本文所公開的裝置和方法的實施例涉及無創(chuàng)傷地測量受試者體內(nèi)的分析物濃度的領(lǐng)域，并且具體地講，涉及在受試者的組織(諸如受試者的皮膚)的位置處，例如在耳垂上測量二氧化碳(co2)或其他血液氣體的分壓。

背景技術(shù)：

利用施加到皮膚上的傳感器來對血液氣體的分壓(諸如二氧化碳(pco2)或氧氣(po2))進(jìn)行無創(chuàng)傷測量已在許多出版物中被描述為在多種臨床情況下可用的方法。

在現(xiàn)有技術(shù)的傳感器中，如例如us7,474,908或us5,425,868中所述，用施加到皮膚表面上的傳感器測量氣體，該傳感器配備有用于對其上擱置有傳感器的皮膚區(qū)域進(jìn)行加熱的加熱元件。傳感器接觸表面被加熱到約40℃至44℃的溫度，這導(dǎo)致測量部位處的局部血管擴張及毛細(xì)血管床的動脈化。在這些條件下，由設(shè)置在受試者皮膚上的傳感器測量的co2分壓顯示出與co2動脈值的高度相關(guān)性。這使得有可能以對于大多數(shù)應(yīng)用而言足夠的精確度確定和/或監(jiān)測動脈co2值。將測量部位加熱到這樣高的溫度牽涉到皮膚燒傷或其他不期望的副作用的風(fēng)險，尤其是需要在較長時間段內(nèi)連續(xù)監(jiān)測pco2時。

此外，對于一些目的而言，皮膚的血管擴張是非期望的，因為測量的目的是確定皮膚的灌注，或皮膚灌注的變化。對于此類目的而言，有利的是，避免改變皮膚的結(jié)構(gòu)，諸如加熱皮膚和下層組織，而產(chǎn)生局部血管擴張。

wo2011/024081提出利用pco2傳感器來測量pco2，該傳感器施加到患者的耳垂上并僅加熱至37℃或更低，以便評估患者體內(nèi)的組織灌注，尤其是對于敗血性休克的治療隨訪和預(yù)后而言。盡管該現(xiàn)有技術(shù)方法減少了將測量部位加熱至非常高的溫度的必要，但其仍然涉及加熱測量部位。

該現(xiàn)有技術(shù)一般具有的缺點是由于傳感器與皮膚組織之間的熱梯度，傳感器與患者的皮膚組織之間存在能量流。該溫度梯度在測量部位處產(chǎn)生毛細(xì)血管床的局部血管擴張。

一般希望(特別是在某些臨床情況下及對于某些測量而言)進(jìn)一步避免對測量部位的加熱，同時保持所得測量值的高精確度。尤其是，希望所提供的對血液氣體的測量能進(jìn)一步降低該測量對局部灌注或微循環(huán)的影響。

尤其是，在某些臨床狀況下，例如在休克期間，組織的排熱能力可能減弱；在此類情況下，可能特別希望避免不必要的加熱。

此外，當(dāng)這些測量旨在提供測量部位處的灌注或微循環(huán)的指征或者當(dāng)用于檢測休克時，可能希望監(jiān)測灌注/微循環(huán)，而不是通過加熱對其造成影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)第一方面，本文公開了用于對分析物濃度的無創(chuàng)傷測量的裝置的實施例。該裝置的實施例包括：第一導(dǎo)熱部件和設(shè)置在第一導(dǎo)熱部件處的第一熱傳感器，該第一導(dǎo)熱部件適于與患者的組織熱連通，并且該第一熱傳感器可操作以確定指示患者組織表面上的位置處的溫度的溫度。與第一導(dǎo)熱部件絕熱的第二導(dǎo)熱部件和設(shè)置在第二導(dǎo)熱部件處的第二熱傳感器，并且還包括可操作以生成指示分析物濃度的傳感器信號的分析物傳感器，以及可操作以控制第二導(dǎo)熱部件的溫度的加熱器。

因此，該裝置使分析物傳感器的溫度穩(wěn)定，使得測量位置處的組織與分析物傳感器之間基本上沒有熱量流動，即，分析物傳感器的至少表面部件和組織上的該位置彼此保持熱平衡。

由于分析物傳感器的至少表面部件與組織保持熱平衡，因此可使用所測量的溫度校正分析物傳感器的所有溫度相關(guān)性。具體地講，當(dāng)前電化學(xué)pco2傳感器包括溫度相關(guān)部件，諸如ph電極、參比電極、電解質(zhì)和/或覆蓋電解質(zhì)的不同膜。另外，定位在受試者組織上的裝置的部件可包括其他溫度相關(guān)部件，諸如用于對所測量的信號進(jìn)行信號放大的電子電路。這些部件也可基于所確定的溫度進(jìn)行校正。傳感器信號轉(zhuǎn)換為與預(yù)定參考溫度相關(guān)聯(lián)的計算的分析物濃度是基于所確定的溫度。由于傳感器保持熱平衡，故所確定的溫度對應(yīng)于組織溫度并對應(yīng)于傳感器核心溫度；因此，該轉(zhuǎn)換可補償所有相關(guān)溫度效應(yīng)。

