において仮想の配置軸の周りに配置してもよい。

【0034】

上述の先細な多面体である反射体が使用可能である単純な構造によって、設置空間を省いた配置が可能になり、当該配置においては、第１及び第２の赤外線希望信号センサは、仮想の配置軸に関して互いに直径上で向かい合っており、又は／及び、第１及び第２の赤外線基準信号センサは、仮想の配置軸に関して互いに直径上で向かい合っている。

【0035】

仮想の配置軸が入射軸である場合、ガスセンサにとって、少なくとも４つの赤外線部分ビームのそれぞれの、入射する赤外線ビームに関する１回の方向転換で十分であり得る。これによって、情報担体としての赤外線ビームがビーム分割によって受ける影響は、非常にわずかな程度にとどまり、ガスセンサの正確な検出結果が可能になる。

【0036】

少なくとも４つのＩＲセンサの各センサ検出面に、赤外線部分ビームが略同じ強度で射し込むという意味において、ＩＲセンサ及びそのセンサ検出面に可能な限り一様に赤外線部分ビームを照射することは、希望信号センサ対称面又は／及び基準信号センサ対称面が、配置軸を含んでいるか、又は、配置軸に対して平行に延在していることによって得られる。好ましくは、当該配置軸は、希望信号センサ対称面と基準信号センサ対称面との交線である。

【0037】

好ましくは、それぞれセンサ対称面に関して対称に方向付けられた目的が同じＩＲセンサは、当該ＩＲセンサのそれぞれのセンサ検出面が、センサ対称面と４５°の角度を形成するように、当該ＩＲセンサのセンサ対称面に対して方向付けられている。従って、センサ対称面に直交する機械的負荷は、目的が同じＩＲセンサの信号の加算処理又は減算処理によって直接減衰又は著しく減少し得る。例えば、目的が同じＩＲセンサの信号は、平均値の生成によって、共通の信号情報に加工され得る。平均値として、幾何平均値又は算術平均値が生成され得る。センサ対称面が配置軸を含む場合、これは、センサ対称面に関して対称に方向付けられた目的が同じＩＲセンサにとって、配置軸に直交する各機械的負荷に関して有効である。従って、好ましくは、希望信号センサ対称面も、基準信号センサ対称面も、配置軸を含んでいる。

【0038】

両方の目的が同じＩＲセンサが、目的が同じＩＲセンサ対のそれぞれの傾斜軸に直交する成分を有する機械的負荷によって、同じように負荷を加えられるようにするために、希望信号傾斜軸又は基準信号傾斜軸は、配置軸に対して直交するように延在し得る。好ましくは、希望信号傾斜軸も基準信号傾斜軸も、配置軸に直交するように延在しており、これによって、配置軸に対して平行に延在する機械的負荷の成分は、４つのＩＲセンサ全てに対して、同時に、同量かつ同じ方向において作用する。従って、両方のＩＲ基準信号センサによって供給される基準信号が、同じように、かつ、同時に、配置軸に沿って延在する機械的負荷の成分によって、両方のＩＲ希望信号センサによって供給される希望信号のように変化することが保証され得る。

【0039】

目的が同じＩＲセンサ対の、傾斜軸に対して平行、又は、配置軸に対して直交し、かつ、配設された対称面に対して平行な機械的負荷成分は、一般的に、ＩＲセンサ対によって供給される信号には作用を及ぼさない。従って、ガスセンサは略完全に、つまりガスセンサに作用する機械的負荷の作用方向とは無関係に、機械的負荷に対して無反応にされ得る。

【0040】

入射する赤外線ビーム又は当該赤外線ビームから生じる赤外線部分ビームの方向転換の数を可能な限り少なくするためには、各赤外線希望信号センサのセンサ検出面と、各赤外線基準信号センサのセンサ検出面とが、ビームスプリッタアセンブリに対して傾斜していると有利である。

【0041】

基本的には、基準信号波長のいずれもが、どの希望信号波長よりも大きく、又は、どの希望信号波長よりも小さいことが考えられ得る。基本的には、両方の基準信号波長は同一であってもよい。しかしながら、基準信号の特に高い質は、両方の基準信号波長が異なる値を有している場合に得られる。なぜなら、一時的に存在する予期せぬ試料ガスのガス成分による偶発的な妨害は、両方のＩＲ基準信号センサの内の一方にのみ作用するからである。可能な限り安定した基準信号を供給するために、第１又は第２の希望信号波長の値は、第１の基準信号波長と第２の基準信号波長との間にある。特に好ましくは、両方の希望信号波長は、第１の基準信号波長と第２の基準信号波長との間にある。

