CN102608119A - 管道药液中的运动异物检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道药液中的运动异物检测装置及方法，该检测装置包括机壳、光源、颜色传感器、处理器、警报器和数据输出接口，在颜色传感器与光源之间具有容纳药液管道的管道空间，颜色传感器和光源相对地设置在管道空间的两侧，处理器与颜色传感器、警报器及数据输出接口相连接。颜色传感器把从光源接收到的光转换成连续性的光学信息，处理器用于对收集到的光学信息进行分析处理。这种检测装置使用了颜色传感器，采用三原色及光暗信息进行检测，其优点是灵敏度高及误报率低，属于一种可靠且具有高度精确性和重复性的检测系统。

Description

管道药液中的运动异物检测装置及方法

技术领域

本发明涉及医疗器材及医学检测技术领域，具体地说，涉及管道药液中的运动异物检测装置及方法。

背景技术

药物进入体内有许多办法，当中包括肠外和肠内输注系统，肠外系统是把电解质或药物输送到病人的循环系统中；肠内输注系统用于因某种原因自己不能进食的病人。静脉输注则是把药物或营养物输入体内比较直接的方法。

药物经由静脉输注给药的主要优点包括：精确的控制血浆中药物浓度，以适合个别病人的需要；对于治疗窗狭窄的药物，静脉输注可经由消除最大与最小血浆中药物浓度之间的大幅波动，而维持有效而固定的血浆浓度；对于吞咽困难的病人，静脉输注是理想的投药方式。为病人进行静脉输注给药时，需要考虑的因素会较多，包括输注管道内气体的检测、排气及流速的控制等。

气体及气泡之检测在静脉输注投药系统中极为重要，因为大量空气与溶液一起输送是不可取的。在肠内输注系统中，过量的空气可能会刺激病人的消化系统，并使医疗状况复杂化。此外气体的出现可使肠内输注泵的容量计算不准确(玛尔斯特罗姆和贝科, 2006; Malmstrom et al., 2002.)。在肠外输注系统中，气体的出现危险性可能大得多。大量的气体进入人体的任何部分可以发生栓塞，导致血流受阻。若栓塞发生在脑部中严重者可以导致失忆及死亡；若气体出现在心脏能引起死亡或心脏受损。除了空气进入病人身体涉及的健康问题以外，肠外或肠内输注导管中存在空气还意味着没有给病人输送所需要的溶液量(玛尔斯特罗姆和贝科, 2006)。

市场上有多种装置可以检测传输导管中的空气，包括：超声波检测(Namery.,1976; Bobo et al., 1991; Johnson et al., 1995; Cole et al., 2000)、光学检测(Zissimopoulos and Baron., 1982; Mosteller, 1985; Mount et al., 1995; Wahlberg., 2000)和电导率方法(Cassidy et al., 2008)。

在静脉输注中，现有运动异物（如气泡）之检测技术中，超声波检测器最为常用。常用的频率为2MHz，可检测的气泡范围可以是0.2ml或以上 (US5455423, 1995)。其原理是透过声场的传导性，从而判断在导管中是否存在气体。实际上，溶液与气体相比，声场会较容易在液体的环境下发生传递。如此，导管中若出现气体，声场便不能传递至导管的另一侧，尽管超声波检测器能检测输注管道中细小的气泡，但是仍然存在以下缺点：

a)检测功能只限于气泡，除气泡外，其他运动异物是检测不到的。

b)超声波检测器需要与导管直接接触，当中包括超声波的发射器和接收器。

c)此外，细小的空隙可以引起错误的警号。

d)在导管表面的微细气泡，尽管体积十分细小，但是也会引起错误的警号。

e)超声波检测器耗电量也较高，大于100mW。

电导率检测器最少被使用，由于它们需要与输注液有直接的电接触，因此设备要具有良好的绝缘性及电流泄漏较低。通常会把两至三个电极加入至液体中，由交流电或直流电作为刺激，以电流或电压作为监察。气泡是不具有导电性的，而大部份的输注液却具有导电性，利用上述的特性进行管道内气泡之检测。但是缺点仍然是存在，就是部份的输注液是不具有导电性。另外，也会发生错误的报警信号(Cassidy., 2009)。

