CZ2004679A3

CZ2004679A3 - Způsob přesného měření objemové velikosti vzduchových bublin v tekutině proudící hadičkou

Info

Publication number: CZ2004679A3
Application number: CZ2004679A
Authority: CZ
Inventors: Jiří Ing. Vaněk
Original assignee: Inset, S.R.O.
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2005-07-13
Also published as: CZ295340B6

Description

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká způsobu měření objemové velikosti vzduchových bublin v tekutině proudící hadičkou, například pumpovým segmentem. Jedná se o elektrická měření neelektrických veličin vyvolaných vlastním provozem přístroje.

Dosavadní stav

V současné době není známo jiné, než orientační měření měnící se velikosti vzduchové bubliny v tekutině proudící hadičkou, například pumpovým segmentem, založené na zjišťování změn permitivity prostředí v segmentu.

Orientační, tedy výrazně nepřesné, měření velikosti vzduchových bublin v čerpaném médiu je důsledkem značné nelinearity vyráběných peristaltických čerpadel a nevhodně zvolených, zejména nedostatečně citlivých, elektrod kapacitního snímače permitivity měřeného prostředí. Z důvodu nelinearity používaných peristaltických čerpadel musí být rozhodovací úroveň velikosti detekované vzduchové bubliny pevně svázána s geometrií byť nevhodně zvolených elektrod kapacitního snímače, kdy plocha měřících elektrod výrazně převyšuje plochu, na které mohou účelově měřené změny permitivity nastat a tím se výrazně snižuje elektrická citlivost celého měření. Délka deformované hadičky procházející detektorem bublin určuje pomyslný objem vzduchové bubliny dále zkreslený nelinearitou čerpadla, který je elektronika schopna orientačně rozlišit na skupinu „větší než a „menší než ....“.

Tento stav neumožňuje s dostatečnými zárukami garantovat splnění normy

ČSN EN ISO 60601-2-24 článek 51 Ochrana před nebezpečným výstupem, bod

51.10 pro infuzní pumpy ve znění:

Infuze 1 ml vzduchu během 15 minut se nepovažuje za OHROŽENÍ BEZPEČNOSTI. Jednotlivé vzduchové bublinky menší než 50 pl se pomíjejí až do celkového množství 1 ml.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje způsob přesného měření objemové velikosti vzduchových bublin v tekutině proudící hadičkou podle předkládaného vynálezu. Jeho podstatou je, že před zahájením čerpání média do hadičky se tato hadička umístí mezi snímací hlavy snímacích elektrod kapacitního snímače bublinek a následně se provede kalibrace krajních mezí permitivity pro aktuální podmínky čerpání. Kalibrace se provádí tak, že se opakovaně pomocí lineárního čerpadla s kalibrovaným objemem dávkování na jednotku úhlového natočení opatřeného snímačem polohy úhlového natočení rotoru čerpadla vhání a vyčerpává sloupec čerpaného média do hadičky tak, aby opakovaně zcela zaplnil a zcela vyprázdnil oblasti mezi snímacími hlavami snímacích elektrod kapacitního snímače. Při každém úplném zaplnění a každém úplném vyprázdnění této oblasti hadičky se ve zvolených časových intervalech měří velikosti lokální permitivity. Získané hodnoty se archivují a průběžně se z nich stanovuje střední hodnota permitivity. Kalibrace je ukončena v okamžiku, kdy se naměřené hodnoty lokální permitivity oproti její střední hodnotě určené z mnoha předchozích měření nemění více než o zvolenou velikost přesnosti měření. Takto se určí jednak velikost permitivity pro bezbublinkové čerpání zvoleného média a jednak velikost permitivity prostředí pro zcela prázdnou, avšak na vnitřních stěnách smáčenou hadičku. Tyto dvě průměrné hodnoty se uloží, načež se začne čerpat dané médium. Průběžně se měří, a to v časových intervalech stejných jako byly zvolené časové intervaly při kalibraci, aktuální velikosti permitivity mezi snímacími hlavami snímacích elektrod kapacitního snímače. Ty se porovnávají se dvěma hodnotami krajních mezí permitivity z kalibračního měření uloženými v paměti přístroje pro dané dávkovači médium. V případě skokové odchylky individuálně naměřených hodnot permitivity lokálního prostředí oproti kalibračním hodnotám se indikuje vznik vzduchové bubliny. Od okamžiku skokové změny permitivity se začnou snímat a počítat polohy úhlového natočení rotoru čerpadla až do doby následující skokové odchylky permitivity. Objemová velikost dané vzduchové bubliny se určí transformací jejího konkrétního objemu a tvaru na odpovídající objem válce, jehož výška je přímo úměrná úhlu natočení rotoru lineárního čerpadla daného počtem jednotkových úhlových natočení rotoru čerpadla mezi dvěma po sobě následujícími skokovými změnami permitivity a jehož plocha základny je přímo úměrná naměřené permitivitě směsi vzduchové bubliny a čerpaného média procházející mezi elektrodami kapacitního snímače, a to v rozmezí krajních mezí permitivity získaných při kalibraci.

