CN108175909B - 超声波气泡检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超声波气泡检测方法及系统，其中方法包括获取检测对象中的气泡速度和最大气泡体积阈值；确定气泡检测时检测节点间隔时间；于每个检测节点，超声波检测设备向检测对象发射超声波，并接收检测对象反射或透射的超声波，分析接收的超声波以判断该检测节点是否检测到气泡；统计连续检测到气泡出现的检测周期的个数，并根据检测节点间隔时间以及气泡速度计算气泡的体积值。本发明提供了一种气泡检测的方案，通过确定检测节点间隔时间，不连续地捕获超声波，周期性地捕获释放系统资源，并通过气泡的累计算法，计算累计的气泡大小，累计大小超过阈值时，及时发生告警事件，提高准确度的同时降低对系统造成的资源负担。

Description

超声波气泡检测方法及系统
技术领域
本发明涉及医疗辅助器械技术领域，尤其涉及一种超声波气泡检测方法及系统。
背景技术
在临床应用输液装置给患者进行治疗过程中，必须精确、有效地探测出输液管路中的气泡，以保证患者的生命安全。现有技术中的气泡检测方式一般有两种：
(1)通过压力检测的方式检测输液管路中是否存在气泡，然而压力检测的方式准确度不高，并且检测时可能对输液过程有影响；
(2)采用超声波检测方式，持续检测输液管路中是否存在气泡，然而，持续检测和持续的检测数据分析对于系统的压力较大，检测精度也并不能得到保障。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种超声波气泡检测方法及系统，确定检测节点间隔时间，不连续地捕获超声波，周期性地捕获释放系统资源，并通过气泡的累计算法，计算累计的气泡大小，累计大小超过阈值时，发生告警事件。
本发明实施例提供一种超声波气泡检测方法，于检测对象处设置超声波检测设备，所述检测对象中盛装有流动液体，所述方法包括如下步骤：
S100：获取检测对象中的气泡速度和最大气泡体积阈值；
S200：确定气泡检测时的检测节点间隔时间，相邻两个检测节点之间为一检测周期；
S300：于每个检测节点，所述超声波检测设备向所述检测对象发射超声波，并接收所述检测对象反射或透射的超声波，分析接收的超声波以判断该检测节点中是否检测到气泡，当一检测周期两端的检测节点均检测到气泡时，确定该检测周期检测到气泡；
S400：统计检测到气泡的检测周期个数，并结合检测对象中的气泡速度和检测节点间隔时间计算气泡的体积值；
S500：当计算得到的气泡的体积值大于所述最大气泡体积阈值时，发生告警事件。
可选地，步骤S200包括如下步骤：
获取需要检测的最小气泡体积值；
根据如下公式计算检测节点间隔时间：
T＝Vmin/U
其中，T为检测节点间隔时间，Vmin为需要检测的最小气泡体积值，U为检测对象中的气泡速度。
可选地，所述超声波检测设备包括分别设置于所述检测对象的两侧的超声波发射器和超声波接收器；
步骤S300中，所述超声波检测设备向所述检测对象发射超声波，并接收所述检测对象反射或透射的超声波，包括：
所述超声波发射器发送由第一频率的超声波和第二频率的超声波组成的混合波，所述第一频率大于所述第二频率；
所述超声波接收器接收所述检测对象透射的超声波；
所述步骤S300中，所述分析接收的超声波以判断该检测节点中是否检测到气泡，包括：
判断所述超声波接收器是否接收到第二频率的超声波；
如果是，则判定该检测节点中有气泡出现；
否则，判定该检测节点中无气泡出现。
可选地，所述第一频率的超声波在空气中的穿透率远小于所述第二频率的超声波在空气中的穿透率。
可选地，所述步骤S300中，分析接收的超声波以判断该检测节点中是否检测到气泡，包括：
于每个检测节点，采用定时器的输入捕获功能从所述超声波接收器捕获至少一个波形；
