CN101868694B - 非侵入式多功能传感器系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种集成多功能传感器系统，具有头部，该头部具有狭槽从而容纳由可变形材料形成的管，多个传感器元件，安装在头部狭槽的壁部从而面对狭槽中的管，每个传感器元件用于检测与管中流体相关的状态。集成电子电路包括微处理器，用于确定由传感器元件检测的流动在管中的流体的各种状态，这些状态包括通过超声波检测元件检测气泡和/或颗粒，通过由力检测元件检测管壁的变形而检测流体流中的夹杂物，通过红外温度检测元件确定流体的温度，以及通过光学元件确定流体的颜色。

Description

非侵入式多功能传感器系统
技术领域
本发明涉及一种利用多功能传感器头部的传感器系统，该多功能传感器头部具有传感器元件，能够执行非侵入式多重功能，诸如检测流动于管子中的流体的温度，检测流体中存在的气泡和/或颗粒并且分析流体中存在的气泡和/或颗粒的特征，以及检测流体的类型并且检测流体中的夹杂物。
背景技术
在医疗设备的特定应用中，诸如肾脏透析机、注入泵血液分析器、输血系统、心肺转流机等，尝试确保病人的安全。在这些应用中，使用柔性塑料管来完成任务，诸如为病人供应药物、补给盐水溶液、从病人身体抽取流体诸如血液并且在进行净化或清洗之后将其输送回身体，以及其他功能。例如，在肾脏透析过程期间，管子连接至病人的静脉和动脉从而进行血液抽取并在清洗之后输送回身体。另一种管子用于药物的注入。
对于连接至病人身体的每个管子来说，理想地并且甚至必须地监视关于流动在管子中的流体的不同状态，甚至关于管子本身的状态。例如，可能需要或者理想地检测流动在管子中的流体的温度，检测流体中是否存在气泡和/或颗粒并且分析它们的尺寸和数量特征。对其他状态进行检测包括某种类型的流体，诸如血液或者干净的盐水溶液，在管子中流动以及检测流体中的夹杂物。甚至理想情况下需要检测所需的管子是否连接至病人。
在现有技术中，使用分离的传感器和相关联的电子电路来执行每个检测功能。这使得医疗设备的使用复杂化，每个传感器必须安装至一个或多个管子。例如，若干不同的传感器分离地安装至单独的管子从而检测对于流动在那个管子中的流体来说应当被监视的状态。这需要通过医疗技术人员执行选择过程。这也使得医疗设备的使用在操作、尺寸方面比较麻烦，也使得其成本更高。同样，由于不同的传感器和其相关联的电子电路需要监视每个不同状态，所以传感器和医疗设备的整个系统的可靠性下降，因为故障模式可能性由于使用多个且分离的每个都具有专用电子电路的传感器而增加。此外，该设备的用户通常需要与多个厂家协调来购买不同的传感器和不同的电子电路来实现不同的功能。因此，需要能够克服这许多问题和劣势的设备。
发明内容
本发明涉及一种能够执行多个检测功能并且包括集成多功能检测模块的系统，从而解决上述问题。在本发明中，模块具有头部，该头部具有管能够放置入其中的狭槽。头部结合有多个传感器元件，诸如检测气泡所需的传感器元件，用于检测管中的流体流中的夹杂物的温度检测和压力检测，并且也表示管子正确地连接至头部。该头部也包括发光装置，诸如LED，将光束传递至狭槽中的管，以及接收光的光检测器。这能够确定管子中的流体是否是血液或者比较清洁的流体，诸如盐水溶液或药物流。该模块头部由材料块形成，诸如清洁的聚碳酸酯塑料，其包括具有相对侧壁的狭槽，在相对侧壁上安装有各种传感器元件。该管子设置在狭槽中并且由需要物理接触从而执行其功能的检测元件接触。安装在头部中的各种传感器元件的引线连接至包括微处理器的电子电路，该微处理器经编程从而执行与安装在头部中的传感器元件相关的各种功能。该电子电路优选地包括多路调制器，使得单个的微处理器能够用于控制所有检测功能。
附图说明
本发明的其他目的和优势将通过参照随后的说明书和所附的附图而变得更加清楚明了，其中：