在pco2測量值的范疇內(nèi)，這些可包括對pco2的ph電極電勢、斜率和溫度校正因數(shù)的溫度效應(yīng)。在一些實施例中，該分析物傳感器可操作以生成傳感器信號，并且處理器適于基于至少該傳感器信號和傳感器校準(zhǔn)函數(shù)來算出計算的分析物濃度。在一些實施例中，該裝置包括用于存儲指示溫度相關(guān)校準(zhǔn)函數(shù)的溫度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)，并且該處理器適于基于該傳感器信號和所存儲的溫度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來計算分析物濃度。所存儲的溫度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以多種方式存儲，諸如以一個或多個插值表、一個或多個校準(zhǔn)函數(shù)的形式和/或以另一種合適的形式?？赏ㄟ^本領(lǐng)域已知的任何合適校準(zhǔn)方法執(zhí)行傳感器信號的校準(zhǔn)。在一些實施例中，校準(zhǔn)至少部分地在較高溫度(高于37℃)下執(zhí)行，以便縮短校準(zhǔn)過程的持續(xù)時間。

因此，本文所述的裝置的實施例將分析物傳感器的溫度自動調(diào)節(jié)成組織溫度。當(dāng)傳感器位于受試者的皮膚上時，一般在小于37℃的溫度下獲得熱平衡。避免了皮膚灼傷及其他因加熱受試者組織而帶來的非期望效應(yīng)的風(fēng)險，同時保持了所確定的分析物濃度的高精確度。

一般來講，受試者組織上的測量位置可以是受試者的皮膚上(例如受試者的耳垂上)的位置，或另一個合適的測量位置?；蛘撸瑐鞲衅骺啥ㄎ辉隗w腔的內(nèi)表面或另一個組織表面上。分析物傳感器一般可被配置成測量組織中和/或組織表面處的分析物濃度。

該裝置可將所得的計算的分析物濃度輸出為模擬和/或數(shù)字輸出信號和/或任何其他合適的形式。在一些實施例中，該裝置包括顯示器，其可操作以顯示所計算的分析物濃度值、所確定的溫度或兩者。在一些實施例中，該裝置被配置成監(jiān)測隨時間推移的分析物濃度。

在一些實施例中，該分析物是co2，并且該分析物濃度是co2的分壓(pco2)。因此，在此種實施例中，分析物傳感器包括pco2傳感器，例如電化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器或另一種合適形式的傳感器。在一些實施例中，該傳感器包括ph電極。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本文所述裝置的其他實施例可用于測量其他類型的分析物濃度，諸如氧氣的分壓(po2)或一種或多種其他血液氣體的分壓。在其他實施例中，該裝置可操作以測量多種分析物，例如co2和o2兩者。

本文所述裝置的實施例可用于確定皮膚po2測量值，以確定沒有局部血管擴張和動脈化的情況下毛細(xì)血管床的o2水平，從而與其他傳感器系統(tǒng)相結(jié)合來獲得有關(guān)非動脈化毛細(xì)血管床中組織的o2吸收的附加信息。本文所述的相同加熱控制系統(tǒng)也可應(yīng)用于其他無創(chuàng)傷傳感器系統(tǒng)，尤其是被設(shè)計成測量微血管化等級的傳感器，例如激光多普勒、或基于測量sto2的nirs技術(shù)的傳感器。

預(yù)定的參考溫度可為任何合適的溫度，例如22℃與38℃之間，諸如32℃與38℃之間，諸如32℃與35℃之間，或35℃與38℃之間，諸如37℃的溫度。參考溫度取決于人的活動水平、周圍環(huán)境(例如，皮膚是被覆蓋還是裸露)以及周圍溫度和(例如風(fēng)的)冷卻效應(yīng)。溫度還取決于傳感器在人體上所處的位置，例如，腳部可能僅具有比室溫高幾度的溫度，而位置更居中的身體部位將具有更接近體內(nèi)溫度的溫度。

第一熱傳感器可被布置成使得其與組織表面上的測量位置導(dǎo)熱連通，以便允許第一熱傳感器確定組織上的所述測量位置處的溫度。導(dǎo)熱連通應(yīng)具有足夠高的熱導(dǎo)率，以允許組織表面與第一熱傳感器的緊鄰周邊之間的潛在的溫度梯度達(dá)到平衡。因此，由第一熱傳感器測量的溫度指示組織上的測量位置處的溫度，并且第一熱傳感器可檢測測量期間組織的溫度變化。為此，第一熱傳感器可嵌入導(dǎo)熱部件中，該導(dǎo)熱部件可在操作期間與組織直接接觸，或可通過部件(例如一個或多個膜或其他薄層)與組織隔開，這些部件不會妨礙第一熱傳感器檢測組織的溫度變化。一般來講，第一導(dǎo)熱部件可與測量位置導(dǎo)熱連通。然而，第一熱傳感器不需要與組織上的測量位置直接接觸，就可以測量指示組織上的該位置處的溫度的溫度。

