CN114727767A - 用于二氧化碳描记信号处理的方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过抑制光吸收信号内的光谱背景信号来获得经滤波的二氧化碳描记信号的方法。获得在一定波长范围内的来自对象的光吸收信号，其中所述光吸收信号表示当光信号穿过接受调查的呼吸空气样本时被吸收的光信号的比例，并且其中所述光吸收信号包括光谱背景信号。从光吸收信号中分离出二次谐波信号，并标识光谱背景信号的周期。在二次谐波信号的中心波长处对二次谐波信号进行采样，其中中心波长表示最大二氧化碳吸收，并且在二次谐波信号的偏离中心波长处对二次谐波信号进行采样，其中偏离中心波长和中心波长被光谱背景信号的周期的倍数分开。然后基于经采样的二次谐波信号产生经滤波的二氧化碳描记信号。

Description

用于二氧化碳描记信号处理的方法和***

技术领域

本发明涉及具有激光源的二氧化碳描记传感器中的信号处理领域，并且更具体地涉及抑制二氧化碳描记信号中的光谱背景信号的领域。

背景技术

二氧化碳描记设备用于监测对象呼出的空气中的CO₂浓度。二氧化碳描记传感器通过检测呼出空气中的光吸收量来测量CO₂浓度。光通常由热的中红外光源产生。然而，具有中红外光源的二氧化碳描记设备具有高功率消耗和大的设备尺寸，因为它们结合了泵并且通常连接到采样管以将呼吸空气的一部分传输到二氧化碳描记设备中的光学CO₂检测单元。

具有二极管激光器的二氧化碳描记设备和用于将用于CO₂检测的光从激光源引导到通气回路中的口鼻插管或气道适配器的光纤的应用提供了以下优点：提供了小的形状因子、低的功耗，并且提供了如在当前侧流二氧化碳描记设备中存在的没有延迟和波形拖尾的检测。

具有光纤的二氧化碳描记设备可以使用可调近红外二极管激光器作为光源。在近红外范围内，与中红外范围相比，光纤技术得到了很好的发展；然而，近红外区的CO₂吸收远小于中红外区。波长调制和锁定检测常用于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)中以提高近红外范围内的小吸收信号的信噪比。

基于激光的二氧化碳描记设备中的一个现行问题是光谱背景信号的存在，其由于光路中的光学部件的表面上的反射所引起的干涉效应而导致二氧化碳描记信号质量降低。

因此，需要抑制基于激光的二氧化碳描记***中的光谱背景信号。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种用于通过抑制光吸收信号内的光谱背景信号来获得经滤波的二氧化碳描记信号的方法，该方法包括：

获得在一定波长范围内的来自对象的光吸收信号，其中所述光吸收信号表示当光信号穿过包含接受调查的呼吸空气样本的呼吸适配器时被吸收的光信号的比例，并且其中所述光吸收信号包括光谱背景信号；

从光吸收信号中分离出二次谐波信号；

标识光谱背景信号的周期；

采样二次谐波信号的多个波长分量，其中采样二次谐波信号包括：

获得在所述二次谐波信号的中心波长处的所述二次谐波信号的样本，其中所述中心波长表示最大二氧化碳吸收；以及

获得在所述二次谐波信号的偏离中心波长处的所述二次谐波信号的样本，其中所述偏离中心波长和所述中心波长被所述光谱背景信号的周期的倍数分隔开；以及

基于经采样的二次谐波信号生成滤波的二氧化碳描记信号。

该方法提供了一种抑制二氧化碳描记信号中的光谱背景信号的手段，其对于诸如温度波动的干扰是鲁棒的，因为光谱背景信号的周期没有显著变化。

通过基于光谱背景信号的周期执行光谱背景信号的抑制，该抑制与光谱背景信号中的波长偏移无关，否则会降低典型滤波方法的精度。此外，所得到的经滤波的信号也与光谱背景强度无关，这意味着可以获得精确的经滤波的二次谐波信号，而与最初获得的二氧化碳描记信号中存在的光谱背景的水平无关。

在一个实施例中，光谱背景信号的周期的倍数是光谱背景信号的全周期的倍数。

在一个实施例中，光谱背景信号的周期的倍数是光谱背景信号的半周期的倍数。

在一个实施例中，获得在中心波长处的二次谐波信号的样本在第一时间段上执行，并且获得在偏离中心波长处的二次谐波信号的样本在第二时间段上执行，其中第一时间段和第二时间段的长度相等。