图1是整体多功能传感器头部的透视图；
图2是图1的头部的横截面剖视图；
图3是该系统的电子电路的方框图；
图4是示出管子变形的横截面剖视图；以及
图5是说明用于测量管子中的流体的温度的红外传感器的操作的视图。
具体实施方式
参照图1和2，本发明的整体多功能传感器具有头部10，该头部采用塑料材料块体，诸如由Solvay Advanced Polymers制造的UDEL聚砜树脂。头部10示意性地示出为大体矩形的形状并且可通过任何合适的技术模制形成。在头部10中，存在纵向狭槽12，具有相对的侧壁14和16。管子20将要设置在狭槽12中，该管子采用柔性且弹性的向外可膨胀塑料材料制成，其中具有流动的流体。管子20的一端连接至病人的身体，另一端连接至流体供给源，诸如药物或盐水溶液，或者连接至诸如透析机的机器。在模制头部10的过程中，在相对的狭槽侧壁14和16中形成许多凹陷。下文将说明的不同类型的传感器元件安装在这些凹陷中，每个凹陷的形状能够容纳将要安装在其中的特定类型的传感器元件。狭槽侧壁的厚度一般为0.30”至.050”，取决于塑料材料和所使用的传感器元件。将孔钻穿头部10的外壁至狭槽侧壁14和16中的每个凹陷，从而容纳连接至相应传感器元件的相应导引线或多个导引线。
考虑传感器元件，头部10的一端附近是一对压电元件26a和26b，它们彼此相对置地安装在狭槽对置狭槽的侧壁14和16中。在头部10的中心附近，温度传感器20安装在狭槽侧壁14其中的一个中，力传感器30安装在另一侧壁16中。在头部10的另一端附近，发光元件32，诸如LED，安装在侧壁14，光检测器34安装在侧壁16中并且与发光元件32相对置。各种传感器元件的形状的图示是示意性的形式，形状将取决于所使用的具体传感器元件。各种传感器元件的设置也可以变化。每个传感器元件通过合适的粘合剂诸如环氧树脂而保持在其相应的凹陷中，相应于每个传感器元件的导引线穿过头部的形成狭槽的壁部，以位于头部的外部，从而能够连接至电子电路，如下所述。
在本发明的系统的操作中，将塑料管12放置在头部10的狭槽12中。狭槽12的宽度稍微小于塑料管20的外直径，使得安装在相对狭槽侧壁14和16中的需要与管20接触的传感器元件26、28和30的表面能够形成这种接触。狭槽中的管的典型变形或压挤可以是管外直径的15％至20％。发光元件32和光晶体管34光学元件不需要必须接触塑料管的壁部，只要这些元件其中的一个或二者能够完成这种接触。下面将说明单个传感器元件和它们相应的功能。
压电元件26a和26b采用超声波技术中使用的任何合适的材料，诸如PZT或PVDF材料。在本发明的整体多功能传感器系统中，压电元件26a和26b操作为气泡检测和特征设备的一部分。在这一设备中，超声波能量供给至压电元件26其中的一个，并且传递通过管20从而由另一元件接收。这一类型的电路记载在提交于2007年2月7日的美国专利申请序列号11/703025的“Ultrasonic System for Detecting and Quantifying of AirBubbles/paryicles in a Flowing Liquid”中，该申请转让给本申请的受让人，其完整内容引用结合于此。这一系统将参照图3进行简单的说明。也可使用其他超声波类型的系统来检测气泡。
温度传感器元件28优选地采用红外热电偶，实例是MA的Watertown的Exergen制造的P/N：150042，型号为C UIRT-K-98.6f/37C。这一装置能够通过测量管子表面温度和环境温度而非侵入地测量管子20中的流体的内部温度。优选地，将传感器元件28安装在头部10中，从而将传感器红外线会聚在管子20中间的聚焦点，从而精确地测量流体温度。