在一些實施例中，該裝置包括第二熱傳感器，其可操作以測量指示分析物傳感器的至少一部分的溫度的溫度；并且其中控制器被配置成調(diào)節(jié)加熱器，以便將分析物傳感器的所述部分的溫度調(diào)節(jié)成第一熱傳感器所測量的溫度。在一些實施例中，該裝置包括：

-彼此絕熱的第一導(dǎo)熱部件和第二導(dǎo)熱部件；以及

-設(shè)置在第二導(dǎo)熱部件處的第二熱傳感器，

其中加熱器設(shè)置在第二導(dǎo)熱部件處，而第一熱傳感器設(shè)置在第一導(dǎo)熱部件處；并且其中控制器可操作以調(diào)節(jié)加熱器，從而保持第一導(dǎo)熱部件和第二導(dǎo)熱部件之間的熱差基本上為零。在一些實施例中，第二導(dǎo)熱部件被布置成在該裝置的使用期間與受試者的組織絕熱，而第一導(dǎo)熱部件與受試者的組織的隔絕性不及第二導(dǎo)熱部件，以便允許組織與第一導(dǎo)熱部件之間的熱交換比組織與第二導(dǎo)熱部件之間的熱交換更快。在一些實施例中，第一導(dǎo)熱部件可與受試者的組織(例如，受試者的皮膚)直接接觸。在其他實施例中，第一導(dǎo)熱部件可通過一個或多個膜或類似的一個或多個薄層來與組織隔開。在一個實施例中，第一導(dǎo)熱部件和第二導(dǎo)熱部件可具體體現(xiàn)為其間夾有絕熱層的第一導(dǎo)熱層和第二導(dǎo)熱層。加熱器和/或第二熱傳感器可通過以下方式設(shè)置在第二導(dǎo)熱部件處：將加熱器和/或第二熱傳感器嵌入第二導(dǎo)熱部件內(nèi)，和/或以其他方式布置加熱器和/或第二熱傳感器，使之與第二導(dǎo)熱部件熱接觸。類似地，第一熱傳感器可通過以下方式設(shè)置在第一導(dǎo)熱部件處：將第一熱傳感器嵌入第一導(dǎo)熱部件內(nèi)，和/或以其他方式布置第一熱傳感器，使之與第一導(dǎo)熱部件熱接觸。該裝置可被配置成基于來自第一熱傳感器和第二熱傳感器的溫度信號的差異來控制加熱器。分析物傳感器可被布置成使得分析物傳感器的至少一部分嵌入第二導(dǎo)熱部件內(nèi)或與第二導(dǎo)熱部件熱接觸，因此分析物傳感器的核心溫度可由加熱器控制。然而，應(yīng)當(dāng)理解，分析物傳感器的一部分還可延伸到第一導(dǎo)熱部件中或甚至延伸穿過第一導(dǎo)熱部件。

因此，當(dāng)兩種熱傳感器的溫度相同時，這指示分析物傳感器(例如，pco2傳感器的ph電極/電解質(zhì)/參比電極)所在位置的傳感器核心溫度處于與組織相同的溫度，從而指示熱平衡。

在一些實施例中，僅在第二導(dǎo)熱部件中需要加熱器，而在與受試者的組織熱連通的第一導(dǎo)熱部件中不需要加熱器。因此，加熱器僅僅防止熱量從受試者組織流動到傳感器核心中并進(jìn)一步通過傳感器頭的殼體流動到周圍環(huán)境中和/或通過連接與受試者皮膚接觸的傳感器頭的電纜流動到裝置的其他部分，諸如控制單元。因此，在一些實施例中，第一導(dǎo)熱部件不包括加熱器。

在一些實施例中，控制器可操作以連續(xù)調(diào)節(jié)加熱器，從而保持第一導(dǎo)熱部件和第二導(dǎo)熱部件之間的熱差基本上為零。具體地講，該裝置可被配置成在測量分析物濃度的同時執(zhí)行溫度控制。可連續(xù)執(zhí)行溫度控制。保持熱差基本上為零旨在表示這樣的控制機構(gòu)，其可操作以將溫差降至零或至少低于某個小閾值，例如低于0.1℃。