【0042】

希望信号波長は、ガスセンサによって検出可能である試料ガス内のガス成分を明確にする。基本的には、希望信号波長が同じガス成分を検出すべきであるにもかかわらず、希望信号波長の値が異なることが考えられ得る。ＩＲ希望信号センサが、当該ＩＲ希望信号センサに射し込む赤外線部分ビームを、当該赤外線部分ビームによって伝達される吸収情報に関して最適に評価できることを保証するためには、第１及び第２の希望信号波長の値が、第１及び第３の帯域幅の内、値の小さい方の帯域幅の３分の１以上は異ならないようにすることが有利である。好ましくは、第１及び第２の希望信号波長の値は同じである。本明細書に記載のガスセンサの好ましい使用事例は、装置による患者の人工呼吸の間の、吸気呼吸ガス又は／及び呼気呼吸ガス内におけるＣＯ_２の検出である。ＣＯ_２を検出するために、第１及び第２の希望信号波長は、好ましくは４．２５μｍから４．２８μｍまでの間の範囲にある。第１の基準信号波長は、３．９０μｍから４．０μｍまでの範囲にあり、特に好ましくは３．９５μｍであり、第２の基準信号波長は、４．４０μｍから４．５μｍまでの範囲にあり、特に好ましくは４．４５μｍであり得る。

【0043】

ＩＲ基準信号センサの信号が可能な限り一定であり続けるべきである一方で、ＩＲ希望信号センサの信号が、希望信号波長によって特定されるガス成分の割合の変化に、高感度に反応するようにするためには、第２及び第４の帯域幅の内のいずれの帯域幅の値も、第１及び第３の帯域幅の内のいずれの帯域幅の値よりも小さいと有利である。例えば、第２及び第４の帯域フィルタは、それぞれ２桁のナノメートル領域における帯域幅を有し、第１及び第３の帯域フィルタは、それぞれ３桁のナノメートル領域における帯域幅を有し得る。第２の帯域フィルタ及び第４の帯域フィルタの内、第１の帯域フィルタ及び第３の帯域フィルタの場合と同じように、小さい方の透過極大波長を有する帯域フィルタが、より大きな帯域幅を有し得る。第２及び第４の帯域フィルタの帯域幅は、好ましくは５０ｎｍから９９ｎｍまでの範囲、特に６０ｎｍから９０ｎｍまでの範囲にある。第１及び第３の帯域フィルタの帯域幅は、好ましくは、１５０ｎｍから２００ｎｍまでの範囲、特に１７０ｎｍから１８０ｎｍまでの範囲にある。

【0044】

上述したガスセンサは、ＩＲ希望信号センサ及びＩＲ基準信号センサの有利な方向付け及び配置に基づいて、ガスセンサを機械的な外部負荷に対して無反応であるように構成するための基本的な可能性を提供する。ガスセンサにおいて用いられる信号の実際の信号補正は、ガスセンサが評価装置を含むことによって得られ、当該評価装置は、第１及び第２の赤外線基準信号センサの信号から、基準情報を決定し、第１及び第２の赤外線希望信号センサの信号から、希望情報を決定し、基準情報と希望情報との比較から、第１又は／及び第２の希望信号波長によって識別されたガスの、ガスセンサに入射する赤外線ビームが照射された試料ガスに占める割合に関する情報を出力する。当該評価装置は、ガスセンサのセンサハウジング内に組み込まれた回路又はマイクロチップによって実現されていてよい。しかしながら、評価装置は、ガスセンサのセンサハウジングの外側に配置され、ガスセンサのＩＲセンサと、信号を伝達するように回線で接続された外部の評価装置であってもよい。

【0045】

まさに人工呼吸の際、呼吸ガスが貫流する導管部材は、換気動作の間に汚染される。これは特に、患者の体液が到達する呼気側の導管に関して当てはまる。従って、同じく湿気、唾液等によって汚染され得る測定キュベットの頻繁な交換も有利である。高価な測定技術を備えたガスセンサを、交換可能な測定キュベットと共に使用可能にするために、ガスセンサは、ビームスプリッタアセンブリ、赤外線希望信号センサ及び赤外線基準信号センサが配置された第１の区画と、赤外線ビーム源が配置され、第１の区画とは空間的に離れた第２の区画とを備えたセンサハウジングを有することが可能であり、第１の区画と第２の区画との間には、測定キュベットを受容するための受容構造が配置されている。当該受容構造は、両方の区画の間に受容間隙を含むことが可能であり、当該受容間隙内には、第２の区画から第１の区画に透過可能な測定キュベットの部分が受容可能である。

【0046】

本明細書に記載したガスセンサは、特に有利に使用可能であるので、本発明はさらに、生きている患者に少なくとも補助的に人工呼吸を行うための人工呼吸器に関しており、当該人工呼吸器は、
－呼吸ガス源と、
－吸気呼吸ガスを、呼吸ガス源から、患者側の近位呼吸ガス排気口に誘導するため、及び、呼気呼吸ガスを、近位の呼吸ガス吸入口から離れるように誘導するための呼吸回路アセンブリと、
－呼吸回路アセンブリ内で呼吸ガスの圧力を変更するための圧力変更装置と、
－呼吸ガス源又は／及び圧力変更装置を動作させるための制御装置と、
－上述したような、吸気呼吸ガス又は／及び呼気呼吸ガスにおける少なくとも１つのガス成分を検出するためにさらに改良されたマルチチャネル赤外線ガスセンサと、
を含んでいる。

