CN109789265A - 用于输液的压电膜泵 - Google Patents

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Abstract

一种输液泵(10)包括具有出口阀(34)的流体室(28)以及包括压电层(38)的堆叠的压电堆叠致动器(36)。电子处理器(18)被编程为操作所述出口阀和所述压电堆叠致动器以便以编程的流速将流体泵送通过所述流体室。

Description

用于输液的压电膜泵
技术领域
下文总体上涉及医学输液技术、输液泵技术和相关技术。
背景技术
体积输液泵以受控流速将流体输送到患者的血管内。根据所输送的治疗流体的类型，流动中断可能会引起严重的患者安全问题。这种流动中断可能由流体管道中的堵塞引起，或者由输液泵与患者之间的任何位点处的流体管道的断开连接引起。类似地，输注的流体中存在气泡也会存在安全问题。
当前，在医院和家庭中一般使用的输液泵将无流动预防、堵塞检测和气泡检测作为单独的系统而结合。通常，不能对患者断开连接或下游泄漏进行指示。
另外，当前用于在MR环境中使用的输液泵使用超声压电元件，并且这种输液泵复杂、昂贵、不准确、不可靠且具有高功耗。
本文公开的改进克服了现有输液泵系统、方法等的前述缺点和其他缺点。
发明内容
根据一个说明性示例，一种输液泵包括具有出口阀的流体室以及包括压电层的堆叠的压电堆叠致动器。电子处理器被编程为操作所述出口阀和所述压电堆叠致动器以便以编程的流速将流体泵送通过所述流体室。
根据另一说明性示例，提供了一种使用具有流体室的输液泵的方法，所述流体室由包括压电堆叠致动器的泵电动机进行泵送。所述方法包括：利用线性编码器在所述压电堆叠致动器的操作期间测量所述压电堆叠致动器的位移；利用至少一个处理器将所测量的位移与参考值进行比较，以检测以下中的至少一个的存在：所述电动机的流体室中的气泡，连接到所述流体室的出口阀的管中的堵塞，或者连接到所述流体室的所述出口阀的所述管的管线断开连接；并且利用所述至少一个处理器输出指示以下中的至少一个的存在的警报：气泡、堵塞，以及管断开连接。
根据另一说明性示例，一种输液泵包括具有出口阀的流体室以及包括压电层的堆叠的压电堆叠致动器。线性编码器连接到所述流体室。所述线性编码器被配置成为在所述压电堆叠致动器的操作期间测量所述压电堆叠致动器的位移。电子处理器被编程为：操作所述出口阀和所述压电堆叠致动器以便以编程的流速将流体泵送通过所述流体室；并且读取所述线性编码器并基于由所述线性编码器测量的所述压电堆叠致动器的位移来检测以下中的每个的存在：所述流体室中的气泡、管堵塞或管断开连接。
一个优点在于提供了具有压电堆叠致动器的输液泵。
另一优点在于提供了具有压电堆叠致动器的输液泵以及检测气泡的存在，堵塞的存在和管断开连接的存在的集成传感器。
在阅读和理解了以下详细描述之后，本领域普通技术人员将理解本公开内容的其他优点。应当理解，给定实施例可以提供这些优点中的零个、一个、两个或更多个优点。
附图说明
本公开内容可以采用各种部件和部件的布置，以及各个步骤和步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，而不应被解释为对本发明的限制。
图1示意性图示了根据一个方面的医学设备的顶视图。
图2示意性图示了图1的医学设备的第一操作状态。
图3示意性图示了使用图1的医学设备适当执行的医学设备照明方法。
具体实施方式
下文涉及体积输液泵，其作为MR兼容的输液泵以图示的方式进行应用。所公开的体积输液泵采用由压电堆叠致动器形式的线性电动机泵送的流体室，该压电堆叠致动器包括在电偏压下扩展的压电元件的堆叠。与常规的旋转式压电电动机相比，这种选择具有许多优点，例如不易磨损且可能降低成本。