这样，相当大比例的采样时间指向对二次谐波信号的中心波长的采样，从而保持了CO₂检测的精确性，同时还抑制了光谱背景信号。

在一个实施例中，对二次谐波信号进行采样还包括获得在二次谐波信号的多个偏离中心波长处的二次谐波信号的多个样本，其中多个偏离中心波长和中心波长被光谱背景信号的周期的倍数分开。

这样，光谱背景信号的抑制可以进一步说明光谱背景信号的周期的变化。

在另一实施例中，获得在中心波长处的二次谐波信号的样本在第一时间段上执行，并且获得在多个偏离中心波长处的二次谐波信号的多个样本在第二时间段上执行，其中第一时间段和第二时间段的长度相等。

这样，相当大比例的采样时间指向对二次谐波信号的中心波长的采样，从而保持了CO₂检测的精确性，同时还抑制了光谱背景信号。

在一个实施例中，该方法进一步包括：

从光吸收信号中分离出三次谐波信号；

对三次谐波信号的多个波长分量进行采样，其中对所述三次谐波信号进行采样包括：

获得在所述三次谐波信号的中心波长处的三次谐波信号的样本；以及

获得在所述三次谐波信号的偏离中心波长处的所述三次谐波信号的样本，其中所述偏离中心波长和所述中心波长被所述光谱背景信号的周期的倍数分隔开；以及

为中心和偏离中心波长产生波长校正。

这样，可以在二氧化碳描记信号的三次谐波信号中抑制光谱背景，并且可以产生二氧化碳描记信号的波长校正。

在一个实施例中，该方法用于处理从对象的呼吸周期获得的光吸收信号。

在另一实施例中，在呼吸周期的吸气阶段期间标识光谱背景信号的周期。

以这种方式，当与对象呼出的空气相比时，可以在具有相对低CO₂浓度的空气中标识光谱背景，这意味着光谱背景信号更加显著，并且因此可以增加标识周期的精确性。

在另一个实施例中，通过在多个呼吸周期上求平均来标识光谱背景信号的周期。

以这种方式，可以进一步提高所标识周期的精确性。

在一个实施例中，该方法还包括获得分离的背景信号，其中从分离的背景信号中标识光谱背景周期。

以这种方式，可以进一步提高所标识周期的精确性。

根据依照本发明一个方面的示例，提供了一种包括计算机程序代码装置的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，所述计算机程序代码装置适于实现上述方法。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种用于通过抑制光吸收信号内的光谱背景信号来获得经滤波的二氧化碳描记信号的***，该***包括：

处理器，其中该处理器被适配成：

获得一定波长范围内的来自对象的光吸收信号，其中所述光吸收信号表示当光信号穿过包含接受调查的呼吸空气样本的呼吸适配器时被吸收的光信号的比例，并且其中所述光吸收信号包括光谱背景信号；

从光吸收信号中分离出二次谐波信号；

标识所述光谱背景信号的周期；

采样二次谐波信号的多个波长分量，其中采样二次谐波信号包括：

获得在所述二次谐波信号的中心波长处的所述二次谐波信号的样本，其中所述中心波长表示最大二氧化碳吸收；以及

获得在所述二次谐波信号的偏离中心波长处的所述二次谐波信号的样本，其中所述偏离中心波长和所述中心波长被所述光谱背景信号的周期的倍数分隔开；以及

基于经采样的二次谐波信号生成经滤波的二氧化碳描记信号。

在一个实施例中，该***进一步包括：

如上所述的处理器；

波长可调激光光源，其适于产生在一定波长范围内调制的激光信号，并且其中所述处理器还适于使用所述光源的调制的频率作为参考，来分离所述二次谐波信号；

与波长可调激光光源通信的光纤；

呼吸适配器，该呼吸适配器具有空腔，该空腔被适配为能够连接到受试者的气道上，该呼吸适配器与该光纤连通，使得该激光信号进入该空腔；以及

光检测器，其与呼吸适配器的空腔连通并适于接收通过空腔传输的激光信号。

在一个实施例中，所述光源的调制深度和呼吸适配器的尺寸中的一者或多者被调节，从而调节光谱背景周期，以便将光谱背景周期与二次谐波信号的最大值和最小值对准。

参考下面描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见并且得以阐明。

附图说明

现在将参照附图详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了基于激光的二氧化碳描记***的示意表示；