温度传感器元件28的操作参照图5进行说明。如图5所示，流体L在管子中流过，诸如管子20，其温度TL为由热阻RL表示，流体L将热量通过热传导而传递至管子的内表面TIW，其又将热量传递至管子的外表面TOW。该热传递由热阻RT表示。管子外壁上的热量经由辐射和对流传递至环境，由热阻RO表示。使用具有电子模拟的热分析方法：电流＝热流和电压＝温度，热传递等式可如下写作：
Q = 1 R L + R T + R O ( T L - T A )
其中
Q＝热传递，以及
RL+RT＝RO
对于热平衡：
Q = 1 R O ( T OW - T A )
因此，
T L = R L + R T + R O R o ( T OW - T A ) + T A
红外传感器28测量TOW和TA二者。传感器28的输出引线连接至合适的电路，包括模拟转数字转换器以及用于将由传感器28测量的温度的变化转换为数字值的其他必要电路，和适当编程的微处理器或者类似装置从而自动地解相应于流体温度TL的等式。已经发现所使用的技术能够测量流体的温度，精确度为±0.2℃。该测量是以非侵入式的方式实现的并且提供了高精度的方法来监视有关的温度。流体温度的测量值可用于控制目的，诸如打开和关闭加热和冷却单元或者向系统操作人员提示关于温度的变化。
传感器元件30是力/压力传感器，实现塑料管20的内部压力的非侵入式测量。在透析或药物的注入期间，管20中的流体的内部压力将力施加在管的内壁上，其传递至管的外壁。施加在管的外壁上的力与管的内部压力具有线性关系。如图4所示，设置在狭槽12中的管20具有一些椭圆形状，其中没有流体流过。流过该管的流体使得其膨胀为比较圆形的形状，如虚线所示。使用可从市面上可以买到的力或应力计量压力传感器30测量外管壁膨胀。合适的力传感器元件是P/N：DEL 2239等同物，Meriden CT的应力测量装置制造。传感器元件30的表面接触设置在狭槽12中的管的外壁。这种力或应力计量装置产生阻力的变化，作为对所检测到的力的测量。
力传感器30用于执行多种功能。该力传感器通过检测管20中的流体压力的突然变化而检测管中的夹杂物。在泵出现故障的情况下，也会存在压力下降的情况。在检测狭槽12时，传感器30也检测管子是否存在。也就是，将管20插入狭槽12可相对于传感器元件30施加力。传感器30能够在管中的干和液体存在的状态之间进行区分。也就是，当流体在管20中流动时，管外壁上的力将大于管中没有流体流动的情况。
传感器元件32和34提供对流动在管20中的流体的类型的检测。典型的使用是检测是否存在血液，或者类似的暗(dark)流体，或者清洁流体，或者盐水溶液，相对清澈。另一用途是检测在管中是否存在任何流体或者是否为干燥。发光元件32是合适的装置，诸如红外线发射二极管，收光元件34是合适的装置，诸如硅酮光晶体管。可以采用红外线能量发射二极管的发光元件32定位成具有聚焦在管20的中心的输出束。恒定电流源用于驱动红外线发射二极管。光晶体管34接收传递通过管20的光能。通过该管的光学传递以及在其中流动的流体被放大，放大后的模拟信号经微处理器数字化并且分析，如下所述。
光学元件32和34实现许多功能。由于通过流体的光的量将具有不同的幅值，所以需要检测血液相对于盐水的溶液。在狭槽中没有管、管中流动清澈流体以及管中具有血液的情况下，光的不同幅值可通过检测器34检测到。所有这些不同的条件都可被识别，并且向设备的操作人员给出不同的指示。
在特定应用中，重要的是在流体被注入之前，检测狭槽中是否存在管。通过结合上述压力和光学检测技术，本发明的系统提供增强的可靠性来检测管的存在或不存在的状态。
图3是可用于本发明的多功能传感器的电子电路的方框图。图3的电路是形成整体的，使用一个微处理器控制相应于安装在头部中的所有传感器的所有测量功能。虽然这是优选的，但是也可使用其他电路，例如，分离的电路，具有其本身的微处理器和显示器，相应于每种不同类型的传感器。同样，没有必要使用头部10的所有传感器元件。例如，在特定使用中，可能有必要测量由传感器元件其中的一个测量的状态的其中的一个。
