(57)【要約】ハウジング（６１）、コリメータ（６４）、再帰反射器（６７）及びシングルモード光ファイバー（６３）を使用する、カプノグラフィーまたはオキシグラフィーのためのファイバーアセンブリ（６０）である。ハウジング（６１）は呼吸ガス検出チャンバー（６２）を含む。コリメータ（６４）はハウジング（６１）内に固定配置され、又は取り外し可能に取り付けられ、再帰反射器（６７）はハウジング（６１）内に固定配置され、又は取り外し可能に取り付けられる。コリメータ（６４）と再帰反射器（６７）は、ハウジング（６１）内で呼吸ガス検出チャンバー（６２）をはさんで光学的にアライメントされている。光ファイバー（６３）はハウジング（６１）内外のコリメータ（６４）と光学的にアライメントされている。動作中、光ファイバー（６３）はガスセンシング光ビームを放射し、これはコリメータ（６４）を通り呼吸ガス検出チャンバー（６２）を横切り再帰反射器（６７）に至り、光ファイバー（６３）は再帰反射器（６７）から反射されたガス検出光ビームを受光し、これは呼吸ガス検出チャンバー（６２）を横切りコリメータ（６４）を通り光ファイバー（６３）に至る。ガス検出光ビームは呼吸ガス検出チャンバー（６２）を通って流れる任意のガス中の二酸化炭素または酸素の程度を示す。
2019513987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
呼吸ガス検出のためのファイバーアセンブリであって、
呼吸ガス検出チャンバーを含むハウジングと、
前記ハウジング中に固定的に配置された、又は前記ハウジングに取り外し可能に取り付けられたコリメータと、
前記ハウジング中に固定的に配置された、又は前記ハウジングに取り外し可能に取り付けられた、前記ハウジング中で、前記呼吸ガス検出チャンバーを挟んで前記コリメータと光学的にアライメントされた再帰反射器と、
前記ハウジング中の又は外の前記コリメータと光学的にアライメントされたシングルモード光ファイバーであって、前記コリメータを通して前記呼吸ガス検出チャンバーをわたって前記再帰反射器にガスセンシング光ビームを放射し、前記再帰反射器から反射されたガス検出光ビームを、前記呼吸ガス検出チャンバーをわたって前記コリメータを通して前記シングルモード光ファイバーで受光する、シングルモード光ファイバーとを有し、
前記ガス検出光ビームは前記呼吸ガス検出チャンバーを通って流れる任意のガス中の二酸化炭素または酸素の程度を示す、
ファイバーアセンブリ。
【請求項２】
前記コリメータはＧＲＩＮレンズである、
請求項１に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項３】
前記再帰反射器は、
反射面を有する鏡と、
前記反射面に光学的にアライメントされたレンズとを含む、
請求項１に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項４】
前記再帰反射器は、
反射面を有する鏡と、
前記反射面を包み込むモールドプラスチックとを含む、
請求項１に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項５】
前記再帰反射器は再帰反射器の角のコーナーである、
請求項１に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項６】
前記再帰反射器は再帰反射器プリズムである、
請求項１に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項７】
前記再帰反射器は再帰反射器コーンである、
請求項１に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項８】
前記コリメータおよび前記再帰反射器の光学的にアライメントされて配置されたレンズをさらに有し、
前記シングルモード光ファイバーによる前記ガスセンシング光ビームの放射は、順に、前記コリメータと前記レンズを通り、前記呼吸ガス検出チャンバーをわたり、前記再帰反射器に至り、
前記シングルモード光ファイバーによる前記ガス検出光ビームの受信は、前記再帰反射器により反射され、前記呼吸ガス検出チャンバーを通り、順に、前記レンズと前記コリメータとを通り、前記シングルモード光ファイバーにいたる、
請求項１に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項９】
前記レンズは球面レンズである、
請求項８に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項１０】
前記レンズは双円錐形またはトロイダル形のレンズである、
請求項８に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項１１】
呼吸ガス検出装置であって、
ファイバーアセンブリを有し、前記ファイバーアセンブリは、
呼吸ガス検出チャンバーを含むハウジングと、
前記ハウジング中に固定的に配置された、又は前記ハウジングに取り外し可能に取り付けられたコリメータと、
前記ハウジング中に固定的に配置された、又は前記ハウジングに取り外し可能に取り付けられた、前記ハウジング中で、前記呼吸ガス検出チャンバーを挟んで前記コリメータと光学的にアライメントされた再帰反射器と、
前記ハウジング中の又は外の前記コリメータと光学的にアライメントされたシングルモード光ファイバーであって、前記コリメータを通して前記呼吸ガス検出チャンバーをわたって前記再帰反射器にガスセンシング光ビームを放射し、前記再帰反射器から反射されたガス検出光ビームを、前記呼吸ガス検出チャンバーをわたって前記コリメータを通して前記シングルモード光ファイバーで受光する、シングルモード光ファイバーとを有し、
前記ガス検出光ビームは前記呼吸ガス検出チャンバーを通って流れる任意のガス中の二酸化炭素または酸素の程度を示し、
前記シングルモード光ファイバーに光学的に結合された光制御アセンブリであって、前記光制御アセンブリは、
前記ガスセンシング光ビームを発生するレーザーと、
前記ガス検出光ビームを検出する光ディテクタと、