所选择的压电堆叠致动器的另一优点在于它能够用于检测气泡、管堵塞或管断开连接。这需要添加线性编码器来测量压电堆叠致动器的线性位移。
为了检测气泡，在压电堆叠致动器运行时关闭泵室的出口阀。由于水基药物基本上是不可压缩的而空气是高度可压缩的，因此陷入泵室中的流体的可压缩性是空气气泡不存与否的度量。具体而言，空气气泡将增加可压缩性。使用线性编码器测量可压缩性以测量压电堆叠致动器在参考电偏压下的线性位移(其任选地可以与操作电偏压相同)。
为了检测管堵塞或管断开连接(更一般地，检测管阻力)，采用类似的过程，但出口阀打开。在参考电偏压下，当致动器移动减少时，将发现管堵塞，而在参考电偏压下，管断开连接将被检测为致动器移动增加。
由于气泡检测采用明确定义的封闭系统，因此根据经验校准对应于空气气泡的线性位移的定量增加可以是合理的。另一方面，管阻力取决于许多因素(例如，管长度、管路径)。为了考虑这些因素，可以针对连接到流体室的出口阀的管的各种管阻力、管长度和/或管路径执行校准，以发展出通过管阻力、长度和/或路径参数化的校准。
以下通过实施新颖的致动器使MR中的药物输送更安全并且可能更准确，这种新颖的致动器将允许更高的输送准确度并且将若干功能组合到单个部件中。所公开的包括压电堆叠致动器的输液泵电动机更简单，没有拉力并且因其以低频率(即，低于可听范围)操作而不产生可听噪声。压电堆叠致动器消耗低功率并且允许消除复杂的驱动机构。可以管理控制脉冲形状以实现比例控制。
具有或不具有机械优势的压电堆叠致动器用于驱动泵膜。根据以下三种可能的途径之一来知晓该堆叠致动器的功函数：(1)如果该堆叠致动器被充分控制，则根据该堆叠致动器构建的批次；(2)根据构建过程中的表征情况；(3)根据自测函数。
在一些实施例中，压电堆叠致动器用作输液泵的电动机，所述输液泵具有直接附接到所述压电堆叠致动器驱动泵膜所处于的点的线性编码器。所施加的电流/所施加的波形与泵头的合位移之间的关系是已知的，例如通过经验校准已知这种关系。
一旦知晓了功函数和输入信号，就可以通过监测线性编码器响应来实现气泡检测、堵塞检测和/或管断开连接检测。
现在参考图1，示出了输液泵10的示意图。输液泵10包括包围流体泵14的壳体12、电源(或电力转换器，例如将110V或220V的交流电转换为工作电力)16，以及至少一个电子处理器18。图1示出了输液泵10的顶视图，其中，壳体12的“顶部”部分被移除，使得被设置在其中的内部部件是可见的。流体泵14被配置为操作医学设备10以向患者输送药物。流体泵14由电源16(例如，电池)供电。如下面更详细地描述的，至少一个处理器18被编程为控制输液泵10的操作。
输液泵10还包括显示器20，如下面更详细地描述的，显示器20被配置为显示医学设备10的操作细节。键盘22(或拨号盘、按钮或其他用户控件)被设置在显示器20附近。说明性键盘22包括多个按键24。
输液泵10属于体积输液泵类型，其中，血管内(IV)流体袋(未示出)连接到输液泵10的入口，并且流体泵14从IV流体袋抽取流体并以受控流速将其泵送到与患者连接的IV流体管线。
现在参考图2并继续参考图1，更详细地示出了体积输液泵10的流体泵14。流体泵14包括(任选地由入口阀(未示出)阀门控制的)入口26，入口26通往由多个壁30限定的流体室28。流体室28还具有由出口阀34阀门控制的出口32。如图2所示，入口26和出口32被设置在流体室28的相对壁30上；然而，在一些示例中，入口和出口被设置在流体室28的相邻壁30或相同壁上。还应当注意，可以以不同方式放置出口阀34，例如，将出口阀34嵌入流体室28的壁中或连接到从壁延伸出的管等。