在一些實施例中，第一導(dǎo)熱部件和第二導(dǎo)熱部件中的一者或兩者包含銀和/或另一種合適的材料諸如金。將第一導(dǎo)熱部件和第二導(dǎo)熱部件彼此隔開的絕熱材料可包括環(huán)氧樹脂或另一種合適的材料，諸如合適的聚合物。絕熱層具有足以獲得第一導(dǎo)熱部件和第二導(dǎo)熱部件之間的合適絕熱的厚度。在一些實施例中，絕熱層的厚度為至少0.5mm。一般來講，絕熱層的材料可具有比導(dǎo)熱部件的一種或多種材料更低的熱導(dǎo)率。在一些實施例中，第一導(dǎo)熱部件和/或第二導(dǎo)熱部件由熱導(dǎo)率大于10w/(m*k)(諸如100w/(m*k)或更高)且不干擾分析物傳感器的材料制成。絕熱材料的熱導(dǎo)率可為1w/(m*k)或更小，諸如0.5w/(m*k)或更小。

在另一個實施例中，該裝置包括：

-第一熱傳感器，該第一熱傳感器可操作以測量參考位置處組織的溫度；

-分析物傳感器，該分析物傳感器可操作以測量測量位置處的分析物濃度；其中第二熱傳感器可操作以測量指示分析物傳感器至少一部分的溫度的溫度；

其中控制器被配置成調(diào)節(jié)加熱器，以便將分析物傳感器的所述部分的溫度調(diào)節(jié)成第一熱傳感器所測量的溫度。

第一熱傳感器可集成到與分析物傳感器相同的傳感器頭中，附接到分析物傳感器，從分析物傳感器延伸，或以其他方式布置成與分析物傳感器一起定位為單個單元，但可操作以測量與測量位置不同的參考位置處的溫度。參考位置和測量位置可為組織表面上的相鄰位置。或者，第一熱傳感器可作為單獨的傳感器頭提供，其可與包括分析物傳感器的傳感器頭分開設(shè)置。例如，在一個實施例中，該裝置包括：

-包括第一熱傳感器的第一設(shè)備，該第一熱傳感器可操作以測量所述參考位置處組織的溫度，例如皮膚溫度；

-第二設(shè)備，該第二設(shè)備與第一設(shè)備隔開，包括分析物傳感器、加熱器和第二熱傳感器，該第二熱傳感器可操作以測量第二設(shè)備的溫度；

其中控制器被配置成調(diào)節(jié)加熱器，以便將第二設(shè)備的溫度調(diào)節(jié)成第一熱傳感器所測量的溫度。因此，根據(jù)該實施例，第一熱傳感器和第二熱傳感器可定位在單獨的設(shè)備中，這些設(shè)備可單獨地定位在受試者的組織上，例如彼此緊密靠近。

第一熱傳感器和第二熱傳感器可各自包括熱敏電阻或光學(xué)傳感器，例如ir熱傳感器，或另一種合適的熱傳感器。

本發(fā)明涉及不同方面，包括上文和下文所述的裝置、對應(yīng)的方法、系統(tǒng)和產(chǎn)品，每一者獲得了結(jié)合上述裝置和/或其他方面之一描述的有益效果和優(yōu)點中的一種或多種，并且每一者具有與結(jié)合上述裝置和/或其他方面之一描述的實施例相對應(yīng)的一個或多個實施例。

具體地講，本文公開了用于監(jiān)測患者體內(nèi)的分析物濃度的方法的實施例，該方法包括：

-用第一溫度傳感器測量參考位置處患者組織的溫度；

-將設(shè)備設(shè)置在患者組織上的測量位置處，其中該設(shè)備包括加熱器和分析物傳感器；

-調(diào)節(jié)該設(shè)備的溫度，使得在組織的所述測量位置處保持熱平衡；以及

-在所述測量位置處用分析物傳感器測量分析物的濃度。

參考位置和測量位置可為相同位置或不同位置，例如彼此相鄰或以其他方式彼此緊密靠近的兩個位置，使得參考位置處的溫度指示測量位置處的溫度。在該設(shè)備與測量位置處的組織之間局部保持熱平衡。

用于監(jiān)測患者體內(nèi)的分析物濃度的裝置的實施例可包括控制單元和傳感器頭，該傳感器頭可通過有線或無線連接來連接到處理單元。為此，傳感器頭可包括無線通信接口，該無線通信接口可操作以與控制單元(諸如監(jiān)測設(shè)備)無線通信。無線通信接口可包括藍(lán)牙發(fā)射機/接收機或另一種合適的電路。傳感器頭被配置成與測量位置處的患者組織進(jìn)行接觸。傳感器頭可包括一個或多個熱傳感器、加熱器和分析物傳感器。傳感器頭還可包括信號處理電路，該信號處理電路包括例如信號放大器并被配置成輸出傳感器信號?？刂茊卧砂ㄌ幚砥鳎邕m當(dāng)編程的微處理器，該處理器被配置成接收傳感器信號并執(zhí)行所接收的傳感器信號向所計算的分析物濃度的轉(zhuǎn)換。為此，控制單元可包括用于存儲要在該轉(zhuǎn)換中使用的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)，諸如硬盤、eprom、eeprom、閃存盤等等?？刂茊卧€可包括用戶界面，諸如用于呈現(xiàn)圖形用戶界面的顯示器等等。控制單元還可包括用于控制加熱器的控制器?？刂破骺杉傻轿⑻幚砥骰蚱渌鳛樘幚砥鞯碾娐分?，或其可實現(xiàn)為單獨的硬件模塊?；蛘?，在一些實施例中，處理器和/或控制器的一些或所有功能可通過傳感器頭中包括的電路來實現(xiàn)。