前記レーザーから前記ガス検出光ビームを前記シングルモード光ファイバーに向け、前記シングルモード光ファイバーからの前記ガスセンシング光ビームを前記光ディテクタに向けるように構造的に構成された、光ファイバーサーキュレータまたは光ファイバーカップラとを含む、
呼吸ガス検出装置。
【請求項１２】
前記コリメータはＧＲＩＮレンズである、
請求項１１に記載の呼吸ガス検出装置。
【請求項１３】
前記再帰反射器は、
反射面を有する鏡と、
前記反射面に光学的にアライメントされたレンズとを含む、
請求項１１に記載の呼吸ガス検出装置。
【請求項１４】
前記再帰反射器は、
反射面を有する鏡と、
前記反射面を包み込むモールドプラスチックとを含む、
請求項１１に記載の呼吸ガス検出装置。
【請求項１５】
前記再帰反射器は再帰反射器の角のコーナーである、
請求項１１に記載の呼吸ガス検出装置。
【請求項１６】
前記再帰反射器は再帰反射器プリズムである、
請求項１１に記載の呼吸ガス検出装置。
【請求項１７】
前記再帰反射器は再帰反射器コーンである、
請求項１１に記載の呼吸ガス検出装置。
【請求項１８】
前記コリメータおよび前記再帰反射器の光学的にアライメントされて配置されたレンズをさらに有し、
前記シングルモード光ファイバーによる前記ガスセンシング光ビームの放射は、順に、前記コリメータと前記レンズを通り、前記呼吸ガス検出チャンバーをわたり、前記再帰反射器に至り、
前記シングルモード光ファイバーによる前記ガス検出光ビームの受信は、前記再帰反射器により反射され、前記呼吸ガス検出チャンバーを通り、順に、前記レンズと前記コリメータとを通り、前記シングルモード光ファイバーにいたる、
請求項１１に記載の呼吸ガス検出装置。
【請求項１９】
前記レンズは球面レンズである、
請求項１８に記載の呼吸ガス検出装置。
【請求項２０】
前記レンズは双円錐形またはトロイダル形のレンズである、
請求項１８に記載の呼吸ガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
以下は、概して、呼吸ガス検出のためのファイバーアセンブリに関し、より詳細には、カプノグラフィーまたはオキシグラフィーのための公差がゆるい（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ  ｆｒｉｅｎｄｌｙ）シングルモードファイバーアセンブリ、および関連する製造方法および使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つのタイプの呼吸ガス検出はカプノグラフィー（ｃａｐｎｏｇｒａｐｈｙ）であり、これは呼吸ガス中の二酸化炭素（ＣＯ２）の濃度または分圧の監視である。既知の呼吸ガス検出装置は、オランダのアイントホーフェンにあるＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ  Ｐｈｉｌｉｐｓ  ＮＶから入手可能なＲｅｓｐｉｒｏｎｉｃｓ（登録商標）ＬｏＦｌｏ（登録商標）Ｓｉｄｅｓｔｒｅａｍ  ＣＯ２センサーであり、これは非分散赤外線（ＮＤＩＲ）単一ビーム光学測定技術を使用して、鼻カニューレまたは他の患者アクセサリーを介して呼吸ガスサンプル中のＣＯ２を測定するものである。ＬｏＦｌｏ（登録商標）ＣＯ２センサーには、呼吸ガスをサンプルセルに引き込むポンプが含まれている。他の１つのタイプの呼吸ガス検出はオキシグラフィー（ｏｘｙｇｒａｐｈｙ）であり、これは呼吸ガス中の酸素（Ｏ２）の濃度または分圧の監視である。オキシグラフィーは、患者の代謝を監視するためカプノグラフィーと組み合わせることができる。
【０００３】
本開示は、ＬｏＦｌｏ（登録商標）Ｓｉｄｅｓｔｒｅａｍ  ＣＯ２センサーの代替物を提供する。特に、本明細書において開示及び説明するのは、呼吸ガス検出チャンバーの一方の側に１つ以上の光ファイバーを有する光路と、呼吸ガス検出チャンバーの他方の側に光反射器とに基づくアセンブリのクラスであり、これはカプノグラフィーその他のガス検出アプリケーションに対し明確な利点を有する。
【０００４】
このような利点の１つは、光源の光放射および検出光の輸送のための光ファイバーの使用により、ポンプの必要性が無くなることである。Ｐｈｉｌｉｐｓ  ＲｅｓｐｉｒｏｎｉｃｓのＬｏＦｌｏ（登録商標）サイドストリーム呼吸ガス検出装置では、ポンプは装置のコストの大部分を占め、大量の電力を消費し、低消費電力のモバイル装置を実現できない原因となっている。また、光ファイバーの使用により、患者のベッドの周りのケーブルの数が減少し、サンプリングチューブの輻輳の問題が無くなり、信号遅延が無くなり、ガス輸送によるカプノグラフィーの歪みも無くなる。
【０００５】
メインストリーム構成では、光ファイバーを使用して、ＣＯ２測定ユニットのかさばる重い部分を気道アダプタから離すことができ、軽量で快適なセンサーが可能になるという利点もある。
【０００６】
カプノグラフィーやオキシグラフィーに好適なファイバーアセンブリは、固く、強く、低コストでなければならない。
【０００７】
今日まで、これまでに解決できなかった大きな問題のために、適切に機能し、商業的使用に適したファイバーを組み込んだ呼吸ガス検出装置は知られていない。
【０００８】
ファイバーを組み込んだ呼吸ガス検出装置の主要な問題の１つは、ＣＯ２またはＯ２の割合（ｒａｔｅ）を測定するために必要とされる光学アセンブリのコストがかなり高いことである。
【０００９】
加えて、テスト結果によれば、マルチモードファイバを用いた場合、検出信号がモード干渉に起因して著しい妨害を含む。シングルモードファイバは、この問題に関してはるかに良い結果をもたらした。しかしながら、シングルモードファイバを使用した結果、光学アセンブリに要求される公差が非常に厳しくなり、一般に商業的に実用的ではないと考えられるレベルまで大幅にコストを増加させる。
【００１０】
調節可能ダイオードレーザー吸収スペクトロスコピー（ＴＤＬＡＳ）では、一般的に、平行な光ビームが使用され、これがウィンドウを通してガスセルに出入りする。マルチパスセルも知られており、これではビームが複数回反射され、ガスセルにおける吸収を強化する。光源とウィンドウとの間の光路は、通常はオープン光路であるが、光ファイバー光路も知られている。
【００１１】