图2示出了用于研究具有光纤光导的可调二极管激光吸收光谱的***的示意表示；

图3示出了二次谐波CO₂吸收线信号的信号幅度对波长的图；

图4示出了仅针对光谱背景的二次谐波信号的信号幅度对波长的图；

图5示出了在已经执行了光谱背景抑制之后由CO₂浓度的方波调制产生的二氧化碳描记图；

图6示出了本发明的方法；以及

图7示出了包括用于波长控制的反馈回路的本发明的方法。

具体实施方式

将参照附图描述本发明。

应当理解，详细描述和特定示例虽然指示了装置、***和方法的示例性实施例，但是仅用于说明的目的，而不旨在限制本发明的范围。本发明的装置、***和方法的这些和其它特征、方面和优点将从以下描述、所附权利要求和附图中变得更好理解。应当理解，附图仅仅是示意性的并且没有按比例绘制。还应当理解，在贯穿所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。

本发明提供一种通过抑制光吸收信号内的光谱背景信号来获得经滤波二氧化碳描记信号的方法。在一定波长范围内从对象获得光吸收信号，其中光吸收信号表示当光信号通过包含接受调查的呼吸空气样本的呼吸适配器时被吸收的光信号的比例，并且其中光吸收信号包括光谱背景信号。从光吸收信号中分离出二次谐波信号，并标识光谱背景信号的周期。二次谐波信号在二次谐波信号的中心波长处被采样，其中中心波长表示最大二氧化碳吸收，并且在二次谐波信号的偏离中心波长处被采样，其中偏离中心波长和中心波长被光谱背景信号的周期的倍数分开。然后基于采样的二次谐波信号产生经滤波的二氧化碳描记信号。

图1示出了根据本发明一个方面的基于激光的二氧化碳描记***100的示意性表示。

图1所示的二氧化碳描记***100包括与激光光源120和光检测器130通信的处理器110。光源120与呼吸适配器140光学连通，呼吸适配器140设置在对象160的呼吸通路150内。

光源120通过光纤170光学连接到呼吸适配器140。光源120可以产生适于执行二氧化碳描记的任何波长的光，例如近红外范围内的光。例如，光源120可以是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或分布式反馈(DFB)激光器。

光源产生光束180，其在与光检测器130碰撞之前穿过光纤170和呼吸适配器140。当光束180通过呼吸适配器140时，光被呼吸适配器中的二氧化碳部分吸收，从而减少到达光检测器130的光量，导致与激光源处的光束强度相比更低的检测光强度。然后使用光强度的差异来确定呼吸适配器中的CO₂的浓度，以及由对象呼出的呼吸空气中的CO₂的浓度。

具体地，诸如图1中所示的***100的二氧化碳描记***可以包括以接近2μm的波长发射的VCSEL作为光源120，并且该VCSEL适于确定呼吸适配器140中的CO₂浓度，该呼吸适配器140为通气回路中的鼻插管，口-鼻插管或气道适配器的形式。

代替将光检测器定位在呼吸适配器上，可以使用第二光纤来将发射光引导到靠近处理器110的光检测器，或者可以使用单个光纤来使用呼吸适配器内的回射器将光引导到呼吸适配器和从呼吸适配器引导光。

图2示出了用于研究具有光纤光导的可调谐二极管激光吸收光谱(fiber－TDLAS)的***200的示意性表示，该***用于获得下述测量信号，并且在此为了提供这些结果的背景而进行描述。

在图2所示的***200中，光纤210用于将光从垂直腔表面发射激光器(VCSEL)220引导到鼻插管230。VCSEL由与中央控制单元250通信的激光器控制240控制和驱动。激光器控制向VCSEL提供用于波长控制和波长调制的输出信号。

该***包括VCSEL至光纤耦合单元260，其将来自VCSEL的光聚焦到光纤210的芯中。光纤分路器270将一部分光(例如10％)导向参考光检测器280，并且将剩余的光通过跳线光缆290导向鼻插管230，鼻插管230包括光检测器300。光检测器300可以是InGaAs光检测器。通过提供单独的光电检测器280，可以评估和补偿VCSEL至光纤耦合单元260中的光谱背景和环境CO₂吸收。

