一種醫用氣體的辨別裝置與辨別方法與流程
本發明屬于醫療器械技術領域，尤其涉及一種醫用氣體的辨別裝置與辨別方法。
背景技術：
腹腔鏡手術是指利用腹腔鏡及其相關器械進行的手術，是一門新發展起來的微創方法，也是未來手術方法發展的一個必然趨勢。利用腹腔鏡對患者進行手術治療時需要一個操作空間，通常使用腔鏡氣腹機連接中心供氣系統，在患者腹腔內注入氣體，為醫生提供足夠的腹腔操作空間。二氧化碳氣體屬于一種無色無味、不助燃、不可燃的氣體，是目前建立氣腹的首選氣體。目前，醫院的中心供氣系統會有多個供氣通道，除了可以供應二氧化碳氣體，還有氧氣、壓縮空氣等。腔鏡氣腹機并不能對醫用氣體進行識別，如果醫務人員錯誤的把腔鏡氣腹機與氧氣通道連接，醫務人員在使用電凝鉤或超聲刀等器械時，可能會產生火花，嚴重時會產生爆炸，造成不可挽回的損失。
另外，現有的氣體檢測方法，主要是對已知氣體的濃度進行檢測，即利用兩個不同波長的光在相同氣體中的吸收比值，對氣體濃度進行計算。但是，兩個不同波長光的光強很難一致，并且所使用的的光源具有一定的帶寬，不能杜絕兩個波長之間無交叉，導致測試結果存在較大誤差，影響了醫務人員的判斷，不利于手術治療。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有技術不能對醫用氣體進行辨別，并且氣體濃度測試誤差大的缺陷，提出一種醫用氣體的辨別裝置與辨別方法，防止在患者腹腔內通入錯誤的氣體，提高二氧化碳氣體濃度的測試準確度，降低手術風險，提高手術安全性。
本發明采用如下技術方案：
一種醫用氣體的辨別裝置，包括檢測通道、參考通道、光纖激光器、1×2光纖耦合器、2個光纖準直器、2個熱釋電探測器、數據處理電路；所述1×2光纖耦合器具有1個輸入端口、2個輸出端口；所述光纖準直器具有輸入端口和輸出端口；所述熱釋電探測器具有激光入射端口和電流輸出端口；所述檢測通道焊接在參考通道上面，檢測通道兩端為開口設計，兩側對稱設計有通孔，在通孔處封裝有窄帶濾光片；所述參考通道兩端密封，兩側對稱設計有通孔，在通孔處封裝有窄帶濾光片，內部抽真空；所述光纖準直器中的一個通過該光纖準直器的輸出端口安裝在檢測通道一側的通孔處，另一個光纖準直器通過該光纖準直器的輸出端口安裝在參考通道一側的通孔處；所述熱釋電探測器中的一個通過該熱釋電探測器的激光入射端口安裝在檢測通道另一側的通孔處，另一個熱釋電探測器通過該熱釋電探測器的激光入射端口安裝在參考通道另一側的通孔處；所述檢測通道上安裝的光纖準直器的輸出端口與熱釋電探測器的激光入射端口對準；所述參考通道上安裝的光纖準直器的輸出端口與熱釋電探測器的激光入射端口對準；所述熱釋電探測器的電流輸出端口焊接在數據處理電路上；所述光纖激光器安裝在數據處理電路上；所述1×2光纖耦合器的輸入端口與所述光纖激光器連接，2個輸出端口分別與2個光纖準直器的輸入端口連接。
優選地，所述檢測通道兩側通孔的距離與參考通道兩側通孔的距離相同，采用環氧樹脂把窄帶濾光片分別封裝在檢測通道和參考通道的通孔處。
優選地，所述窄帶濾光片的中心波長是4.26μm，帶寬不大于200nm。
優選地，所述光纖準直器的工作波長是4.26μm，輸入端口具有FC/PC接口。
優選地，所述1×2光纖耦合器的耦合比是50∶50，中心波長是4.26μm，輸入端口和輸出端口均具有FC/PC接頭。
優選地，所述光纖激光器是脈沖激光器，輸出的激光中心波長是4.26μm，峰值功率不小于2μW。