Velmi výhodné je, když se před zahájením čerpání média do hadičky tato hadička předem stlačí tak, že celá plocha snímací hlavy snímací elektrody je v přímém kontaktu s povrchem hadičky, a kalibrace i detekce se provádějí na takto předem stlačené trubičce.

Pro jednoduchost a nízkou cenu je výhodné, je-li snímačem polohy úhlového natočení rotoru čerpadla jeho pohonný krokový motor, doplněný obvodem objektivní kontroly správnosti vykonaného počtu krokovacích impulsů, a to alespoň 3x za 1 celou otáčku pohonné hřídele.

Příchod vzduchové bubliny o geometrické délce kratší než je geometrická délka snímací hlavy snímacích elektrod vyvolá velikost lokální změny permitivity v rozsahu zkalibrovaných krajních mezí lokální permitivity a plocha základny transformačního válce se redukuje redukčním koeficientem daným poměrem změny permitivit zjištěných při detekci vzduchové bubliny ke změně permitivit zjištěných při kalibraci.

Vynález je tedy založen na měření velikosti objemu vzduchových bublinek v čerpaném médiu procházejících hadičkou umístěnou mezi snímacímu hlavami snímacích elektrod kapacitního snímače prostřednictvím kapacitního měření změn permitivity prostředí v tomto místě a spřažení těchto změn permitivity s objemem vydávkovaného média. Tím je vytvořen jednoznačný lineární vztah mezi přesností bezbublinkového dávkování kalibračního média čerpadlem a dávkování směsi dávkovaného média se vzduchem. Každá měřitelná, jednoznačná a lineární fyzikální souvislost je pak snadno a přesně matematicky vyjádřitelná a elektronicky zpracovatelná.

/ Předmět vynálezu úzce navazuje na řešení uvedená v patentech X 292309 a >•^292594, a v návrhu patentu č. PV 2004-338 ze dne 8.3.2004. Tato skutečnost nevylučuje splnění nezbytných vstupních podmínek nutných pro úspěšnou funkci tohoto vynálezu jiným způsobem, než je uvedené v již udělených patentech nebo návrhu na udělení patentu.

V širším slova smyslu lze tímto způsobem zjišťovat respektive měřit jakékoliv anomálie v čerpaném médiu způsobující měřitelné změny jeho permitivity.

Přehled obrázků na výkresech

Předkládaný vynález bude dále blíže popsán pomocí přiložených výkresů. Na obr.1 je znázorněn průběh změn permitivity prostředí na detektoru bublin při průchodu vzduchové bubliny delší než je délka snímacích hlav snímací elektrody kapacitního snímače. Obr. 2 uvádí průběh změn permitivity prostředí na detektoru bublin při průchodu vzduchové bubliny stejné jako je délka snímacích hlav snímacích elektrod kapacitního snímače. Obr. 3 znázorňuje průběh změn permitivity prostředí na detektoru bublin při průchodu vzduchové bubliny kratší než je délka snímacích hlav snímacích elektrod kapacitního snímače.