例えば、図１Ａは、光ファイバー２２と光ファイバー２７と組み合わせてガス濃度を測定する例示的な光路を確定する呼吸ガス検出チャンバー２１を有するファイバーアセンブリ２０を示す。動作中、光ファイバー２２は光源（図示せず）により光を供給される。光源は、好ましくは、適切な光カップリング効率と、ＣＯ２またはＯ２の検出に適した波長とを有するレーザーである。光ファイバー２２からの光ビームは、レンズ２３により平行ビームにコリメート（ｃｏｌｌｉｍａｔｅ）される。ウィンドウ２４と２５との間のガス検出チャンバー２１を通って流れる空気中のＣＯ２（Ｏ２）は、光の一部を吸収する。ビームの非吸収部分はレンズ２６によりフォーカスされ光ファイバー２７に入る。光ファイバー２７は検出器（図示せず）に接続されている。図１Ｂはミリメートル尺度で、コンポーネント間の例示的な間隔を示す。
【００１２】
実験によれば、マルチモードファイバを用いた場合、検出信号がモード干渉に起因して著しい妨害を含む。シングルモードファイバは、この問題に関してはるかに良い結果をもたらした。しかし、シングルモードファイバの使用の結果、光アセンブリの公差が非常に厳しくなる。かかる公差は、１μｍ及び／又は０．１ｍｒａｄのオーダーであることが分かった。
【発明の概要】
【００１３】
上述の問題および課題を解決するために、本明細書で開示および説明されるものは、光アセンブリであって、１つ以上のシングルモード光ファイバーが呼吸ガス検出チャンバーの一方の側から結合されるものである。
【００１４】
本開示の発明の一実施形態は、ハウジング、コリメータ、再帰反射器およびシングルモード光ファイバーを利用する呼吸ガス検出のためのファイバーアセンブリである。ハウジングは呼吸ガス検出チャンバーを含む。コリメータはハウジング中に固定的に配置されるか、ハウジングに取り外し可能に取り付けられ、再帰反射器もハウジング中に固定的に配置されるか、ハウジングに取り外し可能に取り付けられる。コリメータと再帰反射器は、ハウジング中で、呼吸ガス検出チャンバーをわたり光学的にアライメントされる。シングルモード光ファイバーは、ハウジングの中または外のコリメータと光学的にアライメントされ、単一の光ファイバーによるコリメータを通り呼吸ガス検出チャンバーを横切り再帰反射器にいたるガスセンシング光ビームを放射し、呼吸ガス検出チャンバーを横切りコリメータを通りシングルモード光ファイバーにいたる再帰反射器から反射されたガス検出光ビームのシングルモード光ファイバーによる受光をする。ガス検出光ビームは、本開示の技術において知られているように、呼吸ガス検出チャンバーを通って流れるガス中の二酸化炭素または酸素の程度を示す。
【００１５】
本開示の発明の第２の実施形態は、呼吸ガス検出装置であって、ファイバーアセンブリと、シングルモード光ファイバーに光学的に結合された光制御アセンブリとを利用するものである。光制御アセンブリは、ガスセンシング光ビームを発生するレーザーと、ガス検出光ビームを検出する光ディテクタと、レーザーからのガスセンシング光ビームをシングルモード光ファイバーに向け、シングルモード光ファイバーからの二酸化炭素のサンプリングした光ビームを光ディテクタに向けるように構造的に構成された光ファイバーサーキュレータとを含む。
【００１６】
本開示の発明を説明し、特許請求する目的で、「シングルモード光ファイバー」、「コリメータ」、「再帰反射器」、「ミラー」、「レンズ」、「レーザー」、「光ディテクタ」および「サーキュレータ」は、本開示の技術において知られており、本明細書で例示的に説明したように解釈すべきである。
【００１７】
より具体的には、本開示の技術分野で知られており、以下に考察されるように、シングルモード光ファイバーは、すべての光ファイバーを広く包含し、関心波長では最低次結合モードのみが伝搬することができる。
【００１８】
コリメータは、本開示の技術分野で知られており、以下で考察する、コリメートされた（平行な）光を生成する任意の装置を広く包含する。コリメータの非限定的な例は、本開示の技術において知られているＧＲＩＮレンズである。
【００１９】
再帰反射器は、本開示の技術において知られており、以下に考察するように、光源への戻り光の非散乱／非有意散乱反射のための表面を有する任意の装置を広く包含する。再帰反射器の非限定的例は、コーナー反射器、プリズム反射器、コーン反射器およびキャッツアイを含む。
【００２０】
また、本開示の発明を説明し特許請求することを目的として、「ガスセンシング光ビーム」という用語は、未知の程度の二酸化炭素または酸素を含むガスに光ビームを通過させるために、光ファイバーから放射される光ビームを広く包含し、「ガス検出光ビーム」という用語は、未知の程度の二酸化炭素または酸素を含むガスを通過した後に光ファイバーによって受け取られる二酸化炭素または酸素検出サンプリング光ビームを広く包含する。
【００２１】
本開示の発明の上記の実施形態およびその他の実施形態ならびに本開示の発明の様々な特徴および利点は、添付の図面を参照して、本開示の発明の様々な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるだろう。詳細な説明と図面は、本発明を例示するためだけのものであり、限定するものではない。本開示の発明の範囲は、特許請求の範囲とその均等の範囲により決まる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１Ａおよび図１Ｂは、本開示の技術において既知の発光光ファイバーから受光光ファイバーへのまっすぐな光路を有するファイバーアセンブリの例示的実施形態を示す図である。
【００２３】
【図２】図２Ａないし図２Ｆは、本開示の発明原理による発光光ファイバーから受光光ファイバーへの折り畳まれた光路を有するファイバーアセンブリの例示的実施形態を示す図である。
【００２４】
【図３】図３Ａないし図３Ｓは、本開示の発明原理による、光ファイバーと再帰反射器との間の反射光路を有するファイバーアセンブリの例示的実施形態を示す図である。
【００２５】
【図４】図４Ａないし図４Ｆは、本開示の発明原理によるファイバーアセンブリの例示的実施形態を示す図である。
【００２６】
【図５】本開示の発明原理による、呼吸ガス検出装置の例示的実施形態を示す図である。
【００２７】
