CN105188801B - 输液泵以及用于提高长期药物输送精确度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种输液泵(10)，用于通过投药装置以恒定流速泵送流体。该泵包括泵送机构(12)，其用于泵送流体并且在脉冲频率下操作，以及控制器(14)，控制脉冲频率。除此之外，该泵具有一个或多个传感器(20)，其配置成测量与输液泵状态有关的至少一个特征值。控制器(14)配置成使得泵送机构(12)在第一脉冲频率下操作，一个或多个传感器(20)间歇地测量特征值。当测量的特征值达到阈值时，控制器(14)使得泵送机构(12)在与第一脉冲频率不同的第二脉冲频率下操作。

Description

输液泵以及用于提高长期药物输送精确度的方法
技术领域
本发明涉及药物输送的方法，尤其是涉及在长持续时间内经由输液泵精确输送药物的方法。
背景技术
各种药物可以通过输液泵例如是蠕动泵辅助的输液方式提供给病人。蠕动泵通常通过直接操纵输送药物的投药装置而操作。随着时间延长，这种操纵导致投药装置在输液泵操纵的区域发生物理性退化。也就是说，蠕动泵长持续时间的物理操纵投药装置导致投药装置管的回弹或者柔韧性降低，因此降低了在每次泵送循环中的流体体积。如图1所示，随着泵送持续时间延长，使用传统的泵技术导致泵送的流量的误差百分比不可接受的改变。
除此之外，疾病控制中心发布的指南建议一个输液泵应该使用同一个投药装置不超过一周。相应的，输液泵制造者提供能够在长持续时间内(例如72-96个小时)准确输送输液流体的泵。然而，如上所述，随着时间延续，投药装置的疲劳导致重大误差。
对这种精确度降低的一个解决方案是更频繁的改变投药装置。然而，这样频繁的改变投药装置增加医院成本，既增加消费的物理资源(即，每个病人使用更多的投药装置)，也增加对病人护理的时间(即，由于更频繁的改变投药装置需要护理者对每个病人花费更多的时间)。
另一个解决方案是在输液泵中引入反馈机构，例如流量传感器。然而，这种流量传感器会增加成本，并且将其集成到输液泵中存在潜在的困难。此外，传统的流量传感器一般缺少监控输液流量需要的动态范围和精确度。
因此，需要增加在长持续时间内使用输液泵和投药装置输送药物的精确度，而不过度增加与药物输送相关的成本。
发明内容
一种包括前馈控制机构以控制泵的脉冲速率的输液泵用于解决这种需要。这种前馈设计允许相对简单地控制泵的脉冲速率，而不需要集成昂贵的流量传感器。除此之外，这种前馈控制允许单个投药装置相对长持续时间的使用。
在第一方面中，提供一种输液泵，用于通过投药装置在恒定流速下长持续时间内(例如，72-96小时)泵送流体。该泵包括在脉冲频率下操作的用于泵送流体的泵送机构、以及控制器，用于控制脉冲频率。除此之外，该泵具有一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置用于测量与输液泵状态有关的至少一个特征值。控制器使得泵送机构在第一脉冲频率下操作，并且一个或多个传感器间歇地测量特征值。当测量的特征值达到阈值时，控制器使得泵送机构在与第一脉冲频率不同的第二脉冲频率下操作。
在第二方面中，提供一种用于通过投药装置在恒定流速下长持续时间内泵送流体的输液泵。该泵包括通过挤压投药装置来泵送流体的泵送机构，并在脉冲频率下操作。连接到泵送机构的一个或多个压力传感器被配置用于测量在被泵送机构挤压后的投药装置的回弹力。控制器控制泵送机构的脉冲频率，并且使得泵送机构在第一脉冲频率下操作。该一个或多个压力传感器间歇地测量回弹力，并且当回弹力低于阈值时，控制器使得泵送机构在与第一脉冲频率不同的第二脉冲频率下操作。
在第三方面中，提供一种用于通过投药装置在恒定流速下长持续时间内泵送流体的输液泵。该泵包括在脉冲频率下操作的用于泵送流体的泵送机构。控制器控制脉冲频率并使得泵送机构在第一脉冲频率下操作一段时间。在一段时间过去后，控制器使得泵送机构在比第一脉冲频率大的第二脉冲频率下操作。
附图说明