判断该检测节点中捕获的所有波形中，是否存在第二频率的超声波的波形；
如果是，则判定该检测节点中有气泡出现；
否则，判定该检测节点中无气泡出现。
可选地，步骤S400中，根据如下公式计算气泡的体积：
V＝N*U*T
其中，V为气泡的体积，N为检测到气泡的检测周期的个数，U为检测对象中的气泡速度，T为检测节点间隔时间。
可选地，该方法用于输液装置中液体的气泡检测；
步骤S500，包括如下步骤：
如果计算得到的气泡的体积值大于最大气泡体积阈值，则发出告警信号并停止输液；
如果计算得到的气泡的体积值小于或等于最大气泡体积阈值，则继续步骤S300。
可选地，所述获取检测对象中的气泡速度，包括如下步骤：
根据实验数据预先建立检测对象中液体流速和气泡速度的映射表；
获取检测对象中的液体流速；
根据预先建立的映射表查表得到检测对象中的气泡速度。
本发明实施例还提供一种超声波气泡检测系统，用于实现所述的超声波气泡检测方法，所述系统包括控制器以及设置于检测对象处的超声波检测设备，其中所述控制器包括：
第一数据获取模块，用于获取检测对象中的气泡速度、需要侦测的最小气泡体积和最大气泡体积阈值；
检测控制模块，用于确定检测节点间隔时间，相邻两个检测节点之间的时间区间为一检测周期，以及于每个检测节点，控制所述超声波检测设备向所述检测对象发射超声波，控制所述超声波检测设备接收从所述检测对象透射或反射的超声波；
第二数据获取模块，用于在每个检测节点，从所述超声波检测设备获取超声波检测数据；
气泡检测模块，用于根据所述超声波检测数据判断该检测节点中是否检测到气泡，当一检测周期两端的检测节点均检测到气泡时，确定该检测周期检测到气泡；统计检测到气泡的检测周期个数，并结合检测对象中的气泡速度和检测节点间隔时间计算气泡的体积值；以及当计算得到的气泡的体积值大于所述最大气泡体积阈值时，发生告警事件。
本发明所提供的超声波气泡检测方法及系统具有下列优点：
本发明提供了一种确定检测节点间隔时间，不连续地捕获超声波，周期性地捕获释放系统资源，并通过气泡的累计算法，计算累计的气泡大小，累计大小超过阈值时，发生告警事件；进一步地，根据需要检测的最小气泡体积值和液体移动的流速，确定检测节点间隔时间，保证不漏过细小气泡，提高检测精确度；本发明不仅可以用于输液装置的输液管中气泡的检测，也可以用于其他产品中气泡的检测，应用十分广泛。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明一实施例的超声波气泡检测方法的流程图；
图2是本发明一实施例的超声波装置测量气泡的结构示意图；
图3是本发明一实施例的超声波气泡检测系统的结构框图；
图4是本发明一实施例的超声波气泡检测方法应用于输液装置时的流程图；
图5是本发明一实施例的对检测到的气泡体积进行累计的流程图；
图6是本发明一实施例的检测到的气泡的示意图；
图7是本发明一实施例的具有气泡检测系统的输液装置的结构示意图；
图8是本发明一实施例的管壁自动压缩设备未压缩管壁时的结构示意图；
图9是本发明一实施例的管壁自动压缩设备压缩管壁时的结构示意图；
图10和图11是本发明另一实施例的超声波发射器移动的结构示意图；
图12是本发明一实施例的定时器输入捕获得到的波形示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种超声波气泡检测方法，于检测对象的两侧分别设置位置相对的超声波发射器和超声波接收器，所述检测对象中盛装有流动液体，所述方法包括如下步骤：
S100：获取检测对象中气泡速度和最大气泡体积阈值；
其中，气泡速度可以根据液体流速获取，例如预先根据实验数据建立检测对象中液体流速和气泡速度的映射表；在检测时获取检测对象中的液体流速，然后根据预先建立的映射表查表得到检测对象中的气泡速度。但本发明不限于此，采用其他方式确定气泡速度的，也属于本发明的保护范围之内。