【0047】

この際、呼吸ガス源は、ガスボンベ等の呼吸ガス容器であるか、又は、呼吸ガス源は、回路網において呼吸ガスを供給する、病院設備と流体力学的に連結するための連結構造であってよい。呼吸ガス源は、送風機であってもよく、当該送風機は、呼吸ガス容器から呼吸ガスを取り出し、呼吸回路アセンブリ内で輸送する。この場合、呼吸ガス容器は、人工呼吸器の周囲であってよく、呼吸ガス源は呼吸ガス容器から周囲空気を取り出す。

【0048】

圧力変更装置は、例えば呼吸ガス源からの膨張した呼吸ガスの圧力を低下させるために、弁を含み得る。圧力変更装置は、上述の送風機であるか、又は、当該送風機を含み得る。つまり、呼吸ガス源の構成に応じて、呼吸ガス源と圧力変更装置とは、２つの装置の一致する装置要素によって、又は、１つかつ同一の装置によって形成されていてよい。測定キュベットは、呼吸ガスを誘導することが可能であり、呼吸ガスは、少なくとも１つのガス成分の存在とその試料ガスに占める割合とを検出するために、ガスセンサによって赤外線が照射されるか、又は、赤外線が透過する。測定キュベットは、分流測定キュベットであってよく、分流測定キュベット内には、呼吸回路アセンブリから分岐した呼吸ガスが流れている。

【0049】

有利には、呼吸回路アセンブリは、呼吸ガスが貫流可能な測定キュベットを含んでおり、当該測定キュベットは、呼吸回路アセンブリの分岐の無い部分を形成し、呼吸ガスの赤外線透過のために、マルチチャネル赤外線ガスセンサと連結可能である。この場合、測定キュベットは主流測定キュベットであり、主流測定キュベットは直接、患者に供給される吸気呼吸ガス、又は／及び、患者から離れるように誘導される呼気呼吸ガスを誘導する。有利には、測定キュベットは、呼吸回路アセンブリ内に、解除可能かつ交換可能に配置されており、これによって、対応する汚染に際して、機能している新しい測定キュベットと容易、迅速かつ衛生的に交換可能である。

【0050】

ガスセンサの上述の評価装置は、人工呼吸器の制御装置の一部であってよい。

【0051】

有利には、制御装置は、例えば呼吸ガス源が送風機である場合、呼吸ガス源の、又は／及び、圧力変更装置の１つ又は複数の動作パラメータを、マルチチャネル赤外線ガスセンサの検出結果に基づいて変更するように構成されている。

【0052】

呼吸ガス排気口及び呼吸ガス吸入口は、例えば気管内チューブの近位端における１つかつ同一の開口部であってよい。しかしまた、２つの異なる開口部であってもよい。人工呼吸器は、上述の気管内チューブ又は喉頭マスク又はその他の人工呼吸に適したインターフェース等の、任意の患者インターフェースを有し得る。

【0053】

以下において、添付の図面を用いて、本発明を詳細に説明する。示されているのは以下の図である。

【図面の簡単な説明】

【0054】

【図1】本発明に係る人工呼吸器を概略的に示した分解組立図である。

【図2】図１に係る測定キュベットの横断面を概略的に示し、測定キュベットに受容された図１の本発明に係るマルチチャネル赤外線ガスセンサを縦断面で示した図である。

【図3】ビームスプリッタアセンブリ、４つの赤外線センサ、及び、赤外線センサによって部分的に覆われた図２に係る４つの帯域フィルタを、図２の切断面ＩＩＩ－ＩＩＩを始点とする入射軸に沿って見た場合の上面図である。

【図4】マルチチャネル赤外線ガスセンサにおける赤外線センサの配置の補償作用を説明する概略的な図である。

【図5】ＣＯ_２の吸収、非吸収及び再吸収位相の間におけるＩＲ希望信号センサの異なる信号レベル（上側）と、同じ位相の間におけるＩＲ基準信号センサの信号レベルとを示す例示的なグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0055】

図１には、本発明に係る人工呼吸器の実施形態が、全体として参照符号１０で示されている。人工呼吸器１０は、送風機の形の呼吸ガス源１２と、呼吸ガス源１２の動作パラメータを設定するための制御装置１４と、を含んでいる。呼吸ガス源１２及び制御装置１４は、同じハウジング１６に受容されている。当該ハウジング内には、吸気弁及び呼気弁等の既知の弁も存在している。しかしながら、これらの弁は、図１には特に示されていない。

【0056】

人工呼吸器１０の制御装置１４は、必要な場合にはデータを制御装置１４に入力するために、押しボタン及びロータリースイッチ等の多くのスイッチを含む入力／出力装置１８を有している。呼吸ガス源１２の送風機は、制御装置によって、その輸送能力を変更され、これによって、呼吸ガス源から時間単位当たりに輸送される呼吸ガスの量が変更される。従って、本実施例において呼吸ガス源１２は、人工呼吸器の圧力変更装置１３でもある。

