CN105979983A - 泵启动算法及相关系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种输液泵包括具有至少一个传感器和泵马达的泵送机构和被配置为控制泵送机构的操作的泵控制子系统，该泵控制子系统包括处理器、存储器以及启动模块，该启动模块被配置为以第一速率驱动泵马达、接收来自至少一个传感器的输入以及根据从至少一个传感器接收到的输入来以第二速率驱动泵马达。启动算法命令输液泵在最短时间达到目标输送速率或稳态而无需准备泵管线或本应涉及泵启动分析的已知方法。

Description

泵启动算法及相关系统和方法

相关申请

本申请要求2014年2月11日递交的美国临时申请号为61/938,264的申请的优先权，上述申请通过引用以其整体结合于此。

技术领域

本发明主题总体上涉及输液泵，并且更具体地涉及用于输液泵的启动算法及相关系统和方法。

背景技术

输液泵是用于提供规定的流体、药物和其他治疗至患者的非常有用的医疗设备。例如，诸如抗生素、化疗药物和止痛药之类的药物通常经由输液泵被输送至患者作为营养素及其它补充剂。输液泵已被用于医院、疗养院和其它短期和长期医疗设施，以及用于家庭护理。输液泵对于需要延长时间段的给药的药物治疗的输送可以是特别有用的。有许多类型的输液泵，包括大体积、患者自控镇痛法(PCA)、弹性体、注射器、肠内和胰岛素泵。输液泵在药物输送的各种路径中通常是有用的，包括静脉、动脉、皮下、腹腔内、靠近神经、并且进入到手术部位、硬膜外腔或蛛网膜下腔。

输液泵的有效性的量度是启动时间、或者在泵的用户界面处输液的开始和瞬时输送速率实际上达到其预期稳态的时刻之间的时间长度。需要在严格限定的持续时间内输送精确且有时非常小的流体体积的输液泵应用不仅依赖于输送系统精确实现并且始终保持特定流速的能力，而且依赖于上述过渡或启动时间。

参照图1，传统输液泵在启动时间期间可能具有显著的误差，这导致安全问题，例如对患者输送不足或输送过量。如图1的传统输液泵示例所示，其中以分钟为单位的时间沿x轴描绘并且以毫升/小时(ml/hr)为单位的流速沿y轴描绘，实际输送速率需要30分钟达到目标输送速率(稳态)。在传统输液泵的其他实施例中，这种延迟可以持续几个小时或更长时间，这取决于泵和/或被输送的注入液体的类型。因此，输送速率偏差的总启动误差可能相当大。如图1的示例所说明的，在1mL/hr的目标输送速率下存在0.497mL误差或接近50％输送不足。显然，输液泵比当前泵更快并且以更安全的方式达到目标稳态水平对于临床医生和患者来说将是有益的。

有助于启动时间的显著因子是负责将来自马达的动力(或其它动力生成装置)传送到流体的机械部件的传动系统或网络。传动装置、离合器组件、联动联轴器(linkagecoupling)、以及制造或装配公差都引入不同量的中断、“溢出”和“滞后”，其作用是防止动力被迅速或完全转化成流体流动。特别是对于注射器型泵(syringe-type pump)，启动时间的另一个重要因素涉及当泵的柱塞驱动器将施加到注射器柱塞的力增加到力克服注射器和相关的管道系统固有的相反力的点并且由此开始生成通过其中的流体的动力时必须经过的时间。每个注射器具有“起动力(breakout force)”。该起动力是打破或克服注射器内或相对于注射器的静摩擦力(“静态阻力”)并且开始从注射器向外泵送流体所需的力。通常，以产生所需稳态必要的速度启动泵，实际输送速率可以最终达到稳态。因此，对启动时间的上述贡献不被考虑或补偿。因此，可能导致启动时间的显著延迟，例如在图1中所描绘的那些。

传统上，为了控制启动时间的这些延迟，临床医生将常常在需要输送至患者的时间之前开始或准备泵并且仅仅引导来自泵的流体进入废物容器或水槽直到泵开始明显地泵送流体。这样的方法不仅昂贵和费时，而且对患者造成危险，患者最终可能因此没有接收到预期的输液量。

在控制启动时间的延迟的另一个示例中，因为输液泵何时已达到稳态可能不总是明显的，所以临床医生可以检查患者的生命体征以便确定泵何时已开始泵送流体。但是这样的分析是明显不利的，因为患者被用来确定泵何时已达到稳态。这样的做法显然引起患者安全性问题，该泵可能被编程有不正确的速率，或非预期的药物或注入物可能被无意地输送。

在另一个示例中，一些泵通过制动器或其他停止机构物理停止注射器的柱塞或泵的柱塞驱动器，直到检测到的由泵施加到注射器柱塞上的力超过给定的运行力。在检测到的力超过运行力的时间，柱塞或泵的柱塞驱动器被释放。这样的实施例不仅可能导致对输液泵和注射器硬件的不需要的磨损和破坏，而且一旦特定成分被释放就导致对患者输送过量。

因此，需要在最短时间达到目标输送速率或稳态的输液泵，这最小化传输速率与目标速率的偏差(并且通过减小图1的输送速率偏差曲线下方的面积来最小化精度误差)，并且允许临床医生快速启动泵输送而无需准备泵、采用制动器、依靠患者生命体征数据或其他分析、以及由此允许临床医生保持可管理和高效的工作流程实践并且更专注于病人护理。

发明内容

本文所描述或另外预期的实施例大体上满足上述需求。启动算法的实施例在最短时间达到目标输送速率或稳态而无需临床医生准备泵、采用制动器或依赖病人生命体征数据或其他分析。

在一实施例中，一种驱动输液泵马达的方法包含：以第一速率驱动输液泵马达；确定感测到的参数的拐点；以及以第二速率驱动输液泵马达。

在一实施例中，输液泵包含：包括至少一个传感器和泵马达的泵送机构；以及被配置为控制泵送机构的操作的泵控制子系统，该泵控制子系统包括处理器、存储器以及启动模块，该启动模块被配置为：以第一速率驱动泵马达，接收来自至少一个传感器的输入并且根据从至少一个传感器接收到的输入来以第二速率驱动泵马达。