S200：确定气泡检测时的检测节点间隔时间，相邻两个检测节点之间的时间区间为一检测周期；
优选地，为了提高气泡检测的准确度，避免遗漏细小气泡或影响气泡体积值累计的准确度，该实施例基于需要检测的最小气泡体积值和检测对象中的气泡速度来确定检测节点间隔时间。
具体地，首先获取需要检测的最小气泡体积值，实验下最小气泡大小为0.05ml，气泡速度为1ml/h～1500ml/h，但本发明不限于此，具体气泡速度可以以实测数据为准；然后根据如下公式计算检测节点间隔时间：
T＝Vmin/U
其中，T为检测节点间隔时间，Vmin为需要检测的最小气泡体积值，U为检测对象中的气泡速度。
S300：于每个检测节点，所述超声波发射器向所述检测对象发射超声波，所述超声波接收器接收所述检测对象透射的超声波，分析接收的超声波以判断该检测节点中是否检测到气泡，当一检测周期两端的检测节点均检测到气泡时，确定该检测周期检测到气泡；
超声波在不同的传播介质中声阻抗是不同的，空气和水的声阻抗差别非常大，甚至可以达到1:4300，导致超声波经过空气和水之后的波存在较大差异。如图2所示，将检测对象1夹持于超声波发射器2和超声波接收器3之间，超声波发射器2发出的超声波可以部分被超声波接收器3捕获。分析超声波接收器3处捕获的波形即可以判断检测对象1在被夹持位置处流过的是气泡还是液体。
S400：统计检测到气泡的检测周期的个数，并结合检测对象中的气泡速度和检测节点间隔时间计算气泡的体积值；
在该实施例中，根据如下公式计算气泡的体积：
V＝N*U*T
其中，V为气泡的体积，N为检测到气泡的检测周期的个数，U为检测对象中的气泡速度，T为检测节点间隔时间。
S500：当计算得到的气泡的体积值大于所述最大气泡体积阈值时，发生告警事件。
因此，本发明通过步骤S300不连续地捕获超声波，节点性地捕获释放系统资源，并通过步骤S400中气泡的累计算法，计算累计的气泡大小，累计大小超过阈值时，发生告警事件，降低对系统资源带来的负担的同时也保证了准确度。
如图3所示，为了实现该超声波气泡检测方法，本发明实施例提供了一种超声波气泡检测系统，所述系统包括控制器4以及设置于检测对象1两侧的相对位置的超声波发射器2和超声波接收器3，其中所述控制器4包括：
第一数据获取模块410，用于获取检测对象中的气泡速度、需要侦测的最小气泡体积和最大气泡体积阈值；
检测控制模块420，用于确定检测节点间隔时间，相邻两个检测节点之间的时间区间为一检测周期，以及于每个检测节点，控制所述超声波发射器向所述超声波接收器发射超声波,控制所述超声波检测设备接收从所述检测对象透射或反射的超声波；
第二数据获取模块430，用于在每个检测节点，从所述超声波接收器获取超声波检测数据；
气泡检测模块440，用于根据所述超声波检测数据判断该检测节点中是否检测到气泡，当一检测周期两端的检测节点均检测到气泡时，确定该检测周期检测到气泡；统计检测到气泡的检测周期的个数，并计算气泡的体积值；以及当计算得到的气泡的体积值大于所述最大气泡体积阈值时，发生告警事件。
在该实施例中，所述超声波气泡检测方法及系统用于输液装置的输液管中气泡的检测。但可以理解的是，本发明不仅限于此，应用于其他产品的气泡的检测也是可以的，均属于本发明的保护范围之内。
如图4和5分别示出了该实施例的输液管中气泡检测方法的流程图和气泡体积累计的流程图。
在每个检测节点进行气泡检测时，启动透射式超声波发射器，发送由第一频率的超声波和第二频率的超声波组成的混合波，所述第一频率大于所述第二频率，所述第一频率的超声波在空气中的穿透率远小于所述第二频率的超声波在空气中的穿透率，在该实施例中，第一频率为2MHz，第二频率为45KHz，此处仅为示例，本发明不限于此，选择其他的频率值也是可以的，均属于本发明的保护范围之内。