在本發(fā)明的又一個方面，本文公開了對用于無創(chuàng)傷測量患者體內(nèi)的分析物濃度的設(shè)備的溫度進(jìn)行控制的方法，該方法包括：用位于該設(shè)備的第一導(dǎo)熱部件中的第一溫度傳感器測量患者的組織的溫度，該第一導(dǎo)熱部件與患者的組織熱連通；以及調(diào)節(jié)該設(shè)備的第二導(dǎo)熱部件的溫度，該第二導(dǎo)熱部件與患者的組織和第一導(dǎo)熱部件絕熱，從而保持組織與第二導(dǎo)熱部件之間的熱平衡。

本領(lǐng)域中由來已久的偏見是，需要溫?zé)崞つw組織以溶解表皮層中的死亡角質(zhì)化細(xì)胞的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而使角質(zhì)層更易透過血液氣體，尤其是使其更易透過o2，因為o2不易擴散穿過表皮層。然而，已有很多方法可以溶解或去除表皮層，以允許傳感器與攜氧細(xì)胞接觸。例如，us2013013795a1公開了這樣的設(shè)備，該設(shè)備機械地去除表皮層，直到達(dá)到兩個電極之間的預(yù)定阻抗值。一旦已去除足夠的表皮層，就可將藥物遞送組合物或分析物傳感器施加到經(jīng)處理的部位。

應(yīng)當(dāng)注意，傳感器信號向所計算的分析物濃度的轉(zhuǎn)換可至少部分地在軟件中實現(xiàn)，并且在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或者由程序代碼裝置(諸如計算機可執(zhí)行指令)的執(zhí)行引起的其他處理裝置上實施。在此處和下文中，術(shù)語處理裝置包括適于執(zhí)行上述功能的任何電路和/或設(shè)備。具體地講，上述術(shù)語包括通用或?qū)Ｓ每删幊涛⑻幚砥鳌?shù)字信號處理器(dsp)、專用集成電路(asic)、可編程邏輯陣列(pla)、現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)、專用電子電路等，或它們的組合?；蛘撸鎏卣骺赏ㄟ^代替軟件或者與軟件組合的硬連線電路實現(xiàn)。

傳感器頭可被配置成與組織表面進(jìn)行接觸，其中第一導(dǎo)熱部件的測量表面面向組織表面，并且通過至少第一導(dǎo)熱部件和絕熱部分將第二導(dǎo)熱部件與組織表面隔開，并且該絕熱部分將第一導(dǎo)熱部件與第二導(dǎo)熱部件隔絕。傳感器頭可操作以設(shè)置在組織表面上，使得第一導(dǎo)熱部件與組織熱連通，例如通過使測量表面與組織表面直接接觸來與組織熱連通，或通過覆蓋第一導(dǎo)熱部件的測量表面的一個或多個膜或表面層來與組織熱連通。在一些實施例中，分析物傳感器的至少一部分設(shè)置在第二導(dǎo)熱部件處。

附圖說明

通過參照附圖描述的實施例，上述方面和其他方面將變得顯而易見，并且得到闡明，在附圖中：

圖1示出了用于無創(chuàng)傷地測量pco2的裝置的傳感器頭的示例的示意性框圖。

圖2示出了用于無創(chuàng)傷地測量pco2的裝置的示例的示意性框圖。

圖3示出了用于無創(chuàng)傷地測量pco2的裝置的兩件式傳感器頭的示例的示意性框圖。

圖4a-b分別示出了溫度相關(guān)校準(zhǔn)項pcf(t)和spf(t)的回歸函數(shù)的示例，這些回歸函數(shù)從實驗數(shù)據(jù)得出，并用于傳感器信號向所計算的pco2值的轉(zhuǎn)換的示例中。