【0057】

呼吸ガス源１２には、呼吸回路アセンブリ２０が接続されており、呼吸回路アセンブリ２０は、当該例では、５つの柔軟なホースを含んでいる。第１の吸気呼吸ホース２２は、呼吸ガス源１２と第１の吸気呼吸ホース２２との間に配置されたフィルタ２４から、調節装置２６に向かって延在しており、調節装置２６では、呼吸ガス源１２から供給された呼吸ガスが、所定の湿度にまで加湿され、必要に応じてエアロゾル薬剤が加えられる。フィルタ２４は、呼吸ガス源１２としての送風機によって供給された周囲空気をろ過し、浄化する。

【0058】

第２の吸気呼吸ホース２８は、調節装置２６から吸気カスケード３０に至っている。第３の吸気呼吸ホース３２は、カスケード３０からＹコネクタ３４に至り、Ｙコネクタ３４は、遠位吸気導管３６及び遠位呼気導管３８を、組み合わされた近位吸気－呼気換気導管４０に接続する。

【0059】

Ｙコネクタからハウジング１６に戻るべく、第１の呼気呼吸ホース４２は、呼気カスケード４４に向かって延在し、呼気カスケード４４から、第２の呼気呼吸ホース４６はハウジング１６に向かって延在し、ハウジング１６において、呼気呼吸ガスは、図示されていない呼気弁を通じて、周囲に放出される。

【0060】

Ｙコネクタ３４の、患者に近い組み合わされた吸気－呼気側では、Ｙコネクタ３４に流量センサ４８が直接続いており、本図の場合、患者に向かう、及び、患者から離れる呼吸ガスの吸気フロー及び呼気フローを検出する差圧流量センサ４８が続いている。回線アセンブリ５０は、流量センサ４８における流れの妨害の両側に存在するガス圧力を、制御装置１４に伝達し、制御装置１４は、伝達されたガス圧力から、特にガス圧力の差から、時間単位当たりに流れる吸気呼吸ガス及び呼気呼吸ガスの量を算出する。

【0061】

Ｙコネクタ３４から離れる方向において、患者に向かって、流量センサ４８には、呼吸ガスにおける所定のガス成分の割合の非分散的な赤外線検出のための測定キュベット５２が続いている。このガス成分の割合は、当該例の場合、呼吸ガスにおけるＣＯ_２の割合である。この際、吸気呼吸ガスにおけるＣＯ_２の割合も、呼気呼吸ガスにおけるＣＯ_２の割合も、重要である。なぜなら、吸気と呼気との間におけるＣＯ_２の割合の変化は、患者の肺の代謝機能に関する基準であるからである。図１から認識されるのは、側面の窓５３の内の１つであり、当該窓を通って、測定キュベットに解除可能に連結されたマルチチャネル赤外線ガスセンサ５４の方向付けに応じて、赤外光が測定キュベット５２に入射可能であるか、又は、測定キュベット５２から放射可能である。

【0062】

赤外線ガスセンサ５４は、赤外線ガスセンサ５４が測定キュベット５２を赤外線で照射できるように、測定キュベット５２に連結可能である。赤外光の強度、より正確にはそのスペクトル強度から、既知の方法で、測定キュベット５２を貫流する試料ガスにおける所定のガスの量又は割合が推測され得る。ここではＣＯ_２である所定のガスは、特定の波長の赤外光を吸収する。当該波長における赤外光の強度は、通過後、概ね所定のガスによる当該波長の赤外光の吸収に依存する。特定の波長の赤外光の強度を、赤外光の試料ガスにおける予想されるガスの割合の吸収スペクトルに属さない波長と比較することで、試料ガスにおける所定のガスの割合に関する情報が供給される。従って、ＩＲガスセンサ５４は、データ回線５６を通じて、人工呼吸器１０の制御装置１４に接続されており、データ回線５６を通じて、上述の強度情報を制御装置１４に伝達する。

【0063】

患者に向かう方向において、測定キュベット５２には、さらなるホース片５８が続いており、ホース片５８には、気管内チューブ６０が、患者への換気インターフェースとして配置されている。気管内チューブ６０の近位開口部６２は、吸気呼吸ガスが気管内チューブ６０を通って患者に導入される際に通過する呼吸ガス排気口でもあり、呼気呼吸ガスが患者から気管内チューブ６０に戻るように誘導される際に通過する呼吸ガス吸入口でもある。

【0064】

図２には、測定キュベット５２が横断面において概略的に示されており、当該測定キュベット内に連結されたマルチチャネルＩＲセンサ５４が縦断面において概略的に示されている。図２における測定キュベット５２は、図２の投影面に直交して、呼吸ガスによって貫流される。ガスセンサ５４の赤外線ビーム６４は、図２の投影面に対して平行に、又は、当該投影面内に延在する。