【図６】本開示の発明原理による、ファイバーアセンブリの患者への例示的取り付けを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本開示の発明の理解を容易にするため、図２Ａないし図２Ｆに関する以下の説明は、本開示の発明原理による、発光光ファイバーから受光光ファイバーまでの折り畳まれた光路を有するファイバーアセンブリの基本的な発明原理を教示する。図２Ａないし図２Ｆのこの説明から、当業者は、本開示の発明原理をどのように適用して、本開示の発明原理による発光光ファイバーから受光光ファイバーへの折り畳まれた光路を有するファイバーアセンブリの多数の様々な実施形態を実施するか理解するだろう。
【００２９】
図２Ａを参照して、ファイバーアセンブリ３０は、発光シングルモード光ファイバー３２ａと、受光シングルモード光ファイバー３２ｂとを利用する。動作中、ある程度の二酸化炭素を含むガスが、上向きの点線矢印により例示的に示したように、呼吸ガス検出チャンバー３１を通って流れる。光ファイバー３２ａは、順に、（非）球面レンズ３３ａとウィンドウ３４ａを通り、呼吸ガス検出チャンバー３１を横切り、フラットミラー３５にガスセンシング光ビームを放射する。フラットミラー３５により、ガス検出光ビームは反射され、ガス検出チャンバー３１を横切り、順に、ウィンドウ３４ｂと（非）球面レンズ３３ｂを通り、光ファイバー３２ｂまで戻る。ガス検出光ビームは、本開示の技術において知られているように、呼吸ガス検出チャンバーを通って流れるガス中の二酸化炭素または酸素の程度を示す。
【００３０】
図２Ｂと図２Ｃは、図２Ａに示したファイバーアセンブリ３０の例示的な寸法（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｓｐａｃｉｎｇ）を示す図である。特に、図２Ｃは、吸収パス長を図１Ｂと同じに保ちつつ、測定長（ウィンドウ３４と３６は図示せず）を犠牲にせずに、寸法を小さくできることを示す。
【００３１】
例えば、図２Ａないし図２Ｃに開示したような本開示による光アセンブリにより、機械的に安定した構成が可能となる。図４Ａないし図４Ｅに関して本明細書でさらに説明するように、ハウジングのコンパクト性によりシステムが堅牢になるからである。
【００３２】
本開示のこの利点は、図１Ａおよび図１Ｂに示したような「クロスオーバー」システムと対照的である。「クロスオーバー」システムは、より長くなければならず、これはシステムの堅牢性と、それゆえ安定性に有害である。これは、特にセンサーがカプノグラフィーのカニューレに組み込まれる必要がある場合である。カニューレ自体は、一般的には堅牢性がほとんど又はまったく無いからである。
【００３３】
本開示の他の利点は、機械的寸法が同じとして、空気の測定長が２倍大きくなることである。これにより、カニューレへのセンサーの組み込みがよりいっそう容易になり、患者が酸素供給を必要とする場合、図４Ａないし図４Ｅを参照して本明細書でさらに説明するように、カニューレの反対側をこの目的に使うことができる。
【００３４】
図２Ｄは、（非）球面レンズ３３ａおよび３３ｂの替わりに、ＧＲＩＮレンズ３６ａおよび３６ｂを有するファイバーアセンブリ３０の例示的な代替的実施形態を示す。ＧＲＩＮレンズ３６ａおよび３６ｂは、カプノグラフィーファイバーアセンブリにとって魅力的であるが、それはカニューレとコンパチブルな小型サイズであり、低コストで大量生産できるからである。さらに、ＧＲＩＮレンズ３６ａおよび３６ｂは、それぞれの光ファイバー３２ａおよび３２ｂに対して取り付けることができるので、アライメントが容易になり、干渉効果が減少し、ファイバーとレンズとの間の領域における偽のガス検出を防止する。
【００３５】
図２Ｅは、トロイダルミラー３８を有するファイバーアセンブリ３０の例示的な代替的実施形態を示す。フラットミラー３５を用いることに関する不利益は、ミラー３５の中心を正確に配置しなければならないことでもある。この例示的実施形態の利点は、配置が決定的に重要なレンズが必要ない点にある。さらに、トロイダルミラー３８を使用する場合、光ファイバー３２ａおよび３２ｂは、ある角度に方向を合わされなければならない。この方向合わせ問題は、例えば、図２Ｆに示すような、２つの小型くさび形状プリズム３９ａおよび３９ｂを用いることにより解決される。
【００３６】
当業者には、本明細書の教示を参照して理解するだろうが、反射が１回の上記の実施形態は反射が複数回の構成に拡張することができる。
【００３７】
さらに、当業者は本明細書の教示を考慮して理解するだろうが、他のタイプの反射器を用いることもできる。
【００３８】
本開示の発明の理解を容易にするため、図３Ａないし図３Ｓに関する以下の説明は、本開示の発明原理による、光ファイバーと再帰反射器との間に反射光路を有するファイバーアセンブリの基本的な発明原理を教示する。図３Ａないし図３Ｓのこの説明から、当業者は、本開示の発明原理をどのように適用して、本開示の発明原理による光ファイバーと再帰反射器との間に反射光路を有するファイバーアセンブリの多数の様々な実施形態を実施するか理解するだろう。
【００３９】
図３Ａを参照して、ファイバーアセンブリ４０はシングルモード光ファイバー４２を利用し、これは発光光ファイバー３２ａ（図２Ａ）と受光光ファイバー３２ｂ（図２Ａ）との「双方向（ｔｗｏ−ｗａｙ）」ファイバーとしての組み合わせである。
【００４０】
動作中、ある程度の二酸化炭素およびある程度の酸素を含むガスが、上向きの点線矢印により例示的に示したように、呼吸ガス検出チャンバー４１を通って流れる。光ファイバー４２は、順に、（非）球面レンズ４３とウィンドウ４４を通り、呼吸ガス検出チャンバー４１を横切り、ウィンドウ４５を通り、再帰反射器４６にガスセンシング光ビームを放射する。ガス検出光ビームは、再帰反射器４６により反射され、ガス検出チャンバー４１を横切り、順に、ウィンドウ４４と（非）球面レンズ４３を通り、光ファイバー４２まで戻る。ガス検出光ビームは、本開示の技術において知られているように、呼吸ガス検出チャンバーを通って流れるガス中の二酸化炭素または酸素の程度を示す。レーザー源の波長により、システムが二酸化炭素検出に適しているか、酸素検出に適しているか決まる。
【００４１】