当混合波经过气体时，超声波接收器检测到的是45KHz的波，当混合波经过液体时，2MHz的波也可以通过液体，此时45KHz的波被干扰，导致不能检测到45KHz的波。因此，当所述超声波接收器捕获的波中有45KHz的波时，说明该检测节点中检测到了气泡。每个检测节点捕获的波的个数可以自由调整，在无干扰的情况下只需要捕获一个波即可，该实施例中为了保证基本没有误判，提高准确度，每个检测节点捕获三个波。
如图6所示，气泡上方的箭头是气泡的流向，也就是液体的流向，下方的箭头是检测到气泡的检测时刻分别是A、B、C、D、E、F、G、H、I，此9个时刻形成了8个检测周期，即当此9个时刻分别捕获到至少一个45KHz的波时，检测到气泡的检测周期数N为8。如果只有B、C、D、E四个时刻检测到气泡，则检测到气泡的检测周期数N为3。
当根据检测周期数N、气泡速度U和检测节点间隔时间T计算得到的气泡体积大于最大气泡体积阈值时，产生警报并停止输液。
如图7所示，所述输液装置包括输液瓶51、第一输液管52、滴斗53和第二输液管54，所述输液瓶51依次与所述第一输液管52、滴斗53和所述第二输液管54相连通，所述超声波发射器2和超声波接收器3分别设置于所述第二输液管54或第一输液管52的两侧，在该实施例中，超声波发射器2和超声波接收器3示例性地设置于第一输液管52的两侧。
所述滴斗53处设置有红外反射式光电传感器55。上述步骤S100中，当基于液体流速获取气泡速度时，获取检测对象中的液体流速的方式，可以是通过红外反射式光电传感器55获取液体流速，具体地，包括如下步骤：
根据所述滴斗53的尺寸或型号获取所述滴斗53中每滴液体的体积值；
采用所述红外反射式光电传感器55检测所述滴斗53中液体的滴速；在滴速检测期间，红外反射式光电传感器55向滴斗53发射红外线，当接收到反射的红外线时，说明红外线传播路径上有液体经过，当未接收到反射的红外线时，说明红外线传播路径上无液体经过，统计一段时间内接收到的红外线的数据，即可以得到滴斗53中液体的滴速。
在应用中，红外反射式光电传感器55的发射端和接收端需要设置在滴斗53的液位之上，以保证能够准确检测液体的滴速。
根据所述滴斗53中每滴液体的体积值和所述滴斗53中液体的滴速计算得到所述输液装置中的液体流速Uliquid，Uliquid＝Vper*S，其中，Vper为每滴液体的体积值，S为滴斗中液体的滴速。
根据液体流速Uliquid，查询预先建立的检测对象中液体流速和气泡速度的映射表，可以获取气泡速度。
在实际应用中，检测对象中液体流速和气泡速度的映射表可以根据大量的实验数据获取，实验数据中气泡速度可以通过在一段时间内测量气泡移动距离的方式来获取，但本发明不限于此。
在实际应用中，如果输液管中出现比较大的气泡发出警报时，可能会出现医务人员无法及时赶到的情况，造成不良后果。在此基础上，该实施例进一步增加了管壁自动压缩设备56，该管壁自动压缩设备56可以设置在所述第一输液管52处或所述第二输液管54处，在图7中示例性地将其设置在第二输液管54处。
在该实施例中，上述步骤S500中，所述停止输液，包括如下步骤：
当检测到的气泡体积值超过最大气泡体积阈值时，所述气泡检测模块440向所述管壁自动压缩设备56发送关闭信号，所述管壁自动压缩设备56挤压所述第二输液管54至所述第二输液管54中液体停止流动。
如图8和9示出了该实施例中的一种管壁自动压缩设备56的结构。所述管壁自动压缩设备56包括卡设部561和挤压部，所述第二输液管54卡设于所述卡设部561中，所述挤压部包括丝杠机构和驱动电机563，丝杠机构包括丝杠562和套设于丝杠562上的滑块564，滑块564与丝杠562通过螺纹配合，并且滑块564可由驱动电机563驱动旋转。
所述管壁自动压缩设备56挤压所述第二输液管54包括：