跳线光缆290在一端包括单模(SM)光纤、标准光连接器，在另一端包括并入了梯度折射率(GRIN)透镜的专用连接器。鼻插管230的光检测器300连接到中央控制单元250。

鼻插管230连接到具有质量流量控制器的气体混合站310，以将CO₂，O₂和N₂混合成具有变化的CO₂浓度的气流。为了评估***的动态行为，在气体混合站和鼻插管之间放置响应时间固定装置320。气体混合站由与中央控制器250通信的气体控制器330控制。

中央控制器250可以通过气体控制器330控制气体成分和通过激光器控制器240控制作为时间函数的VCSEL功率和波长。

在使用中，通过用VCSEL外壳内的微型热电冷却(TEC)单元改变VCSEL温度，并以可扩展到100kHz的范围内的速率经由注入电流更快速地改变VCSEL温度，来缓慢地调谐VCSEL220所产生的光的波长(时间尺度在秒量级及以上)。监测VCSEL温度的TEC和温度传感器连接到激光器控制器240。

慢速调谐方法和快速调谐方法都影响从VCSEL发射的光的功率，这可以称为残余幅度调制(RAM)。通过控制TEC温度，可以将VCSEL发射的光的波长设置为接近期望的吸收线，即与二氧化碳描记相关的CO₂气体的吸收线。

上述调谐方案可用于选择特定的吸收线、扫描吸收线、或在一定时间间隔内确定特定波长的信号强度。此外，AC电流调制可以应用于VCSEL，给出所产生的光束的发射波长的正弦调制，其充当吸收线上的抖动并实现锁定检测。AC电流调制可以被称为波长调制光谱(WMS)，并且与直接吸收测量相比改善了测量的信噪比和零稳定性。WMS与二氧化碳的弱2μm吸收区域中的二氧化碳描记测量和二氧化碳描记鼻插管230中的短吸收路径的限制的组合相关。

测量信号的一次谐波f1对RAM偏移量最敏感；而二次谐波f2和三次谐波f3具有显著较小的RAM贡献。f2信号提供了鼻插管中的CO₂浓度，并且在吸收线中心具有过零点的f3信号可以在反馈回路中以用于波长稳定。可以将f₂和f₃信号归一化到DC电平(f0)，以消除测量对VCSEL的发射功率的依赖性。

如上所述，二氧化碳描记***200的检测灵敏度受到光吸收信号中的光谱背景(即光学干涉条纹)的限制，而不是受到由检测器散粒噪声给出的理论灵敏度限值的限制。为了分辨TDLAS中的气体吸收线，需要使用具有窄发射线宽的激光器。窄线宽的结果是引入干涉效应的长相干长度。有助于VCSEL至光纤耦合单元260内的光学部件和鼻插管230内的干涉的界面的典型间隔导致与吸收线宽度相当的条纹调制周期。不幸的是，WMS不仅增强了吸收特征，而且增强了条纹特征。

在呼吸期间，温度波动和/或振动，例如来自呼吸运动和患者呼吸气流中的温度变化，导致干涉条纹的波长偏移，使得它们不能通过简单地减去基线信号而被去除。然而，干涉条纹的波长周期对温度和振动的波动不太敏感。

图3示出了第二谐波(f₂)CO₂吸收线信号410的信号幅度相对于波长(λ)的图400，其中光谱背景振荡由呼吸适配器内的气体感测腔中的干涉引起。

光谱背景防止光纤-TDLAS在鼻插管内的大约1cm吸收路径长度下达到二氧化碳描记术所需的±2mmHg(±0.27kPa)精度。由于光谱背景周期可与吸收线特征可比拟，用于光谱背景抑制的已知方法(例如频域中的分解)是不准确的。其他已知的方法需要相当长的处理时间，这与二氧化碳描记术对CO₂浓度变化的大约100ms时间响应以能够在呼气期间获得精确的二氧化碳描记术波形的要求不相容。

更具体地，图3示出了使用上面参考图2描述的设置和WMS方法的在2004.4nm波长附近的二次谐波(f₂)CO₂吸收线和光谱背景信号。用于获得图3所示测量值的呼吸适配器腔中的吸收路径为7.5mm，CO₂浓度为55mmHg(7.3kPa)。由呼吸适配器中的干涉引起的光谱背景振荡出现在整个线410上，但是在翼——即远离中心峰值——中特别可见，。