图1示出了采用开环控制系统的传统输液泵随着时间延长精确度退化；
图2是本输液泵的示意图；
图3a-3d展示了图2中的输液泵使用的测量投药装置的回弹力的技术；
图4示出了回弹力和补偿因子变化的示例曲线图；以及
图5示出了使用图2的输液泵通过投药装置推进空气泡的流程图。
具体实施方式
现在参考图2，示出一种输液泵10，例如线性蠕动输液泵。输液泵10包括至少一个泵送设备或机构12和诸如计算机化设备的控制器14，控制器14具有至少存储器16、处理器18、一个或多个传感器20、输入设备22、显示器24、以及优选网络或其他的通信接口26。电源28也优选并入到输液泵10中。
泵送设备12可以是在大容量输液泵中用于辅助流体流动的任何泵送机构。作为非限制性示例，线性蠕动泵认为是合适的并在此讨论。其他非限制性示例包括多指蠕动泵送机构、单指蠕动泵送机构和旋转泵，其作用于管长度上通过管推动流体。
控制器14优选并入到输液泵10中，并用于控制泵送设备12。优选的，存储器16是非瞬时性计算机可读记录介质，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘、非易失闪存或其他电子可擦可编程只读存储器(EEPROM)，或者光学或磁光学记忆存储介质。优选地，存储器16储存至少一些指令，所述指令当被执行时辅助泵送设备12的控制。处理器18优选是能够执行存储器16中储存的指令的微处理器或其他中央处理单元。
控制器14还包括用于监测与输液泵10状态有关的至少一个特征值的一个或多个传感器。这种特征值的非限制性示例包括输液过程期间已经流逝的时间量，以及装载在输液泵中的投药装置的回弹力。本领域技术人员将会认识到也可以监测其他特征值，而不偏离本发明范围。因为每个传感器20监测与输液泵泵送过程有关的特征值，传感器连接到泵送设备12。
接收用户输入的数据的小键盘或类似设备用作输入设备22。显示器24是液晶显示器、阴极射线管、等离子体显示器、或其他能够以用户易于辨认的方式将数据从存储器和处理器输出的设备。可替代的，输入设备22和显示器24可以集成到一个单个的输入/输出设备上，例如触摸屏显示器。输入设备22和/或显示器24可以与输液泵10集成，或与输液泵10分离，其前提是输入设备22和/或显示器24被适配为与输液泵10进行双向通信。
网络通信接口26允许输液泵10连接到局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或因特网。网络连接可以是例如使用IEEE802.3标准的有线连接，或者是使用例如IEEE802.11 a/b/g/n/ac标准的无线连接，或者任何新开发的代替上述的标准。除此之外，网络连接26可使用例如LTE、WiMAX、UMTS、CDMA、HSPA、HSPA+、GPRS等的协议连接到蜂窝/移动数据网络。
电源28是能够给泵送设备12和控制器14供电的任何已知电源。作为非限制性示例，电源28可包括一个或多个电池、燃料电池以及至电源线的连接。
在操作中，传统的蠕动泵用于从上游源容器输送流体，经由投药装置的静脉注射(IV)管在下游方向，朝向病人并通过穿刺部位流入到病人体内。传统蠕动泵依靠一个或多个咬合器顺序挤压柔韧管的泵送段。泵送段是与咬合器相邻的部分。对于填充的管(已经充满流体的)上游咬合器挤压管，随后按顺序是下游咬合器，直到存在的每个咬合器挤压管。随着咬合器施加压力到管，挤压下的管部分被捏紧(咬合)，由此迫使流体经过管向下游移动。当所有的咬合器完成或接近完成挤压时，上游咬合器开始再打开，或松开管。咬合器的打开也按顺序从上游方向朝向下游方向地发生。咬合器释放后，管松开或再打开到它的自然状态，流体在重力或环境压力的作用下从源容器流向管的泵送段。管的泵送段再打开的程度取决于管的泵送段的当前弹性。因此，当咬合器打开时或打开后流向泵送段的流体量也取决于管的泵送段的弹性。