Příklady provedení vynálezu

Předkládaný vynález bude realizován na čerpadle poháněném krokovým motorem a provedeném dle udělených patentů X 292309 a X 292594. Elektrody kapacitního snímače možného výskytu vzduchových bublin budou provedeny dle obrázků uvedených v návrhů patentu έτ-Ρν-20θ4»3θ8ζ a budou umístěny na nasávací větvi čerpadla těsně před vstupem pumpového segmentu do pracovní dráhy čerpadla.

Vložením pumpového segmentu do čerpací hlavy čerpadla je tento pumpový segment přesně umístěn mezi elektrodami kapacitního snímače tak, že snímací hlavy snímacích elektrod kapacitního snímače jsou v těsném plošném kontaktu s povrchem pumpového segmentu, a to v daném příkladě na ploše o šířce 3 mm a délce 6 mm. Kritická velikost vzduchové bubliny o délce stejné jako je délka elektrod, viz obr. 2, je tím v předstlačeném pumpovém segmentu stanovena délkou 6 mm. Těsným kontaktem snímací hlavy snímací elektrody s povrchem pumpového segmentu jsou potlačeny negativní vlivy případných změn vlhkosti okolního prostředí na nežádoucí změny permitivity v místě měření.

Vlastní měření permitivity se provádí prostřednictvím měření velikosti kapacity takto vytvořeného pevného kondensátoru připojeného na jeden vstup měřícího modulu fy Smartec, kerý je pro tento účel nabízený. Snímání funkce snímacího a rychlostního kontaktu čerpadla (viz patent jX 292594) dalšími vstupy měřicího modulu od fy Smartec a jejím porovnáváním s počtem krokovacích impulsů lze opakovaně potvrzovat správnost vyhodnocování úhlového natočení rotoru čerpadla na úrovni řídícího počítače.

Před počátkem vlastní infuze do pacienta obsluha přístroje zahájí fázi vytlačení vzduchu z infuzního setu až po vpichovací jehlu přepnutím přístroje do tohoto programu. Rotor čerpadla se začne otáčet, čímž vznikne podtlak na sací straně čerpadla a sloupec čerpaného média stále více zaplňuje sací větev infuzního setu.

Poté se provede kalibrace krajních mezí permitivity pro aktuální podmínky čerpání, kdy jedna krajní mez zkalibrované permitivity odpovídá permitivitě pumpového segmentu zcela naplněného dávkovaným médiem, která je na obr.1 až 3 označena jako £_méd. Druhá krajní mez zkalibrované permitivity odpovídá permitivitě pumpového segmentu zcela prázdného, ale po předchozím postupu na vnitřních stranách smáčeného pumpového segmentu. Tato druhá krajní mez je označena na obr.1 a 2 jako e_vzd. Totéž označení je uvedeno i na obr.3, kde je však vyznačeno pouze pro porovnání vzhledem k permitivitě e_k, jak bude popsáno dále.

Kalibrace krajních mezí permitivity na aktuální podmínky čerpání se provádí v nasávací větvi čerpadla tak, že se sloupec čerpaného média opakovaně vhání a vyčerpává z úseku hadičky vložené mezi snímací hlavy snímací elektrody kapacitního snímače. Po každém úplném zaplnění a každém úplném vyprázdnění této oblasti se ve zvolených časových intervalech odečítají velikosti lokální permitivity. Ze získaných mnoha jednotlivých měření se stanovují a upřesňují střední hodnoty obou krajních mezí permitivity, které se archivují. Archivace výsledků kalibračního měřeni permitivity pro aktuální podmínky čerpání, a tím i samotná kalibrace, je ukončena za situace, kdy se naměřené hodnoty již významněji nemění, například pro nastavenou přesnost obou dvou mezních údajů pod jj% oproti jejich střední hodnotě z mnoha předchozích měření. Průběh a ukončení procesu kalibrace permitivity pro aktuální podmínky čerpání je vizuálně zobrazen infuzním přístrojem, který se automaticky zastaví a vyčká ručního ovládání obsluhy při dokončování fáze vytlačování vzduchu z pumpového segmentu až po vpichovací jehlu. Poté může být proveden vpich do pacienta a zahájena automatická infuze.