在一实施例中，一种用于驱动输液泵马达的闭环控制电路包含：比例增益模块(proportional gain module)；积分增益模块(integral gain module)；微分增益模块(derivative gain module)；用于根据比例增益模块、积分增益模块和微分增益模块的输出来控制可切换输入的监控器；以及被配置为接收可切换输入和输液泵马达转速并且输出泵马达驱动命令的加法器。

在实施例的特征和优点中，启动算法有效地移除来自泵的传动系统的机械松弛并且以比常规泵中典型的马达仅在其预期速率下运行的时间量大体上缩短的时间量增加置于注射器柱塞上的力。

在实施例的特征和优点中，启动算法控制马达命令以允许任意复杂的方式的输送，如评估和随后的输送以突发或阶段性的方式进行。因此，基于任意时间点将到期的输送使得复杂的方式更容易输送。此外，实施例使得由启动算法实施的软件安全地转变马达控制。

在实施例的特征和优点中，对患者的流体的过冲(overshoot)或输送过量被最小化。实施例提供从启动到以所需速率输送的相对平滑的过渡。

上述发明内容并非旨在描述本发明主题的每个所说明的实施例或每个实施方式。以下附图和具体实施方式更具体地例证这些实施例。

附图说明

结合附图考虑各个示例实施例的以下具体描述可以更全面地理解本发明主题，附图中：

图1是描绘在传统输液泵的启动条件期间实际和目标输送速率之间的偏差的流速与时间的示例曲线图。

图2A是根据一实施例的注射器型输液泵的示例的透视图。

图2B是根据一实施例的移动型输液泵(ambulatory type infusion pump)的示例的前视图。

图3是根据一实施例的输液泵系统的框图。

图4A是根据一实施例的力传感器弯曲运动的示意图。

图4B是根据一实施例的力传感器部件的透视图。

图5是根据一实施例描绘通过启动的泵马达命令的流速相对于时间的曲线图。

图6是根据一实施例描绘至稳态输送的缩短的时间的流速和力相对于时间的曲线图。

图7是根据一实施例在启动条件期间并且说明马达速率算法的泵马达速率和力相对于时间的曲线图。

图8是根据一实施例的马达速率算法的流程图。

图9是根据一实施例在说明状态识别启动算法的启动条件期间的马达速率和力相对于时间的注释图。

图10是根据一实施例在用于状态识别启动算法的启动条件期间力、力速度以及力加速度相对于时间的曲线图。

图11是根据一实施例的启动算法的流程图。

图12A和12B是根据一实施例说明根据图11的启动算法的最小化的启动时间的力、力速度以及力加速度相对于时间的曲线图。

图13是根据一实施例的状态识别启动算法的流程图。

图14是根据一实施例的状态识别启动算法的流程图。

图15是根据一实施例用于启动算法的控制电路的示意图。

图16是用于实施图15的控制电路的启动算法的操作的流程图。

虽然实施例可修改成各种修改和替代形式，但是其细节已通过示例的方式在附图中示出并且将进行详细描述。然而，应当理解的是，意图不是将本发明主题限制为所描述的特定实施例。相反，意图是覆盖落到根据所附权利要求的本发明主题的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。

具体实施方式

图2A和2B分别示出了输液泵10A和10B(在本公开中总体上更多地用附图标记10来指示)的示例，其可以被用于实施本文所讨论的系统和方法的实施例。一般情况下，输液泵10A是可以被用于输送广泛的药物疗法和治疗的注射器型泵。输液泵10A包括药物容器或注射器12，药物容器或注射器12分别被支撑在壳体14上并且通过夹紧装置16固定到壳体14。在实施例中，注射器12可以从泵10A单独供应。在其他实施例中，注射器12是泵10A的集成部件。注射器12包括迫使流体经由连接到患者的输液管20从注射器12向外的柱塞18。泵10A的壳体14内部的马达和丝杆装置配合致动推进器或柱塞驱动机构22以移动柱塞18。在实施例中，传感器(在图3中示意性地描绘，并且其通常在柱塞驱动机构22内部)根据系统规格监测注射器中的力和/或柱塞位置。

图2B所示的输液泵10B是可以被用于输送广泛的药物疗法和治疗的移动型泵的示例。这样的移动型泵可以被在家不需卧床的用户舒适地佩戴或通过带子、皮带、夹子或其他简单的紧固装置以其他方式可移除地连接到在家不需卧床的用户；并且也可以被可选择地提供在医院和其他医疗设施内的移动型柱安装的装置中。输液泵10B总体上包括蠕动型输液泵机构，其控制来自流体的容器(图2B中未示出)的药物通过沿着泵10B的底表面24穿过的导管的流动。该流体可以是来自在表面24附接到泵10B的底部的盒式容器，或者来自在表面24经由适配器板(未示出)被类似地连接到泵10B的输液袋(IV袋)或其它流体源。具体地，泵10B使用位于底表面24上的阀门和排气管(expulsor)来选择性地挤压连接到容器或适配器板的流体的管(未示出)以实现由容器、IV袋或其它流体源供应的流体通过管并且以蠕动泵送方式到达患者的运动。图2A和2B的泵的实施例仅通过示例的方式提供，并且不旨在限制本发明主题的范围。其他类型的泵以及其他泵配置可以被用在各种实施例中。

参照图3，在一实施例中，输液泵系统100包含输液泵102(例如上述输液泵10A和10B中的一个)。可选地，并且如图3所描绘的，输液泵102可以被可操作地连接到具有被配置为与输液泵102交互的软件的网络或计算机104。

在一实施例中，输液泵102总体上包含泵控制子系统106、泵送机构108和输入/输出(I/O)端口110。泵控制子系统106包括处理器112和存储器114，该存储器114可编程有选定的协议、配置文件以及用于控制泵送机构108——例如上述注射器和蠕动型机构——的操作的其他设置。泵控制子系统106进一步包含启动模块116。

处理器112可以是接受数字数据作为输入、被配置为根据指令或算法处理输入、并且提供结果作为输出的任何合适的可编程设备。在一实施例中，处理器112可以是被配置为执行计算机程序的指令的中央处理单元(CPU)。在其它实施例中，处理器112可以是高级RISC(精简指令集计算)机器(ARM)处理器或其他嵌入式微处理器。在其它实施例中，处理器112包含多处理器簇。处理器112因此被配置为执行至少基本选定的算术、逻辑和输入/输出操作。

