專利名稱：用于高精度袖珍肺活量測量法及其它用途的低熱容量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及呼吸量測量領域，特別涉及呼吸速度記錄器的恒溫控制。此外本發明可以方便地用于微量量熱學，及管道中流體的流速測量。
監測肺功能的通常辦法是對呼吸行為進行取樣分析。鑒于活著的人類都在呼吸著，于是易于觀察到我們的呼吸并不都是一樣的，并且肺功能也會根據許多可變因素發生改變。這一點在特殊環境下，或對某些揮發物和懸浮物的特殊反應，或者正處在呼吸病癥進程中尤其正確。
肺活量是可從呼吸中得到的最重要的測量信息之一。肺活量的變化使得能夠估計并預知肺功能的概略情況，從而重要的是使之能夠得到正確即時的治療。
由于肺活量約為幾升，直接測量它是不切實際的。相反，例如可通過氣體通過給定阻力的壓降來測量流量，隨后對流量進行積分以得到肺活量讀數值。只要流量測量裝置是線性的，并且精確度高就可可靠地進行這種測量。測量流量而不是測量肺活量使得能夠減小肺活量測量裝置的尺寸及重量。但是，測量流量又會帶來許多技術問題，主要涉及恒溫調整問題，對此我們將在下文進行分析。
進行肺活量測量最精確的方法之一仍然是Fleisch于1925年提出的層流測量法。為此，Fleisch使用了一種蜂窩結構。蜂窩結構最通用的形式包括一個由兩個薄金屬片重疊并繞微細軸卷成的柱體，其中一個金屬片呈波紋狀，另一個金屬片是平坦的。
金屬片由黃銅制成，所繞成的柱體尺寸可為直徑=42毫米，高=32毫米(Fleisch4號)。壓降是在繞柱體外環距離20毫米處測量的。
蜂窩結構是能夠在一個管道中保持層流，使得壓降和流速值線性相關的多種可能的物理過濾器中的一種，Fleisch方法之后，人們還提出了其它幾種不同結構。其中最廣為人知的是細網柵結構。它比蜂窩結構輕，但是“為了保持測量精度，必須經常清洗和校正”(Office Spirometry,P.L.Enright,R.E.Hyatt Lea&Febiger,1987)。
人體肺部中的空氣的溫度為37℃，并且含有飽和水蒸氣。當該空氣被呼出時，空氣冷凝，并釋放出其氣化熱焓。
為了使溫度穩定在37℃，Fleisch及其后的人都利用一個外部加熱器對上述結構加熱。事實上，加熱標準的Fleisch4號柱體需要約6.5瓦的功率，這是由于熱效率低及整個裝置熱慣性大導致的結果，直到最近這一因素仍然使得制造真正的袖珍型加熱呼吸速度記錄器很困難。
由于袖珍型儀器不能使用如此之大的功率消耗，近年來，人們提出了幾種非加熱式呼吸量測量儀器及呼吸速度記錄器。
隨著非加熱式流量傳感器的廣泛使用，一個特別嚴重的困難隨之而來，這就是水蒸所的凝結。
由于冷凝水蒸氣釋放出的汽化熱焓，水蒸氣冷凝對氣流的冷卻產生了較小的影響，但是主要的問題在于湍流的發生，這意味著氣流不再是線性的了。由于湍流意味著壓降與流速之間的呈平方關系，于是流量讀數值存在嚴重的缺陷。這一誤差來源使得非加熱系統極不可靠。
呼吸量測量是由幾次重復測試組成的試驗，每一次測試中凝結的水蒸氣釋放出自身的汽化熱焓。在對同一患者進行幾次操作之后，儀器會積累水蒸氣，于是空氣流將發生湍動，測量值越來越偏高。按照美國胸科協會和歐洲呼吸協會提出的規定，一系列操作中獲得的最高值作為呼吸量測量結構。于是測試中發生的任何一次過高估計錯誤都將導致整個結果的錯誤。最近不可靠肺活量測量結果的增加主要和非加熱式呼吸量測量儀器的廣泛使用有關。
在試圖解決這一問題的一個嘗試中引入了陶瓷蜂窩結構，因為它會吸收水蒸氣(U.S.Patent Documents,5277196-1/1994 Hankinson et al.128/725)，但是沒有獲得成功。陶瓷蜂窩結構除了消毒困難之外，重量相當重，并且必須采用一種易碎的、輕的元件來測量溫度。
本領域的現有技術提供了多種解決方案，它們都具有技術缺陷，正是這些技術缺陷嚴重地阻礙了一種簡單、可靠、小型、重量輕、功率低、易于清洗并且真正便攜的呼吸測量系統的產生。