Provozní měření při čerpání dávkovacího média se provádí ve stejných časových intervalech jako byly zvolené časové intervaly při kalibraci. Vlastní detekce vzduchových bublin je prováděna neustálým a opakovaným porovnáváním konkrétně naměřené lokální permitivity detektorem bublin se dvěma hodnotami krajních mezí permitivity z kalibračního měření uloženými v paměti přístroje pro dané dávkovači médium. Statisticky významná tendence skokové odchylky individuálně naměřených hodnot permitivity lokálního prostředí oproti kalibračním hodnotám indikuje začátek i konec průchodu vzduchové bubliny mezi elektrodami kapacitního snímače.

V případě skokové odchylky několika po sobě jdoucích individuálně naměřených hodnot permitivity lokálního prostředí oproti kalibračním hodnotám, provede počítač výpočet objemu vzduchové bubliny, která prošla detektorem bublin,a to výpočtem objemu válce daným kalibrací přesnosti dávkování čerpadlem, úhlem natočení rotoru čerpadla a případně i aktuálním redukčním koeficientem x vyjadřujícím procentní složení čerpaného média a vzduchu. Dosažená přesnost měření objemu případně se vyskytujících vzduchových bublin úzce souvisí se spřažením změn permitivity a množství tomu odpovídajícího vydávkovaného média.

Při vlastním měření se mohou vyskytnout pouze tři různé varianty velikosti vzduchové bubliny vztažené k délce snímacích hlav snímacích elektrod kapacitního snímače, a jsou uvedeny na obr. 1 až 3. Měřítka jsou vyjádřena relativním vztahem vzájemné délky vzduchové bubliny k délce snímací hlavy snímacích elektrod kapacitního snímače v měřítku úhlu natočení rotoru čerpadla daného například počtem kroků krokového motoru. Použití krokového motoru je velmi jednoduché a finančně nenáročné, nicméně lze použít i jiný snímač polohy úhlového natočení rotoru čerpadla.

Na obr.1 je uveden příklad ideálního průběhu změn permitivity prostředí na detektoru bublin při průchodu vzduchové bubliny, která je delší než je činná délka snímacích hlav snímacích elektrod kapacitního snímače. Na ose y je vynášena příslušná permitivita ε a na ose x délka L . Tato délka L vlastně prezentuje vzdálenost okrajů vzduchové bubliny od krajů snímacích hlav snímacích elektrod kapacitního snímače ve směru pohybu této vzduchové bubliny a je udávána v měřítku pootočení rotoru čerpadla, což znamená, že jednotce délky odpovídá jeden krokovací impuls. Činná délka snímací hlavy snímací elektrody kapacitního snímače, opět v měřítku pootočení rotoru čerpadla, je označena vztahovým číslem 500. Vodorovně s osou L jsou vedeny dvě přímky, kde spodní přímka 100 označuje permitivitu vzduchu gyzd zkalibrovaného uvnitř ve smáčeném pumpovém segmentu a horní přímka 101 značí permitivitu čerpaného média e_méd zkalibrovaného pumpového segmentu. Rozdílu hodnot těchto přímek, respektive jejich vzdálenosti je přiřazena velikost 100)% Při příchodu vzduchové bubliny do detektoru bublin nastane první stav 200, kdy se její počátek dostane na počátek snímací hlavy snímací elektrody a tehdy začne permitivita klesat z úrovně s_méd a klesá až do doby než se počátek této vzduchové bubliny dostane při výstupu z detektoru bublin na konec snímací hlavy snímací elektrody, tedy do druhého stavu 300, kdy dosáhne úrovně permitivity vzduchu ε _VZd .Ve třetím stavu 301 se konec vzduchové bubliny nachází na začátku snímací hlavy snímací elektrody při výstupu této vzduchové bubliny z detektoru bublin a permitivita opět začne stoupat z hodnoty ε^, a stoupá až k hodnotě gméd, kdy se dostává konec vzduchové bubliny na konec snímací hlavy snímací elektrody při výstupu vzduchové bubliny z detektoru bublin, tedy do stavu 201. Činná délka 400 vzduchové bubliny v měřítku pootočení rotoru čerpadla je dána vzdáleností středů spojnic mezi body vyznačujícími první stav 200 a druhý stav 300 respektive třetí stav 301 a čtvrtý stav 201. Samozřejmě, že tuto délku lze odečíst i jako vzdálenost mezi body označujícími první stav 200 a třetí stav 301 respektive mezi body označujícími druhý stav 300 a čtvrtý stav 201. Nyní, po průchodu vzduchové bubliny kapacitním snímačem je nutné zjistit její velikost. Za tímto účelem se elektronicky provede transformace bubliny na válec, jehož výška je dána počtem krokovacích impulsů, dle předchozího popisu, tj.