圖5示出了用于無創(chuàng)傷地測量pco2和po2的裝置的傳感器頭的示例的示意性框圖。

圖6示出了使用光學(xué)原理來無創(chuàng)傷地測量pco2的裝置的傳感器頭的示例的示意性框圖。

具體實施方式

圖1示出了用于無創(chuàng)傷地測量pco2的裝置的傳感器頭的示例的示意性框圖。傳感器頭101包括電絕緣材料例如聚苯醚(ppo)的傳感器外殼119，其中分別設(shè)置了第一導(dǎo)熱板105和第二導(dǎo)熱板120。板105和120可由銀或金或具有類似或至少合適的導(dǎo)熱特性且不干擾化學(xué)分析的材料制成。導(dǎo)熱板可嵌入環(huán)氧樹脂鑄件121中并由該環(huán)氧樹脂鑄件固定，該環(huán)氧樹脂鑄件填充板與外殼之間的空隙，并且形成在導(dǎo)熱板105和120之間隔開并夾在這兩個導(dǎo)熱板之間的絕熱層104。第一導(dǎo)熱板105限定傳感器頭的測量表面，該測量表面在操作期間被布置成在所需測量位置處面向受試者的皮膚102。第二導(dǎo)熱板120設(shè)置在傳感器頭的中心部分中，并且在操作期間，至少通過絕熱層和通過第一導(dǎo)熱板來與受試者的皮膚隔開。所述絕熱層104使第二導(dǎo)熱板120與第一導(dǎo)熱板絕熱并與受試者的皮膚絕熱，使得一方面第二導(dǎo)熱板與受試者的皮膚之間及另一方面第一導(dǎo)熱板與受試者的皮膚之間的熱傳遞梯度較小。絕熱層可例如由環(huán)氧樹脂制成，或由聚氨酯制成，或由熱特性與環(huán)氧樹脂類似的聚合物制成。第一導(dǎo)熱板105的測量表面被一個或多個薄層123覆蓋。例如，這些層可包括下列層中的一者或多者：電解質(zhì)層(例如，用電解質(zhì)溶液浸泡的隔膜)、特氟隆膜、金片。層123的外層(例如，金片)限定在測量期間與受試者的皮膚102進(jìn)行接觸的接觸表面。當(dāng)接觸表面被設(shè)置成與受試者的皮膚接觸時，通過層123在第一導(dǎo)熱板與受試者的皮膚之間發(fā)生熱交換，直到皮膚與第一導(dǎo)熱板之間的任何溫度梯度基本上平衡。

傳感器頭101可通過從外殼119的管狀延伸部延伸的電纜108連接到控制單元或監(jiān)視器，從而允許通過控制單元/監(jiān)視器對與有機體內(nèi)監(jiān)測相關(guān)的各種功能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，例如，連接/斷開當(dāng)前電路、處理數(shù)據(jù)等。

第一溫度傳感器106(例如，ntc電阻器或其他合適熱敏電阻的形式)嵌入第一導(dǎo)熱板105中或至少與之良好熱接觸，并且可操作以在與接觸表面接觸的測量部位處測量皮膚102的皮膚溫度。溫度傳感器106通過導(dǎo)熱膠膠粘到第一導(dǎo)熱板105之上或之中，并且熱傳感器可通過電纜108連接到控制監(jiān)視器。

加熱元件109(例如，齊納二極管的形式)嵌入第二導(dǎo)熱板120中或至少與之熱接觸。加熱元件109可操作以加熱第二導(dǎo)熱板。第二溫度傳感器107(例如，ntc電阻器或其他合適熱敏電阻的形式)也嵌入第二導(dǎo)熱板120中或至少與之良好熱接觸。加熱元件109和溫度傳感器107都通過導(dǎo)熱膠膠粘到第二導(dǎo)熱板120之上或之中，并且它們各自可通過電纜108連接到控制監(jiān)視器。

傳感器頭還包括pco2傳感器103，該傳感器具有被布置在第二導(dǎo)熱板120中的第一部分，以及穿過絕熱層104和第一導(dǎo)熱板105朝接觸表面延伸并限定測量位置122的另一部分。pco2傳感器可被絕熱層圍繞。pco2傳感器103以基于測量ph的熟知方式執(zhí)行pco2測量。為此，pco2傳感器可包括ph玻璃電極和參比電極，諸如ag/agcl參比電極。這兩個電極可包括被布置在第二導(dǎo)熱板120中的一部分，以及穿過絕熱層104和第一導(dǎo)熱板105朝接觸表面延伸的另一部分。

例如，pco2傳感器可具體體現(xiàn)為us5,425,868或us6,654,622中所述的形式，這些專利的全部內(nèi)容以引用方式包括于本文中。

在傳感器頭的操作期間，加熱器元件109受到控制以加熱第二導(dǎo)熱板120，使得熱傳感器107所測量的第二導(dǎo)熱板120的溫度與熱傳感器106所測量的第一導(dǎo)熱板105的溫度相同，以便補償傳感器原本對組織造成的冷卻效應(yīng)。當(dāng)熱傳感器106和107的溫度讀數(shù)相同時，這指示傳感器核心(具體地講，包括pco2傳感器103，例如ph-電極/電解質(zhì)/參比電極)的溫度為與皮膚102下方的組織相同的溫度(溫度平衡)。