図３Ｂは、再帰反射器４６が角のコーナー（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ  ｃｏｒｎｅｒ）４６ａであるファイバーアセンブリ４０の一実施形態を示す。当業者は本明細書の教示を考慮して理解するだろうが、他のタイプ及び／又は構成の再帰反射器を本開示により使用できる。しかし、好ましくは、単一の再帰反射器を用いアレイは用いないが、その理由は、アレイの場合、干渉が生じスペクトルノイズレベルが増加するからである。
【００４２】
図３Ｃと図３Ｄは２つの異なるミスアライメント例を示す。図３Ｃは光源の横方向位置誤差が１００μｍの場合を示し、図３Ｄは再帰反射器の横方向位置誤差が１００μｍの場合を示す。両方の場合で、光源焦点（ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｃｕｓ  ｐｏｉｎｔ）の画像は光源焦点自体と一致する。ファイバーのレンズに対する偏心の衝撃の結果として、再帰反射器のミスアライメントによるアセンブリの性能に対する衝撃は小さくなる。
【００４３】
図３Ｅおよび図３Ｆは、再帰反射器４６ｂが（非）球面レンズ４７およびミラー４８（例えば、「キャッツアイ（ｃａｔ’ｓ  ｅｙｅ）」）を含む、アセンブリ４０の例示的実施形態を示す。光源の横方向の位置誤差が１００μｍ（図３Ｅ）であり、ミラー４８の角度誤差が２°（図３Ｆ）であっても、光源焦点自体に対する光源焦点画像のシフトは見られない。
【００４４】
本明細書に開示及び説明するように、本開示によれば、ファイバーおよび再帰反射器の側に（非）球面レンズではなくＧＲＩＮレンズまたはボールレンズを有する他の実施形態も可能である。
【００４５】
ＧＲＩＮレンズをファイバーに取り付けることで、簡単にアライメントができ、干渉効果を低減し、ファイバーとレンズとの間の領域における偽のガス検出を防止することができる。
【００４６】
さらに、本明細書に開示及び説明することは、本開示によるファイバーアセンブリの生産方法である。射出成形プラスチック部品に基づき比較的低コストの構成が可能である。再帰反射器は、金属化表面を有する射出成形角コーナー（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ  ｃｏｒｎｅｒ）から作ることができる。ＣＯ２検出に２ミクロンに近い波長を使う場合、シリカに基づくシングルモードファイバとＧＲＩＮレンズを使うことができ、ガスセンシングエリアの周りで、光学パーツの吸収が十分小さい異なるタイプのプラスチック材料を用いることができる。このプラスチック材料は、例えば、ファイバーからのビームをコリメートするホログラフィックレンズに用いることができ、必要に応じてキャッツアイ構成の第２レンズに用いることができる。波長が７６０ｎｍに近い酸素検出では、より広い範囲の材料が利用可能である。一般的には、垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）やファブリペロー（ＦＰ）エッジ発光レーザーが光源として使用される。
【００４７】
図３Ａを参照して、ファイバーアセンブリ４０はシングルモード光ファイバー５２を利用し、これは発光光ファイバー３２ａ（図２Ａ）と受光光ファイバー３２ｂ（図２Ａ）との「双方向（ｔｗｏ−ｗａｙ）」ファイバーとしての組み合わせである。
【００４８】
カプノグラフィー装置としての動作中、ある程度の二酸化炭素を含むガスが、上向きの点線矢印により例示的に示したように、呼吸ガス検出チャンバー５１を通って流れる。光ファイバー５２は、ガスセンシング光ビームを放射し、このビームは順にＧＲＩＮレンズ５３と（非）球面レンズ５５ａを通り、呼吸ガス検出チャンバー５１を横切り、モールドプラスチック５６ａとミラー５７ａにより構成される再帰反射器に到達する。これによりガス検出光ビームが反射され、呼吸ガス検出チャンバー５１を横切り、順に（非）球面レンズ５５ａとＧＲＩＮレンズ５３とを通り、光ファイバー５２に到達する。レンズ５５ａは、保護壁５４内に配置されており、レンズとウィンドウの機能を組み合わせたものである。ガス検出光ビームは、本開示の技術において知られているように、呼吸ガス検出チャンバーを通って流れるガス中の二酸化炭素の程度を示す。
【００４９】
より具体的に、図３Ｈに示すこの実施形態の場合、ファイバーからのビームはＧＲＩＮレンズ５３（屈折率分布型レンズ）によりコリメート（ｃｏｌｌｉｍａｔｅ）される。ＧＲＩＮレンズ５３は、ファイバーに対して取り付けられて、正確なアライメントを可能にして、干渉効果を削減し、光ファイバー５２とＧＲＩＮレンズ５３との間の領域における偽のＣＯ２ガス検出を防止する。光ビームは、空気流を誘導するプラスチック保護壁５４に組み込まれたプラスチック（非）球面レンズ５５ａによりフォーカスされる。ビームは金属化ミラー表面５７ａにフォーカスされる。ミラー５７ａの前にあるプラスチックボリューム５６ａは、ガスセンシングボリュームの境界における小さいフォーカススポットを回避する。小さいフォーカススポットは、汚れ、水滴、ほこりによる問題を生じる。プラスチックレンズ５５ａは比較的長い焦点距離を有する。ガス流ＧＦはプラスチックレンズ５５ａとプラスチックボリューム５６ａとの間で検出される。
【００５０】
焦点距離が長い光学的レイアウトの例では、シングルモードファイバのＮＡ（開口数）が０．１１の場合を含む。ＧＲＩＮレンズは焦点距離が２．６ｍｍである。プラスチックレンズの焦点距離は９ｍｍである。空気流中のＣＯ２を測定するキャビティの長さは、７．５ｍｍであり、その結果の吸収路長は１５ｍｍになる。
【００５１】
さらに、実験によると、ＣＯ２測定法は光学表面間の干渉効果に非常に敏感であることが分かった。干渉効果は反射防止コーティングにより低減できる。また、干渉効果は、図３Ｉに示す光学表面の傾きにより回避することもできる。具体的に、レンズ５５ａはくさび形のプラスチックレンズ５５ｂにより置き換えてもよい。レンズ５５ｂの凸レンズ表面は、光をシングルモードファイバに結合するため、ビームの波面品質を適切にするのに、図３Ｊに示すように、双円錐形またはトロイダル形を有する。
【００５２】
図３Ｋと図３Ｌは、ミラー５７ａを有するモールドプラスチックレンズ５６ｂを使用するファイバーアセンブリ５０ｂの別の実施形態を示す図である。レンズ５６ｂは比較的短い焦点距離を有し、ミラー５７ａはレンズ５６ｂと組み合わせられ、偽のＣＯ２ガス検出を防止する。ガス流は保護ウィンドウ５４と再帰反射器レンズ５６ｂとの間で検出される。