说明性流体泵14包括压电堆叠致动器36，压电堆叠致动器36包括压电层38的堆叠，压电堆叠致动器36被连接以为流体室28提供泵送。在说明性实施例中，压电堆叠致动器36推动被形成在流体室28的邻近壁中的泵膜39。根据压电层38的压电特性，压电堆叠致动器36响应于施加的电偏压(例如，电压)而线性延长。该动作使泵膜10向内变形，以便减小流体室28中包括的体积，从而增大流体室28中的输注流体的压力。相反，当偏压被移除(或减小)时，压电堆叠致动器36的长度减小，从而增大体积并减小室压力。在典型的操作顺序中，关闭出口阀34，将电偏压施加到流体室28以对流体室28加压，打开出口阀34以释放流体流动，然后关闭以完成循环。一些压电堆叠致动器36的说明性实施例能够包括商业可获得的致动器(例如，来自佛罗里达州的萨拉索塔的LLC的Viking AT的致动器)。
在采用集成感测气泡、堵塞和/或管断开连接的实施例中，线性编码器40连接到压电堆叠致动器36。线性编码器40被配置为在压电堆叠致动器36的操作期间测量压电堆叠致动器36的位移。如图2所示，线性编码器40被设置在压电堆叠致动器36附近；然而，在一些示例中，线性编码器40也能够被设置在与其上设置有压电堆叠致动器8005的壁不同的壁30上，或者线性编码器40能够与压电堆叠致动器36一体形成。线性编码器40能够被配置为任何合适的传感器，这些传感器被配置为在电动机14的操作期间测量压电堆叠致动器36的位移。例如，线性编码器40可以是光学线性编码器、电容式线性编码器或电感式线性编码器等。还预想到磁性线性编码器，但在MR兼容的输液泵的情况下，磁性线性编码器并不是优选的。
为了提供对气泡、堵塞和/或断开连接的检测，至少一个电子处理器18被编程为：读取线性编码器40，并且基于由线性编码器测量的压电堆叠致动器36的位移来检测以下中的至少一个的存在：流体室28中的气泡、管堵塞或管断开连接。在该背景下，管堵塞是指通过流体管42的流动受到阻塞，IV流体通过流体管42流入患者的血管系统。流体管42的一端连接到流体泵14的出口32，连接出口阀34以控制(例如，阀打开或阀关闭)IV流体从流体室28流入流体管42。操作性地连接流体管42的相对端以使流体流入患者的血管系统，例如，将流体管42的相对端与插入静脉(用于静脉输液)或动脉(用于动脉输液)的IV插管连接。在该背景下，“管堵塞”是指阻止流体泵14“看到”出口32处的预期流动阻力的任何阻塞。因此，应当理解，如果阻塞发生在流体管42中，则将会检测到堵塞，但是如果阻塞发生在出口32处或者发生在插管或其他管/患者耦合件中，也将会检测到堵塞。同样，本文使用的“管断开连接”是指从出口32“看到”产生低流动阻力的任何断开连接。因此，应当理解，如果管断开连接发生在管42与流体室28的出口32的连接处，或者如果管断开连接发生在管/插管连接处或管从患者移除处，则将会检测到管断开连接。在其他实施例中，电子处理器18被编程为在压电堆叠致动器36的操作期间测量压电堆叠致动器36的位移，以检测以下中的每个的存在：流体室28中的气泡，连接到流体室的出口阀34的管42中的堵塞，以及连接到流体室28的出口32的管42的管线断开连接。
在一个示例中，如图2所示，至少一个处理器18被编程为基于在电动机14的操作期间压电堆叠致动器36的位移来检测流体室28中气泡的存在。为此，至少一个处理器18被编程为在压电堆叠致动器36的操作期间(即，当流体泵14运行时)以参考电偏压且在出口阀34关闭的情况下读取线性编码器40。线性编码器40以参考电偏压且在出口阀关闭的情况下测量压电堆叠致动器36的位移值。根据测量的位移值，至少一个处理器18被编程为将测量的位移值与被编程到至少一个处理器中的气泡检测阈值进行比较。如果测量的位移大于气泡检测阈值，则在流体室28中存在至少一个气泡。相反，如果测量的位移小于气泡检测阈值，则流体室28中不存在气泡。然后，至少一个处理器18被编程为输出警报(即，在显示器伤，警报传感器，可听音调等)以警告用户存在气泡。