光学检测器是最为便宜的检测器，一些光学的检测器是利用光的吸收或折射来检测导管内的气泡，如，US4312341和US4496346的专利，是利用光源及光源的检测器，检测器处于光源的相反位置，检测器会检测穿透导管后的光强度，当光源低于预设的强度便会停止输注及发出警号(Zissimopoulos and Baron., 1982; Mosteller., 1985)。另外，US5455423之专利是应用红外线作为光源(Mount et al., 1995)。而US6111263是利用光折射的原理检测气泡(Wahlberg., 2000)。但是这些方法都是溶液依赖性，因为静脉输注中会使用不同的溶液，因此这项技术不为普及。而且，光学特性会受道管及不同道管的设置都会影响。一般光学气泡检测仪可检测的范围由1ml和0.1ml(Mount et al., 1995)。

以上所述装置都是缺乏准确性或使用复杂及价格昂贵。虽然其它一些装置相当准确，但需要相当大的功率。另外，大多数检测器都存在着制作成本高的缺点及只能就单一气泡或异物进行检测的功能，并不能同时有效检测不兼容性之气体、液体及固体。因此，市场上需要一种之运动异物检测器，且具有价格较低廉、容易操作、较高的准确性及可以进行工业生产兼备的检测器。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种管道药液中的运动异物检测装置，该检测装置能确定药液中是否存在不兼容性之气体、液体及固体，且价格较为低廉、容易操作、检测准确性较高。

本发明的另一个目的在于提供一种管道药液中的运动异物检测方法，该检测方法能确定药液中是否存在不兼容性之气体、液体及固体，且价格较为低廉、容易操作、检测准确性较高。

本发明的第一目的通过以下技术方案予以实现：提供一种管道药液中的运动异物检测装置，包括机壳、光源、颜色传感器、处理器、警报器和数据输出接口，在所述颜色传感器与所述光源之间具有容纳药液管道的管道空间，所述颜色传感器和光源相对地设置在所述管道空间的两侧，使得所述颜色传感器的传感面能直接接收到由所述光源发出并穿过所述药液管道的光线；所述处理器与所述颜色传感器、所述警报器及所述数据输出接口相连接；所述颜色传感器用于把从所述光源接收到的光转换成连续性的光学信息，所述警报器用于产生具警报性的光、声或行为，所述处理器用于对收集到的光学信息进行分析处理。

优选地，所述光学信息包括红色、绿色、蓝色和光暗值四个元素。

优选地，所述颜色传感器的传感面覆盖的范围可小于、大于或等于所述药液管道的直径。

优选地，所述管道空间为圆柱形通道，其内有偶数个小孔，所述小孔是每两个一组，每组两个小孔相对地设置；在所述每组两个小孔中，一个小孔为所述光源的光线射出口，另一个小孔为所述颜色传感器的光线接收口。

优选地，所述机壳为不透光的机壳，所述光源为灯泡，所述数据输出接口为USB接口。

进一步地，所述光源和颜色传感器设有一对或多对，其中一个光源和一个颜色传感器构成一对。

本发明的第二目的通过以下技术方案予以实现：提供一种管道药液中的运动异物检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1) 提供药液管道，其内具有流动的药液；

2）在所述药液管道的两侧分别设置光源和颜色传感器，所述光源与颜色传感器相互面对；

3）使所述光源照射所述药液管道中流动的药液，使所述颜色传感器接收由所述光源发出并穿透所述药液管道的连续性光线，使得所述颜色传感器产生所述药液流动时的连续光学信息；

4) 所述颜色传感器将所述光学信息发送给处理器；

5) 所述处理器对收集到的所述光学信息进行分析处理，若检测出运动异物，则由所述处理器启动与之相连接的警报器发出警报性的光、声或行为。

较好地，在所述处理器的分析处理步骤中，所述处理器利用同比、环比和定基比算法，对所述光学信息进行检测处理，得到测试信息，该测试信息在检测后，作为以后检测用的样板信息，样板信息在检测处理进行前采集；所述处理器将实际测试获得的测试信息与所述样板信息进行比较计算，若测试信息在检测中超过预设的安全范围值，则认定为运动异物。

所述运动异物包括任何不兼容之气体物质，包括空气、二氧化碳、氧气、氮气及其它任何医学用之气体；任何不兼容之液体物质，包括油滴及乳化液；任何不兼容之固体物质，包括沉淀物、杂质及残留异物。

较好地，所述光学信息包括红色、绿色、蓝色和光暗值四个元素。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)能进行气体、液体及固体之运动异物检测，而目前的超声波检测方法只具备运动气体的检测功能。