所述驱动电机563接收到关闭信号后，启动并驱动所述丝杠机构中的滑块564旋转，所述滑块564旋转带动丝杠562旋转并向所述第二输液管54运动，以挤压所述第二输液管54，如图9所示。进一步地，丝杠562与第二输液管54接触的一端设置为圆弧面，增加与第二输液管54的接触面积，并且避免损坏第二输液管54。
图8和图9示出了丝杠562的两个极限位置。丝杠562在两个极限位置之间移动时，还可以起到调节输液管中液体流速的作用。因此该管壁自动压缩设备56也可以替代现有技术中的调节输液管中液体流速的手动调速器的作用，实现自动调速。在输液完毕时，也可以调节至关闭气路。
如图10和图11示出了本发明另一实施例的超声波气泡检测系统应用于输液装置的结构示意图。其中，所述超声波发射器2或所述超声波接收器3的下方还设置有移动机构，所述移动机构包括丝杠21和驱动所述丝杠21旋转的驱动电机，所述超声波发射器2或所述超声波接收器3的下方设置有套设于所述丝杠21上方的滑块22，所述滑块22与所述丝杠21通过螺纹配合；所述步骤S500中，所述停止输液，包括如下步骤：
向所述驱动电机发送关闭信号，所述驱动电机驱动所述丝杠21旋转，使得所述滑块22沿所述丝杠21延伸方向移动，以缩小所述超声波发射器2和所述超声波接收器3之间的间距，至所述第一输液管52或第二输液管54被挤压而其中的液体停止流动。
在该实施例中，滑块22设置于超声波发射器2的下方，在需要停止输液时，超声波发射器2可以沿图中示出的箭头方向移动，而使得超声波发射器2靠近超声波接收器3，对夹在两者之间的输液管进行挤压，使得输液管中液体停止流动。进一步地，超声波发射器2超声超声波接收器3的一侧表面可以设置凸块，对输液管的局部进行挤压，从而实现停止输液的功能。
上述说明中给出的液体流速的测量方式和当出现较大气泡时控制停止输液的方式仅为具体的实施方式，其作用仅在于更清楚地说明本发明的技术方案，而不作为本发明的限制。在实际应用中，其他测量液体流速的方式和停止输液的方式也是可以采用的，均属于本发明的保护范围之内。
进一步地，在该实施例中，于每个检测节点，采用定时器的输入捕获(Timer inputcapture)功能从所述超声波接收器3捕获三个波形；判断该检测节点中捕获的所有波形中，是否存在第二频率的超声波的波形；如果是，则判定该检测节点中有气泡出现；否则，判定该检测节点中无气泡出现。定期器输入捕获得到的波形图如图12所示，其中横坐标t表示时间，纵坐标CNT表示计数器寄存器的值。ARR为自动重装载寄存器。CCRx1和CCRx2表示捕获/比较寄存器。
在该实施例中，以包括分别设置于检测对象两侧的超声波发射器和超声波接收器的透射式超声波检测设备为例，在其他实施方式中，也可以选择设置于检测对象一侧的反射式超声波检测设备，向检测对象发送超声波后，接收从检测对象反射回来的超声波，并根据接收的超声波的波形进行分析，以判断是否发现气泡。
本发明所提供的超声波气泡检测方法及系统具有下列优点：
本发明提供了一种确定检测节点间隔时间，不连续地捕获超声波，周期性地捕获释放系统资源，并通过气泡的累计算法，计算累计的气泡大小，累计大小超过阈值时，发生告警事件；进一步地，根据需要检测的最小气泡体积值和液体移动的流速，确定检测节点间隔时间，保证不漏过细小气泡，提高检测精确度；本发明不仅可以用于输液装置的输液管中气泡的检测，也可以用于其他产品中气泡的检测，应用十分广泛。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种超声波气泡检测方法，其特征在于，于检测对象处设置超声波检测设备，所述检测对象中盛装有流动液体，所述方法包括如下步骤：
S100：获取检测对象中的气泡速度和最大气泡体积阈值；
S200：确定气泡检测时的检测节点间隔时间，相邻两个检测节点之间的时间区间为一检测周期；