根据连接的处理器112的需要，存储器114可以包含易失性或非易失性存储器以不仅提供执行指令或算法的空间，而且提供存储指令本身的空间。在实施例中，易失性存储器可以包括例如随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)或静态随机存取存储器(SRAM)。在实施例中，非易失性存储器可以包括例如只读存储器、闪速存储器、铁电RAM、硬盘、软盘、磁带或光盘存储器。前述示例不以任何方式限制可以被使用的存储器的类型，因为这些实施例仅通过示例的方式给出并且不意在限制本发明主题。

启动模块116包含用于输液泵102的启动的算法或指令，如下面将进一步描述的。如所描绘的，启动模块116可以通过利用处理器112和存储器114被实施为泵控制子系统106的一部分。在其他实施例(未示出)中，启动模块116可以通过与泵控制子系统106、处理器112和存储器114分开的处理器和存储器来实施。

在实施例中，泵送机构108包含传感器118和马达120并且被可操作地连接到一个或多个内部或外部容器、IV袋或其他流体源。

在一实施例中，传感器118被配置为监测力。例如，在上述实施例中，其中输液泵102是注射器泵，例如具有注射器12的输液泵10A，注射器12包括柱塞18，柱塞18迫使流体经由连接到患者的输液管20从注射器12向外，传感器118可以被定位在输液泵102的机构22接触注射器12的柱塞18的点处以便测量由一个施加在另一个上的力。在实施例中，传感器118可以被定位在机构22内或外的其它位置处。传感器118可以包含力传感器、压力传感器、距离传感器或任何其它合适的传感器。在其他实施例中，泵送机构108包含一个或多个附加传感器118。在实施例中，传感器118也可以被用于确定注射器12和/或输液管20内的闭塞。

参照图4A和4B，描绘了利用杠杆臂的力传感器150的实施例。在实施例中，力传感器150可以根据施加到力传感器150上的力来检测流体流动、流体流动的缺乏(即，由于闭塞)或其他力或运动。例如，在一个实施例中，注射器柱塞的拇指按压部可以被设置成抵靠、邻近或以其他方式靠近力传感器150，力传感器150通过柱或销152与驱动机构22的可枢转连接的方式被包含在泵10A中。虽然未说明，但是应当理解的是，在该示例中，柱塞的拇指按压部将被定位成驻留在传感器150的V形槽154中。在泵10A的操作中，当驱动机构22施加抵靠注射器的拇指按压部的力时，抵靠力传感器150的力被相应地施加。应当领会的是，较小直径的拇指按压部——相应较小直径并且因而较小体积的注射器——将有利地导致以杠杆的方式在传感器150处感测到的较大的力，因为这样的力被施加在距柱或销152比较大的注射器的较大的拇指按压部将发生的更远的距离处。因此，可归因于较小的注射器的较小的有效力可以和可归因于较大的注射器的较大的力一样被可靠地感测。传感器150的取决于注射器拇指按压部的尺寸的这种可变枢转可以被检测并且相应的力通过例如电容、压电、电阻或其他合适的效应部件来感测。一般情况下，如在公开的PCT公开号为WO2013/177379、名称为“闭塞检测”的申请中所描述的，这样的力传感器系统可以被利用。

再次参照图3，马达120被配置为驱动流体从一个或多个内部或外部容器、IV袋或其它流体源至患者。例如，在上述实施例中，泵10A的壳体14内部的马达120和丝杆装置配合致动推进器或柱塞驱动机构22，以移动柱塞18。因此，马达120可以包含任何合适的驱动机构。

输液泵102可以进一步包括用于将输液泵102连接到具有被配置为与输液泵102交互的软件的网络或计算机104的通用串行总线(USB)端口、无线接口、或其他适当的输入/输出(I/O)接口端口110。在实施例中，网络或计算机104可以经由接口端口110传送用于泵控制子系统106并且特别是启动模块116的更新的软件或算法。至输液泵102的电力经由交流电源线和/或内部提供的电池来实现。

在实施例中，启动模块116被配置为利用由传感器118提供的信息来以通知的、激活的并且大体上实时的方式调节马达120速率，这显著提升输液泵102的性能。

例如，参考图5，总体上描绘了对于通过启动的马达命令的实施例的流速相对于时间的曲线图的示例。时间沿x轴描绘和以mL/hr为单位的流速沿y轴描绘。在开始200，流速在时间0开始。如所描绘的，流速以大于0的速率开始，因为启动马达命令202的实施例，如下面将进一步描述的。在实施例中，启动马达命令202的实施例可以在泵通电后立即发出或一旦硬件和软件将接受这样的命令就立即发出。因此，如所描绘的，启动马达命令202在整个启动过程中被运行直到关闭触发点204。在实施例中，从启动马达命令202向关闭触发点204的转变可以是例如阶梯式的、弧形的、正弦型的、减少的、力的函数、力速度的函数、力加速度的函数、或组合的多个触发器。在关闭触发点204，启动马达命令202被退出或终止。在实施例中，给出“停止”或“关闭”命令。在其他实施例中，在命令202内或与命令202配合操作的启动算法由于例如图3中的泵102和机构108之间的一个或多个测量值(例如由传感器118提供的那些)而退出或终止。在其他实施例中，启动算法由于算法的正常退出或终止条件而退出或终止。在编程的输送206，泵根据泵协议开始典型的编程的输送。在结束208，泵退出或终止其典型的编程的输送。因此，一般情况下，如图5所示，至泵马达的启动命令被引入，并且随后，流动在触发点处被转变成命令的编程的输送。

参照图6，描绘了通过启动的马达命令——例如，图5所说明的通过启动算法的马达命令——的实施例的实施的结果。图6的结果与图1所说明的问题相反。换言之，说明了当根据本发明主题实施启动算法的实施例时流速和柱塞力相对于时间的流速曲线。时间沿x轴描绘。以mL/hr为单位的流速沿y轴描绘，并且力沿相对的y轴描绘。

