CN101400894A - 用于操作电动蠕动软管泵的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作电动蠕动软管泵、尤其是用于在医疗技术装置、尤其体外血液处理装置中输送流体的软管泵的方法和装置。为了监测软管泵的正常操作，监测该泵的功耗或与该功耗相关的物理变量，尤其是泵的流量。根据本发明，该泵的流量包括叠加在发生周期变化的交流分量上的不发生周期变化的直流分量。为了监测该软管泵的正常操作，监测与该功耗的直流分量相关的功耗交流分量在血液处理期间是否变大和/或减小。

Description

用于操作电动蠕动软管泵的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于操作用来在软管线中输送流体的电动蠕动软管泵的方法和装置。本发明还涉及一种用于操作体外血液处理设备的电动蠕动软管泵的方法以及具有用于操作蠕动软管泵的装置的体外血液处理设备。

背景技术

就体外血液处理、例如血液透析而言，待处理的血液在体外血液回路中流过透析器的血液室，该透析器被半透膜分成血液室和透析流体室，同时就透析流体系统而言，透析流体流过透析流体室。体外血液回路具有通向血液室的动脉软管线和离开血液室的静脉软管线。已知的血液透析设备具有血液泵，其通常被设置在透析器的血液室的上游以便确保在体外血液回路中具有足够的血液流量。

对血液泵有很高的技术要求。因此只有特定类型的泵才加以考虑。输送患者血液通过动脉和静脉软管线的软管泵是已在实践中经过反复考验过的。

根据它们的操作模式，软管泵也称做蠕动泵。该泵的工作是基于至少一个堵塞(occlusion)沿着用作泵送空间的弹性软管线运动，从而沿着输送方向移动被包封的流体这一事实的。

关于最常见的软管泵设计，其调节方式是在被移动的压缩点上完全堵塞弹性软管。因此，这些泵也被称做堵塞式软管泵。在泵的软管中传送血液的移动压缩点或堵塞可以从这个技术角度以各种方式产生。

滚子泵是公知的，其中软管被插在定子和转子之间，所述定子形成弯曲滚子路径作为反轴承(counter-bearing)，所述转子以可转动的方式装配在所述定子中并装有滚子，从而滚子能够沿着输送方向在软管上滚轧。优选，滚子弹簧支承在转子上以便向软管施加压力。指状泵(finger pump)也是公知的，其中压缩点或堵塞由沿着软管设置的一系列活动压头(指头)产生。

在Dialysetechnik第4版，Gesellschaft für angewandteMedizintechnik m.b.H & Co.KG，Friedrichsdorf，1988中给出了对滚子泵和指状泵的各种设计的综述。

电动的蠕动软管泵被用于已知的血液处理设备中，该设备不仅是用于输送血液的，而且还可以是用于输送其他流体。当这种软管泵被用在医疗技术设备、尤其血液处理设备中时，对它们的正确操作具有很高的要求。

在滚子泵的操作期间，会出现这样的问题，即：在流动阻力变大时，不再能够形成对软管线的完全堵塞。反之，滚子开始从软管线上升起。在这种情况下，滚子泵的正确操作不再得到保证。

US5,629,871描述了一种用于监测血液透析设备的各个子组件的功能状态的方法和装置。这些组件还包括软管泵，因此这种泵的电流或电压得到监测以便推断该泵的功能状态。可以从US4,781,525中了解如何利用泵电流确定输送速度。

WO 97/45150描述了一种用于确定泵的输送压力的方法，其中泵的电流被求出。由于在某些环境下输送压力与泵电流之间会偏离线性关系，因此提出要使用校准曲线。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种用于操作电动蠕动软管泵、尤其是体外血液处理设备的软管泵的方法和装置，其分别允许可靠地监测软管泵的正确操作。

这个问题通过权利要求1和9的特征得以解决。本发明的有利进展是从属权利的主题。

本发明基于这样的认识，即：随着电动蠕动泵的移动体、例如滚子泵的滚子完全或部分堵塞软管线，电动泵的功耗发生变化。本发明基于确定泵所消耗的功率或与该功率相关的物理量，例如泵所消耗的电流，和从被测物理量中确定不发生周期变化的直流分量和发生周期变化并且与该直流分量叠加的交流分量。为了监测软管泵的正确操作，在血液处理期间进行监测，以确定功耗的交流分量如何相对于功耗的直流分量变大或减小。然后基于直流分量和交流分量推断存在软管泵的不正确操作，尤其是当存在直流分量的特征时间相关变化和交流分量的时间相关变化时。