图4示出了当纯氮气流经呼吸适配器的腔时，仅针对光谱背景460的二次谐波(f2)的信号幅度相对于波长(λ)的图450。对于所示的测量，峰－峰光谱背景对应于±4mmHg(±0.53kPa)CO₂，即二氧化碳描记术所需精度的两倍。

这里描述的光谱背景抑制方法是基于对在由光谱背景周期确定的多个波长处的经测量二氧化碳描记信号和光谱背景的采样。下面进一步提供该方法的更详细的说明。

一个采样发生在二氧化碳描记信号的二次谐波(即，最大CO₂吸收的位置)或三次谐波(零交叉)的中心波长处，而至少一个其他采样发生在远离中心波长的光谱背景周期的半倍或整数倍处。通过添加或减去采样信号，可以抑制光谱背景信号并且可以获得背景自由吸收信号强度，从而提供CO₂浓度的准确测量。所得到的值与由于波动(例如由于温度变化)引起的光谱背景的波长偏移无关，因为在各种波长处的采样发生在与这些波动相比为快的时间尺度上。所得值也与光谱背景强度无关。

此外，除了在二次谐波的中心波长处采样之外，还在中心频率两侧的一个光谱背景周期的两个或更多个偏离中心波长处获取附加样本。

大量的采样时间(例如50％)集中在中心波长处，这意味着通过该光谱背景抑制方法检测CO₂的信号精度损失有限。光谱背景抑制方法需要有限的处理能力，从而能够在呼吸期间进行实时CO₂测量。

例如，第一采样可以在低于第二谐波的中心波长的一个光谱背景周期处进行，随后是在中心波长处的采样，最后采样在高于中心波长的一个光谱背景周期处进行。在中心波长和偏离中心波长处采样的时间可以被等分，这通常在CO₂浓度的确定中产生最高的信噪比；然而，也可以应用不同的比率。

图5示出了在已经执行了如上所述的光谱背景抑制之后和由CO₂浓度中的方波调制所产生的二氧化碳描记图500。对于该测量，一个波长被设置在二氧化碳描记信号的二次谐波信号的中心波长处，即f2最大值，而另一个波长被设置在远离吸收强度小的f2最大值的一个光谱背景周期处。从图5可以看出，二氧化碳描记图显示稳定的零和最大水平以及对CO₂变化的快速响应。

更详细地观察光谱背景抑制，针对光谱背景校正的中心波长处的f2信号强度由以下等式产生：

f₂(0)-0.5{f₂(-p_sb)+f₂(p_sb)}＝f_2，sb(0)-0.5{f_2，sb(-p_sb)+f_2，sb(p_sb)}

f₂(0)-f₂(p_sb)＝{1-k}f₂(0)＝f_2，sb(0)-0.5{f_2，sb(-p_sb)+f_2，sb(p_sb)}

并且由下式给出：

f₂(0)＝{f_2，sb(0)-0.5{f_2，sb(-p_sb)+f_2，sb(p_sb)}}/{1-k}

其中：并且f₂(x)和f_2，sb(x)是作为归一化波长(x)的函数的二次谐波信号，它们分别不具有和具有光谱背景。归一化波长由波长相对于中心波长的差给出，并且归一化到线宽。该比率k由以下函数给出：

k＝f₂(p_sb)/f₂(0)＝H₂(p_sb，m)/H₂(0，m)

其中：p_sb是光谱背景周期；并且H₂(x，m)是由下式给出的二次谐波线形函数：

其中，

其中：m是由调制幅度除以吸收线宽的比率所给出的归一化WMS调制深度。

可替换地，当在二氧化碳描记***(诸如，上述***)内考虑时，光谱背景周期相对恒定，意味着信号F2可定义为：

F₂＝{1-k}f₂(0)＝{f_2，sb(0)-0.5{f_2，sb(-p_sb)+f_2，sb(p_sb)}}

其中F₂相对于CO₂浓度被校准。在随后的CO₂浓度测量中，由f_2，sb(-p_sb)、f_2，sb(0)、f_2，sb(p_sb)校准计算的F₂和由该校准得到的斜率可用于确定CO₂浓度。在这种情况下，不再需要上述的k值和线形函数H₂(x，m)。

