DE102019202824B4 - Measuring system for monitoring the ingredients, physical parameters and / or homogeneity of blood conveyed through a channel - Google Patents

Measuring system for monitoring the ingredients, physical parameters and / or homogeneity of blood conveyed through a channel Download PDF

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Abstract

Messsystem zur Überwachung der Inhaltsstoffe, physikalischer Parameter und/oder Homogenität von durch einen Kanal gefördertem Blut, bei demein zur Ultraschallprüfung ausgebildetes Sensorsystem mindestens einen Ultraschallwandler aufweist, der zur Emission von Schallwellen an der Außenwand oder innerhalb des Kanals angeordnet ist, undein zur Wirbelstromdetektion ausgebildetes Sensorsystem, das mit mindestens einer elektrischen Sendespule und mindestens einer elektrischen Empfängerspule oder einem Riesen-magnetorisistiven Sensor (GMR), anisotropen magnetoresistiven Sensor (AMR), supraleitenden Quanteninterferenz-Sensor (SQUID) oder einem Hall-Sensor gebildet ist, in Bewegungsrichtung des geförderten Bluts vor oder hinter dem zur Ultraschallprüfung ausgebildeten Sensorsystem angeordnet ist unddas zur Ultraschallprüfung ausgebildete Sensorsystem und das zur Wirbelstromdetektion ausgebildete Sensorsystem an eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen sind und die elektronische Auswerteeinheit ausgebildet ist, mittels der von beiden Sensorsystemen erfassten Messsignale Inhaltsstoffe, physikalische Parameter und/oder Fehler der Homogenität des geförderten Bluts zu erkennen.Measuring system for monitoring the ingredients, physical parameters and / or homogeneity of blood conveyed through a channel, in which a sensor system designed for ultrasonic testing has at least one ultrasonic transducer which is arranged to emit sound waves on the outer wall or within the channel, and a sensor system designed for eddy current detection , which is formed with at least one electrical transmitter coil and at least one electrical receiver coil or a giant magnetoresistive sensor (GMR), anisotropic magnetoresistive sensor (AMR), superconducting quantum interference sensor (SQUID) or a Hall sensor, in the direction of movement of the transported blood or is arranged behind the sensor system designed for ultrasonic testing and the sensor system designed for ultrasonic testing and the sensor system designed for eddy current detection are connected to an electronic evaluation unit and the electronic evaluation Unit is designed to recognize ingredients, physical parameters and / or defects in the homogeneity of the conveyed blood by means of the measurement signals detected by both sensor systems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Überwachung der Inhaltsstoffe, physikalischer Parameter und/oder Homogenität von durch einen Kanal gefördertem Blut.The invention relates to a measuring system for monitoring the ingredients, physical parameters and / or homogeneity of blood conveyed through a channel.

Bei der Überprüfung von Blut sind in der Regel labortechnische Untersuchungen erforderlich, um die Konsistenz von Blut, d.h. beispielsweise ob und wieviele weiße bzw. rote Blutkörper, ein bestimmter Anteil an Blutplasma, Blutzucker, Salzen o.ä. bestimmen zu können. Dazu müssen Blutproben entnommen und einzeln analysiert werden, wofür unterschiedliche Untersuchungsverfahren durchgeführt werden müssen. Solche Untersuchungen werden auch vor und während der Durchführung von Bluttransfusionen oder der Blutplasmagewinnung durchgeführt.When checking blood, laboratory tests are usually required in order to be able to determine the consistency of blood, i.e. for example whether and how many white or red blood cells, a certain proportion of blood plasma, blood sugar, salts or the like can be determined. To do this, blood samples must be taken and individually analyzed, for which different test methods must be carried out. Such examinations are also performed before and during blood transfusions or blood plasma collection.

Diese Untersuchungen erfordern Zeit, die in bestimmten Situationen nicht vorhanden ist und zu einer Gefährdung von Patienten führen kann.These examinations require time that is not available in certain situations and that can endanger patients.

So sind aus DE 10 2005 025 515 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen einer strömenden Flüssigkeit auf das Vorhandensein von Luft bekannt.So are out DE 10 2005 025 515 A1 a method and an apparatus for monitoring a flowing liquid for the presence of air are known.

DE 10 2010 028 902 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung zellulärer und/oder extrazellulärer Anteile von Flüssigkeiten. DE 10 2010 028 902 A1 relates to a method and a device for determining cellular and / or extracellular components of liquids.

Eine Ultraschalldiagnosevorrichtung ist in US 2017/0105699 A1 beschrieben.An ultrasonic diagnostic device is in US 2017/0105699 A1 described.