命令的速率300包含描绘由启动算法命令的马达转速的线性速率。测得的速率302包含测得的线性速率。瞬时速率304包含实际输送的流体质量的瞬时线性速率。柱塞力306包含通过例如传感器118测得的力。根据通过启动算法的马达命令的实施例，直到测得的(线性)速率302和瞬时速率304达到它们各自的稳态经过的时间当与图1的经过的时间相比时被大大降低。同样地，当与例如图1相比时，上部误差308和下部误差310被最小化。示出了柱塞力306，并且从约时间＝0分钟至约时间＝4分钟的总体上增加的力的转变，并且然后至之后总体上恒定的力。在根据本发明主题的启动算法的实施例中，启动顺序在时间＝0分钟被进入并且总体上在当达到稳态和泵转变成编程的输送时的约时间＝4分钟时退出或终止。然而，应当领会和理解的是，图6的示例中所描绘的约4分钟的稳态时间将根据特定参数和具体实施例的特性而改变。因此，例如，使用相对较大体积的相对较大的注射器可能导致达到稳态的相应更多的时间。如所说明的，在马达命令启动算法的实施例中，当与在用于传统输液泵的启动条件期间实际和目标输送速率之间的偏差相比时，启动误差被削减8倍，从0.497mL至0.067mL。在实施例中，根据应用程序、硬件和启动算法以及其他因素，启动误差可以比图6中所描绘的示例被减少或消减更多或更少。

马达速率启动算法

参照图7，根据本发明主题的一实施例并且在利用注射器泵的示例中，描绘了马达速率启动算法的示意图。时间沿x轴描绘，并且马达速率和柱塞头力沿y轴描绘。目标输送速率400所需的马达速率被示为大体上恒定的水平线。在实施例中，目标输送速率400所需的马达速率是稳态速率，在该稳态速率下，编程输送是期望的。

如图7所描绘的，依赖力的马达速率402和柱塞头力传感器状态404是相互关联的。在实施例中，依赖力的马达速率402最初被配置用于加速的马达速率406(在实施例中，根据感测到的力，如由柱塞头力传感器状态404所描绘的，并且如将要描述的)。在实施例中，初始加速的马达速率406可以是根据所使用的特定泵硬件的任何适当的速率。在该阶段期间，柱塞头力可以忽略不计。加速的马达速率406的该时间段移除来自泵的传动系统的机械松弛并且在比如果马达仅在其预期速率(例如，目标输送速率400)下运行显著缩短的时间量增加置于注射器柱塞上的力。当使用产生儿科护理特有的刻意的流体输送速率可能需要的非常缓慢的速率时或当涉及高度有效的药物时，该缩短的时间特别明显。在实施例中，例如，在加速的马达速率406的时间段期间，泵10A的柱塞驱动的输液泵，马达(例如，马达120)因此使泵柱塞(例如，柱塞18)以加速的速率前进直到施加到柱塞上的力达到克服相反的力(例如，惯性、静摩擦力、背压)所需的大小。在一实施例中，依赖力的马达速率402然后转变成对于预期的流体输送速率适合的速率，如通过根据力408转变马达速率所描绘的(其正在减小，并且下面将描述)。在泵从启动条件向稳态412转变的时间，马达速率已经从依赖力的速率转变成稳态速率410。

关于柱塞头力，实施例可以包括由图3中的传感器118感测到的力。柱塞头力传感器状态404最初可以忽略，如由标记为“由于系统松弛被移除可以忽略的力414”的柱塞头力传感器状态404段所示。在泵启动期间，在416处由于例如图2A中的机构22接触柱塞18存在增加的力。该增加的力必然与根据力408转变马达速率相关，如上所述并且如图7所示。在泵从启动条件向稳态412转变的时间，截止力418通过传感器(例如，图3中的传感器118)来检测、感测或以其它方式确定。随后，如关于依赖力的马达速率402所描述的，马达速率从依赖力的速率转变成稳态速率410。同样地，柱塞头力传感器状态404转变成稳定感测到的力。在实施例中，传感器118然后可以被用于当启动算法顺序结束时正在进行的稳态编程的输送功能，例如闭塞感测。

例如，参照图8，说明了马达速率启动算法500的实施例的流程图。例如和参照图3，马达速率启动算法500的实施例可以通过如由例如泵控制子系统106和启动模块116控制的泵送机构108来实施。

在502，以加速的速率驱动泵马达。在判定点504，确定由传感器118感测到的力是否正在增加。如果感测到的力没有增加，则继续在502以加速的速率驱动马达120。如果在判定点504确定感测到的力正在增加，则在506马达120转变成转变速率。在实施例中，由于系统松弛的移除和柱塞驱动机构接触注射器柱塞，转变速率可以是较低的速率。在实施例中，在506，以转变速率驱动马达120，转变速率类似于图7中的转变速率408。在判定点508，确定由传感器118感测到的力是否已达到截止力。如果感测到的力没有达到截止力，则继续以转变速率驱动马达120。如果在判定点508感测到的力已达到截止力，则在510马达120移动到稳态速率。

在实施例中，由传感器118感测到的力被连续或大体上实时地提供至例如泵送机构108以便可变地控制马达120。因此，判定点504和508可以不被实施为分立的判定点，而是将被达到的阈值。本领域技术人员将容易领会用于实施马达速率启动算法500的可能性。由图7提供的示例旨在说明仅通过示例的方式给出的实施例并且不旨在限制本发明主题的范围。

状态识别启动算法

在一实施例中，泵启动算法被配置为识别多个启动状态。通过利用各种泵送特性——例如实际输送速率、预期输送速率和力传感器状态以及其他——之间的相关性，可以识别启动状态。泵马达可以根据当前状态来控制。在实施例中，对于马达控制的确定，也可以考虑和包括已知的未来状态。在实施例中，对于马达控制的确定，也可以考虑和包括过去状态。

参照图9，根据一实施例，描绘了实际输送速率、预期输送速率和力传感器状态之间的相关性的注解图。以分钟为单位的时间沿x轴描绘。以mL/hr为单位的流速沿一个y轴描绘，并且力沿相对的y轴描绘。此外，各个启动段或状态和相应的参数沿x轴识别。1mL/hr的目标输送速率600被描绘为横跨图9的水平线。目标输送速率600是稳态速率，在该稳态速率，输送是期望的。柱塞行程的线性速率602、实际输送速率604、柱塞头力610、柱塞头力速度606和柱塞头力加速度608的曲线也被描绘，并且以下将进一步描述。如贯穿本文件所引用的，术语“柱塞头力”是指通过例如柱塞驱动机构22施加到柱塞18上的力，并且可以通过例如传感器118来感测和测量。如图9所描绘的，柱塞行程的线性速率602已经根据注射器的横截面按比例放大以提供更有意义的说明，并不是按比例的。