在优选的实施例中，通过在预定的时间间隔内确定直流分量的时间相关变化与交流分量的时间相关变化的相互关系来估算功耗，从而基于软管泵操作期间在预定时间间隔上直流分量与交流分量的时间相关变化之间的确定关系上的时间相关变化来推断存在软管泵的不正确操作。

本发明尤其基于这样的认识，即：交流分量与直流分量的时间相关变化的商值是指示蠕动泵的移动体是完全堵塞软管线还是部分堵塞软管线的特征量。优选，在血液处理期间监测该商值，以便在该商值低于特定极值时能够推断出完全堵塞不再存在。取决于极值的水平，能够确定堵塞的程度，其中如果低于这个程度则认为泵的操作不正确。有利的是，也可以定义多个极值，其揭示堵塞消失的开始或允许只在堵塞已经至少部分消除时得出存在故障的结论。

在可选的优选实施例中，不去确定预定时间间隔上交流和直流分量上的时间相关变化，即函数的导数或曲线的梯度，而是在软管泵的操作期间在预定时间间隔上计算交流分量(d/dt A_AC)与直流分量(I_DC)的商值(A_AC/I_DC)，并且将其与预定极值作比较，因此如果该商值低于预定极值，则断定对软管泵的堵塞不够。然而，也可以求出直流与交流分量的商值，因此如果该商值超过预定极值，则断定对软管泵的堵塞不够。然而，其他项也可用于估算，只要它们只在堵塞开始时引起被计算的量发生特征变化。

与泵的功耗相关的被测物理量的交流分量与泵的设计有关。交流分量的频率特别依赖于滚子泵的滚子数。由于转子的频率是已知的，因此能够容易地确定该交流分量。包括例如傅立叶分析在内的已知数学方法都适用于此。

根据本发明的装置具有用于确定功耗或与功耗相关的物理量的直流分量和交流分量的工具，和用于确定软管泵的不正确操作的工具。根据本发明的装置能够形成独立的组件，或者成为已知血液处理设备的组成部分。

根据本发明的方法和根据本发明的装置在体外血液处理设备，例如血液透析设备中的使用已被证实特别有利于监测设置在体外血液回路中的血液泵的正确操作。然而，也可以使用根据本发明的方法和装置来监测医疗技术设备或普通机械结构中的所有其他软管泵的操作。

附图说明

下面参见附图更详细地解释本发明的实施例的实例。

在附图中：

图1示出了根据本发明的体外血液处理设备，其具有根据本发明的用于血液处理设备的软管泵的操作的装置；

图2示出了在透析处理期间，血液泵功耗的直流分量和交流分量随处理周期的变化；以及

图3a-3b示出了在软管线完全堵塞、堵塞开始消失时和不完全堵塞的情况下，在滚子泵操作期间的动态压力特性。

具体实施方式

体外血液处理设备，尤其是血液透析设备，具有透析器1，其被半透膜2分成血液室3和透析流体室4。动脉血线5，其中结合有血液泵6，从患者开始通向血液室3的入口，同时静脉血线7从血液室的出口开始经由滴注室8通向患者。电磁致动的关闭阀12在滴注器8的下游被设置在静脉软管线7中。

新鲜的透析流体被准备在透析流体源12中。透析流体供应线13从透析流体源12开始通向透析器1的透析流体室4的入口，同时透析流体排放线14从透析流体室的出口开始通向排出管9。透析流体泵15被结合在透析流体排放线14中。

血液泵6是电动的蠕动软管泵，尤其是滚子泵，因此动脉和静脉血线5、7是插入滚子泵6中的柔性软管线。静脉关闭阀12是电磁致动的软管夹。

透析设备具有控制单元16，其经由控制线16、17与血液泵6和透析流体泵15相连。控制单元16为血液泵6和透析流体泵12的操作提供特定的电压或特定的电流，以使得血液以预定的血液流动速度Q_b在血线5、7中流动，而透析流体以预定的透析流体速度Q_d在透析流体线13、14中流动。此外，控制单元16经由控制线19来致动静脉关闭阀12。

除控制单元16之外，血液处理设备具有计算和分析单元20，其经由数据线21与控制单元16进行通信。计算和分析单元20经由另外的数据线22与报警单元23相连，该报警单元23发出光学和/或声学警报。