在另一示例中，电子处理器18被编程为检测连接到流体室28的出口阀34的管42中的堵塞的存在。为此，至少一个处理器18被编程为在压电堆叠致动器36的操作期间(即，当电动机14运行时)以参考电偏压且在出口阀32打开的情况(与其中出口阀34关闭的气泡检测操作相反)下读取线性编码器40。线性编码器40以参考电偏压且在出口阀打开的情况下测量压电堆叠致动器36的位移值。根据测量的位移值，至少一个处理器18被编程为将测量的位移值与被编程到至少一个处理器中的堵塞阈值进行比较。堵塞阈值是管42的管阻力、管长度和管路径中的至少一个的函数。如果测量的位移小于堵塞阈值，则在管42中存在至少一个堵塞。然后，至少一个处理器18被编程为输出警报(即，在显示器上，警报传感器，可听音调等)以警告用户存在堵塞。
在另外的示例中，电子处理器18被编程为检测管断开连接(即，在管42与入口阀32/出口阀34之间存在管断开连接)的存在。为此，至少一个处理器18被编程为在压电堆叠致动器36的操作期间(即，当电动机14运行时)以参考电偏压且在出口阀32打开的情况(类似于堵塞检测操作)下读取线性编码器40。线性编码器40以参考电偏压测量且在出口阀打开的情况下测量压电堆叠致动器36的位移值。根据测量的位移值，至少一个处理器18被编程为将测量的位移值与被编程到至少一个处理器中的断开连接阈值进行比较。断开连接阈值是管42的管阻力、管长度和管路径中的至少一个的函数。如果测量的位移大于断开连接阈值，则检测到管断开连接(即，在管42与入口阀32/出口阀34之间存在管断开连接)。然后，至少一个处理器18被编程为输出警报(即，在显示器上，警报传感器，可听音调等)以警告用户存在管断开连接。
应当理解，医学设备10(即，输液泵10)被配置用于MR环境以避免产生MR干扰。为了防止产生MR干扰，输液泵10的部件(特别是电动机14)由非磁性材料制成。
现在参考图4，示出了在MR环境中使用输液泵10的方法100。在步骤102处，使用线性编码器40测量在电动机的操作期间附接到电动机14的压电堆叠致动器36的位移。在任选步骤104处，利用至少一个处理器18将压电堆叠致动器36的测量位移与参考值进行比较，以检测电动机14的流体室28中的气泡的存在。在任选步骤106处，利用至少一个处理器18将压电堆叠致动器36的测量位移与参考值进行比较，以检测连接到流体室28的出口34的管42中的堵塞的存在。在任选步骤108处，利用至少一个处理器18将压电堆叠致动器36的测量位移与参考值进行比较，以检测连接到流体室28的出口阀34的管42的管线断开连接的存在。在步骤110处，利用至少一个处理器18向用户输出警报以指示以下中的至少一个的存在：气泡、堵塞，以及管断开连接。
应当理解，医学设备10的说明性数据处理或数据接口部件可以被实施为存储指令的非瞬态存储介质，所述指令能由电子处理器(例如，至少一个电子处理器18)运行以执行所公开的操作。非瞬态存储介质可以例如包括硬盘驱动器、RAID或其他磁性存储介质；固态驱动器、闪存驱动器、电可擦除只读存储器(EEROM)或其他电子存储器；光盘或其他光学存储设备；它们的各种组合等。
已经参考优选实施例描述了本公开内容。他人在阅读和理解前面的具体描述的情况下可以想到修改和替代。本文旨在将本发明解释为包括所有这样的修改和替代，只要它们落入权利要求书及其等价方案的范围内。

Claims (20)

1.一种输液泵(10)，包括：
流体室(28)，其具有出口阀(34)；