参照图3，设置微处理器50，经过适当地编程从而执行下述所有功能。也就是，微处理器50输出必要的信号来控制多个传感器元件的每个的操作从而执行其想要的功能并且产生输出测量值。微处理器50在线路51上也具有输出，控制双方向多路调制器52的操作，其由微处理器进行选通从而顺序地使用微处理器50的信号以控制与压电传感器元件26a和26b相关联的气泡检测和特征电路60、与传感器元件28相关联的温度检测电路70、与力传感器30相关联的压力检测电路80、以及与光学元件32和34相关联的流体检测电路90的操作。模拟转电子的转换器54数字化电路60、70、80和90的任何一个的模拟输出信号并且将其输送至微处理器50进行处理，从而根据正在活动的传感器元件产生正确的输出。微处理器50驱动视频显示器56从而显示测量结果、警报和其他信息。该微处理器也可产生输出至其他装置，诸如打印机、音频警报、RS 232输出等。所有这些在本技术领域是公知的。
气泡和颗粒检测电路60由微处理器50选择通过从而由多路调制器52操作预定的时间。考虑气泡检测和特征电路60，如前面的专利申请11/703025所述，超声波频率范围例如2-5MHz下的能量由发电机62供给至元件26a或26b，其将作为发送器元件从而传递至作为接收器元件的相对的其他元件。所接收的超声波能量在放大器64中被放大并且由合适的电路检测并且优选地分配为稳定状态(DC)分量和改变或瞬变(AC)分量，这些分量分别表示流体中是否存在气泡或颗粒。信号的两个分量提供至A/D转换器56，其输出供给至微处理器50，该微处理器使用与所存在的变化的瞬时变量相对应的数字数据来表示气泡和/或颗粒的存在以及确定其特征。当流体流动通过管20时，存在稳定状态的分量表示系统正在正常地操作从而连续地自检测系统的故障。
温度检测电路70是用于根据红外线(IR)能量测量温度的任何合适的传统电路。这种电路在现有技术中是公知的。当通过多路调制器52由微处理器50选通时，温度检测电路70电子设备72产生以参照图5所述的方式加热管子20的壁部的IR能量束并且产生由放大器74放大的模拟输出电压。该模拟输出提供至模拟转数字的转换器54，数字输出提供至微处理器从而进行处理和显示。
使用传感器元件30的力检测电路80具有电路，诸如桥路，响应于力或压力将传感器元件的阻抗变化转换为施加至放大器84的电压，然后通过多路调制器52提供至模拟转数字转换器54。由模拟电压表示的测得力转换为数字形式从而由微处理器50使用并且显示在显示器56上。
流体颜色检测电路90具有用于发光元件92的驱动电路92，当系统操作时，其优选地一直开启。通过微处理器50的信号而选择开启的放大器94允许由通过管20的光和/或由光晶体管34接收的流体生成的信号通过多路调制器52至模拟转数字转换器54。如上所述，由光晶体管产生的信号的幅值对应于管中的流体是否存在以及流体的颜色。在通过微处理器处理数字信号之后，结果显示在显示器56上。
仅为了方便，本发明的特殊特征示出在一个或多个附图中，每个特征可以根据本发明而与其他特征结合。本领域技术人员可以想到可选的实施例，这些实施例意在包含在权利要求的范围内。因此，上述说明书将理解为示意性的，而不是限制本发明的范围。所有这些明显的变化和改进都处于所附的权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种集成多功能传感器系统，包括：
头部，该头部具有对置的侧壁，所述侧壁在其间限定狭槽以容纳由可变形材料形成的管；
安装在所述头部中的多个传感器元件，面对所述狭槽中的管，每个所述传感器元件用于检测与管中流体相关的状态，其中，所述多个传感器元件的至少一个传感器元件采用力传感器，该力传感器安装在形成于对置侧壁其中的一个中的凹陷中，从而接触设置在所述狭槽中的管的外壁；以及
