CN102089632A

CN102089632A - 传感器和用于流控制的控制单元以及用于受控流体递送的方法

Info

Publication number: CN102089632A
Application number: CN2009801264343A
Authority: CN
Inventors: R.德克; J.R.哈尔特森; P.德格拉夫; A.M.H.汤比尔; A.J.M.图伊尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2011-06-08
Also published as: WO2010004484A1; EP2300787A1; RU2509984C2; JP2011527749A; EP2300787B1; JP5558463B2; RU2011104373A; US8784367B2; US20110118705A1

Abstract

本发明涉及一种传感器（102）和用于与该传感器协作的控制单元（702）。该传感器（102）用于测量流经管路（306）的流体（308）的速度。该传感器（102）采用热测量原理，该测量原理关于加热元件（106）所耗散的功率数量上的干扰方面是鲁棒的。传感器接收器（110）被设置成接收由包括在用于与传感器（102）协作的控制单元（702）中的控制发送器（722）所生成的电磁辐射。该电磁辐射被用来为加热元件（106）供电，加热元件（106）被设置成对流体加热。基于由包括在传感器（102）中的换能器设置所生成的测量信号，控制致动器（724）控制流体的速度。为此，传感器发送器（116）被设置成把该测量信号发送到控制接收器（734）。

Description

传感器和用于流控制的控制单元以及用于受控流体递送的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量流经管路的流体速度的传感器。

本发明还涉及一种与所述传感器协作的控制单元。

此外，本发明涉及一种包括所述传感器和控制单元的系统。

本发明还涉及在医疗应用中使用所述系统。

此外，本发明涉及一种用于递送液体药物的方法。

背景技术

在US-A 5533412中公开了一种流体流量计，其包括供流体流动的管道、处于管道内部以用于在流体中生成热脉冲的加热元件以及处于管道内部并且位于加热元件下游的两个间隔开的传感器，其中，流体携带热脉冲经过管道到达两个间隔开的传感器，并且其中通过热脉冲在间隔开的传感器之间的传播时间来测量流体的流速。该流体流量计还包括附着到管道上用于为加热元件提供功率脉冲的电路。

在US-A 5533412中公开的技术不适于需要在其中定期更换管路的应用，比如在无菌条件下所执行的医疗应用，例如静脉输注、麻醉流控制以及导尿管。在这些医疗干预期间，通常对于每位患者相继使用多条管路。在US-A 5533412中公开的流体流量计的成本过高，因此无法在每次更换管路时丢弃。鉴于针对另一条管路采用流体流量计所需的工作量，US-A 5533412中所公开的流体流量计的再循环也不是经济上可行的选项。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种用于在其中定期更换管路的应用（特别是无菌医疗应用）中测量速度的传感器。

本发明的第二目的是提供一种用于与传感器协作的控制单元。

本发明的第三目的是提供一种包括传感器和管路的系统。

本发明的第四目的和本发明的第三目的是提供一种用于在其中定期交换管路的应用中对液体药物进行受控递送的方法。

本发明的第一目的可以通过根据本发明的传感器来实现，所述传感器被设置成测量流经管路的流体（即液体或气体）的速度，所述传感器包括芯片和传感器接收器，所述芯片包括用于对流体加热的加热元件和用于生成表示流经管路的流体速度的测量信号的换能器设置，所述测量信号是基于第一空间温度差与第二空间温度差的比值的，并且所述传感器接收器被设置成接收用于为加热元件供电的电磁辐射。

通过把测量信号基于第一空间温度差与第二空间温度差的比值，该测量信号独立于被提供给加热元件的功率电平。也就是说，至少对于一定的流体流速范围，第一空间温度差和第二空间温度差两者都以仿射方式与加热元件所耗散的功率相关。如果线性表达式的常数项等于零，则仿射关系都相当于线性关系。因此，通过取得第一空间温度差与第二温度差的比值，就获得了独立于加热元件所耗散的功率的关系。通过把测量信号与这一关系相关，该测量信号关于与加热元件所耗散的功率数量有关的干扰是鲁棒的。