压电堆叠致动器(36)，其包括压电层(38)的堆叠；以及
电子处理器(18)，其被编程为操作所述出口阀和所述压电堆叠致动器以便以编程的流速将流体泵送通过所述流体室。
2.根据权利要求1所述的输液泵(10)，还包括：
线性编码器(40)，其连接到所述流体室(28)，所述线性编码器被配置为在所述压电堆叠致动器(36)的操作期间测量所述压电堆叠致动器的位移；
其中，所述至少一个电子处理器(18)还被编程为：读取所述线性编码器，并且基于由所述线性编码器测量的所述压电堆叠致动器的所述位移来检测以下中的至少一个的存在：所述流体室中的气泡、管堵塞或管断开连接。
3.根据权利要求2所述的输液泵(10)，其中，所述电子处理器(18)被编程为在所述压电堆叠致动器的操作期间测量所述压电堆叠致动器(36)的所述位移以检测以下中的每个的存在：所述流体室(28)中的气泡，连接到所述流体室的所述出口阀(34)的管(42)中的堵塞，以及连接到所述流体室的所述出口阀的所述管的管线断开连接。
4.根据权利要求2和3中的任一项所述的输液泵(10)，其中，所述电子处理器(18)被编程为通过执行包括以下的操作来检测所述流体室(28)中的气泡的存在：
在所述压电堆叠致动器(36)的操作期间以参考电偏压且在所述出口阀(34)关闭的情况下读取所述线性编码器(40)；并且
基于以所述参考电偏压且在所述出口阀关闭的情况下测量的位移大于气泡检测阈值来检测所述流体室中的气泡。
5.根据权利要求2和3中的任一项所述的输液泵(10)，其中，所述电子处理器(18)被编程为通过执行包括以下的操作来检测管堵塞的存在：
在所述压电堆叠致动器(36)的操作期间以参考电偏压且在所述出口阀(32)打开的情况下读取所述线性编码器(40)；并且
基于以所述参考电偏压且在所述出口阀打开的情况下测量的位移小于堵塞阈值来检测管堵塞。
6.根据权利要求5所述的输液泵(10)，其中，所述堵塞阈值是连接到所述流体室(28)的所述出口阀的所述管(42)的管阻力、管长度和管路径中的至少一个的函数。
7.根据权利要求1和2中的任一项所述的输液泵(10)，其中，所述电子处理器(18)被编程为通过执行包括以下的操作来检测管断开连接的存在：
在所述压电堆叠致动器(36)的操作期间以参考电偏压且在所述出口阀(34)打开的情况下读取所述线性编码器(40)；并且
基于以所述参考电偏压且在所述出口阀打开的情况下测量的位移大于断开连接阈值来检测管断开连接。
8.根据权利要求6所述的输液泵(10)，其中，所述断开连接阈值是所述管(42)的管阻力、管长度和管路径中的至少一个的函数。
9.根据权利要求1-7中的任一项所述的输液泵(10)，其中，所述输液泵不包括磁性材料。
10.一种使用具有流体室(28)的输液泵(10)的方法，所述流体室由包括压电堆叠致动器(36)的泵电动机进行泵送，所述方法包括：
利用线性编码器(40)在所述压电堆叠致动器的操作期间测量所述压电堆叠致动器(36)的位移；
利用至少一个处理器(18)将所测量的位移与参考值进行比较，以检测以下中的至少一个的存在：所述电动机的流体室(28)中的气泡，连接到所述流体室的出口阀(34)的管(42)中的堵塞，或者连接到所述流体室的所述出口阀的所述管的管线断开连接；并且
利用所述至少一个处理器(18)输出指示以下中的至少一个的存在的警报：气泡、堵塞，以及管断开连接。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：利用所述至少一个处理器(18)来执行以下操作：
在所述压电堆叠致动器(36)的操作期间以参考电偏压且在所述出口阀(34)关闭的情况下读取所述线性编码器(40)；并且