應(yīng)當(dāng)理解，傳感器頭可包括附加傳感器，例如po2傳感器，和/或其他部件，例如用于對來自pco2傳感器103和/或來自熱傳感器的傳感器信號進(jìn)行預(yù)處理的電子電路。這種預(yù)處理可包括用于在來自熱傳感器的溫度信號之間生成差異信號的前置放大器和/或電路。

圖2示出了用于測量經(jīng)皮pco2的裝置的示例的示意性框圖。該裝置包括傳感器頭101和控制單元216，傳感器頭101經(jīng)過電纜108連接到該控制單元?；蛘?，傳感器頭可通過無線接口(例如使用藍(lán)牙或另一種短距離射頻通信技術(shù))連接到控制單元。傳感器頭可為圖1中所示的傳感器頭?？刂茊卧?16包括處理單元213以及用戶界面214和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備215，后兩者以通信方式耦接到處理單元。處理單元213可為任何適當(dāng)編程的cpu或微處理器或其他合適的處理裝置。數(shù)據(jù)存儲設(shè)備215可為用于存儲程序和/或其他數(shù)據(jù)的ram、eprom、硬盤或另一種合適的設(shè)備。用戶界面214可包括用于顯示信息、可選菜單項的顯示器(諸如觸摸屏)，從而允許用戶選擇操作選項、輸入?yún)?shù)等等。用戶界面可操作以向用戶呈現(xiàn)測量結(jié)果，請求用戶輸入或其他用戶行為，向用戶呈現(xiàn)可選選項和/或呈現(xiàn)指令。用戶界面還可包括小鍵盤、按鈕和/或用戶界面設(shè)備。

處理單元213包括信號處理區(qū)塊211和控制區(qū)塊212。雖然在圖2中被示出為單獨的區(qū)塊，但信號處理區(qū)塊211和控制區(qū)塊212可以多種方式實現(xiàn)，例如作為單獨的硬件模塊，作為由通用處理器實現(xiàn)的單獨的功能區(qū)塊，或甚至作為單個功能區(qū)塊。在操作期間，處理單元213從傳感器頭101中的pco2傳感器接收傳感器信號，并從傳感器頭101中的熱傳感器接收溫度信號。

基于溫度信號，控制區(qū)塊212控制傳感器頭的加熱器，以便保持第一溫度傳感器和第二溫度傳感器所測量的溫度之間的差值盡可能接近零。例如，可通過差異信號來控制加熱器，該差異信號指示來自第一熱傳感器和第二熱傳感器的溫度信號之間的差異。

由于傳感器通常在施加到患者之前暴露于環(huán)境空氣，這兩個熱傳感器所測量的溫度是環(huán)境空氣的溫度。于是，當(dāng)傳感器以其接觸表面與皮膚進(jìn)行接觸時，位于第一導(dǎo)熱部件105中的靠近傳感器接觸表面的熱傳感器106將被組織加熱到溫度t1。此時，另一熱傳感器107所測量的溫度t2通常較低(t2<t1)，并且控制區(qū)塊212將使加熱器109對傳感器頭的核心部分進(jìn)行加熱(即，t2將升高)，直到這兩個溫度變?yōu)橄嗟萾2＝t1(或至少在預(yù)定的容限δt內(nèi)相等，即|t2-t1|<δt)?？刂茊卧?12連續(xù)調(diào)節(jié)加熱器，以使這兩個溫度相同。如果組織溫度降低，則溫度t1將低于t2，并且加熱功率將減少或甚至關(guān)閉，直到這兩個溫度再次相同。如果組織溫度升高，則更多加熱功率將被輸送到加熱器以使t1＝t2。

基于來自pco2傳感器的傳感器信號及來自熱傳感器中至少一者的溫度信號(平衡時，傳感器核心溫度tcore等于t1和t2)，信號處理區(qū)塊211算出所計算的co2分壓。為此，信號處理區(qū)塊可應(yīng)用預(yù)定校準(zhǔn)公式，該預(yù)定校準(zhǔn)公式可取決于一種或多種溫度相關(guān)參數(shù)。包括溫度相關(guān)參數(shù)的校準(zhǔn)公式可存儲在控制單元216的存儲設(shè)備215中。處理單元可在其顯示器214上顯示所計算的pco2，以及任選地，所確定的溫度和/或傳感器頭是否與皮膚達(dá)到熱平衡(|t2-t1|<δt)的指示。

pco2值的計算可例如基于以下方程：

其中c是總常數(shù)，mp是pco2傳感器所測量的電勢，pcf是溫度相關(guān)校準(zhǔn)因數(shù)，cp是校準(zhǔn)電勢，scf是溫度相關(guān)斜率校準(zhǔn)因數(shù)，并且sp是斜率電勢?？捎蓪嶒灁?shù)據(jù)通過合適的回歸來確定電勢校準(zhǔn)因數(shù)(pcf(t))與斜率校準(zhǔn)因數(shù)(sfc(t))的溫度相關(guān)性。圖4a-b分別示出了由實驗數(shù)據(jù)得出的pcf(t)和spf(t)的回歸函數(shù)的示例。