2)准确性高：原因在于管道光源受保护，不被外界光线所影响，异物在管道通过时会把它带来的影响在光源上表现出来，准确的数据便可在颜色传感器接收到。

3)运算能力要求低：收集到的数据只经过简单的公式运算，没有高运算量的要求。

4)体积小、轻便且容易操作：本发明由几件细小的组件所组成，体积细小且轻便，可直接使用在一般的输液管上，和现时市场上的同类装置比较，体积和重量绝对得到优势，另外，本装置的目标单一，操作上只须按一下开关按钮便可。

5)生产价格低廉：在成本上，本装置设计的发展方向是普及便民，和目前市场上的同类装置在价格比较上，本装置是有绝对优势的，可进行工业生产兼备，在市场上可容易普及发展。

6）除输注液的检测外，还可包括任何运动药液之检测，如：液体药品制造时之运动异物检测、肠内输注系统之运动异物检测及应用于液体药品之质量检测等。

7）超声检测器和一般的光学检测器都是以信息穿透药液管道后强度是否发生改变来判断是否存在着气泡，当监测器所在的管道位置，若管道内部存在气泡，这些气泡由于存在着管道内部并不会随着药液流动，超声检测器和光学检测器便会引起错误的警号。而采用色差处理方法的光学检测器并不会引起错误的警号，大大提高了输注液中的运动异物检测识别的准确率。

附图说明

图1是本发明的检测装置的结构原理示意图。

图2是图1所示检测装置的俯视图。

图3是图1所示检测装置的工作原理示意图。

图4是本发明装置的检测装置和超声波方式的检测装置的实验比对图表一，实验中使用的粒子大小是5微米。

图5是本发明装置的检测装置和超声波方式的检测装置的实验比对图表二，实验中使用的粒子大小是30微米。

具体实施方式

下面结合附图为本发明作进一步的描述。

图1 所示的检测装置用于检测管道药液中的运动异物，可检测的运动异物包括任何不兼容之气体物质、液体物质或固体物质，其中，所述气体物质包括空气、二氧化碳、氧气和氮气等，所述液体物质包括油滴和乳化液等，所述固体物质包括沉淀物、杂质和残留异物等。

该检测装置包括不透光的机壳1、作为光源的白光灯泡2、颜色传感器3、处理器4、警报器5和USB数据输出接口6等，机壳1内穿设有用于容纳透明的药液管道7的管道空间8，灯泡2、颜色传感器3和处理器4位于机壳1内部，警报器5和USB数据输出接口6位于机壳1上，管道空间8位于颜色传感器3与灯泡2之间，颜色传感器3和灯泡2相对地设置在管道空间8的两侧，使得颜色传感器3的传感面能直接接收到由灯泡2发出并穿过药液管道7的光线，所述传感面覆盖的范围可小于、大于或等于药液管道7的直径。处理器4与颜色传感器3、警报器5及USB数据输出接口6分别相连接，颜色传感器3采用的是可编程彩色光/频转换器，如：TCS230，用于把从灯泡2接收到的光转换成连续性的光学信息，该光学信息包括了红色、绿色、蓝色和光暗值四个元素，警报器5用于产生具警报性的光、声或行为，处理器4用于对收集到的光学信息进行分析处理，USB数据输出接口用于将该检测装置连接到其他外部计算器或装置，以及对本检测装置提供电源。

如图2，所述管道空间8为圆柱形通道，其内有两个相对设置的小孔9、10，一个小孔为灯泡2的光线射出口，另一个小孔为颜色传感器3的光线接收口，当药液管道7由管道空间8穿过时，药液管道7正好位于两个小孔9、10之间。

如图3，运动异物11在药液管道7内的药液中出现，把由灯泡2所发出的光阻隔或造成折射，颜色传感器3接收的光出现变化，与原来稳定的光不同，颜色传感器3所产生出的光学信息也出现变化。由于颜色传感器3的传感面与药液管道7相对，穿过药液管道7的光会全部被接收，从灯泡2与颜色传感器3之间通过的药液被完全检测，因此，所有能阻隔光或造成光折射的运动异物也会被检测出来。

