DE102006006371A1 - Innendruckmessung in einem Schlauch mit einer optischen Messvorrichtung - Google Patents

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur nicht-invasiven Druckmessung in Kunststoffschläuchen, insbesondere für Dialyseanwendungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauch für die Messung nur in die Vorrichtung eingelegt und ohne dass ein separater Messadapter in den Schlauch eingefügt werden muss.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruchs (1).
• Bei vielen medizinischen Anwendungen und anderen Anwendungen in der Prozessindustrie ist es notwendig, den Druck in einem von einer Flüssigkeit durchströmten Schlauch zu ermitteln. Diese Flüssigkeit kann je nach Anwendung beispielsweise Blut, Dialysierflüssigkeit, eine Nährstofflösung oder andere Flüssigkeiten, die möglichst nicht in Kontakt mit der Außenwelt treten sollen, sein.
• Insbesondere bei einem extrakorporalen Blutkreislauf wie bei einer Dialysemaschine ist es notwendig, den Druck im Dialyseschlauch zu überwachen. Dabei erfordert die Dialyseanwendung bekanntlich Leitungen, die das Blut vom Patienten zur Dialysemaschine (Arterienleitung) sowie das gereinigte Blut von der Dialysemaschine zurück zum Patienten (Venenleitung) befördern. Wie in 1 schematisch zu sehen ist, enthält die Arterienleitung 1 eine Blutpumpe 2, die den erforderlichen Druckunterschied erzeugt, um das Blut aus dem Körper des Patienten zu pumpen, und ein Druckmessgerät 3, das den Druck in der Blutleitung überwacht. Ein zweites Druckmessgerät 4 befindet sich in der venösen Blutleitung 5.
• Aus dem Stand der Technik ist bekannt, zur Druckmessung in einem Schlauch über ein T-Stück 6 eine Stichleitung anzuschließen, die zum Teil mit Luft gefüllt ist. Ein Hydrophob-Filter ist am freien Ende der Stichleitung vorgesehen, um Kontaminationen zu vermeiden. Üblicherweise ist das Schlauchende zudem über eine sogenannte Luer-Lock-Kupplung an einen Drucksensor angeschlossen, woraus sich der Nachteil ergibt, das ein relativ aufwendiges Schlauchsystem sowie zudem das T-Stück und der Hydrophobfilter erforderlich sind. Daneben ist es für das Bedienpersonal umständlich, das Schlauchsystem an den Drucksensor anzuschließen. Gerade bei ungeübtem Personal besteht zudem die Gefahr, dass der arterielle und der venöse Drucksensor vertauscht werden, was dazu führen würde, dass das Dialysesystem mit falschen Daten arbeiten würde. Weiterhin kann sich in der Stichleitung das Fluid sammeln, da hier im Wesentlichen keine Strömung besteht. Gerade bei der Durchströmung mit Blut besteht hier die Gefahr der Blutgerinnung und Verunreinigung.
• Um die Probleme und Gefahren bei einer Druckmessung in einem Dialyseschlauch unter Verwendung einer Stichleitung zu vermeiden, kann man den Innendruck in Kunststofftschläuchen durch Messung seiner Durchmesseränderung in Abhängigkeit des statischen Drucks des Fluids im Schlauch bestimmen. Dabei bewirken die aus Spannungen in der Schlauchwand resultierenden Kräfte eine Erweiterung des Schlauchumfangs und damit auch des Schlauchdurchmessers.
• Der in der Produktion von Dialyseschläuchen häufig verwendete Kunststoff Polyvinylchlorid ist ein Thermoplast und besteht damit aus linearen oder verzweigten Molekülfäden. Bei sehr niedrigen Temperaturen ist der Kunststoff hart und spröde, da sich die Molekülfäden kaum bewegen können. Bei Wärmezufuhr werden die Molekülfäden beweglicher. Bei weiter steigender Temperatur wird bei einer materialspezifischen Temperatur der entropieelastische Zustand erreicht, in dem Rückformungen größer sein können als ihre Dehnungen. Bei sehr hohen Temperaturen kommt man in den Schmelzbereich und danach in den Bereich des viskosen Fließen. Eine Vorrichtung zur Druckmessung im Schlauch aufgrund dessen Durchmesseränderung muss diese Effekte berücksichtigen, da es ansonsten zu gravierenden Messfehlern aufgrund von Temperaturdifferenzen kommen kann.