優選地，所述數據處理電路包括2個CMOS放大電路、2個二級放大電路、2個高速數據采集電路、E2PROM、DSP處理器、顯示器、電源。
優選地，所述熱釋電探測器的電流輸出端通過引腳與CMOS放大電路連接。
本發明還提供一種如上所述醫用氣體辨別裝置的辨別方法，包括以下步驟：
步驟A：把醫用氣體辨別裝置的檢測通道與中心供氣系統的氧氣通道連接；
步驟B：啟動醫用氣體辨別裝置，光纖激光器輸出脈沖激光，該脈沖激光通過1×2光纖耦合器變成峰值功率相同的兩束脈沖激光；一束脈沖激光作為檢測光束，經檢測通道上的光纖準直器之后變成平行光束，透過檢測通道一側的窄帶濾光片進入檢測通道，被檢測通道中的氣體吸收之后，透過檢測通道另一側的窄帶濾光片入射到檢測通道上的熱釋電探測器中，熱釋電探測器產生與入射脈沖激光峰值功率成正比的電流信號；另一束脈沖激光作為參考光束，經參考通道上的光纖準直器之后變成平行光束，透過參考通道一側的窄帶濾光片進入參考通道，在參考通道的真空中傳輸之后，透過參考通道另一側的窄帶濾光片入射到參考通道上的熱釋電探測器中，熱釋電探測器產生與入射脈沖激光峰值功率成正比的電流信號；兩個熱釋電探測器產生的電流信號分別經過后續的電路處理，轉換為數字電壓信號，并在顯示器中同時顯示；
步驟C：等間隔改變中心供氣系統輸出氣體的濃度Pk(k＝1，2，…，n)，記錄不同氣體濃度時，檢測通道上熱釋電探測器產生的電壓信號Vi(i＝1，2，…，n)和參考通道上熱釋電探測器產生的電壓信號VJ(j＝1，2，…，n)，然后計算電壓Vi與電壓Vj的電壓比值Rk(k＝1，2，…，n)，其中n是實驗數據個數；
步驟D：計算電壓比值Rk(k＝1，2，…，n)的平均值Ra和區間半寬度α，則氧氣電壓比值的閾值Rt是Ra-α，并把該閾值Rt存入E2PROM；
步驟E：關閉中心供氣系統的氧氣通道，把醫用氣體辨別裝置的檢測通道與中心供氣系統的二氧化碳氣體通道連接，重復步驟B～C；
步驟F：采用非線性最小二乘法擬合二氧化碳氣體濃度P與二氧化碳氣體電壓比值R的線性關系：P＝a·R+b，并把該線性關系存入E2PROM，其中a、b是擬合系數；
步驟G：在使用醫用氣體的辨別裝置時，DSP處理器自動計算檢測通道上熱釋電探測器輸出電壓與參考通道上熱釋電探測器輸出電壓的比值R0，并把該比值與E2PROM中的閾值Rt進行比較；若R0大于等于Rt，則檢測通道通入的是氧氣，并在顯示器中顯示“氧氣”；若R0小于Rt，則檢測通道通入的是二氧化碳氣體，并根據E2PROM中存入的二氧化碳氣體濃度與二氧化碳氣體電壓比值的線性關系，計算二氧化碳氣體的濃度：P＝a·R0+b，并在顯示器中顯示“二氧化碳與濃度”。
優選地，所述步驟D中氧氣電壓比值的平均值計算方法是：
氧氣電壓比值的區間半寬度計算方法是：
α＝(Rmax-Rmin)/2
式中Rmax是氧氣電壓比值Rk(k＝1，2，…，n)的最大值，Rmin是氧氣電壓比值Rk(k＝1，2，…，n)的最小值。
本發明所述的一種醫用氣體的辨別裝置與辨別方法，可以準確辨別出中心供氣系統輸出的氧氣和二氧化碳，并且提高了二氧化碳氣體濃度的測試準確度，降低了手術風險。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖。
圖2是本發明檢測通道的兩個側面示意圖。
圖3是本發明參考通道的兩個側面示意圖。