【００５３】
図３Ｍと図３Ｎは、モールドプラスチック５６ｃを有する再帰反射器プリズム５７ｃを使用するファイバーアセンブリ５０ｃの別の実施形態を示す。再帰反射器プリズム５７ｃの反射は、ＴＩＲ（全反射）に基づく。それゆえ、金属化ミラーコーティングは必要ない。図３Ｏと図３Ｐは、モールドプラスチックプリズム５６ｃを有する実施形態の光学的レイアウトの一例を示す。シングルモードファイバのＮＡ（開口数）は０．１１である。ＧＲＩＮレンズ５３は焦点距離が２．６ｍｍである。図３Ｏと図３Ｐには、互いに９０度をなす２つの側面図を示す。
【００５４】
図３Ｑ−３Ｓは、再帰反射器コーン５７ｄを使用するファイバーアセンブリ５０ｃの別の実施形態を示す。
【００５５】
実際には、本開示の発明の実施形態は、ファイバー側及び再帰反射器側にＧＲＩＮレンズ、ボールレンズ及び（非）球面レンズを有するものも可能である。
【００５６】
本明細書で以前説明したように、本開示のファイバーアセンブリにより、ハウジングをコンパクト化できその結果システムが強固になるので、機械的に安定な構成が得られる。
【００５７】
図４Ａおよび図４Ｂは、ハウジング６１ａ、シングルモード光ファイバー６３、コリメータ６４及び再帰反射器６７を使用するカプノグラフィー用のコンパクトなファイバーアセンブリを示す。より具体的に、図４Ａは光ファイバー６３からのガスセンシング光ビームＧＳＬＢの放射を示し、図４Ｂは光ファイバー６３によるガス検出光ビームＧＤＬＢの受光を示す。
【００５８】
ハウジング６１は、気道アダプタとの組み込みに適した呼吸ガス検出チャンバー６２と、鼻腔カニューレ、および本開示の技術分野で知られているかまたは以後カプノグラフィーを実施するために考えられる他の任意の装置とが含まれる。コリメータ６４と再帰反射器６７は、ハウジング６１ａ内に固定配置され、呼吸ガス検出チャンバー６２をはさんでハウジング６１ａ内で光学的にアライメントされている。シングルモード光ファイバー６３は、ハウジング６１ａの内または外のコリメータと光学的にアライメントされている。光ファイバー６３とコリメータ６４との間の光学的アライメントは、光ファイバー６３のコリメータ６４との光学的カップリングにより、または光ファイバー６３のコリメータ６４への取り付けにより実現される。動作時、シングルモード光ファイバー６３は、ガスセンシング光ビームＧＳＬＢ（図４Ａ）を放射し、これはコリメータ６４を通り、光ウィンドウ６５と６６を有する呼吸ガス検出チャンバー６２を横切る。シングルモード光ファイバー６３は、再帰反射器６７から反射されたガス検出光ビームＧＤＬＢ（図４Ｂ）を受光し、これは呼吸ガス検出チャンバー６２ウィンドウ６５および６６を横切り、コリメータ６４を通り、シングルモード光ファイバー６３にいたる。ガス検出光ビームＧＤＬＢは、本開示の技術において知られているように、呼吸ガス検出チャンバー６２を通って流れるガス中の二酸化炭素または酸素の程度を示す。
【００５９】
図４Ｃは、ファイバーアセンブリ６０ａ（図４Ａおよび図４Ｂ）の変更としてコンパクトファイバーアセンブリ６０ｂを示し、コリメータ６４は双方向矢印により示されるようにハウジング６１ｂに取り外し可能に取り付けられている。この実施形態では、光ファイバー６３はコリメータ６４に取り付けられ、再帰反射器６７がその中に固定配置されたハウジング６１ｂによって形成された使い捨てカニューレに取り付け可能な取り外し可能なパッチケーブルを形成する。このように、実際には、使い捨てカニューレは、低コストのインジェクションモールドコンポーネントであってもよく、より高価なパッチケーブルを複数の患者に対して再使用してもよく、コストが分け合っても良い。代替的に、再帰反射器６７は、ハウジング６１ｂに取り外し可能に取り付けられてもよい。
【００６０】
図４Ｄは、呼吸ガス検出チャンバー７２を有し、図示したように折り畳まれた経路の実施形態の光ファイバー７３および７４をさらに使用するハウジング７１を使用するコンパクトファイバーアセンブリ７０を示す。
【００６１】
本開示の発明の利点は、図１Ａおよび図１Ｂに示したような「クロスオーバー」システムと対照的である。「クロスオーバー」システムは、より長くなければならず、これはシステムの堅牢性と、それゆえ安定性に有害である。これは、特にセンサーがカプノグラフィーのカニューレに組み込まれる必要がある場合である。カニューレ自体は、一般的には堅牢性がほとんど又はまったく無いからである。
【００６２】
本発明の他の利点は、機械的寸法が同じとして、空気流の測定長が２倍大きくなることである。これにより、カニューレ内のセンサーの統合が容易になり、カプノグラフィーと酸素供給の組み合わせが必要な場合には、例えば、図４Ｅに示すように、カニューレの一方の側をカプノグラフィー用に、他方の側を酸素供給用に使用することができる。
【００６３】
図５は、ＶＣＳＥＬレーザー９４からのポート１にあるレンズ９５ａを介した二酸化炭素サンプリング光をポート２の双方向光ファイバー６３に向け、ファイバーアセンブリ６０ａまたは６０ｂから反射されたガス検出光ビームを、ポート３のレンズ９５ｂを介して検出器９７に向けるファイバーサーキュレータ９６を使用するカプノグラフィー装置９０を示す。サーキュレータ９６は、ＶＣＳＥＬ９４に戻る光の反射を防止し、動作中にＶＣＳＥＬ９４の安定なシングルモードの動作（ｂｅｈａｖｉｏｒ）を可能にする。前向きビームと後ろ向きビームの干渉効果によるスペクトルノイズを低減するため、１／４λ板（ｑｕａｒｔｅｒ  ｌａｍｂｄａ  ｐｌａｔｅ）を再帰反射器の直前の光ファイバー６３の端に、サーキュレータ９６のポート２に組み込むことができる。また、図示したのは、ＶＣＳＥＬを駆動し、信号を処理し、リモートモニタリング装置に無線接続する回路／バッテリー９２である。
【００６４】
図６に示すように、呼吸ガス検出装置９０は、ファイバー接続９１を有する再利用可能ケーブルレスユニットを提供し、ファイバーアセンブリ１００は鼻腔サンプリングカニューレ１０１内に配置される。
【００６５】
非限定的な例示として、いくつかの実施形態では、本明細書に記載のファイバーアセンブリは、非分散赤外線（ＮＤＩＲ）単一ビーム光学測定技術を使用してＣＯ２を測定し、サンプルセルに呼吸ガスを吸入するためのポンプを含む、サンプリングベンチの代わりにＲｅｓｐｉｒｏｎｉｃｓ（登録商標）ＬｏＦｌｏ（登録商標）Ｓｉｄｅｓｔｒｅａｍ  ＣＯ２センサーの構成要素であることが企図されている。