類似的問題也出現在測量物理(流體流速測量)和/或化學過程，尤其是氣體-固體相互作用(鈀-氫相互作用)中的熱交換的儀器中。
在流體流速測量中，使用持續的、直接的測量技術測量，當流速變化很快，并且流體溫度可變(例如象血液流經血管的情況(Baxter Int.,WO94/28788-12/1994))時會產生問題。另一方面，把熱源(熱輻射器)與測量裝置(傳感器)分開的技術又具有明顯的缺點，即傳感器只采集到發射信號的一小部分。
恒溫調整至關重要的另一種情況是在鈀-氫相互作用中。這種情況下，測量涉及鈀層吸收氫時伴隨釋放出的熱焓，及(根據文獻數據)確定試樣對氫的吸收量(Lewis F.A.,The Palladium Hydrogen System,AcademicPress 1967)。這種情況下，用于封閉發生反應的環境的量熱計體積相當大，熱響應慢，并且費用和測量要獲得的精度成正比。另一方面，采用按照微加工技術制造的微量熱計又表現出發生反應的面積小的問題。在需要熱慣性特別低的大反應表面，并且不受微加工元件表面限制，把溫度傳感器集成到反應表面上的情況下缺少解決方案。
本發明的目的是制造一種具有至少一個低熱容量有源元件的裝置，該裝置可特別用作節省空間的儀器，用于測量及控制熱交換。
本發明涉及一種基于一個低熱容量有源元件的裝置，該裝置能夠監測并控制某一環境的溫度。利用脈沖寬度調制技術(PWM)向有源元件供電，而對脈沖之間的熱馳豫分析是在該元件自身上進行的。
當把這一裝置用于呼吸量測量，并校正到正常體溫時，該裝置成為高精度、低能耗的袖珍儀器。
經過適當調整，該裝置還可用于高精度流速測量或高靈敏度量熱學測量。
本發明的其它獨特特征將在后面的說明中描述。
下面借助幾個應用例子及參考附圖給出本發明的詳細說明。
圖1是根據本發明的概念建造的一種蜂窩結構，由兩個不同箔片卷在一起而成。
圖2是表示了用于加熱圖1所示蜂窩結構的微控制器及數字開關的電路圖。
圖3表示了根據本發明的概念的系統的工作原理。
圖4表示了具有控制蜂窩結構溫度的MOS場效應晶體管(MOSFET)的電路圖。
圖5表示了在鈀和氫之間反應的實驗中使用的電路。
圖6表示了測量流速的電路。
本發明的一個最佳實施例包括一個基片，它由厚度為5-20微米的條形不銹鋼箔片構成，形狀根據不同的應用而設計。
使用脈沖寬度調制電源激發該基片，而對加熱器自身溫度的測量是在兩個相鄰脈沖之間的熱馳豫階段中進行的。
圖1表示了根據本發明的概念制得的復合Fleisch蜂窩結構1。它由兩個重疊的箔片2、3卷成，其中一個箔片被加工成波紋狀，以獲得蜂窩結構。箔片2是導體(即由不銹鋼制成，厚度為0.01-0.05毫米，最好為0.02毫米)，并且其電阻值(2-3歐姆，溫度系數為幾百微歐/℃)適于使用手持低功率電池將其迅速加熱到工作溫度。箔片3是抗腐蝕的絕緣體，能夠經受住高達120℃的熱過載，以便能夠進行熱消毒。
圖2表示了表現本發明概念的電路圖。該電路用于加熱圖1中所示的Fleisch蜂窩結構，及用于其它用途。該電路包括一個微控制器4和一個橋路5，橋路的一個臂上是加熱/傳感元件6，其它臂上是不隨溫度變化的電阻7、8及9，一個用于在加熱階段連接電源和加熱/傳感元件的開關10，一個用于給橋路提供電源以測量加熱階段停止時，加熱/傳感元件本身熱馳豫的雙開關11，一個收集橋路信號并和微控制器4中的模-數轉換器相連的測量放大器12。
圖3概括地描述了系統的工作原理。打開數字電源開關150微秒，而在工作周期的剩余850微秒內發生了元件的熱馳豫。在接通電源的150微秒內，元件被加熱。溫度的走向取決于電壓和時間。根據是需要更多的加熱，還是較少的加熱，150微秒的加熱時間可以被增加或減少，而脈沖間的1微秒時間間隔保持不變。