参照以下表1，在本发明主题的注射器泵实施例的示例中，各个启动状态中的每一个具有各个状态特有的一组参数值。在一实施例中，这组参数是{D’,F,F’,F”}，其中D’是行程的线性速率，F是柱塞头力，F’是柱塞头力速度，并且F”是柱塞头力加速度。在其他实施例中，根据特定应用和启动目标，其它附加的或更少的参数被利用。在下面表1的示例实施例中，根据相对于0的参数的值(包括正或负指示)，确定各个状态。在实施例中，各个状态不仅可以通过相对于0的参数值的组而且可选择地或附加地根据其它阈值来确定。在其他实施例中，根据各个实施例和操作模式，可以限定和利用附加的或更少的启动状态。

表1-状态识别启动算法状态、描述和参数

在状态1，泵处于“内部松弛”状态，D’、F、F’和F”均为0。泵马达或柱塞没有移动。在状态1的实施例中，例如背隙、齿轮间隙、螺纹公差、传动装置、离合器组件、联动联轴器和/或制造或装配公差都存在并且尚未被移除或超过以使柱塞移动。在实施例中，状态1的长度或持续时间是依赖泵的，因为泵的独特特性影响柱塞移动的能力。

在状态2，泵处于“外部松弛”状态。D’大于0，表明状态1的内部松弛已被移除。在一实施例中，线性电位计可以被监测使得泵(例如，泵控制子系统106)可以确定电位计何时开始改变值。根据实施例，本领域技术人员将认识到，“监测”也可以是通过线性位置和/或速度的测量。在其他实施例中，可以实施利用导出的值的系统。例如，可以省略线性传感器，并且用导出信号来代替，例如是根据马达的旋转计算出的线性值。在实施例中，旋转可以通过旋转型传感器和编码器(闭环)或通过能够以开环模式下运行的步进马达(没有编码器)来监测。在状态2的实施例中，柱塞驱动机构尚未接触注射器柱塞。其结果是，F、F’和F”都保持为0。在实施例中，状态2的长度或持续时间是依赖操作者的，因为柱塞的行程的线性速率可以由操作者来确定。

在状态3，泵处于“开始预加载”状态。D’、F和力相关的导数F’和F”都大于0。在状态3的实施例中，柱塞驱动机构接触注射器柱塞。在实施例中，状态3的长度或持续时间是依赖泵和依赖操作者二者的。

在状态4，泵处于“预加载”状态。D’、F和F’都保持大于0。然而，F”等于0，因为没有更多的柱塞头力610加速度，并且柱塞相反以恒定速率增加速度。在状态4的实施例中，柱塞驱动机构正在对注射器柱塞施加力。

在状态5，柱塞经历注射器内或相对于注射器的静摩擦力或“静态阻力”。D’、F和F’都保持大于0。然而，力加速度F”为负。在状态5的实施例中，所得到的负加速度是由于由柱塞驱动机构施加以克服上述静态阻力的力。

在状态6，泵处于“运动”状态。D’和F都保持大于0。F”保持为负。然而，F’为非零。在状态6的实施例中，已超过克服静态阻力需要的力并且注射器柱塞已向前移动。状态6中的力如此大以至于克服静态阻力并且转变成柱塞运动，但然后由于柱塞根据需要移动泵开始输送而下降。牛顿第一运动定律表明，静止的物体将保持静止，除非外力作用于它，并且以恒定速度运动的物体将保持以直线运动，除非外力作用于它。因此，移动对象所需的最大量的力出现在运动首先开始的点。在实施例中，该点是状态6。

在状态7，泵处于“稳态”状态。在状态7的实施例中，系统已达到平衡。D’和F都大于0；但F’和F”都等于0。在实施例中，由于由例如表面粗糙度或不一致的润滑性等引起的“噪声”或外部干扰的水平，F’和/或F”大致等于0。在该点，泵已通过其启动算法转变并且正在根据稳态速率泵送，在该稳态速率，编程的输送是期望的。

在另一个实施例中，整个启动顺序可以被有效地向上移动一个状态。例如，时间0可以是电位计为正的点，由此表明泵已启动。状态1可以因此被消除，如泵启动算法可以在确定电位计为正(并且泵启动)之后被实例化或初始化的实施例。在启动算法的其它实施例中，该方法可以被编程为等待直到在进行到其他状态之前已达到正电位计点。启动顺序因此可以被进一步缩短并且使得更加高效。

在实施例中，根据本文所公开的主题的启动算法可以在任意状态条件下或在任意状态条件范围内停止或降低泵马达或柱塞运动的速率。在一实施例中，“停止”泵马达或柱塞运动的速率包含停止运动的放大速率以便柱塞不再加速。例如，关断触发点可以是在状态4，当泵处于“预加载”状态时。在另一个实施例中，关断触发点可以是在状态5，当柱塞经历注射器内或相对于注射器的静摩擦力或“静态阻力”时。在另一个实施例中，关断触发点可以是在状态6，当泵处于“运动”状态时。实际上，再次参照图9，根据状态条件内的其各个参数，基于测得的柱塞头力610的反馈和/或导出的柱塞头力速度606和柱塞头力加速度608的值来调节目标输送速率600。

参照图10，说明了用于泵的力曲线的示例启动顺序。以秒为单位的时间沿x轴描绘。以磅(Ibs)为单位的力沿一个y轴描绘，并且速度和加速度沿相对的y轴描绘。在图10的示例中，说明20mL/hr、60毫升(cc)的注射器系统的启动曲线。力速度702通过ΔF/Δt(力700的变化比时间的变化)获得，并且力加速度704使用ΔF’/Δt(力速度702的变化比时间的变化)来计算。需要指出的是，为比较起见，力加速度704的大小被放大30倍以允许它被置于在与力速度702相同的轴上。

如图所示，通过分别绘制力700的一阶和二阶导数，ΔF/Δt和ΔF’/Δt，可以看到力中的重要的转变或拐点。力速度702中的峰显示力700中的拐点，其中力700在增加和降低速率之间转变。在实施例中，启动算法可以利用力速度702或力加速度704的一个或多个拐点作为改变马达转速的指示以便最小化或者也许甚至防止在708输送的过冲。实施例因此导致快速启动，以所需的输送速率平稳过渡到稳态。