【００６６】
さらに、言うまでもなく、開示のファイバーアセンブリの実施形態は、酸素分圧や濃度などの他の呼吸ガス成分を検知するように設計された他のタイプの呼吸ガスセンサと共に利用され得る。
【００６７】
本明細書に開示の発明を好ましい実施形態を参照して説明した。前述の詳細な説明を読んで理解すれば、修正と変更に想到することができる。本発明は、添付した請求項とその均等の範囲内に入るこのような修正及び変更はすべて含むものと解釈しなければならない。
【００６８】
さらに、当業者には言うまでもなく、本明細書で提供される教示を考慮して、本開示／明細書に開示され、および／または添付された図に示されている特徴、要素、コンポーネントなどは、ハードウェアとソフトウェアとの様々な組み合わせで実施することができ、単一の要素または複数の要素に組み合わせることができる機能を提供する。例えば、図示した様々な特徴、要素、コンポーネントの機能は、専用ハードウェアを用いても、ソフトウェアを実行可能なハードウェアと適当なソフトウェアとを組み合わせても提供できる。プロセッサにより提供される場合、機能を単一の専用プロセッサで提供してもよいし、共有及び／又は多重化された単一のプロセッサで提供してもよいし、一部が共有された複数の個別プロセッサで提供してもよい。さらに、「プロセッサ」または「コントローラ」という用語を明示的に使用した場合、ソフトウェアを実行できるハードウェアのみをいうと解釈してはならず、限定はされないが、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、メモリ（例えば、ソフトウェアを記憶するリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性記憶装置等）、及びプロセスを実行及び／又は制御することができる（及び／又はそのように構成可能な）任意の手段及び／又はマシン（ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、これらの組み合わせ等）を黙示的に含んでもよい。
【００６９】
さらに、本原理の開示、態様、例示的実施形態、及びその実施例のすべての記載は、その構成的等価物及び機能的等価物の両方を含むものである。また、かかる均等物は、現在知られている均等物及び将来開発される均等物（例えば、構成にかかわらず同じ機能または実質的に同様な機能を実行できる任意の要素）を含む。従って、例えば、当業者には言うまでもなく、本明細書で提供される教示を考慮して、本明細書に提示される任意のブロック図は、本発明の原理を具体化する例示的なシステム構成要素および／または回路の概念図を表すことができる。同様に、当業者であれば、本明細書で提供される教示を考慮すれば言うまでもなく、任意のフローチャート、フロー図などは、コンピュータ可読記憶媒体に実質的に表現することができ、処理能力を有するコンピュータ、プロセッサまたは他の装置によって実行することができる様々なプロセスを表すことができるそのようなコンピュータまたはプロセッサが明示的に示されているかどうかには関係ない。    
【００７０】
カプノグラフィーのためのファイバーアセンブリの好適かつ例示的な実施形態を説明したが（これらの実施形態は例示的であって限定するものではない）、添付の図および特許請求の範囲を含め、本明細書で提供される教示を考慮して当業者に改変および変更を行うことができる。したがって、言うまでもなく、本開示の好ましいおよび例示的な実施形態において、本開示の範囲内であり本明細書に開示され説明される例示的な実施形態を含む変更を行うことができる。
【００７１】
さらに、本開示による装置を組み込む及び／又は実施する対応する及び／又は関係するシステム、または装置中で使用／実施されるものも、本開示の範囲内にあると考えられる。さらに、本開示による装置及び／又はシステムを生産及び／又は使用する対応及び／又は関連する方法も、本開示の範囲内にあると考えられる。
【図１】
2019513987.tif 000003
【図２Ａ】
2019513987.tif 000004
【図２Ｂ】
2019513987.tif 000005
【図２Ｃ】
2019513987.tif 000006
【図２Ｄ】
2019513987.tif 000007
【図２Ｅ】
2019513987.tif 000008
【図２Ｆ】
2019513987.tif 000009
【図３Ａ】
2019513987.tif 000010
【図３Ｂ】
2019513987.tif 000011
【図３Ｃ】
2019513987.tif 000012
【図３Ｄ】
2019513987.tif 000013
【図３Ｅ】
2019513987.tif 000014
【図３Ｆ】
2019513987.tif 000015
【図３Ｇ】
2019513987.tif 000016
【図３Ｈ】
2019513987.tif 000017
【図３Ｉ】
2019513987.tif 000018
【図３Ｊ】
2019513987.tif 000019
【図３Ｋ】
2019513987.tif 000020
【図３Ｌ】
2019513987.tif 000021
【図３Ｍ】
2019513987.tif 000022
【図３Ｎ】
2019513987.tif 000023
【図３Ｏ】
2019513987.tif 000024
【図３Ｐ】
2019513987.tif 000025
【図３Ｑ】
2019513987.tif 000026
【図３Ｒ】
2019513987.tif 000027
【図３Ｓ】
2019513987.tif 000028
【図４Ａ】
2019513987.tif 000029
【図４Ｂ】
2019513987.tif 000030
【図４Ｃ】
2019513987.tif 000031
【図４Ｄ】
2019513987.tif 000032
【図４Ｅ】
2019513987.tif 000033
【図５】
2019513987.tif 000034
【図６】