od středu vzdálenosti mezi 200 a 300 až po střed vzdálenosti mezi 301 a 201, nebo od 200 až po 301, a nebo od 300 až 201, čerpadla a jehož plocha podstavy je dána kalibrační konstantou přesnosti bezbublinkového čerpání, což je vyjádřeno 100%Jfl4ff4 rozdílem velikosti zkalibrovaných permitivit gvzd a g_méd pro dané dávkovači médium.

Obdobně obr. 2 zobrazuje průběh permitivity kritické velikosti vzduchové bubliny při jejím průchodu detektorem bublin, při které je geometrická délka vzduchové bubliny právě shodná s geometrickou délkou snímací hlavy snímací elektrody kapacitního snímače, a to bez ohledu na aktuální míru předstlačení pumpového segmentu v tomto místě. Tím je určena mezní hranice od které se začíná uplatňovat redukční koeficient výpočtu plochy podstavy válce. Tento případ překročení mezní hranice je uveden na obr.3, kdy oblastí mezi elektrodami prochází vzduchová bublina kratší než je délka snímací hlavy snímacích elektrod. Snímaná permitivita zde nedosáhne krajní meze odpovídající gyzd , ale vyšší hodnoty gk a jí odpovídající přímka 102 leží mezi krajními mezemi danými přímkami g^ a g_méd± Rozdíl zjištěných permitivit g_méd a gk je zde vyznačen jako x%. Při elektronickém určení velikosti bubliny se vzduchová bublina transformuje na objem válce jehož výška je dána počtem krokovacích impulsů krokového motoru čerpadla a jehož plocha podstavy je dána redukovanou kalibrační konstantou přesnosti bezbublinkového čerpání, což je vyjádřeno redukčním koeficientem daným poměrem x%/100%. Stav 600 na obr. 3 tedy odpovídá situaci, kdy celá vzduchová bublina, která je menší než je délka snímací hlavy snímací elektrody, putuje po délce snímací hlavy snímací elektrody spolu s čerpaným médiem.

V případě napojení další, např. druhé a třetí krevní konzervy, na kontinuální infuzí obsluha přístroje tuto informaci vloží do programu počítače, což umožní automatickou a průběžnou překalibraci přístroje na novou hodnotu jedné krajní meze dlouhodobé permitivity čerpaného média, tj. meze gméd, bez přerušení infuze a bez výskytu falešných indikací bublinek o minimální velikosti při extrémně vysoké citlivosti měření a nepatrně odlišné velikosti hodnoty g_méd pro různé krevní konzervy.

Programové vybavení řídicího počítače umožňuje v čase shromažďovat, vyhodnocovat, zobrazovat a rušit jednotlivě zjištěné hodnoty velikosti vzduchových bublin ve smyslu článku 51 normy ČSN EN ISO 60601-2-24.

Průmyslová využitelnost

Postup přesného měření objemové velikosti vzduchových bublin v tekutině proudící hadičkou podle předkládaného vynálezu lze mimo vlastní léčebnou péči využít i u přesných dávkovačů v chemických a farmaceutických laboratořích či poloprovozech.