在启动算法的实施例中，在适当情况下，在根据速度或加速度或其组合所选择的拐点之后，命令降低马达转速。例如，如果力速度702的第一峰706被选择为开始降低速度的点，则马达转速然后根据速度的绝对值随着时间推移而降低。在另一个实施例中，用于马达驱动的触发切换点可以是在力加速度704的负点。在该示例中，触发切换点将是力加速度704的拐点710。

参照图11，说明了启动算法800的实施例的流程图。例如并参照图3，启动算法800的实施例可以通过如由泵控制子系统106和启动模块116控制的泵送机构108来实施。

在802，以第一速率驱动输液泵马达，例如，马达120。在实施例中，第一速率可以是加速的速率；例如，关于图8所讨论的。

在804，确定泵马达的特性的拐点。在实施例中，如以上关于图10所描述的，泵马达的特性可以是力速度702。在另一个实施例中，泵马达的特性可以是力加速度704。在其他实施例中，可以利用泵马达的其他特性，例如柱塞行程的线性速率。

在806，以第二速率驱动输液泵马达。在实施例中，第二速率可以是比第一速率慢的速率，或不同于第一速率的转变速率。

可选地，在808，可以以第三速率驱动输液泵马达。在一实施例中，第三速率是稳态速率，在该稳态速率下，编程的输送是期望的。在实施例(图11中未示出)中，可以通过确定泵马达的特性的拐点或其他值进行以第三速率808驱动泵马达。在实施例中，泵马达的特性可以是与在804评价的特性相同的特性。在其它实施例中，泵马达的特性可以是与在804评价的特性不同的特性。

参照图12A和12B，示出了实施启动算法——例如，启动算法800——的结果的曲线图。曲线图表示的数据说明当力加速度拐点被选择为转变的马达控制点时从20mL/hr转变至1mL/hr。如所说明的，有最小过冲或过量输送，并且泵在300秒达到稳态。

参照图13，并再次参照图9，说明了状态识别启动算法1000的实施例的流程图。例如和参照图3，启动算法1000的实施例可以通过如由例如泵控制子系统106和启动模块116控制的泵送机构108来实施。

可以以复杂的或未经测试的启动顺序利用状态识别启动算法1000。算法1000的实施例提供围绕启动顺序的安全边界。例如，算法1000通过根据已知的边界条件确定各个状态来提供围绕给定的启动命令的包装器。

例如，在1002，进入未知状态。由于如所提到的正在实施复杂的或未经测试的启动顺序，所以状态可以是未知的。在实施例中，状态可以是未知的，因为软件或硬件错误，其在启动顺序已经进展的程度未知的一点处有效地“终止(drop)”算法。换句话说，算法没有关于该算法已经执行的步骤的记录或数据。例如，仅根据时间知道启动顺序是否是在状态1、状态7、或状态1和7之间的任何状态是不可能的。因此，在没有首先了解启动顺序当前存在的点的情况下，更快、更慢、(或在某些情况下甚至以相同的速率)驱动马达可能是有问题的或也许甚至是危险的。

在1004，根据已知的边界条件确定未知状态。边界条件可以通过例如如图10-11所示和/或如关于图9和表1所描述的拐点的确定来确定。

在1006，算法1000允许启动顺序转变成后续状态。如所描绘的，如果后续状态也未知，则算法1000递归地返回到1002。后续未知状态然后可以在1004根据该状态的边界条件来确定。在其他实施例中，未来状态可以总体上已知和表征。在这样的实施例中，算法1000可以进行到已知状态。因此，本文所公开的方法的实施例使得由启动模块116实施的软件更安全地转变马达控制。

参照图14并再次参照图9，说明了状态识别启动算法1100的实施例的流程图。例如和参照图3，启动算法1100的实施例可以通过如由例如泵控制子系统106和启动模块116控制的泵送机构108来实施。

启动算法1100通过进入内部松弛状态1102而开始。启动算法1100保持在内部松弛状态1102直到达到一个或多个边界条件1103。如果达到一个或多个边界条件1103，则启动算法1100退出内部松弛状态1102并且进入外部松弛状态1104。

启动算法1100保持在外部松弛状态1104直到达到一个或多个边界条件1105。如果达到一个或多个边界条件1105，则启动算法1100退出外部松弛状态1104并且进入开始预加载状态1106。

启动算法1100保持在开始预加载状态1106直到达到一个或多个边界条件1107。如果达到一个或多个边界条件1107，则启动算法1100退出开始预加载状态1106并且进入预加载状态1108。

启动算法1100保持在预加载状态1108直到达到一个或多个边界条件1109。如果达到一个或多个边界条件1109，则启动算法1100退出预加载状态1108并且进入静态阻力状态1110。

启动算法1100保持在静态阻力状态1110直到达到一个或多个边界条件1111。如果达到一个或多个边界条件1111，则启动算法1100退出静态阻力状态1110并且进入运动状态1112。

启动算法1100保持在运动状态1112直到达到一个或多个边界条件1113。如果达到一个或多个边界条件1113，则启动算法1100退出运动状态1112并且进入稳态1114。

边界条件1103、1105、1107、1109、1111、和1113可以通过例如如图10-11中所说明的和/或如关于图9和表1所描述的拐点的确定来确定。

PID-F启动算法

在一实施例中，泵启动算法可以由PID-F算法和控制电路来实施。术语“PID-F”是指包括以下分量的控制电路：与输入等于输出的稳定机械系统有关的“比例”分量；与错误有关的“积分器”分量；与速率变化有关的“微分”分量；以及与可预测的、可重复的和短持续时间事件有关的“前馈”分量。

参照图15，描绘了用于启动算法的PID-F控制电路1200的示意图。控制电路1200包含控制回路反馈控制器。一般情况下，控制电路1200计算作为测量过程变量和所需设定点之间的差的“误差”值。控制电路1200通过调节过程控制输入来使该误差最小化。通常，控制电路1200可以最初以高速率驱动马达，并且然后根据控制回路反馈控制器来降低马达驱动速率。有效地，然后，控制电路1200用于选择性地降低马达驱动速率。

