人体呼吸CO₂浓度监测是临床监测的重要内容之一,CO₂浓度的变化可以反映人体新陈代谢、循环、呼吸、气道或通气系统的功能变化,在重症监护,急救医学,远程医疗、麻醉监测等领域都有着广泛的应用。针对主流式非分散红外（NDIR）呼吸CO₂监测系统灵敏度及信噪比低下的问题,本文将复合抛物面聚光器、圆管聚光器、锥形聚光器光室结构应用于监测系统,利用ZEMAX对这三种光室结构进行了优化模拟,获取它们的模拟光学效率并依据模拟数据进行了实物加工,且针对效率最高的复合抛物面聚光器光室进行了聚光效果验证实验,以验证模拟结果与实验结果的一致性。此外,本文基于这三种光室结构的对比研究,设计了复合抛物面聚光器光室监测系统,对红外光源、探测器、微处理器等关键器件进行了选型;对光源调制、电压跟随、信号放大、系统供电等电路进行了设计;对文中使用的信号采集、滤波除噪等算法进行了阐述;采用三阶最小二乘曲线拟合法对不同光室结构的监测系统进行了CO₂浓度标定实验,以比较不同光室结构对监测系统性能的提升情况;并对性能最佳的监测系统进行了人体实时呼吸CO₂监测实验,以考察该监测系统在临床环境下的表现和实用性。ZEMAX模拟结果表明,装有复合抛物面的光学腔室光学效率为4.3%,比圆管聚光器提高了89.77倍,比锥形聚光器提高了3.58倍;实验结果表明,装有复合抛物面光室的系统灵敏度与信噪比为8.94、24.65,比装有圆管聚光器的系统的灵敏度提升了3.8倍、信噪比提升了1.9倍,比装有锥形聚光器的系统的灵敏度提升了1.6倍、信噪比提升了1.4倍;并且安装复合抛物面聚光器光室的系统运行稳定,响应快,能够实时的反应出被测者的呼吸CO₂波形图,达到了预期的性能要求。