为了测量静脉血线7中的压力，在滴注室8处设有静脉压力传感器24，其经由数据线25与计算和分析单元20相连。

透析设备还可以具有其他部件，例如平衡装置和超过滤装置，然而为了更加清晰，并未示出这些装置。

在实施例的当前实例中，根据本发明的用于血液泵6的操作的装置被描述成体外血液处理设备的组成部分，从而能够监测血液泵的正确操作。然而，原则上也能够监测所涉及的其他泵、例如置换泵的正确操作。

尽管在实施例的当前实例中，用于电动蠕动软管泵的操作的装置被描述成与体外血液处理设备相连，但是用于软管泵的操作的这种装置也可以形成独立子组件，其可以被用在所有的用于监测软管泵的正确操作的医疗技术设备中。

下面详细解释用于血液泵6的操作的装置的操作模式。

血液泵6是滚子泵。由于滚子泵是众所周知的，因此不需要进行详细的描述。图3a-3c示出了滚子泵的操作模式的示意图，其中仅示出了滚子25中的一个。滚子25以可旋转的方式装配在未示出的转子上。软管线，在当前实例中为动脉血线5，被设在滚子25与定子27之间，其中定子27形成滚子路径28作为反轴承。

图3a-3c示出的只是示意图。就滚子泵而言，滚子路径在绕装有滚子的转子的弧形中延伸。滚子25以弹簧支承在转子上的方式被预拉伸抵靠滚子路径28，以便滚子能够从软管线上升起。

图3a示出了滚子25完全堵塞软管线的例子，图3b示出了滚子正开始从软管线上升起的例子，而图3c示出了软管线不再被滚子完全堵塞以致于血液泵不再正确操作的例子。

血液泵的操作的监测基于对泵的功耗的估算。该功耗可根据血液泵6的直流电机上的电压与流入该电机的电流的乘积计算出。然而，确定与功率相关的量值也就够了。由于电压可被认为是恒量，因此仅测量电机电流就够了。应指出：原则上也可以用交流电机驱动血液泵。

在体外血液处理期间，透析器中的流动阻力会变大(凝血)。这导致血液泵6上游和透析器1下游的动脉血线5中的压力升高，但这不能通过静脉压力传感器24测量到。血液泵6的功耗随着动脉压力变大而变大。

对功耗的分析表明：泵所消耗的功率或者与该功率相关的物理量既具有不进行周期性变化的直流分量，又具有进行周期性变化的交流分量。

图2关于直流分量(DC)和交流分量(AC)示出了随时间变化的血液泵功耗。

如果血液泵完全堵塞，那么AC功耗的大小正比于DC功耗的大小。在这种情况下，通过合适的定标可使这些曲线重合。然而，如果血液泵的滚子从血液软管段上升起从而使得泵的输送速度变小的话，那么这种重合就不存在了。在图2中用图表出了用血液替代品进行体外透析处理的过程。在这种处理期间，血液替代品因过度超滤而变稠至使透析器凝血的程度，从而使得透析器中的流动阻力不断变大，直至阻力因动态压力增加而超过泵的滚子的回复力，并且堵塞开始消失。虽然电机的平均功耗因软管段中的高流动阻力而变大，但是由于泵的滚子的行程减小了，所以电机功耗的调制宽度变小。

图3a-3c表明：AC功耗的振幅随着堵塞的消失而减小，而DC功耗随着堵塞的消失而变大。

根据本发明的血液处理设备的操作如下：

为了准备透析处理，控制单元16设定血液流动速度Q_b的数值，该数值非常小以致于通过透析器时的流动阻力可以忽略不计。于是，透析器1上游的动脉血线5中的压力对应静脉压力传感器24测出的压力。现在测量泵6的电流。所测出的泵电流I_p1对应于压力P_ven。

(公式1)             I(p＝P_ven(Q_b≈0))＝I_p1

然后，控制单元16关闭静脉关闭阀12以及透析流体供应线和排放线13、14中的其他阀门(为了更加清晰，未示出这些阀门)，从而使得血液泵6现在对抗滚子的回复力在特定位置所产生的压力。就实际用到的滚子泵而言，这种压力从技术上讲和根据标准处于约1.6-1.8bar之间。因此，血液泵的电流消耗对应于1.6-1.8bar的压力。

(公式2)             I(p＝P_occ)＝I_p2

可以根据功耗与透析器上游压力p(I)之间的线性关系，从电流消耗I中确定该压力：

(公式3)

$I_p\left(p\right)=\frac{I_{p2}-I_{p1}}{P_{\mathrm{Okk}}-P_{\mathrm{ven}}(Q_b=0)}(p-P_{\mathrm{ven}}(Q_b=0))+I_{p1}$