然而，咬合器对柔韧管的机械操纵导致管的物理破坏，其中柔韧管不再全部重新打开到其初始形状。相应的，随着时间推移，每个泵循环中移动的流体体积降低，导致供给病人的输液流体总体降低。而且，传统的输液泵依靠开环控制维持脉冲速率来维持流速，并不考虑这种提供的体积的降低。因此，泵的精确度随着时间降低。应该注意到，在上述的咬合器顺序挤压的过程中，在任何给定时间始终有至少一个咬合器保持咬合以防止自由流动，这是本领域公知的。并且，泵送可以由单个咬合构件完成。这种情况会包括在咬合构件的上游位置添加上游阀以及在咬合构件的下游位置添加下游阀。依次挤压或释放上游阀、咬合构件和下游阀来达到需要的流体移动是本领域公知的。
在投药装置被正确装载到输液泵10后，用于形成投药装置的材料是特定的。这可能需要通过用户的手动的规范设定，例如通过特定材料(例如DEHP、非DEHP、聚乙烯等)的条目和/或对应于使用输入设备的装载的装置的型号。可替代的，一些实施例可能包括能够阅读条形码、QR码或其他类似的机器可读的码的阅读器作为输入设备来输入投药装置的模型。输液泵的其他实施例适合于与特定材料形成的投药装置或投药装置的特定模型配合使用。在这种情况下，材料被自动设定或预置，而不需要用户交互。
输液参数例如流速、体积和/或持续时间由用户设定，或者以其他方式已知的。流速和特定类型的投药装置用于计算泵送设备的脉冲速率。也就是说，对于特定的投药装置每个循环中通过泵送移动的流体体积是已知的。例如，体积可通过大范围测试来根据经验地确定。因此，为达到用户设定的流速所需的脉冲数量可基于下面公式确定：
脉冲频率＝(校准的脉冲/校准的体积)×Vi，其中Vi是流速。
流速和/或脉冲频率可以用于使投药装置在被更换之前的使用时间量(即投药装置的寿命)归一化。作为非限制性示例，如果投药装置在125ml/hr的流速下使用72小时，同一类型的投药装置在其他流速下使用的时间在下表1中示出：
表1：针对不同流速的时间归一化
流速(ml/hr) 0.1 1 10 125 400 999
归一化比率 0.01 0.05 0.3 1 2.88 7.2
如表1所示，建议如果一个投药装置在125ml/hr的流速下使用72小时后更换，同样类型的投药装置在999ml/hr下使用10小时后应更换。该表存储在例如控制器14的存储器16中。除了这些储存的值，可以采用线性内插来计算存储的数据点中间的流速的归一化因子。表1所示的归一化比率仅是示例性的。不同的比率可以被存储和/或被添加到表1中，而不偏离本发明的范围。
一旦计算出第一脉冲频率，控制器14就控制泵送机构12开始在第一脉冲频率下泵送，并建立时间标记以指示流动何时开始。
除此之外，基于流速和投药装置类型确定前馈延迟时间。前馈时间延迟代表输液泵使用特定类型的投药装置在其精确度降低到不可接受的水平之前运行的时间量。例如，不可接受的水平可以确定为5％的误差。可以使用更大或更小的误差水平，取决于健康护理机构的标准或其他因素。前馈时间延迟周期优选通过经验获得，但也可通过数学加以计算。例如对于一种生命周期是72小时，在125ml/hr的流速下输送药物的投药装置的前馈时间延迟是大约24小时。也就是说，每次流逝24小时时间周期后，需要调节泵的脉冲速率来维持长持续时间泵送可接受的精确度。随着寿命改变，前馈时间延迟基于归一化比率调整。相应的，如果投药装置在125ml/hr下具有24小时的前馈时间延迟(归一化比率＝1)，那么同一个投药装置在999ml/hr的流速下具有3.33小时的前馈时间延迟(归一化比率＝7.2)。虽然这个示例对前馈时间延迟提供了具体的值，该值仅用于举例说明，本领域技术人员会认识到长于或短于示例的24小时的前馈延迟也在本发明的范围内。
除了前馈延迟之外，确定补偿因子。补偿因子代表流速需要的改变量，其取决于使用的特定的投药装置、需要的流速以及投药装置已经使用的时间。补偿因子优选以表格形式储存在存储器16中，对应于投药装置、流速、流逝的前馈时间延迟的周期数目。对应于特定投药装置的示例表格在下表2中示出：
表2：特定投药装置的补偿因子