除了诸如加热元件的电阻变化以及关于包括在传感器内的芯片的制造公差之类的干扰之外，通过电磁辐射提供功率的技术还会受到关于提供给加热元件并由之耗散的功率数量的显著干扰。举例来说，传感器接收器相对于发送设备的位置会在机械震动或者到期更换传感器的影响下发生改变。

所述传感器包括用于接收为加热元件供电的电磁辐射的传感器接收器。在这里，可以通过包含在电磁辐射本身之内的能量来为加热元件供电。可替换地，可以采用电磁辐射来实现诸如小型化电池之类的能量存储装置，该小型化电池进一步为加热元件供电。在全部两种情况下，在传感器接收器与加热元件之间都不安装整流器和伴随电路来控制电压电平。也就是说，没有小型化整流器和伴随控制电路能够处理为加热元件供电所需的功率电平。因此，加热元件所耗散的功率数量无法得到控制，从而可能发生波动。

由于所述测量信号关于作用在加热元件所耗散的功率数量上的干扰方面是鲁棒的，因此通过电磁辐射提供功率的技术对于精确测量流体流速的传感器中的应用已变得可行。

由于功率是通过电磁辐射来提供的这一事实，也就是说功率是通过无线方式提供的，因此所述传感器由于没有麻烦的布线而容易处理。此外，所述传感器还允许可靠的处理和可靠的应用，这是因为在相当程度上限制了固有地存在于例如医疗应用中的电接触件污染的风险。

此外，所述传感器可以很容易被应用在一次性物品中，也就是说丢弃该传感器的经济损失非常小。显然，也不一定需要丢弃该传感器，也就是说其允许长期使用。具体来说，在更换管路的情况下，该传感器可以与管路一起丢弃，而作为总体系统的最昂贵部分的其他电路则可以重复利用。有鉴于此，在其中需要定期更换管路的应用中，尤其是在无菌医疗应用中（比如静脉输注、麻醉流控制、导尿管、呼吸控制以及肠道内和肠道外营养剂流量测量），采用该传感器特别具有经济上的吸引力。由于该传感器是一次性物品，因此可以有效地避免再次使得该传感器无菌的工作量极大的处理。

除了医疗应用之外，所述传感器还非常适合于在诸如净水生产、化学精炼、石油开采和柴油引擎之类的应用中测量流体流速。

本发明的第二方面可以通过根据本发明的控制单元来实现，该控制单元被配置成与传感器协作，该控制单元包括用于向传感器接收器发送电磁辐射的控制发送器。由于包括控制发送器，该控制单元能够提供用于为加热元件供电的电磁辐射。其结果是，在没有物理连接的情况下实现了传感器与控制单元之间的协作。所述特性保证了在其中需要定期更换管路的应用中具有经济上的吸引力的实施方式，这是因为可以很容易把传感器与控制单元断开，控制单元可以被重复利用，而传感器则允许被丢弃。

本发明的第三目的可以通过根据本发明的系统来实现，该系统同时包括根据本发明的传感器和根据本发明的控制单元。

本发明的第四目的可以通过根据本发明的一种方法来实现，该方法被设置成对液体药物进行受控递送，其包括以下步骤：建立预定义流速；通过可拆卸方式把控制单元连接到管路；通过应用传感器和致动器经由管路进行液体药物的受控递送；把控制单元从管路断开；以及丢弃管路。把控制单元与管路彼此分离的步骤（即丢弃管路，而重复利用控制单元）可以确保在其中需要定期交换管路的应用中具有经济上的吸引力的该方法的实施方式。

在根据本发明的传感器的一个实施例中，第一空间温度差是加热元件之前的流体温度与加热元件之后的流体温度之间的数值差，而第二空间温度差是加热元件上游各位置处的流体温度之间的数值差加上加热元件下游各位置处的流体温度之间的数值差。该实施例的优点在于其关于加热元件的对称配置。其结果是，该实施例不必假定关于流向的特定方向。