圖4是本發明數據處理電路的模塊連接關系示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖和具體實施例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
如圖1～圖4所示，一種醫用氣體的辨別裝置，包括檢測通道1、參考通道2、光纖激光器3、1×2光纖耦合器4、光纖準直器5、光纖準直器6、熱釋電探測器7、熱釋電探測器8、數據處理電路9。
所述檢測通道1焊接在參考通道2上面，檢測通道1兩端11和12為開口設計，其中檢測通道1的端口11與中心供氣系統連接，另一端口12與腔鏡氣腹機連接；檢測通道1的兩側對稱設計有通孔13和14，在通孔13和14處均封裝有窄帶濾光片15和16。所述參考通道2兩端21和22密封，兩側對稱設計有通孔23和24，在通孔23和24處均封裝有窄帶濾光片25和26，參考通道2的內部抽真空，使脈沖激光在參考通道內部無損耗的傳輸。此裝置通過在檢測通道1和參考通道2兩側設計通孔13、14、23、24，并封裝窄帶濾光片15、16、25、26，不僅可以讓檢測氣體的激光進入檢測通道1和參考通道2，而且還可以防止環境中的氣體進入檢測通道1和參考通道2，提高測試準確度。
所述光纖激光器3是脈沖激光器，輸出的激光中心波長是4.26μm，峰值功率不小于2μW，安裝在數據處理電路9上。二氧化碳氣體對4.26μm激光具有較高的吸收率，吸收的光強與氣體濃度相關；氧氣則對4.26μm激光沒有吸收。因此，此裝置可以使用4.26μm激光對氧氣和二氧化碳進行檢測。
所述1×2光纖耦合器4的耦合比是50∶50，中心波長是4.26μm，具有1個輸入端口、2個輸出端口，輸入端口和輸出端口均具有FC/PC接頭。所述光纖準直器5和6的工作波長是4.26μm，具有輸入端口和輸出端口，輸入端口具有FC/PC接口。所述光纖準直器6通過其輸出端口安裝在檢測通道1的通孔13處，另一個光纖準直器5通過其輸出端口安裝在參考通道2的通孔23處。所述1×2光纖耦合器4的輸入端口與所述光纖激光器3連接，2個輸出端口分別與光纖準直器5和6的輸入端口連接。本發明可以把光纖激光器3輸出的脈沖激光分成峰值功率相同的兩束脈沖激光，減小由于兩束激光功率不同引入的測量誤差，提高氣體測試準確度。并且1×2光纖耦合器4、光纖準直器5和6的工作波長與光纖激光器3輸出的激光中心波長匹配，方便激光傳輸。
所述數據處理電路9包括CMOS放大電路911和912、二級放大電路921和922、高速數據采集電路931和932、E2PROM 94、DSP處理器95、顯示器96、電源97。
所述熱釋電探測器7和8具有激光入射端和電流輸出端，電流輸出端通過引腳分別與CMOS放大電路911和912連接。所述熱釋電探測器7通過其激光入射端口安裝在檢測通道1的通孔14處，另一個熱釋電探測器8通過其激光入射端口安裝在參考通道2的通孔24處.所述檢測通道1上安裝的光纖準直器6的輸出端口與熱釋電探測器7的激光入射端口對準；所述參考通道2上安裝的光纖準直器5的輸出端口與熱釋電探測器8的激光入射端口對準。此裝置可以使脈沖激光垂直入射到熱釋電探測器7和8中，進一步保證檢測通道1與參考通道2的光路相同，提高測試準確度。
所述檢測通道1兩側通孔13和14的距離與參考通道2兩側通孔23和24的距離相同，則光纖激光器3輸出的脈沖激光經1×2光纖耦合器4分成的兩束脈沖激光，在檢測通道1和參考通道2中傳輸的距離相同，提高氣體測試準確度。采用環氧樹脂把窄帶濾光片15、16分別封裝在檢測通道1的通孔13、14處，把窄帶濾光片25、26分別封裝在參考通道2的通孔23、24處，降低了通孔13、14、23、24處的漏氣率，保證了氣體的測試準確度。