如上所示，补偿因子(共同的“delta”)对应于普遍的或者表中存储的以其他方式有用的流速。其他流速的补偿因子可以通过例如线性内插来计算。
脉冲频率由补偿因子来调整，使得根据下述等式来设置新的脉冲频率：
新脉冲频率＝((校准的脉冲+delta)/校准的体积)×Vi，其中Vi是流速。
在可替代的实施方式中，一个或多个传感器20可包括连接到泵送机构12的一个或多个咬合器的压力传感器。压力传感器优选使用在线性蠕动输液泵中。
用于使用线性蠕动输液泵中的压力传感器测量投药装置的回弹力过程在图3a-3d中图示。如图3a所示，下游咬合器40-1设置在泵12的下游端，完全挤压投药装置的管42的部分，允许流体充满投药装置的上游部分。下一步，如图3b所示，咬合器40-5设置在泵12的上游端，完全挤压管42。然后如图3c所示，中间放置的咬合器40-3，其并入有压力传感器，挤压管42到校正的深度。然后如图3d所示，释放咬合器40-3，其并入的压力传感器测量管42的回弹力。虽然图3a-3d中示出的泵送机构12包括5个咬合器，本领域技术人员会认识到可以使用更多或更少的咬合器，而不偏离本发明的范围。
如上所述，输液参数例如流速、体积和/或持续时间由用户设定。上述回弹力测量技术可以在操作泵12之前使用以识别投药装置由何种材料形成。也就是说，每个不同的材料优选包括唯一的初始回弹力。相应的，初始回弹力测量可以用于准确识别用于形成投药装置的材料。优选地，询问用户确认投药装置的材料。然后输液过程以控制器14控制泵送机构12在脉冲频率下操作来开始，所述脉冲频率基于投药装置材料和设定的流速使用上述频率脉冲等式确定。
此后，间歇性测量回弹力来证实回弹力没有降低到阈值。图4示出代表由回弹力测量的管疲劳变化ΔDu和补偿因子C的曲线。如曲线所示，当管疲劳变化达到极限ΔDuk时，补偿因子C突然上升。相应的，优选在疲劳变化达到极限ΔDuk时更换投药装置。基于用于形成投药装置的材料选择疲劳变化阈值ΔDu1和ΔDu2。当测量的回弹力达到这些选定的阈值时，脉冲频率根据下述等式调整：
新脉冲频率＝((校准的脉冲+C)/校准的体积)×Vi，其中Vi是流速。
每个投药装置的阈值ΔDu1和ΔDu2优选存储在存储器中，但也可以被计算。因为这种技术依靠实际的疲劳测量，不需要基于流速归一化阈值。然而，将压力传感器并入到泵送机构12中提高了输液泵的制造成本。
对于所有上述实施方式而言，如果管理不当，主要由两种误差源会降低输液泵12的精确度。第一，时间标记登记是重要的。如果时间标记登记错误，将很难确定时间等于已经流逝的前馈时间延迟，导致精确度退化。第二，由于例如环境或材料的改变导致的前馈控制的过度补偿会使泵12的精确度退化。
当用户确认投药装置类型时，建立了时间标记。因此，需要防止用户在门开着的时候确认投药装置以帮助确保在输液开始的时候准确建立时间标记。对于这一点，可用一个传感器来确定输液泵10的门何时打开，控制器14可防止用户在门开着的时候确认投药装置类型。
影响精确度的另一个因素是在需要重新装载管的情况下。例如，如果在输液过程中重新装载投药装置，重要的是重新装载的装载要使得泵送机构12在装载相同的部分上起作用。也就是说，只有泵送机构12作用的装载的部分退化。相应的，采用已知方法确保投药装置一致地重新装载在同一位置。
优选的，一个或多个传感器20包括霍尔(Hall)或其他传感器，用于检测输液泵的门是否打开。传感器20优选包括管道中空气传感器来检测流经投药装置的流体中气泡的存在。流体中的气泡的存在通常需要“启动”泵，其通常是本领域公知的移除气泡的手动过程，其需要移除并重新装载投药装置。通常，停止泵，打开门，移除管或设备。然后用户手动推进气泡到管的一部分，其包括能够经由例如注射器来移除气泡的特征。
为了降低对这种手动启动的需要，在输液泵中添加使流速暂时升高的功能，将气泡推进到能够被例如注射器移除的位置。