加熱脈沖結束后，開始測量階段。這包括在熱馳豫過程中進行一次或多次測量。作為例子，圖3中表示了在馳豫階段的開始和結末時的兩次測量。微控制器4發出長到足以保證測量階段(即20微秒)中測量放大器穩定性的測量脈沖。這時，由放大器穩定性時間12延遲的同一脈沖被返回給微控制器內部的10位模-數轉換器13的取樣/保持電路(S/H)。在能夠獲取橋路放大器信號的取樣/保持(S/H)脈沖之后，關閉和橋路連接的電源10微秒。和整個熱馳豫時間相比，使供電周期較短，以便減少對加熱/傳感元件的干擾。
圖4表示了用于Fleisch蜂窩結構的溫度校正的電路圖。這里，用MOS場效應晶體管19、20來代替數字開關。Fleisch電源工作起來好象一個圖2所示的開關，而橋路的電源借助于第二個MOS場效應晶體管供給。一個位于橋路頂部，面向Fleisch結構的橋臂的快速二極管21完成雙開關的功能，因為當Fleisch結構工作時，該快速二極管防止電流通過橋路的其它橋臂。
另一個同樣的快速二極管22也置于橋路頂部，面向另一個橋臂，以保證當橋路工作時，兩個橋臂上的電壓降相同。放大器23的增益值可程控。當信號低，轉換器的10位精確度不能保證足夠的測量精度時，可以加大放大器增益。
圖5的電路用在用于鈀-氫相互作用實驗的量熱計中。該電路具有一個用于向量熱計中引入200毫巴氫氣的電磁閥。橋路具有兩個加熱時被激活的相對橋臂27、28，兩個橋臂的加熱時間可以不一樣，以便保持橋路平衡，對此我們將在下文作詳細說明。
圖6所示的電路與圖4的相似，只是用參照元件26替換了加熱/傳感元件所處橋臂中不隨溫度變化的電阻，參照元件26收集有關流體溫度的數據，并提供已濾除溫度影響的輸出信號。
就圖1所示的Fleisch蜂窩過濾器來說，顯然其中的導電薄片2的熱慣性低(它的重量小于10克)，并能快速加熱到體溫。對于Fleisch4號結構，儀器的冷起動設定可在30秒內完成，并且測試之后可以立即停止溫度校正，及相關的電源，可使該電源處于新的低負載狀態。
保持流量傳感器不含有冷凝水蒸氣，這對于使測量不受環境條件(濕度)影響很關鍵，并且在頻繁的測試中這是必不可少的(呼出的空氣中含有飽和水蒸氣)。另外，可通過加熱使流量傳感器溫度達到120℃，保溫幾秒鐘，對其立即進行消毒，或者取出用消毒劑清洗。
上述對蜂窩過濾器的描述也可用同樣用于細網柵，唯一的不同是在細網柵中用金屬導線代替薄片。
下述實驗描述了另一個適于進行高靈敏性量熱測量(如圖5所示)的最佳實施例。加熱/傳感元件被封閉在反應室內，反應室裝有輸入/輸出閥門，能夠抽空反應室或向反應室引入所選擇的氣體。
傳感元件由5微米的不銹鋼箔片構成。這樣考慮到其比重為8g/cm3，1cm2單位面積的比熱為0.1cal/g，我們得到熱容量≈ 400μcal/℃·cm2。
對于在60℃下加熱的相同面積的鋼條(記住鋼條的交換表面積為單位面積的兩倍)，我們得到在25℃氦氣氣氛中的熱通量為2.4mW/℃·cm2≈576μcal/℃·cm2·sec(給出對于35℃的溫度梯度通過交換表面的熱通量等于20160μcal/cm2·sec)。考慮到拋光表面的輻射因子為4％，每平方厘米的輻射損失為5.67×10-12×0.04×3334≈27.89×10-4Wo≈669.31μcal/cm2·sec。
利用PWM電源，采用1-10KHz的頻率范圍，圍繞60℃平均值的波動小于1℃，把加熱/傳感元件的溫度(固-氣相)校正到60℃。
利用鍍鈀(0.1微米厚)條形薄片，我們得到面比重為0.12mg/cm2，單位面積熱容量為7μcal/℃·cm2。一旦達到穩定狀態條件，把200毫巴的氫氣引入反應室，并根據前述過程監測試樣溫度。由于0.12mg鈀相當于1.12×10-6mol，氫吸收熱焓為～9kcal/mol，測得的3000微卡使得可以估計到鈀鍍層已經轉換為氫化鈀(PdH)，其化學計量分子式為PdH0.6。這個過程的快速性正好適合根據該近似分子式的試樣的幾何特征。
這也說明引用該裝置的好處，它能夠監測更快的變化過程。