基于以所述参考电偏压且在所述出口阀关闭的情况下测量的位移大于气泡检测阈值来检测所述流体室中的气泡。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：利用所述至少一个处理器(18)来执行以下操作：
在所述压电堆叠致动器(36)的操作期间以参考电偏压且在所述出口阀(32)打开的情况下读取所述线性编码器(40)；并且
基于以所述参考电偏压且在所述出口阀打开的情况下测量的位移小于堵塞阈值来检测管堵塞。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述堵塞阈值是连接到所述流体室(28)的所述出口阀的所述管(42)的管阻力、管长度和管路径中的至少一个的函数。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括：利用所述至少一个处理器(18)来执行以下操作：
在所述压电堆叠致动器(36)的操作期间以参考电偏压且在所述出口阀(34)打开的情况下读取所述线性编码器(40)；并且
基于以所述参考电偏压且在所述出口阀打开的情况下测量的位移大于断开连接阈值来检测管断开连接。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述断开连接阈值是所述管(42)的管阻力、管长度和管路径中的至少一个的函数。
16.一种输液泵(10)，包括：
流体室(28)，其具有出口阀(34)；
压电堆叠致动器(36)，其包括压电层(38)的堆叠；
线性编码器(40)，其连接到所述流体室(28)，所述线性编码器被配置为在所述压电堆叠致动器(36)的操作期间测量所述压电堆叠致动器的位移；以及
电子处理器(18)，其被编程为：
操作所述出口阀和所述压电堆叠致动器以便以编程的流速将流体泵送通过所述流体室；并且
读取所述线性编码器，并且基于由所述线性编码器测量的所述压电堆叠致动器的所述位移来检测以下中的每个的存在：所述流体室中的气泡、管堵塞或管断开连接。
17.根据权利要求16所述的输液泵(10)，其中，所述电子处理器(18)被编程为通过执行包括以下的操作来检测所述流体室(28)中的气泡的存在：
在所述压电堆叠致动器(36)的操作期间以参考电偏压且在所述出口阀(34)关闭的情况下读取所述线性编码器(40)；并且
基于以所述参考电偏压且在所述出口阀关闭的情况下测量的位移大于气泡检测阈值来检测所述流体室中的气泡。
18.根据权利要求16所述的输液泵(10)，其中，所述电子处理器(18)被编程为通过执行包括以下的操作来检测管堵塞的存在：
在所述压电堆叠致动器(36)的操作期间以参考电偏压且在所述出口阀(32)打开的情况下读取所述线性编码器(40)；并且
基于以所述参考电偏压且在所述出口阀打开的情况下测量的位移大于堵塞阈值来检测管堵塞，
其中，所述堵塞阈值是连接到所述流体室(28)的所述出口阀的所述管(42)的管阻力、管长度和管路径中的至少一个的函数。
19.根据权利要求1和2中的任一项所述的输液泵(10)，其中，所述电子处理器(18)被编程为通过执行包括以下的操作来检测管断开连接的存在：
在所述压电堆叠致动器(36)的操作期间以参考电偏压且在所述出口阀(34)打开的情况下读取所述线性编码器(40)；并且
基于以所述参考电偏压且在所述出口阀打开的情况下测量的位移大于断开连接阈值来检测管断开连接，
其中，所述断开连接阈值是所述管(42)的管阻力、管长度和管路径中的至少一个的函数。
20.根据权利要求16-19中的任一项所述的输液泵(10)，其中，所述输液泵不包括磁性材料。
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