Die Offenbarung von US 5 205 153 A betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von Luftblasen in Rohren.The revelation of U.S. 5,205,153 A relates to a method and a device for detecting air bubbles in pipes.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Überwachung von durch einen Kanal gefördertem Blut anzugeben, mit denen Fehler bzw. Abweichungen von einer bestimmten qualitätsbedingten Konsistenz erkannt, das Vorhandensein oder Fehlen von Inhaltsstoffen oder physikalische Parameter bestimmt oder Inhomogenitäten mit geringem Gerätetechnischem- und Zeitaufwand erfasst werden können.It is therefore the object of the invention to provide options for monitoring blood conveyed through a channel, with which errors or deviations from a certain quality-related consistency are recognized, the presence or absence of ingredients or physical parameters or inhomogeneities are determined with little equipment and time expenditure can be captured.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Messsystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved with a measuring system which has the features of claim 1. Advantageous refinements and developments of the invention can be implemented with features identified in the subordinate claims.

Die Herausforderung besteht in der Entwicklung eines Messsystems, das Daten bezüglich der Eigenschaften von Blut aufzeichnet. Durch die gleichzeitige Aufnahme von Wirbelstrom- und Ultraschallsignalen mit dem Messsystem ist es möglich, Eigenschaften des jeweils geförderten Bluts während dessen Förderung zu ermitteln. Zu den physikalischen Untersuchungsparametern des Messsystems zählen beispielsweise die Dichte, Viskosität, Partikelverteilung, Partikelgestalt oder die elektrischen, magnetischen und dielektrischen Eigenschaften des Bluts.The challenge is to develop a measurement system that records data relating to the properties of blood. By simultaneously recording eddy current and ultrasonic signals with the measuring system, it is possible to determine the properties of the blood being conveyed while it is being conveyed. The physical examination parameters of the measuring system include, for example, density, viscosity, particle distribution, particle shape or the electrical, magnetic and dielectric properties of the blood.

Der Messsystemaufbau teilt sich in einen Wirbelstrom- und Ultraschallmessbereich. Diese können in einem Gehäuse gemeinsam angeordnet bzw. fixiert sein. Zur Bestimmung von den elektrischen, magnetischen und dielektrischen Eigenschaften wird ein zur Wirbelstromdetektion ausgebildetes Sensorsystem eingesetzt. Für die Bestimmung mechanischer Eigenschaften ist ein zur Ultraschallprüfung ausgebildetes Sensorsystem vorhanden. Es ist eine Anordnung dieser beiden Sensorsysteme in Förderrichtung im Nachgang zu einem Förderer, beispielsweise einer Pumpe, bevorzugt einer Schlauchpumpe möglich. Dabei wird das Blut durch einen Kanal, der dann als Messrohr ausgebildet sein kann, gefördert. Die beiden Sensorsysteme sind in jedem Fall in Bewegungsrichtung des Bluts nacheinander angeordnet. Das Ultraschallsensorsystem kann als in Bewegungsrichtung des Bluts vor oder nach dem Wirbelstromsensorsystem angeordnet sein.The measuring system structure is divided into an eddy current and ultrasonic measuring range. These can be arranged or fixed together in a housing. A sensor system designed for eddy current detection is used to determine the electrical, magnetic and dielectric properties. A sensor system designed for ultrasonic testing is available for determining mechanical properties. It is possible to arrange these two sensor systems in the conveying direction downstream of a conveyor, for example a pump, preferably a hose pump. The blood is conveyed through a channel, which can then be designed as a measuring tube. The two sensor systems are in each case arranged one after the other in the direction of movement of the blood. The ultrasonic sensor system can be arranged in front of or after the eddy current sensor system in the direction of movement of the blood.

Mit beiden Sensorsystemen muss kein direkter Eingriff in den Prozess erfolgen. Gegenüber der bisherigen Prüfung ermöglicht diese Inline-Prüfung bei fehlerhafter Konsistenz des Bluts, insbesondere bei Inhomogenitäten innerhalb eines Volumens eine sofortige Erkennung und Eingriffsmöglichkeit. Die Ausbildung eines magnetischen Feldes (Primärfeld) durch eine stromdurchflossene elektrische Sendespule ruft in einem leitfähigen Messobjekt Wirbelströme und Verschiebungsströme hervor. Dadurch wird ein zweites Magnetfeld (Sekundärfeld) infolge elektrischer Induktion ausgebildet. Der Effekt aus den Wechselwirkungen der zwei Magnetfelder kann im Wirbelstromverfahren ausgenutzt werden. Die Stärke des magnetischen Sekundärfeldes, das von dem Empfängersystem aufgenommen wird, hängt von den Wirbelstrom und Verschiebungsstromverlusten im Messobjekt, also dem Blut, das sich innerhalb des jeweiligen Detektionsbereichs während ihrer Förderung befindet, ab. Diese wird durch die elektrischen, magnetischen und dielektrischen Eigenschaften des Bluts definiert.With both sensor systems, there is no need to intervene directly in the process. Compared to the previous test, this inline test enables immediate detection and intervention in the event of an incorrect consistency of the blood, in particular in the case of inhomogeneities within a volume. The formation of a magnetic field (primary field) by a current-carrying electrical transmitter coil causes eddy currents and displacement currents in a conductive measurement object. This creates a second magnetic field (secondary field) as a result of electrical induction. The effect from the interactions of the two magnetic fields can be used in the eddy current method. The strength of the magnetic secondary field that is picked up by the receiver system depends on the eddy current and displacement current losses in the measurement object, i.e. the blood that is within the respective detection area during its conveyance. This is defined by the electrical, magnetic and dielectric properties of the blood.