$\⇒p\left(I\right)=\frac{P_{\mathrm{Okk}}-P_{\mathrm{ven}}(Q_b=0)}{I_{p2}-I_{p1}}(I-I_{p1})+P_{\mathrm{ven}}(Q_b=0)$

公式3中给出的这些量对于计算和分析单元20来说是可得到的。在以最小的输送速度操作血液泵6的同时，其中电流I_p1被测量或由控制单元16预先设定，用静脉压力传感器24测出静脉压力P_ven。设定动脉血线6中的压力P_occ为处于1.6与1.8bar之间的值，其与泵的类型有关。

在血液处理期间，根据公式3由计算和分析单元20连续计算动脉血线5中的动脉压力。

此外，在血液处理期间，计算和分析单元20从功耗或与功耗相关的物理量中，尤其从泵电流中连续地确定直流分量(DC功耗)和交流分量(AC功耗)。从转子频率与滚子数的乘积中得到的频率构成交流分量的基础。只要血液泵完全堵塞软管线，那么AC功耗A_AC的振幅的时间相关变化与DC功耗I_DC上的时间相关变化的商值为恒量，即振幅调制A_AC与平均直流消耗I_DC值的的梯度彼此之间成线性关系。

(公式4)

其中，以T作为关于滚子数标准化的血液泵的周期，φ作为相位的标准化，即调制量A_AC与积分区间中用到的三角函数Sin(x)之间的相移量，下列公式成立：

(公式5)

$I_{\mathrm{DC}}=\frac{1}{T}\underset{T}{\∫}I\left(t\right)\mathrm{dt}$

(公式6)

如果公式4中给出的比值不再是恒量而是开始趋向于零，则血液泵的堵塞变小，即血液泵的滚子从软管段上升起。当该比值为负数时，尤其如此。

(公式7)

$\frac{\frac{d}{\mathrm{dt}}{A}_{\mathrm{AC}}}{\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{DC}}}=\frac{{\mathrm{dA}}_{\mathrm{AC}}}{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{DC}}}\≤0$

在堵塞完全消除的情形下，下列公式成立：

(公式8)

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{DC}}=0,$

(公式9)

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{A}_{\mathrm{AC}}=0$

在处理期间，计算和分析单元20根据公式4连续计算AC功耗A_AC的时间相关变化与DC功耗I_DC的时间相关变化的商值。计算和分析单元20具有微处理器，其用于执行必要的计算操作，尤其用于形成差分。

计算和分析单元20将所确定的商值与预定极值作比较。在所确定的商值大于第一预定极值，即该商值为恒量(公式4)的情况下，认为血液泵6完全堵塞动脉血线5(图3a)。然而，如果低于第一预定极值，那么计算和分析单元20产生第一警报信号，以使得报警单元23发出第一光学和/或声学警报，其发出信号通知血液泵的滚子正开始从软管线上升起(图3b)。如果低于另一第二极值，其比第一极值小，那么计算和分析单元产生第二警报信号，以使得报警装置发出第二警报，其发出信号通知血液泵不再完全堵塞软管线(图3c)。软管泵的操作于是不再正确，因为由于透析器1中的流动阻力变大，动脉血线5中的压力已经超过了预定极值。

在一个可选实施例中，不将商值与极值进行比较，而是以下列方式从逻辑上将预定时间间隔上功耗的直流分量和交流分量的时间相关变化联系在一起，即，测量这些量的增量(梯度)。

如果功耗的直流分量和交流分量都增加，那么得出的结论是动脉压力正在变大。如果只有功耗的直流分量增加而功耗的交流分量保持不变，那么得出的结论是血液泵的堵塞正开始变小。如果随着功耗的直流分量变大，功耗的交流分量开始变小，那么得出的结论是血液泵的滚子已经从软管线上升起。在泵的滚子升起之后功耗直流分量和交流分量都保持不变的情况下，计算和分析单元20确定血液泵6此时不再进行输送。

原则上，也能够将这两种评估过程相互联系起来，从而既考虑超出或低于预定极值的事实，又考虑功耗的直流和交流分量的逻辑AND联系。

也可以只监测直流分量和交流分量的商值。从图2中可以看到，只要泵正以非堵塞的方式操作，该商值在一定范围内是保持不变的。然而，曲线形状后来出现偏差导致商值发生变化(变小)，这作为故障被检测到。

Claims (16)