处理器对光学信息的分析处理是以横向方式进行检测计算，以纵向的方式进行检测判断，形成一个二维纵横向的检测系统。根据运动异物不同时间间隔之间的运动特性，利用色差处理方法，把取得的稳定的色原及光暗信息作为样板信息，与随后的测试信息进行色差处理。当将实际测试获得的测试信息与样板信息经运算后若有分别，便会引起警报信号，从而测定流动的药液中的任何运动异物。由于药液的颜色及光暗固定，且在流动时是以直线运动方式进行，因此通过颜色及光暗光学信息比对之速率或光学信息接受的时间间距，以调节检测器之灵敏度；透过调节光学信息的解像度可改变运动异物的检测范围及可检测异物之大小极限。

这种新式光学检测系统使用了颜色传感器，采用三原色及光暗信息进行检测，其优点是灵敏度高及误报率低，属于一种可靠且具有高度精确性和重复性的检测系统。另外，由于颜色传感器的普及和价格便宜，在市场上可容易普及发展。

影响检测的精确度和重复性主要受制于颜色传感器，颜色传感器的信息接受越灵敏，可检测出越细小的溶质或气泡，且精确度和重复性也会提高。同步采用色原及光暗信息，其灵敏度及误报率将远较只采用光暗信息为优。由于采用色差处理方法，与传统的光学检测器不同，因此并不受药液之颜色影响。另一方面，与其它类型的检测器相比，这种检测器较少发生错误的警报信号。另外，根据药液的流速，可透过色原及光暗信息开合之速度从而调节所捕捉的时间间隔之影像。

上述检测装置用于检测管道药液中的运动异物时，包括以下步骤：

1) 提供药液管道7，其内具有流动的药液；

2）在药液管道7的两侧分别设置灯泡2和颜色传感器3，灯泡2与颜色传感器3相互面对；

3）使灯泡2照射药液管道7中流动的药液，使颜色传感器3接收由灯泡2发出并穿透药液管道7的连续性光线，使得颜色传感器3产生药液流动时的连续光学信息，该光学信息包括红色、绿色、蓝色和光暗值四个元素；

4)颜色传感器3将所述光学信息发送给处理器4；

5)处理器4对收集到的光学信息进行分析处理，利用同比、环比和定基比算法，对所述光学信息进行检测处理，得到测试信息，该测试信息在检测后，作为以后检测用的样板信息；处理器4将实际测试获得的测试信息与所述样板信息进行比较计算，若测试信息在检测中超过预设的安全范围值，则认定为运动异物；若检测出运动异物，则由处理器4启动与之相连接的警报器5发出警报性的光、声或行为。

检测计算主要是采用三个不同基期水平与最新水平，以同比、环比和基数比等方式作比较，以表明信息的趋势改变和程度，三个基期分别是「初段基期」、「前段基期」和「前一基期」。每一基期都以一段时期水平的平均值作为它的水平程度，并均用百分数或倍数表示。另外，三种基期水平的计算参考期，由变量「期数」所给出，期数是一个趋势敏锐度的值，当期数趋向小时，趋势敏锐度会提高，相反，当期数趋向大时，趋势敏锐度会降低。而检测时的敏感度则由另一变量所支配，就是「阈值」，阈值的控制可让检测的适用性增加，因应检测对不同药液的须要调节其敏感度。

以下是检测计算中的三个基期水平和比较的计算方法：

·        「初段基期」是以最初的期数量信息作平均所得出，如下：

这里我们有一个假设，就是在检测开始的期数量信息中，不存在运动异物，读取的信息是稳定可靠的。这是因为管道必须在已注满药液时才向病人进行注射药液，检测装置正好配合这一点读取「初段基期」所需的信息。同时，初段基期是用作基数比的计算，说明信息相对最初的变化程度，其计算如下：

·        「前段基期」是指最前的期数信息平均值，如下：

前段基期是用作同比的计算，说明在一个大趋势上信息的变化程度，其计算如下：

·        「前一基期」是指前一期数信息平均值，如下：

前一基期是用作环比的计算，说明信息逐期的趋势改变，其计算如下：

光学信息包含四个元素，分别是红色、绿色、蓝色和光暗值，在检测计算中，这四个元素会独立进行，使运动异物引至的光折射和变化能在信息中反映出来的，都可在检测计算中了解到。

在检测判断方面的阈值是一个药液适用性的控制值，阈值是以百分比显示，每当光信息的变化不超过阈值时，检测判断的结果是“负”，否则结果是“正”。

在无异物的情况下，警报器是处于待机状态，当运动异物被发现时，处理器会启动警报器，使其产生具警报性的光、声或行为。

见图4和图5，本发明装置和以超声波方式检测气泡的装置进行了一系列的实验验证比较。使用大概 5微米和30微米的标准测量粒子“Beckman Coulter Latex Particle, NIST Traceable”，混合出几个不同的液体异物浓度样本，在几种液体流速下，和超声波检测输液泵“B BRAUN Infusomat fmS”进行检测验证，发现以光学信息方法检测（即本发明装置）不但能把粒子检测出来，气泡也同样检测到，相反，超声波检测只能检测出气泡，对粒子没有任何反应。 