Neben einem Sensorsystem, dass zur Wirbelstromdetektion mit mindestens einer elektrischen Sendespule und mindestens einer elektrischen Empfängerspule ausgebildet ist, kann anstelle dessen auch ein Riesen-magnetorisistiver Sensor (GMR), anisotroper magnetoresistiver Sensor (AMR), supraleitender Quanteninterferenz-Sensor (SQUID) oder ein Hall-Sensor eingesetzt werden.In addition to a sensor system that is designed for eddy current detection with at least one electrical transmitter coil and at least one electrical receiver coil, a giant magnetoresistive sensor (GMR), anisotropic magnetoresistive sensor (AMR), superconducting quantum interference sensor (SQUID) or a Hall can be used instead -Sensor can be used.

Weiterhin kann bei dem Wirbelstromverfahren eine Absolutmessung oder eine Differenzmessung realisiert werden. Bei der Absolutmessung wirkt sich ein Fehler/Materialveränderung absolut verstärkend oder abschwächend aus. Furthermore, an absolute measurement or a differential measurement can be implemented with the eddy current method. In the case of absolute measurement, an error / material change has an absolute amplifying or weakening effect.

Die Differenzmessung ermöglicht durch Kompensation der Magnetfelder (Primär- und Sekundärfeld) eine unmittelbare Aufzeichnung des Fehlersignals. Mit der hier beschriebenen Erfindung kann eine Absolut- und/oder eine Differenzmessung realisiert werden. Bei der Absolutmessung sollten Sende- und Empfängerspule in einem gemeinsamen Sensormodul angeordnet sein. Die Sendespule sollte dabei die außen und die Empfängerspule die innen angeordnete elektrische Spule sein. Die elektrische Spannung, die in der jeweiligen Empfängerspule induziert worden ist, enthält neben der interessanten Fehlersignalspannung (Informationen über Materialveränderungen, Materialzusammensetzung, Risse, Hohlräume, Materialfehler) auch die induzierte elektrische Spulenspannung sowie Störsignale etc. Diese Eigenschaft kann dazu führen, dass kleine Materialschwankungen nicht erkennbar sind.The differential measurement enables direct recording of the error signal by compensating the magnetic fields (primary and secondary field). With the invention described here, an absolute and / or a differential measurement can be implemented. In the case of absolute measurements, the transmitter and receiver coils should be arranged in a common sensor module. The transmitter coil should be the outside and the receiver coil the inside electrical coil. In addition to the interesting error signal voltage (information about material changes, material composition, cracks, cavities, material defects), the electrical voltage induced in the respective receiver coil also contains the induced electrical coil voltage and interference signals, etc. This property can prevent small material fluctuations are recognizable.

Bei der Differenzmessung können zwei identische elektrische Absolutspulen als Sende- und Empfängerspule genutzt werden, die gegenläufig elektrisch verschaltet sind. Dies führt zur Kompensation des Sende- und Empfangsfeldes. Somit ist zu Beginn der Messung oder bei homogener Blutzusammensetzung die elektrische Empfängerspulenspannung gleich null. Dadurch ist es möglich, geringe Schwankungen der Konsistenz und somit kleine Amplitudenauslenkungen erfass- und auswertbar zu machen, da hier nur die Fehlersignalspannung, welche infolge von Inhomogenitäten gemessen wird, herangezogen wird. Beide Durchführungsformen einer Wirbelstromprüfung können in einem mechanischen Freiraum des Sensorsystems realisiert werden.With the differential measurement, two identical electrical absolute coils can be used as transmitter and receiver coils, which are electrically connected in opposite directions. This leads to the compensation of the transmit and receive fields. Thus, at the beginning of the measurement or if the blood composition is homogeneous, the electrical receiver coil voltage is zero. This makes it possible to detect and evaluate small fluctuations in the consistency and thus small amplitude deflections, since here only the error signal voltage, which is measured as a result of inhomogeneities, is used. Both implementation forms of an eddy current test can be implemented in a mechanical free space of the sensor system.