电子电路，所述多个传感器元件连接至所述电子电路从而提供由所述多个传感器元件的每个检测到的状态的测量，其中，所述电子电路包括微处理器和力检测电路，所述力检测电路由所述微处理器控制从而根据所述狭槽中的管的变形的变化来确定流动于所述管中的流体的压力的变化，从而确定在流体中是否存在夹杂物；
其中，所述传感器元件的每个执行相应的检测功能，同时位于所述狭槽中的管的壁的外部；
所述多个传感器元件包括：
一对压电元件，彼此对置地安装在所述狭槽的对置的侧壁上从而接触所述狭槽中的管的外壁；以及
所述电子电路包括，气泡和颗粒检测电路，由所述微处理器控制从而将超声波能量提供至所述压电元件其中的一个，并且接收传递穿过所述管的超声波能量，并且根据所接收的能量确定流动在狭槽中的管的流体中是否存在气泡和/或颗粒。
2.根据权利要求1所述的集成多功能传感器系统，其中，所述力检测电路也用于确定所述狭槽中的管是否存在。
3.根据权利要求1所述的集成多功能传感器系统，其中，所述多个传感器元件还包括：
红外温度传感器元件，将红外能量束投射入所述狭槽中的管；以及
安装在狭槽的一个侧壁上的发光元件，用于将光传递入狭槽中的管的内部，以及所述狭槽的相对侧壁上的光接收元件，用于接收通过所述管的光；以及其中，所述电子电路还包括：
温度检测电路，响应于由所述红外温度检测元件检测到的红外能量来确定流动在所述狭槽中的管的流体的温度；以及
流体类型检测电路，响应于由所述光接收元件接收的光来确定流动在所述狭槽中的管中的流体的颜色。
4.根据权利要求3所述的集成多功能传感器系统，其中，所述流体类型检测电路也用于确定所述狭槽中是否存在管和/或管中是否存在流动的流体。
5.根据权利要求1所述的集成多功能传感器系统，其中，所述电子电路还包括由计时信号控制的多路调制器从而分离地致动所述气泡和颗粒检测电路和所述力检测电路其中的每个。
6.根据权利要求3所述的集成多功能传感器系统，其中，所述电子电路还包括由计时信号控制的多路调制器，用于分离地致动所述气泡和颗粒检测电路、所述力检测电路、所述温度检测电路和所述流体类型检测电路其中的每个。
7.一种用于集成多功能传感器系统的传感器头部，包括：
头部，具有对置的侧壁，所述侧壁在其间限定狭槽从而容纳由可变性材料形成的管；以及
多个传感器元件，安装在所述头部从而面对所述狭槽中的管，每个所述传感器元件用于检测与管中的流体相关的状态，其中，所述多个传感器元件的至少一个传感器元件采用力传感器，该力传感器安装在形成于对置侧壁其中的一个中的凹陷中，从而接触设置在所述狭槽中的管的外壁；以及
连接至所述力传感器的电子电路，其中，所述电子电路包括微处理器和力检测电路，所述力检测电路由所述微处理器控制从而确定管存在或不存在于所述狭槽中，
其中，所述传感器元件的每个执行相应的检测功能，同时位于所述狭槽中的管的壁的外部；
所述多个传感器元件包括：
一对压电元件，彼此对置地安装在所述狭槽的对置的侧壁上从而接触所述狭槽中的管的外壁；以及
所述电子电路包括，气泡和颗粒检测电路，由所述微处理器控制从而将超声波能量提供至所述压电元件其中的一个，并且接收传递穿过所述管的超声波能量，并且根据所接收的能量确定流动在狭槽中的管的流体中是否存在气泡和/或颗粒。
8.根据权利要求7所述的传感器头部，其中，所述头部由透明塑料材料制成。
9.根据权利要求7所述的传感器头部，其中，所述多个传感器元件包括：
红外温度传感器元件，将红外能量束投射入所述狭槽中的管；以及
安装在狭槽的一个侧壁上的发光元件，用于将光传递入狭槽中的管的内部，以及所述狭槽的相对侧壁上的光接收元件，用于接收通过所述管的光。
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