Vlastní provozní kalibraci permitivity měřené lokality pro aktuální podmínky čerpání lze využít také pro detekci anomálií v čerpaném médiu vyvolávajících změny permitivity, např. nedostatečné promíchání dvou a více roztoků s různou permitivitou nebo nasátí kalů a dalších zbytků čerpadlem.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob přesného měření objemové velikosti vzduchových bublin v tekutině proudící hadičkou,vyznačující se tím, že před zahájením čerpání média do hadičky se tato hadička umístí mezi snímací hlavy snímacích elektrod kapacitního snímače bublinek a provede se kalibrace krajních mezí permitivity pro aktuální podmínky čerpání tak, že se opakovaně pomocí lineárního čerpadla s kalibrovaným objemem dávkování na jednotku úhlového natočení opatřeného snímačem polohy úhlového natočení rotoru čerpadla vhání a vyčerpává sloupec čerpaného média do hadičky tak, aby opakovaně zcela zaplnil a zcela vyprázdnil hadičku v oblasti mezi snímacími hlavami snímacích elektrod kapacitního snímače a při každém úplném zaplnění a každém úplném vyprázdnění této oblasti hadičky se ve zvolených časových intervalech měří velikosti lokální permitivity, získané hodnoty se archivují a průběžně se z nich se stanovuje střední hodnota permitivity a kalibrace je ukončena v okamžiku, kdy se naměřené hodnoty lokální permitivity oproti její střední hodnotě určené z mnoha předchozích měření nemění více než o zvolenou velikost přesnosti měření, tím se určí jednak velikost permitivity pro bezbublinkové čerpání zvoleného média a jednak velikost permitivity prostředí pro zcela prázdnou, avšak na vnitřních stěnách smáčenou hadičku, tyto dvě průměrné hodnoty se uloží, načež se začne čerpat dané médium a průběžně se měří, a to v časových intervalech stejných jako byly zvolené časové intervaly při kalibraci, aktuální velikosti permitivity mezi snímacími hlavami snímacích elektrod kapacitního snímače, které se porovnávají se dvěma hodnotami krajních mezí permitivity z kalibračního měření uloženými v paměti přístroje pro dané dávkovači médium a v případě skokové odchylky individuálně naměřených hodnot permitivity lokálního prostředí oproti kalibračním hodnotám se indikuje vznik vzduchové bubliny a začnou se snímat a počítat polohy úhlového natočení rotoru čerpadla až do doby následující skokové odchylky, načež objemová velikost dané vzduchové bubliny se určí transformací jejího konkrétního objemu a tvaru na odpovídající objem válce, jehož výška je přímo úměrná úhlu natočení rotoru lineárního čerpadla daného počtem jednotkových úhlových natočení rotoru čerpadla mezi dvěma po sobě následujícími skokovými změnami permitivity a jehož plocha základny je přímo

úměrná naměřené permitivitě směsi vzduchové bubliny a čerpaného média procházející mezi elektrodami kapacitního snímače, a to v rozmezí krajních mezí permitivity získaných při kalibraci.
2. Způsob podle nároku ^vyznačující se tím, že před zahájením čerpání média do hadičky se tato hadička předem stlačí tak, že celá plocha snímací hlavy snímací elektrody je v přímém kontaktu s povrchem hadičky a kalibrace i detekce se provádějí na takto předem stlačené trubičce.
3. Způsob podle nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že snímačem polohy úhlového natočení rotoru čerpadla je jeho pohonný krokový motor opatřený obvodem objektivní kontroly správnosti vykonaného počtu krokovacích impulsů, a to alespoň 3x za 1 celou otáčku pohonné hřídele.
4. Způsob podle kteréhokoli z nároků 1 až 3_?vyznačující se tím, že při příchodu vzduchové bubliny o geometrické délce kratší, než je geometrická délka snímací hlavy snímacích elektrod, která vyvolá velikost lokální změny permitivity v rozsahu zkalibrovaných krajních mezí lokální permitivity, se plocha základny transformačního válce redukuje redukčním koeficientem daným poměrem změny permitivit zjištěných při detekci vzduchové bubliny ke změně permitivit zjištěných při kalibraci.