在根据本发明的传感器的另一个实施例中，所述传感器接收器由天线实现，加热元件被集成在该天线中。

在全部两种情况下，在传感器接收器与加热元件之间都不安装整流器和伴随电路来控制电压电平。也就是说，没有小型化整流器和伴随控制电路能够处理为加热元件供电所需的功率电平。因此，加热元件所耗散的功率数量无法得到控制，从而可能发生波动。

在根据本发明的传感器的另一个实施例中，所述传感器位于管壁中或管壁处。其结果是，可以相对紧邻流经管路的流体来安装传感器，以便减小流体与流传感器之间的热阻，其目的是提高测量信号的精确度。通过把传感器与管壁集成在一起，该传感器不与流体发生物理接触。所述特性对于诸如静脉输注或导尿管流控制之类的医疗应用来说至关重要。也就是说，在这些应用中至为重要的是防止出现传感器或其部件被释放并且随后被流体流携带到人体或动物体内的紧急情况。

在根据本发明的传感器的另一个实施例中，所述传感器被设置成基本上与管路同轴。在本文中，同轴应当被解释成各主体或表面在轴向上共享公共轴的设置。因此，圆形及非圆形实体和表面都允许同轴设置。通过把传感器和管路设置成基本上同轴，可以提高由换能器设置生成的测量信号的精确度。

在根据本发明的传感器的另一个实施例中，所述芯片包括用于发送测量信号的传感器发送器。其结果是，该传感器在物理上与驱动该传感器并且对包括在该传感器内的换能器设置所生成的测量信号做出响应的任何电路完全断开。

在根据本发明的控制单元的另一个实施例中，所述控制单元包括用于控制流经管路的流体的流速的致动器。其结果是，可以规避流速对诸如重力之类的外部环境的依赖性。

在根据本发明的控制单元的另一个实施例中，所述控制单元与用于通过可拆卸方式把控制单元连接到管路的设施一起提供。有鉴于此，该控制单元和包括在其中的致动器能够在不妨碍传感器和管路的可丢弃性的情况下控制管路中的流体速度。这种特性对于其中需要定期（通常是一天一次）更换包括传感器的管路的医疗应用是特别有利的。也就是说，通过按照可拆卸方式连接管路与控制单元，该管路允许被丢弃，而控制单元则可以被重复利用。显而易见的是，由于没有布线，因此在很大程度上便于更换包含传感器的管路。

在根据本发明的控制单元的另一个实施例中，可以通过关于预定义流速与包括在传感器内的换能器设置所生成的测量信号之间的偏差的信号来控制致动器。其结果是，不需要例如医生或急救员的干预，基于测量信号的数值来调节致动器的设置，以便令流体流与预定义的药物流态相符。

在根据本发明的控制单元的另一个实施例中，所述致动器包括致动器接收器，其用于接收由包括在传感器内的换能器设置所生成的测量信号。有鉴于此，该传感器和致动器可以在没有任何硬件连接的情况下操作。