S300：于每个检测节点，所述超声波检测设备向所述检测对象发射超声波，并接收所述检测对象反射或透射的超声波，分析接收的超声波以判断该检测节点中是否检测到气泡，当一检测周期两端的检测节点均检测到气泡时，确定该检测周期检测到气泡；
S400：统计连续检测到气泡的检测周期的个数，并结合检测对象中的气泡速度和检测节点间隔时间计算气泡的体积值；
S500：当计算得到的气泡的体积值大于所述最大气泡体积阈值时，发生告警事件；
其中，步骤S100中，获取检测对象中的气泡速度包括如下步骤：
根据实验数据预先建立检测对象中液体流速和气泡速度的映射表；
获取检测对象中的液体流速；
根据预先建立的映射表查表得到检测对象中的气泡速度；
步骤S200包括如下步骤：
获取需要检测的最小气泡体积值；
根据如下公式计算检测节点间隔时间：
T＝Vmin/U
其中，T为检测节点间隔时间，Vmin为需要检测的最小气泡体积值，U为检测对象中的气泡速度；
步骤S400中，根据如下公式计算气泡的体积：
V＝N*U*T
其中，V为气泡的体积，N为连续检测到气泡的检测周期的个数，U为检测对象中的气泡速度，T为检测节点间隔时间。
2.根据权利要求1所述的超声波气泡检测方法，其特征在于，所述超声波检测设备包括分别设置于所述检测对象的两侧的超声波发射器和超声波接收器；
步骤S300中，所述超声波检测设备向所述检测对象发射超声波，并接收所述检测对象反射或透射的超声波，包括：
所述超声波发射器发送由第一频率的超声波和第二频率的超声波组成的混合波，所述第一频率大于所述第二频率；
所述超声波接收器接收所述检测对象透射的超声波；
所述步骤S300中，所述分析接收的超声波以判断该检测节点中是否检测到气泡，包括：
判断所述超声波接收器是否接收到第二频率的超声波；
如果是，则判定该检测节点中有气泡出现；
否则，判定该检测节点中无气泡出现。
3.根据权利要求2所述的超声波气泡检测方法，其特征在于，所述第一频率的超声波在空气中的穿透率远小于所述第二频率的超声波在空气中的穿透率。
4.根据权利要求2所述的超声波气泡检测方法，其特征在于，所述步骤S300中，分析接收的超声波以判断该检测节点中是否检测到气泡，包括：
于每个检测节点，采用定时器的输入捕获功能从所述超声波接收器捕获至少一个波形；
判断该检测节点中捕获的所有波形中，是否存在至少一个第二频率的超声波的波形；
如果是，则判定该检测节点中有气泡出现；
否则，判定该检测节点中无气泡出现。
5.根据权利要求1所述的超声波气泡检测方法，其特征在于，该方法用于输液装置中液体的气泡检测；
步骤S500，包括如下步骤：
如果计算得到的气泡的体积值大于最大气泡体积阈值，则发出告警信号并停止输液；
如果计算得到的气泡的体积值小于或等于最大气泡体积阈值，则继续步骤S300。
6.一种超声波气泡检测系统，其特征在于，用于实现权利要求1至5中任一项所述的超声波气泡检测方法，所述系统包括控制器以及设置于检测对象处的超声波检测设备，其中所述控制器包括：
第一数据获取模块，用于获取检测对象中的气泡速度、需要侦测的最小气泡体积和最大气泡体积阈值；
检测控制模块，用于确定检测节点间隔时间，相邻两个检测节点之间的时间区间为一检测周期，以及于每个检测节点，控制所述超声波检测设备向所述检测对象发射超声波，控制所述超声波检测设备接收从所述检测对象透射或反射的超声波；
第二数据获取模块，用于在每个检测节点，从所述超声波检测设备获取超声波检测数据；
气泡检测模块，用于根据所述超声波检测数据判断该检测节点中是否检测到气泡，当一检测周期两端的检测节点均检测到气泡时，确定该检测周期检测到气泡；统计连续检测到气泡的检测周期的个数，并结合检测对象中的气泡速度和检测节点间隔时间计算气泡的体积值；以及当计算得到的气泡的体积值大于所述最大气泡体积阈值时，发生告警事件。
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