• Kunststoffe neigen systembedingt zu Kriechvorgängen, die den E-Modul des Kunststoffschlauches beeinflussen. Dies führt bei einem plötzlichen Druckanstieg oder Druckabfall im Schlauch dazu, dass sich der Durchmesser langsam über einen längeren Zeitraum ändert und der spontanen Druckänderung nicht folgen kann. Um eine schnelle Ansprechzeit des Messgeräts zu bekommen, muss dieser Effekt bei der Druckberechnung berücksichtigt werden.
• Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung von Messfehlern bei der Druckmessung in PVC-Schläuchen aufgrund deren Kriechverhalten beschreibt die DE 4106444 C1 . Hierzu wird der Schlauch vor Aufbringung des Prüfdrucks über einen längeren Zeitraum von außen verformend vorgespannt. Dadurch kann der Kriechvorgang rechtzeitig einsetzen und ist im Wesentlichen abgeklungen, wenn der eigentlich Messvorgang beginnt. Nachteilig wirkt sich hier die lange Vorspannzeit von typisch fünf Stunden aus. Ein sofortiger Messbeginn mit einem fabrikneuen Schlauch ist damit ausgeschlossen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs skizzierten Art zu schaffen, die bei einfachen Aufbau, leichter Handhabung und ohne lange Vorspannzeit eine zuverlässige Druckmessung in Schläuchen ermöglicht, deren Material ein Kriechverhalten aufweist.
• Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
• Die Messung der Durchmesseränderung des Schlauchs erfolgt über zwei asymmetrische Wippen und ein Laser-Spiegel-System. Die Berechnung des Innendrucks im Schlauch durch Messung der Durchmesseränderung ist durch eine Modellierung der Schlaucheigenschaften möglich, die das Kriechverhalten berechnet und aus der Änderung des Schlauchdurchmessers die Innendruckänderung berechnet, wobei für das Modell benötigte Parameter, wie z.B. Temperatur, vom Gerät während der gesamten Messung immer wieder neu gemessen werden bzw. alternativ im Fall von zeitlich konstanten Parametern bei der Kalibrierung zu Beginn der Messung bestimmt werden. Am Anfang der Messung ist also eine Kalibrierung nötig, die viskoelastische Anfangsparameter für das Modell misst.
• Im Detail erfolgt die Berechnung der Druckänderung aus der Durchmesseränderung des Schlauchs wie folgt. Bei einer instantanen Druckänderung im Schlauch erfolgt eine zeitlich verzögerte Durchmesseränderung wegen der viskoelastischen Eigenschaft des PVC. Die Funktion des Durchmessers in Abhängigkeit von der Zeit hat hierbei die Form einer Exponentialfunktion und relaxiert gegen einen Grenzwert. Durch einen Kurven-Fit der Funktion wird der Grenzwert ermittelt. Um aus dem Grenzwert den gesuchten Innendruck zu bestimmen, wird der Schlauch durch ein Zener-Modell modelliert. Lösen der sich daraus ergebenden Differentialgleichung nach dem Druck in Abhängigkeit des Durchmessers ergibt eine Formel, die die Druckänderung aus der Durchmesseränderung berechnet. Die in dieser Formel vorkommenden Parameter des Schlauchs und des Materials werden entweder durch die Kalibrierung zu Beginn der Messung oder in bestimmten Zeitintervallen während der Messung gemessen.
• Die Durchmesseränderung wird über zwei unabhängige Messkanäle unter unterschiedlichen Vorspannungen gemessen. Durch diese Maßnahme werden weitere Informationen über das Relaxationsverhalten erhalten und insbesondere die langfristige Relaxation des Schlauches durch das Einspannen des Schlauches in die Messvorrichtung, kontrolliert und für die Berechnung des Innendruckes herausgerechnet.
• Als Vorteil ergibt sich somit eine präzise Druckmessung in PVC-Schläuchen unter Berücksichtigung der viskoelastischen Schlaucheigenschaften.