Die Integration des Wirbelstrommessverfahrens mit einem entsprechenden Sensorsystem kann über Sensormodule realisiert werden. Diese können im Wirbelstrommessbereich innerhalb eines Gehäuses, das am jeweiligen Kanal angeordnet bzw. befestigt sein kann, fixiert werden. Dabei kann es sich um mehrere aus Sende- und Empfängerspule gebildete Sensormodule handeln. Sie enthalten eine an die jeweilige Prüfaufgabe angepasste Spulenpaare und eine Schnittstelle zur elektronischen Auswerteeinheit. Die Spulenmodule können dabei eine Durchbrechung, insbesondere eine Bohrung aufweisen, durch die der jeweilige Kanal bzw. ein Messrohr möglichst passgenau geführt sein kann. Im Bereich der Durchbrechung/Bohrung kann ein Außendurchlaufsensor angebracht sein. Mittels eines großzügig bemessenen mechanischen Freiraums im Wirbelstrommessbereich, ist der Einsatz von bevorzugt verschiedenen Sensorsystemen, die zur Wirbelstrommessung ausgebildet sind, möglich. Mit mehreren unterschiedlich konfigurierten Sensormodulen kann eine Anpassung an unterschiedliche Blutzusammensetzungen erreicht werden, indem ein jeweils geeignetes Sensormodul zur Überwachung ausgewählt wird, das möglichst die höchste Sensitivität für die jeweilige Blutzusammensetzung oder zur Detektion bestimmter Inhaltsstoffe aufweist.The eddy current measurement method can be integrated with a corresponding sensor system using sensor modules. These can be fixed in the eddy current measurement area within a housing that can be arranged or attached to the respective channel. This can be a number of sensor modules formed from a transmitter and receiver coil. They contain a coil pair adapted to the respective test task and an interface to the electronic evaluation unit. The coil modules can have an opening, in particular a bore, through which the respective channel or a measuring tube can be guided as precisely as possible. An external flow sensor can be attached in the area of the opening / bore. By means of a generously dimensioned mechanical free space in the eddy current measurement area, the use of preferably different sensor systems that are designed for eddy current measurement is possible. With several differently configured sensor modules, an adaptation to different blood compositions can be achieved by selecting a suitable sensor module for monitoring that has the highest possible sensitivity for the respective blood composition or for the detection of certain ingredients.

Es kann auch mindestens eine Sendespule um den Kanalumfang ausgebildet oder angeordnet und eine Empfängerspule im Inneren der Sendespule, in die Kanalwandung integriert, in Nuten an der Außenwand des Kanals aufgenommen oder im Inneren des Kanals angeordnet sein.At least one transmitter coil can also be formed or arranged around the channel circumference and a receiver coil inside the transmitter coil, integrated into the channel wall, received in grooves on the outer wall of the channel or arranged inside the channel.

Die Prüfung und Untersuchung der jeweiligen Blutprobe, insbesondere bezüglich derer mechanischen Eigenschaften, kann mit dem Ultraschallverfahren durchgeführt werden. Die Emission von Schallwellen kann mittels Hochfrequenzimpulsen erfolgen. Durch die Erregung mit einem Impulsschall dringen Impuls-Echo-Signale in das Blut ein. Aufgrund von unterschiedlichen Materialcharakteristiken kommt es zu Laufzeitenverschiebungen und Amplitudenschwächungen der Schallwellen.The examination and investigation of the respective blood sample, in particular with regard to its mechanical properties, can be carried out with the ultrasound method. The emission of sound waves can take place by means of high-frequency pulses. Due to the excitation with an impulse sound, impulse echo signals penetrate into the blood. Due to different material characteristics, there are shifts in transit times and amplitude weakening of the sound waves.

Zur Bewertung können die Reflexions- und Transmissionssignale genutzt werden.The reflection and transmission signals can be used for evaluation.

Fungiert ein Ultraschallwandler als Sender und Empfänger können die Reflexionssignale der Schallwellen mit dem einen Ultraschallwandler erfasst und dann ausgewertet werden, wenn dieser von einem Sende- in einen Empfangsmodus umgeschaltet worden ist. Zur Analyse von Transmissionssignalen werden zwei Ultraschallwandler eingesetzt. Dabei dient einer als Sender und der gegenüberliegende Ultraschallwandler als Empfänger der Schallwellensignale. Die Erfindung ermöglicht die nahezu zeitgleiche Aufnahme von Reflexions- und Transmissionssignalen. Aufgrund von Inhomogenität oder Fehlern in der Blutkonsistenz verändert sich die Charakteristik und Richtung des Sendeschallimpulses im Vergleich zu detektierten Schallmesssignalen, die für eine korrekte Blutkonsistenz repräsentativ sind. Diese veränderten Messsignale können eine Aussage über die Eigenschaften liefern.If an ultrasonic transducer functions as a transmitter and receiver, the reflection signals of the sound waves can be recorded with one ultrasonic transducer and then evaluated when this has been switched from a transmit to a receive mode. Two ultrasonic transducers are used to analyze transmission signals. One serves as a transmitter and the opposite ultrasonic transducer as a receiver of the sound wave signals. The invention enables the almost simultaneous recording of reflection and transmission signals. Due to inhomogeneity or errors in the blood consistency, the characteristics and direction of the transmitted sound pulse change compared to detected sound measurement signals that are representative of correct blood consistency. These changed measurement signals can provide information about the properties.