【0065】

ガスセンサ５４は、第１の区画６８に、以下において詳細に言及するセンサ系７０が配置されているセンサハウジング６６を含んでいると共に、赤外線ビーム源７４が配置されている第２の区画７２を含んでいる。単純に例として、第２の区画７２には、センサ制御装置７６が搭載されており、センサ制御装置７６は、回線７５及び７７を通じて、赤外線ビーム源７４及びセンサ系７０に、信号を伝達するように接続されていると共に、データ回線５６を通じて、信号を伝達するように制御装置１４に接続されている。当該例では、人工呼吸器１０の制御装置１４は、ＩＲガスセンサ５４の上位の制御装置として機能可能であり、センサ制御装置７６の検出値を要求することが可能であり、これにしたがって、センサ制御装置７６は、赤外線ビーム源７４を対応して動作させ、センサ系７０によって検出された検出信号を、制御装置１４に、制御装置１４による評価のために伝達する。従って、制御装置１４は、ＩＲガスセンサ５４の評価装置である。

【0066】

両方の区画６８及び７２は、ハウジングブリッジ６７によって連結されている。ハウジングブリッジ６７と、ハウジングブリッジ６７に接続された両方の区画６８及び７２の側壁６８ａ及び７２ａは、クランプ受容構造７９を形成しており、クランプ受容構造７９内に、測定キュベット５２が挿入され、解除可能にクランプによって固定され得る。クランプ力を単に手で克服することによって、測定キュベット５２とガスセンサ５４のハウジング６６とを、再び互いから分離することが可能である。付加的又は代替的に、ガスセンサ及び測定キュベット５２を固定するための固定手段を、互いに接して設けてもよい。

【0067】

区画６８及び７２のそれぞれは、赤外線を通過させる窓７８を１つずつ有しており、窓７８は、赤外線ビーム源７４から放射された赤外線ビーム６４によって照射される。赤外線ビーム６４は、測定キュベット５２を完全に横断しなければならないので、測定キュベット５２は、測定キュベット５２によって決定される流れの通過経路の両側においてそれぞれ窓５３を有しており、窓５３は、赤外光を透過させ、赤外線ビーム６４によって同様に横断される。測定キュベット５２は、ＩＲガスセンサ５４に受容された部分において、好ましくは、赤外線ビーム６４に直交する鏡面対称面に関して鏡面対称に設計されている。なぜなら、赤外線ビーム６４による測定キュベット５２の照射方向は重要ではないからである。従って、ＩＲガスセンサ５４は、図２の描写とは異なり、図２の投影面及び赤外線ビーム６４に対して直交する軸の周りに１８０°回転して、測定キュベット５２に連結されていてよい。

【0068】

センサ系７０は、専用のセンサ系ハウジング８０を有している。センサ系ハウジング８０は、窓８２を含んでおり、窓８２を通って、赤外線ビーム６４は、入射軸Ｅに沿って、センサ系ハウジング８０に入射し得る。

【0069】

窓８２を通過した後、入射する赤外線ビーム６４は、ビームスプリッタアセンブリ８４に衝突し、ビームスプリッタアセンブリ８４は、図示されていない多数の四角錐状の反射体を有しており、赤外線ビーム６４のビームスプリッタアセンブリ８４に入射する分を、入射軸Ｅに関して同じ値の角度で、４つの赤外線部分ビームに分割する。これら４つの赤外線部分ビームの内、２つずつの赤外線部分ビームが、相反する部分ビーム延在成分を有して、同一の部分ビーム面に位置しており、両方の部分ビーム面は、互いに対して直交しており、図示された例では、入射軸Ｅを共通の交差軸として含んでいる。

【0070】

図２の投影面に対して平行に、第２の赤外線部分ビーム８６と第４の赤外線部分ビーム８８とが延在している。当該赤外線部分ビームは、図２に示されている。第２の赤外線部分ビーム８６及び第４の赤外線部分ビーム８８は、入射軸Ｅと、それぞれ約４５°の角度を形成している。

【0071】

第１の赤外線部分ビーム８５は、同様に、図２の観察者から離れて、第１の帯域フィルタ９０及び第１の帯域フィルタ９０の後方に位置する第１の赤外線希望信号センサ９２に向かって、入射軸Ｅに対して約４５°の角度で延在している。つまり、第１の赤外線部分ビーム８５は、第１の帯域フィルタ９０を通過した後で初めて、第１の赤外線希望信号センサ９２に到達する。第３の赤外線部分ビーム８７は、図２には示されていない。なぜなら、第３の赤外線部分ビーム８７は、図２の投影面の完全に手前に位置しているからである。第３の赤外線部分ビーム８７は、図３に示されている。