现在参考图5，示出推进气泡的过程以及在该过程中的每一步骤出现的用户提示的流程图标记为50。在步骤52中，触发指示管道中存在空气的警报。作为回应，用户在步骤54中可以按压或保持空气推进键。当键被保持时，输液泵在增加的流速下运行(以及相应的提高的脉冲频率)。当用户释放空气推进键时，在步骤56中显示要求用户继续按压空气推进键来继续空气推进过程，或按压“开始”来恢复输液的提示。如果用户按压“空气推进”，过程返回到步骤54。
如果用户按压“开始”，在步骤58中，锁定空气推进冲洗特征预定时间的定时器优选开始运行，在步骤60中，恢复输液。可替代的，如果用户按压“停止”，输液在步骤62停止。由于用于推进气泡的增加的流速也会导致给病人的输液速率增加，推进的气泡的量是有限的。优选的，推进限制为大约1ml流体，然而也可以考虑其他限制值。在步骤64中，当达到最大推进体积时，向用户显示应该手动启动泵来移除气泡的通知。在步骤66中，锁定空气推进冲洗特征预定时间的定时器优选开始运行。如果需要，该定时器的长度可以不同于步骤58中的定时器设置。如步骤68所示，如果触发管道中存在空气的警报，同时定时器抑制空气推进冲洗特征，向用户显示指示应该手动启动管道的通知。
传感器20例如也可包括水滴传感器，其作为冗余检查帮助避免输液速率的严重不准确。除此之外，在传感器20中包括温度传感器。如本领域公知，泵和投药装置的物理属性受环境温度的影响。尤其是，输液泵在低于15℃或高于38℃的温度下通常不准确。相应的，如果环境温度低于15℃或高于38℃，输液泵失灵。即使温度是在可操作范围之内(即15℃-38℃)，也需要改变归一化比率来提高精确度。例如，在低于18℃的温度下，归一化比率可以降低到表1提供的比率的三分之一。
虽然本发明的输液泵以及用于提高长期药物输送精确度的方法的原理已经结合特定的识别和应用加以描述，应当理解这些描述仅以举例形式作出，并不限制权利要求的范围。

Claims (7)

1.一种输液泵(10)，用于在长持续时间内通过投药装置以恒定流速泵送流体，所述泵包括：
泵送机构(12)，所述泵送机构被配置用于通过对所述投药装置起作用来泵送流体，所述泵送机构在脉冲频率下操作；以及
控制器(14)，用于控制所述泵送机构的所述脉冲频率；以及
一个或多个传感器(20)，所述一个或多个传感器能够测量与所述泵送机构的状态有关的至少一个特征值；
所述控制器(14)被配置用于在第一脉冲频率下操作所述泵送机构；
所述一个或多个传感器间歇地测量所述至少一个特征值；
其中当所述至少一个特征值达到阈值时，所述控制器使得所述泵送机构在第二脉冲频率下对所述投药装置操作，所述第二脉冲频率与所述第一脉冲频率不同；以及
其中所述阈值基于用于形成所述投药装置的材料加以计算。
2.如权利要求1所述的输液泵，其中所述一个或多个传感器(20)的至少一个是定时器，并且其中所述阈值是流逝的时间，以使得在一段时间已经流逝后，所述控制器被配置用于使得所述泵送机构在第二脉冲频率下操作，所述第二脉冲频率大于所述第一脉冲频率，并且所述一段时间基于形成所述投药装置的材料加以计算。
3.如权利要求1所述的输液泵，其中所述泵送机构(12)能够通过挤压所述投药装置泵送流体，以及
其中所述一个或多个传感器(20)的至少一个是连接到所述泵送机构的压力传感器，并且能够测量在被所述泵送机构挤压后的投药装置的回弹力。
4.如权利要求1所述的输液泵，进一步包括空气推进键，用于在泵送大约1ml流体的持续时间内暂时提高所述脉冲频率以允许流速升高。
5.如权利要求1所述的输液泵，其中所述计算的阈值也是基于流速的。
6.如权利要求1所述的输液泵，其中所述阈值是第一阈值，并且其中当由所述一个或多个传感器(20)测量的所述特征值达到与所述第一阈值不同的第二阈值时，所述控制器(14)使得所述泵送机构(12)在第三脉冲频率下操作，所述第三脉冲频率大于所述第一脉冲频率和所述第二脉冲频率。
7.如权利要求1所述的输液泵，其中如果环境温度低于15℃或如果所述环境温度高于38℃，则所述控制器(14)使得所述泵送机构(12)停止泵送。
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