Die Adaption der Ultraschallwandler in das Sensorsystem sollte im Bereich des Ultraschallmessbereichs erfolgen. In diesem Bereich können die äußeren Abmessungen des Kanals, insbesondere der Außenradius eines Messrohres für eine verbesserte Kopplung konkav oder abgeflacht, also planar ausgebildet sein. Mit planparallelen Flächen zwischen Ultraschallwandler und Kanalaußenwand kann eine gute Ein- und Auskopplung erreicht werden.The adaptation of the ultrasonic transducers into the sensor system should take place in the area of the ultrasonic measuring range. In this area, the outer dimensions of the channel, in particular the outer radius of a measuring tube, can be concave or flattened, that is to say planar, for improved coupling. Good coupling and decoupling can be achieved with plane-parallel surfaces between the ultrasonic transducer and the outer duct wall.

Sind die Oberfläche(n) des/der Ultraschallwandler, über die Schallwellen emittiert und detektiert werden, konkav und komplementär dazu die Kanalaußenwand in dem Bereich, in dem ein Ultraschallwandler angeordnet ist, konvex gewölbt ausgebildet, kann eine Fokussierung der Schallwellen erreicht werden, die zu einer Erhöhung der Messempfindlichkeit führen kann.If the surface (s) of the ultrasonic transducer (s), via which sound waves are emitted and detected, are concave and, complementary to this, the outer duct wall in the area in which an ultrasonic transducer is arranged, convexly curved, the sound waves can be focused, which are to can lead to an increase in the measurement sensitivity.

Aufgrund der Notwendigkeit eines Koppelmediums zur Ankopplung des Ultraschalls sollte ein geschlossener Bereich an einem Gehäuse, in dem der/die Ultraschallwandler angeordnet und gehalten ist, vorgesehen sein.Due to the need for a coupling medium for coupling the ultrasound, a closed area should be provided on a housing in which the ultrasonic transducer (s) is / are arranged and held.

Bei einem Sensorsystem, das zur Ultraschalldetektion ausgebildet ist, kann mindestens ein Ultraschallwandler auch im Inneren des jeweiligen Kanals, bevorzugt an einer Innenwand angeordnet seinIn the case of a sensor system that is designed for ultrasonic detection, at least one ultrasonic transducer can also be arranged in the interior of the respective channel, preferably on an inner wall

Unter Nutzung der genannten Eigenschaften kann das erfindungsgemäße Messsystem in Förderrichtung am Nachgang eines Förderers angeordnet werden. Dadurch können die elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Blut während seiner Förderung überwacht werden.Using the properties mentioned, the measuring system according to the invention can be arranged downstream of a conveyor in the conveying direction. This allows the electrical and mechanical properties of blood to be monitored while it is being conveyed.

Die Erfindung dient zur Erfüllung von Qualitäts- und Sicherheitsstandards. Damit wird es ermöglicht, aus der kombinierten Anwendung des Ultraschall- und Wirbelstromverfahrens eine Charakterisierung von Blut durchzuführen. Es können mit diesem Vorgehen, Rückschlüsse auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften sowie die Homogenität gezogen werden. Die Auswertung der erfassten Messsignale kann unter Einsatz der elektromagnetischen und akustischen Impedanzspektroskopie erfolgen. Diese Art der Spektroskopie zielt auf die Zerlegung von Signalen in ihre Bestandteile ab. Zur Bewertung der Signale können signifikante Bereiche, in denen eine Differenzierung möglich ist, ausgewählt werden. So können dafür beispielsweise Bereiche in denen innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls eine bestimmte ebenfalls vorgebbare Über- und/oder Unterschreitung eines Schwellwertes, der ebenfalls für die jeweilige Blutprobe vorgegeben werden kann, für eine Auswertung ausgewählt werden.The invention serves to meet quality and safety standards. This makes it possible to characterize blood from the combined application of ultrasound and eddy current methods. With this procedure, conclusions can be drawn about the electrical and mechanical properties as well as the homogeneity. The evaluation of the recorded measurement signals can be carried out using electromagnetic and acoustic impedance spectroscopy. This type of spectroscopy aims to break down signals into their components. Significant areas in which differentiation is possible can be selected to evaluate the signals. For this purpose, for example, areas in which, within a predetermined time interval, a certain, likewise predeterminable overshoot and / or undershoot of a threshold value, which can also be predefined for the respective blood sample, can be selected for an evaluation.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention is to be explained in more detail below by way of example.

Dabei zeigen:

  • 1 ein Beispiel eines Gehäuses zur Aufnahme und Befestigung der zwei Sensorsysteme an einem Messrohr als ein Beispiel eines Kanals;
  • 2 ein Beispiel eines Gehäuseteils zur Aufnahme eines Sensormoduls für ein Sensorsystem, das zur Wirbelstromdetektion ausgebildet ist und
  • 3 ein Messrohr.
Show:
  • 1 an example of a housing for receiving and attaching the two sensor systems to a measuring tube as an example of a channel;
  • 2 an example of a housing part for receiving a sensor module for a sensor system which is designed for eddy current detection and
  • 3 a measuring tube.