【0072】

第２の帯域フィルタ９４は、第２の赤外線部分ビーム８６のビーム経路において、第１の赤外線基準信号センサ９６の手前に存在している。

【0073】

図２の投影面の手前に位置しているゆえに図２に示されていない第３の帯域フィルタ９８は、第３の赤外線部分ビーム８７のビーム経路において、第２の赤外線希望信号センサ１００の手前に存在している（図３を参照）。

【0074】

最後に、第４の帯域フィルタ１０２は、第４の赤外線部分ビーム８８のビーム経路において、第２の赤外線基準信号センサ１０４の手前に存在している。

【0075】

図３において、矢印の先端は、第１から第４の赤外線部分ビーム８５、８６、８７及び８８又はそのビーム経路の、対になって異なる延在方向８５ｖ、８６ｖ、８７ｖ及び８８ｖを示している。

【0076】

第１の帯域フィルタ９０及び第３の帯域フィルタ９８は、ＣＯ_２の吸収波長の範囲において、例えば、４．２５μｍから４．２８μｍの範囲において、透過極大を有している。第１の帯域フィルタ９０及び第３の帯域フィルタ９８の帯域幅は、１７０ｎｍから１８０ｎｍの範囲にある。

【0077】

第２の帯域フィルタ９４及び第４の帯域フィルタ１０２は、ＣＯ_２の吸収波長の外側の範囲において、例えば、３．９０μｍから４．０μｍの範囲、又は／及び、４．４０μｍから４．５μｍの範囲において、透過極大を有している。第２の帯域フィルタ９４及び第４の帯域フィルタ１０２の帯域幅は、６０ｎｍから９０ｎｍの範囲にある。

【0078】

好ましくは、ＩＲセンサ９２、９６、１００及び１０４の構造は同じである。当該ＩＲセンサは、そのそれぞれのセンサ検出面９２ａ、９６ａ及び１０４ａに直交して、圧電性の高感度を有する焦電ＩＲセンサである。これは、センサ検出面１００ａが図３にのみ示されている第２のＩＲ希望信号センサ９８にも当てはまる。ＩＲセンサ９２、９６、１００及び１０４のセンサ検出面９２ａ、９６ａ、１００ａ及び１０４ａは、平らである。

【0079】

第１のＩＲ基準信号センサ９６及び第２のＩＲ基準信号センサ１０４のセンサ検出面９６ａ及び１０４ａは、図２の投影面に対して直交する傾斜軸Ｎの周りで、互いに対して９０°傾斜している。従って、センサ検出面９６ａ及び１０４ａは、互いにも、ビームスプリッタアセンブリ８４にも向かっている。第１のＩＲ基準信号センサ９６及び第２のＩＲ基準信号センサ１０４は、図２の投影面に直交し、かつ、入射軸Ｅ及び傾斜軸Ｎを含む基準信号センサ対称面Ｖに関して、鏡面対称に方向付けられている。同じことは、第１のＩＲ希望信号センサ９２及び第２のＩＲ希望信号センサ９８に当てはまるが、その希望信号センサ対称面Ｗは、図２の投影面に対して平行である。しかしながら、同様に、希望センサ対称面Ｗは、入射軸Ｅを含んでいる。第１のＩＲ希望信号センサのセンサ検出面９２ａと第２のＩＲ希望信号センサ１００のセンサ検出面１００ａとは、傾斜軸Ｍの周りで、互いに対して約９０°傾斜しているが、当該傾斜軸Ｍは、傾斜軸Ｎと共に、入射軸Ｅに直交する共通の平面内に位置しており、傾斜軸Ｎと直角を形成している。

【0080】

逆に表現すると、図３から認識されるように、当該実施例において、傾斜軸Ｎと入射軸Ｅとは、対称面Ｖを形成しており、傾斜軸Ｍと入射軸Ｅとは、対称面Ｗを形成している。

【0081】

対称面Ｖに関して対称に方向付けられたＩＲ基準信号センサ９６及び１０４と、同様に、その配設された帯域フィルタ９４又は１０２は、対称面Ｗに関して鏡面対称に設計されている。同じく、対称面Ｗに関して対称に方向付けられたＩＲ希望信号センサ９２及び１００が、その配設された帯域フィルタ９０又は９８のように、対称面Ｖに対して鏡面対称に配置されていることが有効である。

【0082】

図３が示すように、ＩＲセンサ９２、９６、１００及び１０４は、入射軸Ｅと一致する配置軸Ａの周りで、交互に同じ９０°の角距離で配置されている。ＩＲ希望信号センサには、配置軸Ａの周りの周方向において、つねにＩＲ基準信号センサが続いており、逆も同様である。図２では視認できないセンサ検出面１００ａは、図３に示されている。

【0083】

ビームスプリッタアセンブリ８４内の小さい正方形は、行及び列に配置された四角錐状の反射体８４ａを象徴しており、その四角錐軸は、互いに対して、かつ、入射軸Ｅに対して平行である。