2019513987.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月26日(2018.9.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
呼吸ガス検出のためのファイバーアセンブリであって、
呼吸ガス検出チャンバーを含むハウジングと、
前記ハウジング中に固定的に配置された、又は前記ハウジングに取り外し可能に取り付けられたコリメータと、
前記ハウジング中に固定的に配置された、又は前記ハウジングに取り外し可能に取り付けられた、前記ハウジング中で、前記呼吸ガス検出チャンバーを挟んで前記コリメータと光学的にアライメントされた再帰反射器と、
前記ハウジング中の又は外の前記コリメータと光学的にアライメントされたシングルモード光ファイバーであって、前記コリメータを通して前記呼吸ガス検出チャンバーをわたって前記再帰反射器にガスセンシング光ビームを放射し、前記再帰反射器から反射されたガス検出光ビームを、前記呼吸ガス検出チャンバーをわたって前記コリメータを通して前記シングルモード光ファイバーで受光する、シングルモード光ファイバーとを有し、
前記ガス検出光ビームは前記呼吸ガス検出チャンバーを通って流れる任意のガス中の二酸化炭素または酸素の程度を示す、
ファイバーアセンブリ。
【請求項２】
前記コリメータはＧＲＩＮレンズである、
請求項１に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項３】
前記再帰反射器は、
反射面を有する鏡と、
前記反射面に光学的にアライメントされたレンズとを含む、
請求項１に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項４】
前記再帰反射器は、
反射面を有する鏡と、
前記反射面を包み込むモールドプラスチックとを含む、
請求項１に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項５】
前記再帰反射器は再帰反射器の角のコーナーである、
請求項１に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項６】
前記再帰反射器は再帰反射器プリズムである、
請求項１に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項７】
前記再帰反射器は再帰反射器コーンである、
請求項１に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項８】
前記コリメータおよび前記再帰反射器の光学的にアライメントされて配置されたレンズをさらに有し、
前記シングルモード光ファイバーによる前記ガスセンシング光ビームの放射は、順に、前記コリメータと前記レンズを通り、前記呼吸ガス検出チャンバーをわたり、前記再帰反射器に至り、
前記シングルモード光ファイバーによる前記ガス検出光ビームの受信は、前記再帰反射器により反射され、前記呼吸ガス検出チャンバーを通り、順に、前記レンズと前記コリメータとを通り、前記シングルモード光ファイバーにいたる、
請求項１に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項９】
前記レンズは球面レンズである、
請求項８に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項１０】
前記レンズは双円錐形またはトロイダル形のレンズである、
請求項８に記載のファイバーアセンブリ。
【請求項１１】
呼吸ガス検出装置であって、
ファイバーアセンブリを有し、前記ファイバーアセンブリは、
呼吸ガス検出チャンバーを含むハウジングと、
前記ハウジング中に固定的に配置された、又は前記ハウジングに取り外し可能に取り付けられたコリメータと、
前記ハウジング中に固定的に配置された、又は前記ハウジングに取り外し可能に取り付けられた、前記ハウジング中で、前記呼吸ガス検出チャンバーを挟んで前記コリメータと光学的にアライメントされた再帰反射器と、
前記ハウジング中の又は外の前記コリメータと光学的にアライメントされたシングルモード光ファイバーであって、前記コリメータを通して前記呼吸ガス検出チャンバーをわたって前記再帰反射器にガスセンシング光ビームを放射し、前記再帰反射器から反射されたガス検出光ビームを、前記呼吸ガス検出チャンバーをわたって前記コリメータを通して前記シングルモード光ファイバーで受光する、シングルモード光ファイバーとを有し、
前記ガス検出光ビームは前記呼吸ガス検出チャンバーを通って流れる任意のガス中の二酸化炭素または酸素の程度を示し、
前記シングルモード光ファイバーに光学的に結合された光制御アセンブリであって、前記光制御アセンブリは、
前記ガスセンシング光ビームを発生するレーザーと、
前記ガス検出光ビームを検出する光ディテクタと、
前記レーザーから前記ガス検出光ビームを前記シングルモード光ファイバーに向け、前記シングルモード光ファイバーからの前記ガスセンシング光ビームを前記光ディテクタに向けるように構造的に構成された、光ファイバーサーキュレータまたは光ファイバーカップラとを含む、
呼吸ガス検出装置。
【請求項１２】
前記コリメータはＧＲＩＮレンズである、
請求項１１に記載の呼吸ガス検出装置。
【請求項１３】
前記再帰反射器は、
反射面を有する鏡と、
前記反射面に光学的にアライメントされたレンズとを含む、
請求項１１に記載の呼吸ガス検出装置。
【請求項１４】
前記再帰反射器は、
反射面を有する鏡と、
前記反射面を包み込むモールドプラスチックとを含む、
請求項１１に記載の呼吸ガス検出装置。
【請求項１５】
前記コリメータおよび前記再帰反射器の光学的にアライメントされて配置されたレンズをさらに有し、
前記シングルモード光ファイバーによる前記ガスセンシング光ビームの放射は、順に、前記コリメータと前記レンズを通り、前記呼吸ガス検出チャンバーをわたり、前記再帰反射器に至り、
前記シングルモード光ファイバーによる前記ガス検出光ビームの受信は、前記再帰反射器により反射され、前記呼吸ガス検出チャンバーを通り、順に、前記レンズと前記コリメータとを通り、前記シングルモード光ファイバーにいたる、
請求項１１に記載の呼吸ガス検出装置。
【国際調査報告】
2019513987.tif 000036
2019513987.tif 000037