如圖5所示，以差分的方式使用該裝置能夠進一步提高測量精度。圖中的兩個條形薄片，一個鍍有鈀層27，一個用作參考元件28，同時和帶有獨立電路的PWM電源相連。PWM的頻率范圍為1-10KHz，在該元件自由放熱的開始及結束時測量兩次熱馳豫。
這樣采集的差分信號以高靈敏性提供了橋路的一個橋臂上的熱變化。通過引入伺服系統及由微控制器進行適當的處理，這一技術可以得到進一步的改進。這樣，和鍍鈀條形薄片相連的PWM電源的工作周期被持續不斷地調節，以便保持橋路平衡，兩個PWM電源之間的功率差給出了熱交換量的直接指示。
本發明提出的裝置還特別適用于高精度通用流量計之類的應用。在測量流中從條形薄片沿流體方向的對流引起的熱損失，取決于條形薄片和流體之間的溫度梯度Q/S=h(tpl-tF)其中Q=熱損失，S=表面積，tpl、tF=薄片、流體溫度，h=熱損失系數根據經驗，對于流動速度(流速cm/sec)低于200cm/sec的水，h為h=2.8×10-6μcal/℃·cm2·sec在典型的邊界條件下，即tpl=47℃、tF=37℃，流速范圍為1-100cm/sec，可確定熱交換率為28-2800微卡/毫秒·平方厘米。在面臨實際問題時，通過處理PWM頻率及基片尺寸，這樣大的熱交換值提供了相當大的靈活性。同樣的技術也可用于測量體內血管中的血液流速。
顯然上面的計算可被簡化，只需把加熱條形薄片同側的不隨溫度變化的電阻中的一個換成相同的條形薄片即可，如圖6所示，該條形薄片只用于測量過程，而不參與加熱過程。
權利要求
1．一種基于低熱容量有源元件(1、25)的裝置，它能夠監測并控制給定環境的溫度，所述元件(1、25)由脈沖調制技術供給電源，以達到要求的溫度，脈沖之間的熱馳豫使得能夠取樣并控制給定環境的溫度。
2．按照權利要求1所述的裝置，通過利用橋路(5)測量技術把有源元件(1、25)的電阻值和不隨溫度變化的電阻的電阻值相比較，測得有源元件(1、25)的溫度及調制脈沖之間的溫度馳豫。
3．按照權利要求1和2所述用于肺活量測量法測量保持在體溫的吸入及呼出空氣的裝置，加熱/傳感元件由按照Fleisch幾何形狀制成的復合蜂窩結構，所述結構通過重疊絕緣薄層(3)和具有適當電阻值的導電薄層(2)而得到。
4．按照權利要求1和2所述用于測量流體流速的裝置，流速由一個或多個恰當的傳感器和控制元件測量，所述傳感器和控制元件由金屬薄片構成，并借助于脈沖調制電路供電，通過測量電路脈沖之間的熱馳豫來確定流速。
5．按照權利要求1和2所述的裝置適于量熱測量固-氣反應中產生的熱交換，傳感元件由熱容量很低，其上涂覆有選定固體薄層的金屬薄片構成，利用脈沖調制技術給傳感元件供電，通過測量調制脈沖之間的熱馳豫來確定選定固-氣反應的熱焓。
6．全套裝置包括一個具有多個平行通道的元件(1)，它由兩個重疊的箔片(2、3)卷成，其中一個箔片(2)隆起、呈波紋狀或被折疊，另一個箔片是平坦的，箔片(3)是絕緣體，而箔片(2)是導體，其電阻值當工作溫度可調整時，適于用干電池、低容量或可充電的電池快速加熱元件(1)，及一個電路，其中利用脈沖調制技術加熱元件(1)，并將其溫度校正到確定的工作溫度，利用橋路(5)測量技術把導體箔片(2)的電阻值和不隨溫度變化的電阻的電阻值相比較，來測量元件(1)自身的溫度及電路脈沖之間的熱馳豫。
全文摘要
一種基于有源元件(1、25)的裝置,它能夠監測/測量并控制給定環境的溫度,所述元件(1、25)的熱容量低,由脈沖寬度調制技術供給電源。通過分析加熱脈沖間的溫度馳豫在相同元件上進行監測。所述元件可被控制到體溫,這樣得到一種低功率、高精度、袖珍并且重量輕的裝置(呼吸速度記錄器),它適于進行精確的肺活量測量。該裝置也可容易地適用于高精度流速測量及高靈敏度量熱測量中。
文檔編號A61B5/08GK1211169SQ97192371
公開日1999年3月17日 申請日期1997年1月13日 優先權日1996年1月19日
發明者基瑟皮·特里辛 申請人:比歐米丁公司, 基瑟皮·特里辛