Die Anordnung eines Messsystems erfolgt in Förderrichtung von Blut im Nachgang zu einer Pumpe als Förderer, mit der Blut durch ein Messrohr 3, als ein Beispiel eines Kanals, gefördert werden kann. Das Messsystem ist dabei an einem Kanal befestigbar, der zwischen Förderer und dem Ausgang des Kanals angeordnet ist. In diesem Bereich soll das Blut auf seine Homogenität, Inhaltsstoffe und/oder andere physikalische Parameter geprüft werden.A measuring system is arranged in the direction of blood flow downstream of a pump as a conveyor, with the blood through a measuring tube 3 , as an example of a channel, can be promoted. The measuring system can be attached to a channel which is arranged between the conveyor and the outlet of the channel. In this area, the blood should be checked for its homogeneity, ingredients and / or other physical parameters.

Zur Realisierung der Charakterisierung während des Förderprozesses ist ein Messsystem mit kombinierten Ultraschall- und Wirbelstromsensorsystemen aufgebaut. Dies ermöglicht die Beobachtung eines breiten Spektrums der Charakteristiken des geförderten Bluts. Bei der Integration des Messsystems soll der Förderprozess möglichst gering beeinflusst werden. Aus diesem Grund ist die Messstrecke kurz gestaltet.To implement the characterization during the conveying process, a measuring system with combined ultrasonic and eddy current sensor systems is set up. This enables a wide range of characteristics of the blood being pumped to be observed. When integrating the measuring system, the conveying process should be influenced as little as possible. For this reason, the measuring section is designed to be short.

Es kann ein austauschbares Messrohr 3 als ein Beispiel eines Kanals vorgesehen sein, das an die jeweils eingesetzten Sensorsysteme (Ultraschall und Wirbelstrom) angepasst werden kann. Durch die Austauschbarkeit kann das Material des Messrohrs 3 an die jeweilige Applikation angepasst werden, was die elektrischen, magnetischen und/oder akustischen Eigenschaften betreffen kann. Die Ultraschall- und Wirbelstromsensorsysteme wurden mit angepassten Geometrien gestaltet. Dieser Aufbau ist den folgenden Abschnitten zu entnehmen.It can be an exchangeable measuring tube 3 be provided as an example of a channel that can be adapted to the sensor systems used (ultrasound and eddy current). Due to the interchangeability, the material of the measuring tube 3 be adapted to the respective application, which can affect the electrical, magnetic and / or acoustic properties. The ultrasonic and eddy current sensor systems were designed with adapted geometries. This structure can be found in the following sections.