1.一种用于操作电动蠕动软管泵的方法，所述电动蠕动软管泵用于在软管线中输送流体，其中在泵的操作期间，确定泵所消耗的功率或与该功率相关的物理量，其特征在于：从被测物理量中确定不发生周期变化的直流分量和发生周期变化并且叠加在该直流分量上的交流分量，从而在软管泵的操作期间，基于该直流分量和交流分量推断存在软管泵的不正确操作。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在软管泵的操作期间，在预定时间间隔上，确定直流分量的时间相关变化(d/dt I_DC)与交流分量的时间相关变化(d/dt A_AC)的相互关系，从而在软管泵的操作期间，基于在预定时间间隔上直流分量的时间相关变化与交流分量的时间相关变化之间的确定关系中的时间相关变化，来推断存在软管泵的不正确操作。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：在预定时间间隔上计算交流分量的时间相关变化(d/dt A_AC)与直流分量的时间相关变化(d/dt I_DC)的商值(d A_AC/d I_DC)，并将其与预定极值作比较，从而，如果该商值低于预定极值，则推断对软管泵的堵塞不够。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在预定时间间隔上计算交流分量(A_AC)与直流分量(I_DC)的商值(A_AC/I_DC)，并将其与预定极值作比较，从而，如果该商值低于预定极值，则推断对软管泵的堵塞不够。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述软管泵是堵塞式的滚子泵，其中，软管线被插在定子和转子之间，所述定子形成滚子路径作为反轴承，所述转子装有以可旋转的方式装配的滚子。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于：从与功率相关的物理量中确定软管泵下游的压力。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于：体外血液处理设备的电动蠕动软管泵被操作。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于：所述蠕动软管泵被设置在动脉软管线上，该动脉软管线通向血液处理单元，从所述血液处理单元引出静脉软管线，其中，所述动脉软管线和静脉软管线与该血液处理单元一起形成体外血液回路。

9.一种用于操作电动蠕动软管泵的装置，所述电动蠕动软管泵用于在软管线中输送流体，所述装置具有用于确定在泵操作期间泵所消耗的功率或与该功率相关的物理量的工具(16，20)，该装置的特征在于：该装置具有：

用于从被测物理量中确定不发生周期变化的直流分量和发生周期变化的交流分量的工具(16，20)；以及

用于确定软管泵的不正确操作的工具(16，20)，其被设计成在软管泵操作期间基于直流分量和交流分量推断存在软管泵的不正确操作。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：用于确定软管泵的不正确操作的工具(16，20)被设计成，确定在软管泵操作期间在预定时间间隔上的直流分量的时间相关变化(d/dt I_DC)与交流分量的时间相关变化(d/dt A_AC)的相互关系，从而基于在软管泵操作期间在预定时间间隔上的直流分量的时间相关变化与交流分量的时间相关变化之间的确定关系中的时间相关变化，来推断存在软管泵的不正确操作。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于：用于确定软管泵的不正确操作的工具(16，20)被设计成，在软管泵操作期间在预定时间间隔上计算交流分量的时间相关变化(d/dt A_AC)与直流分量的时间相关变化(d/dt I_DC)的商值(d A_AC/d I_DC)，并且将其与预定极值作比较，从而，如果该商值低于预定极值，则推断对软管泵的堵塞不够。

12.如权利要求9所述的装置，其特征在于：用于确定软管泵的不正确操作的工具(16，20)被设计成，在软管泵操作期间在预定时间间隔上计算交流分量(A_AC)与直流分量(I_DC)的商值(A_AC/I_DC)，并将其与预定极值作比较，从而，如果该商值低于预定极值，则推断对软管泵的堵塞不够。

13.如权利要求9-12中任一项所述的装置，其特征在于：所述软管泵是堵塞式的滚子泵(6)，其中，软管线被设置在定子和转子之间，所述定子形成滚子路径作为反轴承，所述转子装有以可旋转的方式装配的滚子。

14.如权利要求9-13中任一项所述的装置，其特征在于：该装置具有用于确定软管泵的下游压力的工具(13)，该工具被设计成从与功率相关的物理量中确定软管泵下游的压力。

15.一种具有电动蠕动软管泵(6)的血液处理设备，其特征在于：该血液处理设备具有如权利要求9-14中任一项所述的用于操作该蠕动软管泵(6)的装置。

16.如权利要求15所述的血液处理设备，其特征在于：该血液处理设备具有血液处理单元(1)，动脉软管线(5)通向该血液处理单元(1)并且从所述血液处理单元(1)引出静脉软管线(7)，其中，所述电动蠕动软管泵(6)被设置在所述动脉软管线(5)中。

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