在光谱背景抑制之后，校正的二次谐波信号与光谱背景幅度和波长偏移无关。与具有1个偏离中心波长采样的方案相比，使用多个偏离中心波长采样的优点在于：最终的二次谐波信号对于光谱背景周期中的小变化也是鲁棒的。然而，在光谱背景周期中的较大波动下，其中光谱背景已被抑制的经校正的二次谐波信号可能变得对光谱背景波长偏移敏感。

为了执行光谱背景抑制，至少有一个偏离中心波长处的信号采样。在一个偏离中心的波长或少量偏离中心的波长处进行采样具有以下优点：与更大量的采样相比，采样时间更短，并且由此具有更好的信噪比；而大量的偏离中心波长样本可以提供更有效的光谱背景抑制。因此，可以根据光谱背景抑制方法的应用来调整偏离中心波长采样的数目。

如果三次谐波信号f3用于VCSEL的波长稳定，则f3信号也可以以与上述类似的方式使用三次谐波线形函数H₃(x，m)而不是H₂(x，m)校正光谱背景信号。

在上述示例中，偏离中心波长的采样是在与中心波长相差一个或多个光谱背景周期的波长处执行的。可替换地，也可以在与中心波长相差半个光谱背景周期或半个光谱背景周期的倍数的波长处进行偏离中心波长的采样。对于在距离中心波长半个光谱背景周期的两个偏离中心波长处的检测，光谱背景校正的f₂信号的表达式变为：

f₂(0)＝{f_2，sb(0)+0.5{{f_2，sb(-p_sb)+f_2，sb(p_sb)}}/{1+k}

其中：

k＝f₂(0.5p_sb)/f₂(0)＝H₂(0.5p_sb，m)/H₂(0，m)

应当注意，对于在半个光谱背景周期的倍数处的采样，与在全光谱背景周期的倍数处的采样相比，符号在表达式中已经改变。

光谱背景周期由二氧化碳描记***的干涉路径长度确定。在使用如上参考图2所述的具有可忽略的光谱背景的VCSEL到光纤单元，或者在VCSEL单元处使用参考检测器用于光谱背景抑制的情况下，在测量的二氧化碳描记信号中的主导光谱背景由在对象通气回路中的鼻插管或气道适配器中的光学接口处的反射的光学干涉产生。这种实际上是一次性部件的部件的替换可能导致光谱背景周期的改变。

在二氧化碳描记术中，相关信息从呼吸周期的呼气阶段的二氧化碳描记图和呼吸率获得。这意味着吸气阶段可以用于导出光谱背景周期，而无需中断在呼气阶段执行的测量。在吸气阶段期间，吸入的环境空气的CO₂浓度比对象呼出的空气中的CO₂浓度低得多，这意味着在吸气阶段期间光谱背景信号比在呼气阶段期间更显著。

在吸入阶段的至少一部分期间，可以执行线性波长采样扫描，随后分析光谱背景周期的信号。可以通过用正弦曲线拟合或通过执行傅立叶分析来执行分析，以确定所获得的吸气相位信号中的主频。可以在多个吸入周期上执行平均，以进一步提高光谱背景周期的精度。

如上所述，光谱背景周期取决于***的光路和呼吸适配器中的反射。在较大的WMS调制幅度下，f2线的宽度和f2最小值的间隔由调制幅度确定。可以利用这种组合将偏离中心的波长采样定位在f2线上的有利位置。

例如，如果光谱背景周期与f2线宽相比较大，并且偏离中心波长样本在f2线的翼处的强度可忽略，则由于k＝0，上述公式简化，从而简化了抑制光谱背景信号所需的计算。

可替代地，可以选择呼吸适配器的调制深度和/或尺寸，使得光谱背景周期对应于f2线的最小值与最大值之间的间隔，在这种情况下：

因为

与

相对于f₂ ^maximum具有相反的符号，并且与f2线上的最大幅度点相对应。在这些位置处的采样可以使经滤波的f2信号的信噪比最大化，并且导致CO₂浓度检测的精度提高。

图6示出了用于通过抑制光吸收信号内的光谱背景信号来获得经滤波的二氧化碳描记信号的方法600。

该方法开始于步骤610：在一定波长范围内从对象获得光吸收信号，其中该光吸收信号表示当光信号通过包含正在调查的呼吸空气样本的呼吸适配器时被吸收的光信号的比例，并且其中该光吸收信号包括光谱背景信号。光吸收信号可以直接从鼻插管获得，或者从用于从对象获得气体样本的任何其它装置获得。可替换地，光吸收信号可以从处理***的存储器获得，这意味着光谱背景信号抑制可以由任何适当的处理***执行。