• Weiterhin zeichnet sich die Erfindung durch eine einfache Handhabbarkeit selbst für ungeübtes Personal aus.
• Im Vergleich zu Druckmesssystemen, die mit Stichleitungen arbeiten, ergibt sich zudem eine vorteilhafte Strömungsführung im Schlauch. Die Gefahr von Kontaminationen ist ebenfalls durch den geschlossenen Schlauch systembedingt ausgeschlossen.
• Es zeigen
• 1: ein typisches veno-venöses Standardsystem in der Dialysebehandlung.
• 2: den Aufbau der Messvorrichtung.
• 3: ein Blockschaltbild der Auswertungselektronik.
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 (siehe 2). An das Gehäuse 2 der Vorrichtung 1 ist ein Schlauchtisch 3 befestigt, auf dem der Dialyseschlauch 4 ruht. Zwei seitliche Klammem 5 dienen der Fixierung des Schlauches 4. Über zwei Druckabnehmer 6 werden zwei beweglich gelagerte asymmetrische Wippen 7 bei einer Druckänderung und damit verbunden einer Durchmesseränderung des Schlauches 4 ausgelenkt. Unter den Wippen 6 befinden sich zwei Druckfedern 8, die die erforderliche Vorspannung erzeugen. Zwei Laser 9 sind auf jeweils einen Spiegel 10 auf jeder Wippe 7 gerichtet. Eine Winkeländerung der Wippen 7 wird damit in ein optisches Signal umgesetzt. Über weitere Spiegel 11 werden die beiden Laserstrahlen mehrfach gespiegelt und damit die Winkeländerung der Wippen 7 optisch vergrößert. Die beiden Laserstrahlen fallen auf zwei Single-Line-CCD-Arrays 12. Die Single-Line-CCD-Arrays 12 (siehe 3) werden von einem Mikrocontroller 13 (siehe 3) ausgelesen. Der Mikrocontroller 13 (siehe 3) bestimmt aus den Daten den Auftreff-Punkt des Laserlichts und damit die anfängliche Auslenkung der Wippen 7. Der Berechnung liegt ein mechanisches Modell des Schlauches 4 (siehe 2) zugrunde, der das Kriechverhalten des Schlauches berücksichtigt. Über ein LC-Display 14 (siehe 3) wird der Druck angezeigt. Über eine RS232-Schnittstelle 15 (siehe 3) ist es möglich, die Vorrichtung zu steuern und Daten auszulesen. Ein Temperatursensor 16 (siehe 3) ist an den Mikrocontroller 13 (siehe 3) angeschlossen. Die Stromversorgung 17 (siehe 3) geschieht über ein handelsübliches Steckernetzteil.

Claims (6)

1. Verfahren und Vorrichtung zur nicht-invasiven Druckmessung in Kunststoffschläuchen, insbesondere für Dialyseanwendungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauch für die Messung nur in die Vorrichtung eingelegt und ohne dass ein separater Messadapter in den Schlauch eingefügt werden muss.
2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung des Schlauches über eine assymetrische mechanische Wippe aufgenommen, deren Winkeländerung über ein optisches Laser-Spiegel-System verstärkt, die Position des Lasers mit einem Single-Line-CCD-Array aufgenommen und von einem Mikrocontroller aus-gelesen und in den entsprechenden Druckwert umgerechnet wird.
3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über zwei unabhängige Messsysteme, bestehend jeweils aus einer Wippe, einem Laser-Spiegel-System und einem CCD-Array, die viskoelastischen Eigenschaften des Schlauches bestimmt und damit bei der Druckwert-Berechnung im Mikrocontroller berücksichtigt werden können.
4. Verfahren und Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriechverhalten der Kunststoffschläuche als mechanisches Modell im Mikrocontroller implementiert ist und damit bei der Druckberechnung berücksichtigt wird.
5. Verfahren und Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor die Schlauchtemperatur misst und an den Mikrocontroller übermittelt, um dadurch die Schlaucheigenschaften besser bestimmen zu können.
6. Verfahren und Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wahlweise selbstständig oder an einen PC angeschlossen arbeiten kann.