【0084】

図４では、機械的負荷がどのようにセンサ系７０に作用するのかが説明されている。図３及び図４の投影面に対して平行に、従って対称面Ｗに対して平行に、かつ、入射軸Ｅに対して直交して、従って配置軸Ａに対して直交して作用する機械的な衝突負荷Ｌを仮定する。この機械的な衝突負荷Ｌは、図２に示され、図４で再び示されたＩＲセンサ９２、９６及び１０４において示されている。図２及び図４に示されていないＩＲ希望信号センサ１００に関しては、ＩＲ希望信号センサ９２及び１００の対称な方向付けに基づいて、ＩＲ希望信号センサ９２に関する記載が対応して当てはまる。

【0085】

焦電ＩＲセンサ９２、９６、１００及び１０４は、そのセンサ検出面９２ａ、９６ａ、１００ａ及び１０４ａに直交して、圧電性の高感度を有している。すなわち、センサ検出面に直交する成分を有する機械的負荷は、関係するＩＲセンサにおいて、電気信号を誘発し、当該電気信号の極性は、センサ検出面に直交する機械的負荷の作用方向に依存している。

【0086】

ＩＲ希望信号センサ９２及び１００は、そのセンサ検出面９２ａ及び１００ａで、機械的な衝撃負荷Ｌに対して平行に方向付けられているので、機械的な衝撃負荷Ｌは、そのセンサ検出面９２ａ及び１００ａに対して直交する成分は有していない。従って、機械的な衝撃負荷Ｌは、ＩＲ希望信号センサ９２及び１００のＩＲ検出信号を妨害しない。

【0087】

ＩＲ基準信号センサ９６及び１０４では、機械的な衝撃負荷Ｌは、互いに直交する成分Ｌ１及びＬ２に分解され、当該成分の内、成分Ｌ１は、第１のＩＲ基準信号センサ９６のセンサ検出面９６ａに直交するように方向付けられており、成分Ｌ２は、第２のＩＲ基準信号センサ１０４のセンサ検出面１０４ａに直交するように方向付けられている。配置軸Ａ又は入射軸Ｅに対するセンサ検出面９６ａ及び１０４ａの、値は同じであるが方向が相反する角度方向ゆえに、互いに対して直交する成分Ｌ１及びＬ２の値は同じ大きさであるが、成分Ｌ１は、センサ検出面９６ａに関して、成分Ｌ２及びそのセンサ検出面１０４ａに対する方向付けと比較して、反対を向いている。従って、機械的な衝撃負荷Ｌは、ＩＲ基準信号センサ９６及び１０４のいずれにおいても、実際の赤外線によって誘発される検出信号を妨害し、当該検出信号に、機械的な衝撃負荷Ｌによって誘発される妨害信号を重ねる。しかしながら、両方のＩＲ基準信号センサ９６及び１０４の妨害信号は、同時であり、かつ、相反する方向を向いているので、当該妨害信号は、対応する信号処理によって、例えばＩＲ基準信号センサ９６及び１０４の検出信号の信号加算によって、減衰し得る。基準信号センサ９６及び１０４の信号は、希望信号センサ９２及び１００の信号と同様に、妨害を有さない。

【0088】

基準信号センサ対称面Ｖと希望信号センサ対称面Ｗとが、配置軸Ａにおいて交差し、従って、両方の面Ｖ及びＷが配置軸Ａを含むので、配置軸Ａに直交する機械的負荷それぞれに関しては、その目的が同じ一方でのＩＲセンサ９２及び１００、他方でのＩＲセンサ９６及び１０４における信号への作用が、目的が同じセンサの対応する信号処理によって減衰するか、又は、極めて著しく削減され得ることが当てはまる。

【0089】

配置軸Ａに沿って延在する機械的負荷又は負荷成分は、目的が同じＩＲセンサの内部では、減衰できないか、又は、著しく削減され得ない。しかしながら、全てのＩＲセンサ９２、９６、１００及び１０４が、配置軸Ａに関して、同じ値の角度で方向付けられている実施形態の配置では、全てのＩＲセンサに負荷が同じ妨害作用をもたらすので、機械的負荷が、ガスセンサ５４の信号から得られる、試料ガス中のＣＯ_２の割合に関する検出結果の正確性に与える影響は、著しく削減され得る。なぜなら、配置軸Ａに沿って作用する機械的負荷は、ＩＲ希望信号センサ９２及び１００の信号から得られる希望信号と、ＩＲ基準信号センサ９６及び１０４の信号から得られる基準信号とに、概ね同時に、同じ値で、同じ方向で影響を与えるからである。赤外光の吸収の算出に関して実際に重要である、一方でのＩＲ希望信号センサ９２及び１００の信号レベルと、他方でのＩＲ基準信号センサ９６及び１０４の信号レベルとの差は、変化しないか、又は、無視できる規模でのみ変化する。

【0090】

各機械的負荷は、配置軸Ａに対して平行な成分と、配置軸Ａに対して直交する成分とに分割され得るので、本発明に係るセンサ系７０は、センサ系７０に作用する機械的負荷による妨害作用をさらに除去することを可能とする。