附图说明

图1示意性地显示出根据本发明的系统的第一实施例，其中传感器包括由两个热电堆构成的换能器设置。

图2示意性地描绘了根据本发明的传感器的第二实施例，其中传感器位于管壁中。

图3示意性地显示出根据本发明的系统的第三实施例，其中由传感器接收器所接收到的电磁辐射实现了为加热元件供电的电池。

图4示意性地提供了关于可以由包括在根据本发明的传感器的第一和第三实施例中的换能器设置测量的参量的解释。

图5示意性地描绘了根据本发明的传感器的第四实施例，其中传感器位于管壁中，并且其中传感器包括由三个热电堆构成的换能器设置。

图6示意性地示出了根据本发明的传感器的第五实施例的截面图，其中传感器与管路同轴对准。

图7示意性地示出了根据本发明的系统的实施例，其中根据本发明的控制单元被设置成与根据本发明的传感器协作。

图8示意性地示出了代表根据本发明的方法的实施例的流程图，其中控制单元被重复利用。

具体实施方式

图1显示出包括芯片104的传感器102，芯片104具有由聚酰亚胺制成的基板。该材料的好处在于其相对较低的RF功率损耗。在这里，RF表示射频，其意味着从近似1MHz到大约10GHz的频率范围。传感器102还包括用于接收电磁辐射的天线110。包含在电磁辐射中的能量被用来为加热元件106供电，加热元件106被设置成加热流体。通过在局部为天线110提供相对较大的电阻而把加热元件106与天线110集成在一起。在局部为天线110提供具有更高电阻的材料，或者可替换地在局部为天线110提供较小的截面积。其结果是，功率将沿着相对较大的电阻耗散，该耗散将导致加热。天线110（至少其未被设置成加热流体的部分）不位于芯片104上。

芯片104包括换能器设置108，换能器设置108包括第一热电堆112和第二热电堆114。在本文中，热电堆表示多个热电偶的串联连接。热电堆产生与局部温度梯度或温度差相关的输出而不是测量绝对温度。第一热电堆112记录线A与线B处的温度之间的差。因此，第一热电堆112测量加热元件106的温度与参考位置处的温度（该温度也被称作参考温度）之间的差。同样地，第二热电堆114测量线C与线D处的温度之间的差。因此，第二热电堆114测量经过加热元件106之后的流体温度与经过加热元件106之前的流体温度之间的差。换能器设置108被设置成基于第一热电堆112和第二热电堆114的输出生成表示流经管路的流体的速度的测量信号。该芯片还包括传感器发送器116，其用于发送由换能器设置108所生成的测量信号。此外，该芯片还包括存储器118。在存储器118内存储数据，该数据当中可以包含将由传感器102测量其速度的流体所流经的管路的校准质量。在图2中公开了传感器102与管路协作的使用方式，该图涉及根据本发明的传感器的第二实施例。

图2显示出根据本发明的传感器的实施例，其中传感器202位于管路206的管壁204处以用于测量流经管路206的流体208的速度

[m/s]。加热元件210被设置成用于对流体208加热。第一热电堆212被设置成用于测量加热元件210的温度

[K]与在加热元件210下游距离

处记录的参考温度

（参见图4）之间的差。第一热电堆212的输出，即

根据以下关系与提供给加热元件210的功率

[W]和管路206中的流体208的流速相关：

[I]，

其中：

[II]，

[III]，

[IV]

并且其中

代表加热器的长度，d是从传感器202到流体208的距离，h是流管路的高度，参见图4，其中给出了针对前述参量的图形解释。此外，

是加热元件210的宽度，

是流体208的热扩散系数，

是流体208的导热率，

是管壁204的导热率（即传感器202与流体208之间的材料的导热率）。

第二热电堆214被设置成用于测量经过加热元件210之后的流体208的温度

与经过加热元件210之前的流体208的温度[K]的温度之间的差。第一热电堆212的输出，即

根据以下关系与管路206中的流体208的速度

和温度

相关：

[IX]

其中，

遵循等式[II]，

遵循等式[VI]。

由包括在传感器502中的换能器设置（未示出）所生成的测量信号是基于第一热电堆512、第二热电堆514和第三热电堆516的输出之间的比值

的。假设

，则测量信号

遵循以下无量纲关系：

[X]

其中，

和

分别遵循等式[III]和[VI]。比值

独立于加热元件510所耗散的功率P。因此，该测量信号关于作用在加热元件510所耗散的功率上的干扰方面是鲁棒的。此外，根据关系[V]的测量信号在环境温度的变化下是不变的。因此，该测量信号关于温度没有偏移量。此外，该测量信号对于流经管路506的流体508的速度的很大范围都是灵敏的。其结果是，该测量信号可以在相对较大的范围内表示速度

。

图6显示出优选实施例，其中传感器602位于管路606的管壁604中以用于测量流经管路606的流体608的速度。管路606的管壁604由适当的塑料制成，比如聚酰亚胺。管路606的内半径为