控制电路可以例如在泵102并且特别地处理器112和/或存储器114上来实施。本领域技术人员将领会的是，启动模块116还可以包括控制电路和相关处理的部件。在一实施例中，控制输出包含两个命令。第一命令是在将要描述的前馈(“F”，在“PID-F”中)路径1221中的用户马达驱动速率命令。第二命令是基于PID的闭环力控制。在实施例中，用于改变马达控制驱动速率的触发切换点是基于闭环误差。

根据一实施例，至控制电路1200的输入包含马达转速或者用户命令的泵速率。在实施例中，注射器类型是另一种输入，这是通过查找表1201来利用，如将要描述的那样。在另一个实施例中，定时器1223输入是所谓的“监管机构(watchdog)”，其限制执行控制的时间量并且如果超过时间则停止处理。根据一实施例，马达转速是由输出控制电路1200输出的。在实施例中，马达转速输出是在特定输送速率下运行的马达转速。

在一实施例中，表1201包含查找表。在一实施例中，马达转速和注射器类型是至表1201的输入。当然，根据本发明主题的实施例，其它输入是可能的。表1201可以将力命令F_cmd 1210输出到PID闭环控制。在一实施例中，F_cmd 1210是马达转速和注射器类型的函数。

第一加法器1203产生错误信号。在一实施例中，错误(error)通过Error＝F_cmd–F_process来计算。如将要描述的，F_process是来自H_process 1217的输出。

P增益1209包含比例增益。来自第一加法器1203的错误输出(error output)，F_error，被输入到P增益1209。在一实施例中，P增益(P Gain)1209的函数是：P_out＝P_gain*F_error。

I增益1211包含积分增益。在一实施例中，I增益1211存储错误的运行总和乘以I增益。典型的用途是驱动控制以匹配命令的输入，使F_error＝0。在一实施例中，I增益1211的输出通过下式来计算：I_out＝(I_gain*F_error)*取样周期+I_out_last；I_out_last＝I_out。

D增益1213包含微分增益。在一实施例中，D增益1213的处理是：D_out＝(F_error–F_error_last)/取样周期。

第二加法器1205结合P增益1209、I增益1211和D增益1213的输出。在一实施例中，由第二加法器1205提供的输出通过下式来计算：第二加法器1205的输出＝P增益输出+I增益输出–D增益输出。

驱动极限1215限制PID贡献输出贡献。在实施例中，它提供高水平的所谓“夹紧”效应。

第三加法器1207结合驱动极限1215信号和前馈信号并根据下式输出到马达驱动1222：输出＝马达转速输入+PID_out。因此，前馈信号提供马达转速作为至控制电路1200的第三加法器1207的输入。

可选择地，通/断开关1220用于包括或阻挡P增益1209、I增益1211和D增益1213的闭环PID，当被阻挡时，前馈是进入马达的唯一信号。

H_process 1217包含泵动力学。根据一实施例，H_process 1217接收马达驱动1222作为输入，并且输出力传感器数据(F_Process)。

在一实施例中，监控器1219包含控制算法。在一实施例中，监控器1219监控控制条件，并且确定何时经由通/断开关1220阻挡PID。在实施例中，例如，如图15所示，定时器1223、注射器类型1225和F_error 1227可以被输入到监控器1219以确定开关1220条件。在另一个实施例中，仅定时器1223被输入到监控器1219。在一实施例中，定时器1223是监管机构，其限制执行控制算法的时间量、如果超过了时间限制则停止算法。在另一个实施例中，仅注射器类型1225是至监控器1219的输入。在实施例中，注射器类型1225或注射器距离(未示出)的一个或多个测量值可以被输入到监控器1219。在另一个实施例中，仅F_error 1227被输入到监控器1219以确定开关1220条件。在其他实施例中，组合或上述输入或其他输入可以被监控器1219使用。

还参照图16，描绘了用于实施图15的PID-F控制1200的启动算法1300的操作的流程图。为了便于这两个附图之间的叙述，控制1200的元件标记在图16中反映。

启动算法1300开始于开始1202。在1204，马达转速是至控制电路1200的输入。在1206，控制确定开关设置。在1208，如果马达转速等于或大于给定值——例如，V_pif——或用于正常启动的最小马达速率，则启动算法1300进行到停止1222(因为在这样的条件下，无需启动算法快速启动泵)，低于该最小马达速率，启动算法被激活。但是，如果在1208马达转速小于给定值(在实施例中，V_pif)，则在1210设置F_cmd(因为在这样的条件下，需要启动算法快速启动泵)。如所描述的，F_cmd 1210可以根据马达转速和注射器类型的输入通过查找表值来设置。

在1212，根据来自监控器1219的输出切换PID通/断1220。在1214，检查计算出的误差的绝对值和窗口的关系。如果计算出的误差的绝对值等于或大于窗口，则检查持续时间t与超时(timeout)的关系。如果持续时间t小于或等于超时，则启动算法1300递归地进行到PID输出1220并且随后返回到1214，确定误差的绝对值与窗口的关系。如果持续时间t大于超时，则在1218启动算法1300关闭(或阻挡)PID。再次参考1214，如果计算出的误差的绝对值小于窗口，则在1218启动算法1300关闭(或阻挡)PID。在停止1222，启动算法1300结束。

例如和参照图3，PID-F启动算法1300的实施例可以通过如由例如泵控制子系统106和启动模块116控制的泵送机构108来实施。

组合启动算法

在实施例中，泵启动算法可以包含马达速率启动算法、状态识别启动算法和/或PID-F启动算法组合的方面。例如，PID-F启动算法的实施例的监控器可以确定沿着启动顺序的当前位置，例如在状态识别启动算法的实施例的图9所示的7个状态中的任何一个。在实施例中，然后，泵系统包括软件和硬件的组合以在最短时间达到目标输送速率或稳态。本领域技术人员将容易领会的是，根据本文所公开的主题的启动算法可以在任意状态条件边界或在由例如单独或组合的马达速率启动算法、状态识别启动算法和/或PID-F启动算法识别的状态条件、段、或阶段中的任何一个范围内停止或降低泵马达或柱塞运动的速率。