Das Sensorsystem, das zur Ultraschallmessung ausgebildet ist, nutzt bei diesem Beispiel zwei Ultraschallwandler, die diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Das ermöglicht die Aufnahme von Reflexions- und Transmissionssignalen von Schallwellen. Als Koppelmedium wird zwischen Ultraschallwandlern und der Außenwand des Messrohrs 3 Öl eingesetzt. Dies erfordert eine mechanische Abtrennung des Messbereichs. Die Abdichtung kann mit Wellendichtringen realisiert werden. Am Messrohr 3 sind im Ultraschallmessbereich planare Flächen 3.1 ausgebildet worden, um im Kopplungsbereich der Ultraschallwandler parallele Flächen zwischen Ultraschallwandler und Messrohroberfläche zu erhalten. Dies zielt auf eine verringerte Veränderung der Wellenausbreitungsrichtung im Medium ab. Es können Ultraschallwandler der Kontakt- und Tauchtechnik für dieses Sensorsystem zum Einsatz kommen. Je nach Anwendungsbereich können geeignete Frequenzen der Ultraschallwandler ausgewählt werden. Bei der Applikation im Bereich der Blutuntersuchungen eigenen sich Ultraschallprüfköpfe mit Resonanzfrequenzen im Bereich von 1 MHz bis 20 MHz für eine Überwachung der Homogenität des Bluts. Die Ultraschallwandler stehen während der Messungen in Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Messrohrs 3 an den planaren Flächen 3.1. Zwischen den Oberflächen des Messrohrs 3 und der sensitiven Oberflächen der Ultraschallwandler ist lediglich das Koppelmedium vorhanden. Vor jeder Anwendung muss diese Position geprüft werden, um Energieverluste der emittierten und detektierten Schallwellen in einem zu großen Spalt zwischen Ultraschallwandler und planarer Fläche 3.1 des Messrohrs 3 zu vermeiden. Zur Auswertung werden die Reflexions- und Transmissionssignale genutzt. Die Aufnahme der Signale sollte annähernd zeitgleich durch einen gepulsten Betrieb bei der Emission von Schallwellen erfolgen. An einem Ultraschallwandler erfolgt durch den piezoelektrischen Effekt eine Schwingungsbewegung mit mechanischen Wellen, die als Schallwellen durch die Wandung des Messrohrs 3 und das Blut, das durch das Messrohr 3 gefördert wird, emittiert werden. Mit einem Ultraschallwandler, der dem emittierenden Ultraschallwandler diametral gegenüberliegend angeordnet ist, können durch die Messrohrwand und das Blut emittierte Schallwellen in Transmission detektiert werden. Mit dem emittierenden Ultraschallwandler können in Pausen, in denen von ihm keine Schallwellenemission erfolgt an der Messrohrwand reflektierte Schallwellen detektiert werden. In diesem Empfangsmodus können Rückstreuinformationen detektiert werden.The sensor system, which is designed for ultrasonic measurement, uses two ultrasonic transducers in this example, which are arranged diametrically opposite one another. This enables the recording of reflection and transmission signals from sound waves. The coupling medium between the ultrasonic transducers and the outer wall of the measuring tube 3 Oil used. This requires a mechanical separation of the measuring area. The seal can be realized with shaft sealing rings. On the measuring tube 3 are planar surfaces in the ultrasonic measuring range 3.1 been designed in order to obtain parallel surfaces between the ultrasonic transducer and the measuring tube surface in the coupling area of the ultrasonic transducers. This aims at a reduced change in the direction of wave propagation in the medium. Ultrasonic transducers from contact and immersion technology can be used for this sensor system. Depending on Suitable frequencies of the ultrasonic transducers can be selected in the application range. When used in the field of blood tests, ultrasonic probes with resonance frequencies in the range from 1 MHz to 20 MHz are suitable for monitoring the homogeneity of the blood. The ultrasonic transducers are in contact with the outer surface of the measuring tube during the measurements 3 on the planar surfaces 3.1 . Between the surfaces of the measuring tube 3 and only the coupling medium is present on the sensitive surfaces of the ultrasonic transducers. Before each use, this position must be checked in order to avoid energy losses of the emitted and detected sound waves in an excessively large gap between the ultrasonic transducer and the planar surface 3.1 of the measuring tube 3 to avoid. The reflection and transmission signals are used for evaluation. The signals should be recorded almost simultaneously through pulsed operation with the emission of sound waves. On an ultrasonic transducer, the piezoelectric effect causes a vibratory movement with mechanical waves that travel as sound waves through the wall of the measuring tube 3 and the blood that comes through the measuring tube 3 is funded, emitted. With an ultrasonic transducer, which is arranged diametrically opposite the emitting ultrasonic transducer, sound waves emitted through the measuring tube wall and the blood can be detected in transmission. With the emitting ultrasonic transducer, sound waves reflected on the measuring tube wall can be detected during breaks in which there is no sound wave emission. Backscatter information can be detected in this reception mode.

Zur Realisierung eines Wirbelstromsensorsystems ist im Gehäuse 1, das zur Aufnahme eines erfindungsgemäßen Messsystems am Messrohr 3 befestigt werden kann, ein ausreichender mechanischer Freiraum vorgesehen. Dieser ermöglicht die Integration verschiedener elektrischer Spulensysteme als Sensormodule, die zur Wirbelstromdetektion ausgebildet sind. Beispielsweise werden in diesem Sensorsystem Durchlaufspulen eingesetzt. Das heißt, die dabei eingesetzten elektrischen Sende- und Empfängerspulen umschließen das Messrohr 3. Sie haben einen Innendurchmesser von ca. 28,1 mm und je nach Wicklungszahl einen Außendurchmesser von 29,5 mm bis 33,5 mm. Als Spulendraht wird in diesem speziellen Anwendungsfall der Blutüberwachung, Kupferdraht mit einem Durchmesser von 250 µm verwendet. Die Wicklungszahl der einzelnen Spulen variiert dabei von 25 n bis 200 n. Es werden derzeit Induktivitäten im Bereich von 25 µH bis 200 µH erreicht. Der Füllgrad der elektrischen Spulen spielt in der Wirbelstromtechnik eine wichtige Rolle, deshalb sollte der Abstand zwischen Innendurchmesser der elektrischen Empfängerspule und Außendurchmesser des Messrohrs 3 möglichst gering sein. Zur Instrumentierung und Schutz der elektrischen Spulen werden diese in Form speziell angefertigter Sensormodule eingesetzt. Eine Sende- und eine Empfängerspule können dabei in einem Gehäuseteil 2 aufgenommen werden. Dazu ist an einer Seite des Gehäuseteils 2 eine Öffnung in Form einer Aussparung 2.1 ausgebildet, in die eine Sende- und eine Empfängerspule möglichst passgenau eingesetzt werden können. Für die elektrische Kontaktierung der beiden elektrischen Spulen sind entsprechende Freiräume im Bereich der Aussparung 2.1 sowie Bohrungen ausgebildet, durch die elektrische Leitungen zu den beiden elektrischen Spulen geführt sind. Die jeweilige Sendespule ist dabei mit einem Frequenzgenerator und die Empfängerspule mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung der komplexen Empfängerspulenimpedanz (Wirbelstrommessgerät) verbunden, die Bestandteile einer elektronischen Auswerteeinheit sein kann (beides nicht gezeigt).To implement an eddy current sensor system is in the housing 1 that is used to accommodate a measuring system according to the invention on the measuring tube 3 can be attached, sufficient mechanical space is provided. This enables the integration of various electrical coil systems as sensor modules that are designed for eddy current detection. For example, feed-through coils are used in this sensor system. This means that the electrical transmitter and receiver coils used enclose the measuring tube 3 . They have an inside diameter of approx. 28.1 mm and, depending on the number of windings, an outside diameter of 29.5 mm to 33.5 mm. In this special application of blood monitoring, copper wire with a diameter of 250 µm is used as the coil wire. The number of turns of the individual coils varies from 25 n to 200 n. Inductivities in the range from 25 µH to 200 µH are currently achieved. The fill level of the electrical coils plays an important role in eddy current technology, which is why the distance between the inner diameter of the electrical receiver coil and the outer diameter of the measuring tube should be 3 be as low as possible. For the instrumentation and protection of the electrical coils, these are used in the form of specially manufactured sensor modules. A transmitter and a receiver coil can be in one housing part 2 be included. This is on one side of the housing part 2 an opening in the form of a recess 2.1 formed, in which a transmitter and a receiver coil can be used as precisely as possible. There are corresponding free spaces in the area of the recess for the electrical contacting of the two electrical coils 2.1 and formed bores through which electrical lines to the two electrical coils are passed. The respective transmitter coil is connected to a frequency generator and the receiver coil to a measuring device for determining the complex receiver coil impedance (eddy current measuring device), which can be part of an electronic evaluation unit (both not shown).