，外半径为

。传感器602被设置成在半径

处与管路606同轴，其中有

。优选的是，为了减小流体与流传感器之间的热阻以便提高由包括在传感器602中的换能器设置（未示出）所生成的测量信号的精确度，距离

相对较小，例如大约60μm。很明显，传感器602不与流经管路606的流体608发生物理接触。优选的是，传感器602在相对较大的程度上包裹流体608，以便提高由包括在传感器602中的换能器设置（未示出）所生成的测量信号的精确度。

图7显示出根据本发明的系统的实施例。该系统包括控制单元702和传感器704。该传感器位于管路708的管壁706中。控制单元702被设置成与传感器704协作。控制单元702包括第一实体710和第二实体712。在该实施例中，全部两个实体都是细长实体。在该实施例中，第一实体710和第二实体712通过铰链设置714相连。因此，第一实体710、第二实体714和该铰链设置构成外壳。可替换地，第一和第二实体可以借助于螺丝、按扣或夹具相连。

铰链设置714沿着对于第一实体710和第二实体712的旋转轴716建立相互旋转自由度

。第一实体710包括具有第一空腔718的第一面717，第二实体则包括具有第二空腔720的第二面719。在相互旋转自由度

消失，即两个面717和719彼此相遇从而所述外壳闭合的情况下，第一空腔718和第二空腔720的构造能够封装管路708。

控制单元702包括控制发送器722，其用于向包括在传感器704中的传感器接收器（未示出）发送电磁辐射以便为包括在传感器704中的加热元件（未示出）供电。在这里，通过包含在电磁辐射本身之内的能量来为加热元件供电。可替换地，可以采用电磁辐射来实现诸如包括在传感器中的小型化电池（未示出）之类的能量存储装置，该小型化电池进一步为加热元件供电。

控制单元702还包括用于控制流经管路708的流体726的速度的控制致动器724。其结果是，防止了流速对诸如重力之类的外部环境的依赖性。致动器724优选地由圆柱体728实现，圆柱体728可以通过电磁电动机732围绕枢轴730偏心旋转。电磁电动机732可以由信号来控制，该信号是关于管路708中的流体726的预定义流速与由传感器704中的换能器设置（未示出）所生成的测量信号所表示的速度之间的偏差的。因此，不需要例如医生或急救员的干预来调节致动器724的设置，以便令管路708中的流体726的速度与预定义的药物流态相符。致动器724包括致动器接收器734，其用于接收由包括在传感器704中的换能器设置所生成的测量信号。比较器736把由致动器接收器734所接收到的测量信号与管路708中的流体726的速度的预定义参考值进行比较，该参考值是基于预定药物流态的。

通过令沿着相互旋转轴716的旋转自由度

消失而适当地封装管路708，包含在致动器724中的可偏心旋转的实体718能够控制管路708的截面的尺寸。这样，管路708中的流体726的流速v就有效地得到控制。

第一空腔718包括第一多个圆形凹陷738。第一多个圆形凹陷738的指向与第一空腔718不平行。同样地，第二空腔720包括第二多个圆形凹陷740。第二多个圆形凹陷740的指向与第一多个圆形凹陷738的指向相匹配。第一多个圆形凹陷738和第二多个圆形凹陷740被设置成封装安装在管路708上的多个凸起742。通过令沿着相互旋转轴716的旋转自由度

消失而适当地封装管路708，并且通过把所述多个凸起742与第一多个圆形凹陷738和第二多个圆形凹陷740对准，就可以建立管路708与控制单元702的相互轴位置。

可以把包括控制单元702和传感器704的系统集成到存储、显示以及分析关于流经管路708的流体726的速度的信息的系统中。

这种系统的例子可以是患者监控系统。在患者监控系统中，几个设备测量诸如患者血压和心率之类的生命体征，并且将其发送到监控设备。监控设备存储关于生命体征的信息并且例如在医疗专业人员的请求下分析及显示该信息。例如在诸如静脉输注之类的应用中，由传感器704提供的关于流经管路708的流体726的速度的信息可以实质上由患者监控系统进行监控。为此，采用具有另一个控制发送器744的控制单元，另一个控制发送器744优选地提供与患者监控系统的无线连接。