起动力的表征

在实施例中，启动算法可以利用上述的表征的注射器起动力的数据库。例如，参考图3，网络/PC 104可以经由I/O端口110为对泵102提供对起动力的数据库的访问。在实施例中，存储器114还可以存储起动力的数据。

如上所述，每个泵具有独特的传动装置、离合器组件、联动联轴器、以及制造或装配公差，所有这些引入不同量的中断，这进而抑制或阻止动力被立即或完全转变成流体流动。通过特定注射器和其特定的起动力的确定、各个启动状态和它们各自的进展的确定可以被进一步限定和表征。因此，启动顺序进展可以被更容易地转变。在实施例中，特定的起动力通过例如表1201来存储。在实施例中，表1201可以不仅包含单个表，而且包含多个表。在实施例中，表1201可以包含影响泵启动达到稳态的参数或数据。可以被存储在例如表1201或多个表中的其他参数是泵的寿命(新泵、旧泵、使用小时数等)、传感器校准、管道类型(材料、摩擦系数等)、管道直径、管道长度、针尺寸和注入物质的粘度、以及其他。本领域技术人员将容易地领会的是，任何修改的参数可以在表1201中使用。

本文已经描述了系统、装置和方法的各种实施例。这些实施例仅通过示例的方式给出并且不旨在限制本发明主题的范围。此外，应当领会的是，已经描述的实施例的各种特征可以以各种方式组合以产生无数附加实施例。此外，虽然不同的材料、大小、形状、结构和位置等已被描述用于所公开的实施例，但是除了所公开的那些以外的其他可以被与本发明主题的范围相称地使用。

相关领域的普通技术人员将认识到的是，本发明主题可以包含比上述任何个别实施例中所示的特征更少的特征。本文所描述的实施例并不意味着是本发明主题的各种特征可以被组合的方式的详尽展示。因此，实施例不是特征的相互排斥的组合；更确切地说，本发明主题可以包含从不同的个别实施例中选择的不同的个别特征的组合，如本领域普通技术人员所理解的那样。

通过上述文件的引用的任何并入被限制成使得与本文的明确公开内容相反的主题不被并入。通过上述文件的引用的任何并入被进一步限制成使得包括在文件中的权利要求不通过本文的引用而并入。通过上述文件的引用的任何并入被进一步限制成使得在文件中提供的任何定义不通过本文的引用而并入，除非明确地包括在本文中。

为了解释本发明主题的权利要求的目的，明确认定美国法典第35编(35U.S.C.)第六条、部分112的规定不应被援引，除非在权利要求中阐述特定的术语“用于……的装置”或“用于……的步骤”。

Claims (21)

1.一种驱动输液泵马达的方法，所述方法包含：

以第一速率驱动所述输液泵马达；

确定感测到的参数的拐点；以及

以第二速率驱动所述输液泵马达。

2.根据权利要求1所述的驱动输液泵马达的方法，其中所述感测到的参数是输液泵马达柱塞驱动力。

3.根据权利要求1所述的驱动输液泵马达的方法，其中确定拐点进一步包含得出至少一个参数。

4.根据权利要求3所述的驱动输液泵马达的方法，其中所述得出的参数是力速度或力加速度中的至少一个。

5.根据权利要求1所述的驱动输液泵马达的方法，进一步包含以第三速率驱动所述输液泵马达。

6.根据权利要求1所述的驱动输液泵马达的方法，其中所述第一速率大于所述第二速率。

7.根据权利要求6所述的驱动输液泵马达的方法，其中所述第二速率是阶梯式的或弧形的。

8.根据权利要求3所述的驱动输液泵马达的方法，其中所述第一速率大于所述第二速率并且所述第二速率大于所述第三速率。

9.根据权利要求1所述的驱动输液泵马达的方法，进一步包含表征起动力。

10.一种输液泵，包含：

泵送机构，所述泵送机构包括至少一个传感器和泵马达；以及

泵控制子系统，所述泵控制子系统被配置为控制所述泵送机构的操作，所述泵控制子系统包括：

处理器，

存储器，以及

启动模块，所述启动模块被配置为：

以第一速率驱动所述泵马达，

接收来自所述至少一个传感器的输入，以及

根据从所述至少一个传感器接收到的所述输入来以第二速率驱动所述泵马达。

11.根据权利要求10所述的输液泵，其中所述泵送机构包含包括注射器驱动器的柱塞泵送系统。

12.根据权利要求10所述的输液泵，其中所述启动模块被进一步配置为接收来自所述至少一个传感器的第二输入并且根据从所述至少一个传感器接收到的所述第二输入来以第三速率驱动所述泵马达。

13.根据权利要求10所述的输液泵，其中所述至少一个传感器是力传感器。

14.根据权利要求10所述的输液泵，其中所述启动模块被进一步配置为根据从所述至少一个传感器接收到的所述输入来得出至少一个参数，其中所述泵马达至少基于所述至少一个得出的参数来以所述第二速率驱动。

15.根据权利要求14所述的输液泵，其中所述至少一个传感器是电流传感器。

16.根据权利要求10所述的输液泵，其中所述启动模块被进一步配置为根据从所述至少一个传感器接收到的所述输入来确定边界条件。

17.根据权利要求16所述的输液泵，其中所述边界条件确定从所述至少一个传感器接收到的所述输入得出的数据的拐点。

18.一种用于驱动输液泵马达的闭环控制电路，所述闭环控制电路包含：

比例增益模块；

积分增益模块；

微分增益模块；

监控器，所述监控器用于根据所述比例增益模块、所述积分增益模块和所述微分增益模块的输出来控制可切换输入；以及

加法器，所述加法器被配置为接收所述可切换输入和输液泵马达转速并且输出泵马达驱动命令。

19.根据权利要求18所述的用于驱动输液泵马达的闭环控制电路，进一步包含前馈路径，所述前馈路径被配置为将所述可切换输入发送到所述泵马达驱动命令输出。

20.根据权利要求18所述的用于驱动输液泵马达的闭环控制电路，进一步包含查找表，所述查找表接收作为输入的输液泵马达转速和注射器类型并且被配置为输出力命令，其中所述力命令被输入到组合器。

21.根据权利要求20所述的用于驱动输液泵马达的闭环控制电路，其中所述组合器被配置为接收所述力命令作为输入并且输出力误差，并且其中所述比例增益模块和所述积分增益模块被配置为接收作为输入的所述力误差。