圖3示出了用于無創(chuàng)傷地測量pco2的裝置的兩件式傳感器頭的示例的示意性框圖。在該示例中，第一熱傳感器被實現(xiàn)為第二單獨傳感器頭317，其可在受試者的皮膚上與包括pco2傳感器的傳感器頭101相隔地定位?；蛘撸哂械谝粺醾鞲衅鞯牡诙鞲衅黝^可附接到傳感器頭101的一側(cè)或以其他方式從傳感器頭101延伸。在任何情況下，在此類實施例中，熱傳感器在與傳感器頭101下方的測量部位相鄰但緊鄰的參考位置處測量皮膚的溫度。與此前示例中的一樣，傳感器頭101包括導(dǎo)熱層120，該導(dǎo)熱層包括加熱器元件109、熱傳感器以及pco2傳感器103的一部分。第二傳感器頭317包括嵌入導(dǎo)熱層305中的單獨熱傳感器306。或者，第二傳感器頭可包括使用另一種溫度測量技術(shù)(例如基于紅外光)的熱傳感器。與此前示例中的一樣，加熱器可受到控制，以保持pco2傳感器的溫度等于用第二傳感器頭317的熱傳感器305測量的溫度。

圖5示出了用于無創(chuàng)傷地測量pco2和po2的裝置的傳感器頭的示例的示意性框圖。傳感器頭101類似于圖1中所示的傳感器頭，并且其包括許多與圖1的傳感器頭101相同的部件。這些部件由相同附圖標(biāo)號標(biāo)出，并且將不再進(jìn)行描述。圖5的傳感器頭101還包括po2傳感器524，例如，可嵌入玻璃中的鉑陰極的形式。po2傳感器524具有被布置在第二導(dǎo)熱板120中的第一部分，以及穿過絕熱層104和第一導(dǎo)熱板105朝接觸表面延伸并限定測量位置122的另一部分。po2傳感器524以熟知方式執(zhí)行po2測量。在一個實施例中，po2傳感器是電流型傳感器，并且該傳感器包括參比電極(未明確示出)，該參比電極可操作以在po2傳感器與參比電極之間形成電路。在圖5的實施例中，導(dǎo)熱層優(yōu)選地由金制成，或由另一種不易氧化的材料制成。

圖6示出了本發(fā)明的又一個實施例，其中傳感器頭(400)使用光學(xué)原理來測量氣體濃度。傳感器頭(400)通過覆蓋充當(dāng)患者界面的膜(413)的薄金屬層(414)來接觸患者的組織。薄金屬層(414)充當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)熱部件，并通過至少絕熱層(404)來與第二導(dǎo)熱部件(419)隔絕。兩個通氣道(418)允許氣體穿過患者的組織流出以進(jìn)入測量室(423)，該測量室一端由光源(421)封閉，而相對端由雙通道檢測器(415)封閉，由此患者的組織、通氣道(418)和測量室(423)限定封閉系統(tǒng)。又一個熱傳感器(407)位于導(dǎo)熱部件(419)中，該熱傳感器可用于通過調(diào)節(jié)提供給加熱元件(419)的功率來調(diào)節(jié)傳感器的溫度。這樣，導(dǎo)熱部件(417)的溫度可被調(diào)節(jié)成具有與用熱傳感器(406)測量的溫度基本上相同的溫度，因此患者的組織與傳感器(400)之間基本上沒有熱量流動。

盡管已經(jīng)詳細(xì)描述和示出了一些實施例，但是本發(fā)明不限于這些實施例，在以下權(quán)利要求書中限定的主題范圍內(nèi)，還可以用其他方式來具體體現(xiàn)本發(fā)明。

本文所述的方法、產(chǎn)品裝置、系統(tǒng)和設(shè)備可以借助包括若干不同元件的硬件和/或部分或完全借助適當(dāng)編程的微處理器來實現(xiàn)。在列舉了若干裝置的設(shè)備權(quán)利要求中，這些裝置中的若干裝置能夠以同一項硬件來實現(xiàn)，例如適當(dāng)編程的微處理器、一個或多個數(shù)字信號處理器等。在相互不同的從屬權(quán)利要求中引用了或在不同的實施例中描述了某些手段這一事實并不意味著不能使用這些手段的組合來實現(xiàn)益處。

應(yīng)當(dāng)強調(diào)的是，術(shù)語“包括/包含”在本說明書中使用時，是要指定所描述的特征、整數(shù)、步驟或部件的存在，但是并不排除一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、部件或其群組的存在或增加。