应当强调的是，传感器704的应用考虑到与可能由不同公司制造的多种泵浦、医疗重力滴注或一次性泵浦系统相结合的应用。有鉴于此，传感器704可以充当流体输送系统和前面提到的患者监控系统之间的标准接口。

图8显示出表示根据本发明的方法的实施例的流程图。该方法被设置成递送液体药物，特别是在无菌条件下对液体药物进行静脉递送。步骤802包括：基于具体治疗流态建立对应于速度v的预定义值。步骤804包括：通过可拆卸方式把与根据本发明的系统的实施例相符的控制单元连接到管路，该管路在其管壁中包含遵循根据本发明的传感器的第一实施例的传感器。步骤806包括：通过基于信号控制包括在控制单元中的控制致动器来对液体药物进行受控递送，其中所述信号是关于预定义流速水平与由包括在传感器中的换能器设置生成的测量信号所表示的速度之间的偏差的。步骤808包括：把控制单元与管路断开。例如在流体递送期间，可以多次执行建立对应于速度v的预定义值的步骤。

虽然在附图和前面的描述中详细地示出及描述了本发明，但是这些图示和描述应当被认为是说明性或示例性而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。应当注意的是，可以通过应用本身已知的工艺和材料来制作根据本发明的传感器和控制单元及其全部组件。在权利要求书和说明书中，“包括”一词不排除其他元件，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。权利要求中的任何附图标记不应被理解成限制其范围。还应当注意的是，在权利要求书中所限定的所有可能的特征组合都是本发明的一部分。

Claims

1. 一种用于测量流经管路（206）的流体（208）的速度的传感器（102），所述传感器包括芯片（104）和传感器接收器（310），所述芯片包括用于对流体加热的加热元件（106）和用于生成表示流经管路的流体速度的测量信号的换能器设置（108），所述测量信号是基于第一空间温度差与第二空间温度差的比值的，并且所述传感器接收器被设置成接收用于为加热元件供电的电磁辐射。

2. 根据权利要求1的传感器，其中，第一空间温度差是加热元件之前的流体温度与加热元件之后的流体温度之间的数值差，并且第二空间温度差是加热元件之前的各位置处的流体温度之间的数值差加上加热元件之后的各位置处的流体温度之间的数值差。

3. 根据权利要求1的传感器，其中，所述传感器接收器是天线（110），所述天线包括加热元件。

4. 根据权利要求1的传感器，其中，所述芯片包括用于发送测量信号的传感器发送器（116）。

5. 根据权利要求1的传感器，其中，所述传感器位于管路的管壁中或管壁处。

6. 根据权利要求5的传感器，其中，所述传感器被设置成基本上与管路同轴。

7. 根据权利要求1的传感器，其中，所述芯片包括用于存储数据的存储器118。

8. 一种用于与根据权利要求1的传感器协作的控制单元（602），其中，所述控制单元包括用于向传感器接收器发送电磁辐射的控制发送器（626）。

9. 根据权利要求8的控制单元，其中，所述控制单元包括用于通过可拆卸方式把该控制单元连接到管路的设施。

10. 根据权利要求8的控制单元，其中，所述控制单元包括用于控制流经管路的流体的流速的控制致动器（624）。

11. 根据权利要求10的控制单元，其中，可以通过关于预定义流速与由包括在根据权利要求1的传感器中的换能器设置生成的测量信号所表示的速度之间的偏差的信号来控制所述控制致动器。

12. 根据权利要求11的控制单元，其中，所述致动器包括致动器接收器（534），其用于接收由包括在根据权利要求1的传感器中的换能器设置所生成的测量信号。

13. 一种系统，其包括根据权利要求1的传感器和根据权利要求8的控制单元。

14. 根据权利要求13的系统在医疗应用中的使用。

15. 一种用于对液体药物进行受控递送的方法，其包括以下步骤：建立预定义流体流速（702）；通过可拆卸方式把根据权利要求4的控制单元连接到管路（704）；通过应用根据权利要求1的传感器和根据权利要求8的致动器，经由管路进行液体药物的受控递送（706）。