所述窄帶濾光片15、16、25、26的中心波長是4.26μm，帶寬不大于200nm，減小了進入檢測通道1和參考通道2的脈沖激光的波長帶寬，降低了室內日光燈、環境輻射等其它波長的光對測試結果的影響。
采用圖1所示的醫用氣體辨別裝置的辨別方法是：
步驟A：把醫用氣體辨別裝置的檢測通道1與中心供氣系統的氧氣通道連接；
步驟B：啟動醫用氣體辨別裝置，光纖激光器3輸出脈沖激光，該脈沖激光通過1×2光纖耦合器4變成峰值功率相同的兩束脈沖激光；一束脈沖激光作為檢測光束，經檢測通道1上的光纖準直器6之后變成平行光束，透過檢測通道1一側的窄帶濾光片15進入檢測通道1，被檢測通道1中的氣體吸收之后，透過檢測通道1另一側的窄帶濾光片16入射到檢測通道1上的熱釋電探測器7中，熱釋電探測器7產生與入射到熱釋電探測器7的脈沖激光峰值功率成正比的電流信號；另一束脈沖激光作為參考光束，經參考通道2上的光纖準直器5之后變成平行光束，透過參考通道2一側的窄帶濾光片25進入參考通道2，在參考通道2的真空中傳輸之后，透過參考通道2另一側的窄帶濾光片26入射到參考通道2上的熱釋電探測器8中，熱釋電探測器8產生與入射到熱釋電探測器8的脈沖激光峰值功率成正比的電流信號；兩個熱釋電探測器7和8產生的電流信號分別經過后續的數據處理電路9處理，轉換為數字電壓信號，并在顯示器96中同時顯示；
步驟C：等間隔改變中心供氣系統輸出氣體的濃度Pk(k＝1，2，…，n)，記錄不同氣體濃度時，檢測通道1上熱釋電探測器7產生的電壓信號Vi(i＝1，2，…，n)和參考通道2上熱釋電探測器8產生的電壓信號Vj(j＝1，2，…，n)，然后計算電壓Vi與電壓Vj的電壓比值Rk(k＝1，2，…，n)，其中n是實驗數據個數；
步驟D：計算電壓比值Rk(k＝1，2，…，n)的平均值Ra和區間半寬度α：
氧氣電壓比值的平均值計算方法是：
氧氣電壓比值的區間半寬度計算方法是：
α＝(Rmax-Rmin)/2
式中Rmax是氧氣電壓比值Rk(k＝1，2，…，n)的最大值，Rmin是氧氣電壓比值Rk(k＝1，2，…，n)的最小值。
則氧氣電壓比值的閾值Rt是Ra-α，并把該閾值Rt存入E2PROM 94；
步驟E：關閉中心供氣系統的氧氣通道，把醫用氣體辨別裝置的檢測通道1與中心供氣系統的二氧化碳氣體通道連接，重復步驟B～C；
步驟F：采用非線性最小二乘法擬合二氧化碳氣體濃度P與二氧化碳氣體電壓比值R的線性關系：P＝a·R+b，并把該線性關系存入E2PROM 94，其中a、b是擬合系數；
步驟G：在使用醫用氣體的辨別裝置時，DSP處理器95自動計算檢測通道1上熱釋電探測器7輸出電壓與參考通道2上熱釋電探測器8輸出電壓的比值R0，并把該比值與E2PROM 94中的閾值Rt進行比較；若R0大于等于Rt，則檢測通道1通入的是氧氣，并在顯示器96中顯示“氧氣”；若R0小于Rt，則檢測通道1通入的是二氧化碳氣體，并根據E2PROM 94中存入的二氧化碳氣體濃度與二氧化碳氣體電壓比值的線性關系，計算二氧化碳氣體的濃度：P＝a·R0+b，并在顯示器96中顯示“二氧化碳與濃度”。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！