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，例如，所述管道空间内还可设置多于两个的偶数个小孔，而灯泡和颜色传感器设有多对，其中一个光源和一个颜色传感器构成一对，灯泡和颜色传感器的总数与小孔总数一致；每两个小孔一组，每组小孔两两相对；在每组两个小孔中，一个小孔作为灯泡的光线射出口，另一个小孔作为颜色传感器的光线接收口。所述数据输出接口除了为USB接口外，还可以为其它类型的数据输出接口。光源除了采用白光灯泡之外，还可以采用其它类型的光源。微处理器也可把光学信息传给数据输出接口，籍此把信息传送到装置以外进行分析处理。以上这些变形和改进都属于本发明的保护范围。 

Claims (10)

1. 一种管道药液中的运动异物检测装置，其特征在于，所述检测装置包括机壳、光源、颜色传感器、处理器、警报器和数据输出接口，在所述颜色传感器与所述光源之间具有容纳药液管道的管道空间，所述颜色传感器和光源相对地设置在所述管道空间的两侧，使得所述颜色传感器的传感面能直接接收到由所述光源发出并穿过所述药液管道的光线；所述处理器与所述颜色传感器、警报器及数据输出接口相连接；所述颜色传感器用于把从所述光源接收到的光转换成连续性的光学信息，所述警报器用于产生具警报性的光、声或行为，所述处理器用于对收集到的光学信息进行分析处理。

2. 根据权利要求1所述的运动异物检测装置，其特征在于，所述光学信息包括红色、绿色、蓝色和光暗值四个元素。

3. 根据权利要求1所述的运动异物检测装置，其特征在于，所述颜色传感器的传感面覆盖的范围可小于、大于或等于所述药液管道的直径。

4. 根据权利要求1所述的运动异物检测装置，其特征在于，所述管道空间为圆柱形通道，其内有偶数个小孔，所述小孔是每两个一组，每组两个小孔相对地设置；在所述每组两个小孔中，一个小孔为所述光源的光线射出口，另一个小孔为所述颜色传感器的光线接收口。

5. 根据权利要求1所述的运动异物检测装置，其特征在于，所述机壳为不透光的机壳，所述光源为灯泡，所述数据输出接口为USB接口。

6. 根据权利要求1所述的运动异物检测装置，其特征在于，所述光源和颜色传感器设有一对或多对，其中一个光源和一个颜色传感器构成一对。

7. 一种管道药液中的运动异物检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1) 提供药液管道，其内具有流动的药液；

2）在所述药液管道的两侧分别设置光源和颜色传感器，所述光源与颜色传感器相互面对；

3）使所述光源照射所述药液管道中流动的药液，使所述颜色传感器接收由所述光源发出并穿透所述药液管道的连续性光线，使得所述颜色传感器产生所述药液流动时的连续光学信息；

4) 所述颜色传感器将所述光学信息发送给处理器；

5) 所述处理器对收集到的所述光学信息进行分析处理，若检测出运动异物，则由所述处理器启动与之相连接的警报器发出警报性的光、声或行为。

8. 根据权利要求7所述的运动异物检测方法，其特征在于，在所述处理器的分析处理步骤中，所述处理器利用同比、环比和定基比算法，对所述光学信息进行检测处理，得到测试信息，该测试信息在检测后，作为以后检测用的样板信息，样板信息在检测处理进行前采集；所述处理器将实际测试获得的测试信息与所述样板信息进行比较计算，若测试信息在检测中超过预设的安全范围值，则认定为运动异物。

9. 根据权利要求7所述的运动异物检测方法，其特征在于，所述运动异物包括任何不兼容之气体物质，包括空气、二氧化碳、氧气、氮气及其它任何医学用之气体；任何不兼容之液体物质，包括油滴及乳化液；任何不兼容之固体物质，包括沉淀物、杂质及残留异物。

10. 根据权利要求7所述的运动异物检测方法，其特征在于，所述光学信息包括红色、绿色、蓝色和光暗值四个元素。

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