在步骤620中，从光吸收信号中分离出二次谐波信号，并且在步骤630中，标识光谱背景信号的周期。

在步骤640中，对二次谐波信号的多个波长分量进行采样，其中采样二次谐波信号包括：获得644在所述二次谐波信号的中心波长处的所述二次谐波信号的样本，其中所述中心波长表示最大二氧化碳吸收；以及在所述二次谐波信号的偏离中心波长处获得648所述二次谐波信号的样本，其中所述偏离中心波长和所述中心波长被所述光谱背景信号的周期的倍数分开。

在步骤650中，基于来自步骤640的采样的二次谐波采样在中心波长处计算光谱背景校正。

在步骤660中，基于应用了光谱背景校正的吸收样本计算CO₂浓度。

重复步骤640、650和660以在步骤670中产生CO₂浓度值的时间序列，其提供经滤波的二氧化碳描记信号。步骤640、650和660的单个循环可能花费例如100ms，这将导致CO₂浓度值的时间序列包括每100ms的CO₂值流。

当存在光谱背景周期变化并且需要对光谱背景周期进行定期调整以改善***性能时，也可以在反馈回路中重复步骤610、620和630。这样的光谱周期调整可以在与经历步骤640、650和660的二氧化碳描记信号生成循环所花费的时间相比长的时间尺度上发生。

图7示出了用于通过基于光吸收信号的二次谐波和三次谐波抑制光吸收信号内的光谱背景信号来获得经滤波的二氧化碳描记信号的方法700。

该方法开始于步骤710：在一定波长范围内从对象获得光吸收信号，其中光吸收信号表示当光信号通过包含正在调查的呼吸空气样本的呼吸适配器时被吸收的光信号的比例，并且其中光吸收信号包括光谱背景信号。光吸收信号可以直接从鼻插管获得，或者从用于从对象获得气体样本的任何其它装置获得。可替换地，光吸收信号可以从处理***的存储器获得，这意味着光谱背景信号抑制可以由任何适当的处理***执行。

在步骤720中，从光吸收信号中分离出二次谐波信号和三次谐波信号，并且在步骤730中，标识光谱背景信号的周期。

在步骤740中，对二次谐波信号和三次谐波信号的多个波长分量进行采样，其中对谐波信号进行采样包括：获得744在谐波信号的中心波长处的谐波信号的样本；以及获得748在谐波信号的偏离中心波长处的谐波信号的样本，其中偏离中心波长和中心波长被光谱背景信号的周期的倍数分开。在信号处理期间，可以使用特定波长的吸收信号样本来产生二次谐波和三次谐波样本。

在步骤750中，基于来自步骤740的样本，计算中心波长处的二次谐波以及三次谐波的光谱背景校正。

在步骤760中，基于应用了光谱背景校正的吸收信号来计算CO₂浓度，并且基于样本的三次谐波信号来计算波长校正。在随后的循环步骤中应用波长校正，以在步骤740中调整用于采样的波长。

在步骤770中，基于所计算的CO₂浓度生成经滤波的二氧化碳描记信号。

此外，图7的方法700可以包括与上面参考图6描述的反馈回路类似的反馈回路。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种用于通过抑制光吸收信号内的光谱背景信号来获得经滤波的二氧化碳描记信号的方法(600)，所述方法包括：

获得(610)一定波长范围内的来自对象的光吸收信号，其中所述光吸收信号表示当光信号穿过包含接受调查的呼吸空气样本的呼吸适配器时被吸收的所述光信号的比例，并且其中所述光吸收信号包括光谱背景信号；