【0091】

図５では、時間軸としてのｘ座標に沿って、ＩＲセンサ９２、９６、１００及び１０４の信号が描画されている。図５のｙ座標は、各信号のレベルを表している。

【0092】

信号１１２は第１のＩＲ希望信号センサ９２から出力され、信号１１６は第１のＩＲ基準信号センサ９６から出力され、信号１２０は第２のＩＲ希望信号センサ１００から出力され、信号１２４は第２のＩＲ基準信号センサ１０４から出力されている。

【0093】

信号１１２及び１２０から、希望信号１３２が、例えば平均値の生成によって得られる。信号１１６及び１２４からは、基準信号１３６が、例えば同じく平均値の生成によって得られる。

【0094】

各信号レベルの周期的な振幅から認識できるように、ＩＲ基準信号センサ９６及び１０４の両方の信号１１６及び１２４が、それぞれ機械的負荷によって妨害されているのにもかかわらず、当該信号から生じる基準信号１３６は、機械的負荷の影響をほとんど受けていない。同じことは、これと比較して、ＩＲ希望信号センサ９２及び１００の信号１１２及び１２０と、当該信号から生じる希望信号１３２とにも当てはまる。

【0095】

図５では、ＩＲ希望信号センサ９２及び１００から出力された信号１１２及び１２０と、当該信号から生成された希望信号１３２とが、まず低いレベルを有しており、当該レベルは、測定キュベット５２内の試料ガスに含まれるＣＯ_２による赤外線ビーム６４の赤外光の吸収に起因する。この低いレベルに、より高いレベルの信号が続いており、当該レベルにおいては、測定キュベット５２の試料ガスに存在するＣＯ_２は比較的少なく、従って、帯域フィルタ９０及び９８の波長領域に吸収される赤外光は比較的少ない。このより高いレベルの位相に、信号１１２及び１２０と従って希望信号１３２とのより低いレベルを有する位相が再び続いている。図５の信号は、現実の呼吸状況によるものではなく、実験室内での実験計画から得られたものである。

【0096】

振幅する信号１１２、１１６、１２０及び１２４それぞれをもたらすＩＲセンサ９２、９６、１００及び１０４の機械的負荷は、同様に、振動台によって誘発される。当該機械的負荷は、ガスセンサ５４の現実の医療での使用における確率的－偶発的な機械的負荷には一致しない。

【符号の説明】

【0097】

１０ 人工呼吸器
１２ 呼吸ガス源
１３ 圧力変更装置
１４ 制御装置
１６ ハウジング
１８ 入力／出力装置
２０ 呼吸回路アセンブリ
２２ 第１の吸気呼吸ホース
２４ フィルタ
２６ 調節装置
２８ 第２の吸気呼吸ホース
３０ 吸気カスケード
３２ 第３の吸気呼吸ホース
３４ Ｙコネクタ
３６ 遠位吸気導管
３８ 遠位呼気導管
４０ 近位吸気－呼気換気導管
４２ 第１の呼気呼吸ホース
４４ 呼気カスケード
４６ 第２の呼気呼吸ホース
４８ 流量センサ
５０ 回線アセンブリ
５２ 測定キュベット
５３ 窓
５４ マルチチャネル赤外線ガスセンサ
５６ データ回線
５８ ホース片
６０ 気管内チューブ
６２ 近位開口部
６４ 赤外線ビーム
６６ センサハウジング
６７ ハウジングブリッジ
６８ 第１の区画
６８ａ、７２ａ 側壁
７０ センサ系
７２ 第２の区画
７４ 赤外線ビーム源
７５、７７ 回線
７６ センサ制御装置
７８ 窓
７９ クランプ受容構造
８０ センサ系ハウジング
８２ 窓
８４ ビームスプリッタアセンブリ
８４ａ 反射体
８５ 第１の赤外線部分ビーム
８６ 第２の赤外線部分ビーム
８７ 第３の赤外線部分ビーム
８８ 第４の赤外線部分ビーム
８５ｖ、８６ｖ、８７ｖ、８８ｖ 第１～第４のビーム経路の延在方向
９０ 第１の帯域フィルタ
９２ 第１の赤外線希望信号センサ
９４ 第２の帯域フィルタ
９６ 第１の赤外線基準信号センサ
９８ 第３の帯域フィルタ
１００ 第２の赤外線希望信号センサ
１０２ 第４の帯域フィルタ
１０４ 第２の赤外線基準信号センサ
９２ａ、９６ａ、１００ａ、１０４ａ ＩＲセンサのセンサ検出面
１１２、１１６、１２０、１２４ 信号
１３２ 希望信号
１３６ 基準信号
Ａ 配置軸
Ｅ 入射軸
Ｌ 機械的な衝突負荷
Ｌ１、Ｌ２ 成分
Ｍ 傾斜軸
Ｎ 傾斜軸
Ｖ 基準信号センサ対称面
Ｗ 希望信号センサ対称面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】