从所述光吸收信号中分离(620)二次谐波信号；

标识(630)所述光谱背景信号的周期；

采样(640)所述二次谐波信号的多个波长分量，其中采样所述二次谐波信号包括：

获得(644)在所述二次谐波信号的中心波长处的所述二次谐波信号的样本，其中所述中心波长表示最大二氧化碳吸收；以及

获得(648)在所述二次谐波信号的偏离中心波长处的所述二次谐波信号的样本，其中所述偏离中心波长和所述中心波长被所述光谱背景信号的所述周期的倍数分隔开；以及

基于所采样的二次谐波信号生成(670)经滤波的二氧化碳描记信号。

2.根据权利要求1所述的方法(600)，其中所述光谱背景信号的所述周期的所述倍数是所述光谱背景信号的全周期的倍数。

3.根据权利要求1所述的方法(600)，其中所述光谱背景信号的所述周期的所述倍数是所述光谱背景信号的半周期的倍数。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法(600)，其中获得在所述中心波长处的所述二次谐波信号的所述样本在第一时间段上执行，并且获得在所述偏离中心波长处的所述二次谐波信号的所述样本在第二时间段上执行，其中所述第一时间段和所述第二时间段的长度相等。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(600)，其中采样所述二次谐波信号还包括：获得在所述二次谐波信号的多个偏离中心波长处的所述二次谐波信号的多个样本，其中所述多个偏离中心波长和所述中心波长被所述光谱背景信号的所述周期的倍数分隔开。

6.根据权利要求5所述的方法(600)，其中获得在所述中心波长处的所述二次谐波信号的样本在第一时间段上执行，并且获得在所述多个偏离中心波长处的所述二次谐波信号的所述多个样本在第二时间段上执行，其中所述第一时间段和所述第二时间段的长度相等。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法(600)，其中所述方法进一步包括：

从所述光吸收信号中分离(720)三次谐波信号；

采样(740)所述三次谐波信号的多个波长分量，其中采样所述三次谐波信号包括：

获得(744)在所述三次谐波信号的中心波长处的所述三次谐波信号的样本；以及

获得(748)在所述三次谐波信号的偏离中心波长处的所述三次谐波信号的样本，其中所述偏离中心波长和所述中心频率被所述光谱背景信号的所述周期的倍数分隔开；以及

生成(760)所述中心波长和所述偏离中心波长的波长校正。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法(600)，其中所述方法用于处理从对象的呼吸周期获得的光吸收信号。

9.根据权利要求8所述的方法(600)，其中在所述呼吸周期的吸气阶段期间标识所述光谱背景信号的所述周期。

10.根据权利要求8至9中任一项所述的方法(600)，其中通过对多个呼吸周期求平均来标识所述光谱背景信号的所述周期。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法(600)，其中所述方法还包括获得分离的背景信号，其中从所述分离的背景信号中标识所述光谱背景周期。

12.一种计算机程序，包括计算机程序代码装置，当所述计算机程序在计算机上运行时，所述计算机程序代码装置适于实现根据权利要求1至11中任一项所述的方法。

13.一种用于通过抑制光吸收信号内的光谱背景信号来获得经滤波的二氧化碳描记信号的***(100)，所述***包括：

处理器(110)，其中所述处理器适于：

获得一定波长范围内的来自对象的光吸收信号，其中所述光吸收信号表示当光信号穿过包含接受调查的呼吸空气样本的呼吸适配器时被吸收的所述光信号的比例，并且其中所述光吸收信号包括光谱背景信号；

从光吸收信号中分离出二次谐波信号；

标识所述光谱背景信号的周期；

采样所述二次谐波信号的多个波长分量，其中采样所述二次谐波信号包括：

获得在所述二次谐波信号的中心波长处的所述二次谐波信号的样本，其中所述中心波长表示最大二氧化碳吸收；以及

获得在所述二次谐波信号的偏离中心波长处的所述二次谐波信号的样本，其中所述偏离中心波长和所述中心波长被所述光谱背景信号的所述周期的倍数分隔开；以及

基于所采样的所述二次谐波信号生成经滤波的二氧化碳描记信号。

14.根据权利要求13所述的***(100)，其中所述***进一步包括：

根据权利要求13所述的处理器；

波长可调激光光源(120)，其适于生成在一定波长范围内调制的激光信号，并且其中所述处理器还适于使用所述光源的所述调制的频率作为参考，来分离所述二次谐波信号；

与所述波长可调激光光源连通的光纤(170)；

呼吸适配器(140)，其具有腔，所述腔适于能够连接到对象的气道，所述呼吸适配器与所述光纤连通，使得所述激光信号进入所述腔；以及

光检测器(130)，其与所述呼吸适配器的所述腔连通并且适于接收通过所述腔传输的所述激光信号。

15.根据权利要求13至14中任一项所述的***(100)，其中所述光源的调制深度以及所述呼吸适配器的尺寸中的一者或多者被调节，从而调节所述光谱背景周期，以便将所述光谱背景周期与二次谐波信号的最大值和最小值对准。

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