Ein oder mehrere Sensormodul(e) kann/können dann in einen entsprechend dimensionierten Freiraum 1.1 des Gehäuses 1 eingesetzt und darin fixiert werden. Mehrere Sensormodule können dabei in Förderrichtung des Elektrodenmaterials nacheinander in jeweils paralleler Ausrichtung zueinander angeordnet sein. So kann man jeweils gleiche Sensormodule so anordnen. Man kann aber auch unterschiedlich konfigurierte Sensormodule so anordnen.One or more sensor module (s) can then be placed in a correspondingly dimensioned free space 1.1 of the housing 1 used and fixed therein. A plurality of sensor modules can be arranged one after the other in the conveying direction of the electrode material, in each case parallel to one another. The same sensor modules can be arranged in this way. However, differently configured sensor modules can also be arranged in this way.

Durch Bohrungen 1.2 im Gehäuse 1 kann man das Messrohr 3 einführen. Die Sensormodule sind so dimensioniert, dass das Messrohr 3 ebenfalls durch das/die Sensormodul(e) geführt werden kann.Through holes 1.2 in the housing 1 you can use the measuring tube 3 introduce. The sensor modules are dimensioned so that the measuring tube 3 can also be passed through the sensor module (s).

In nicht dargestellter Form kann mindestens eine Empfängerspule auch in die Messrohrwand eingebettet oder in Nuten, die in der Außenwand des Messrohrs 3 ausgebildet sind, eingesetzt sein. Eine Empfängerspule kann dann bei einem Sensormodul in ein Gehäuseteil 2 eingesetzt sein.In a form not shown, at least one receiver coil can also be embedded in the measuring tube wall or in grooves in the outer wall of the measuring tube 3 are designed to be used. A receiver coil can then be placed in a housing part in the case of a sensor module 2 be used.

Die Wirbelstromtechnik nutzt zur Untersuchung von Blut eine Sendespule und eine Empfängerspule. Die Positionierung dieser zwei Spulen zueinander ist prinzipiell frei wählbar und ermöglicht dadurch eine hohe Flexibilität bei der Entwicklung eines Wirbelstromsensorsystems. Dabei kann eine Unterscheidung in ein Absolutsystem und ein Differenzsystem getroffen werden. Bei dem Absolutsystem können sich Sende- und Empfängerspule in einem Sensormodul befinden. Die Sendespule ist die außen und die Empfängerspule die innen angeordnete elektrische Spule. Bei einem Absolutsystem wirkt sich eine Veränderung der Zusammensetzung des Bluts absolut verstärkend oder abschwächend aus. Die aufgenommene elektrische Spannung an der Empfängerspule enthält neben der interessanten Fehlersignalspannung auch die induzierte elektrische Spulenspannung sowie Störsignale etc. Diese Eigenschaft kann dazu führen, dass kleine Schwankungen nicht erkennbar sind. Das Differenzsystem nutzt zwei identische elektrische Absolutspulen, die gegenläufig elektrisch verschaltet sind. Dies führt zur Kompensation magnetischer Felder. Somit ist zu Beginn der Messung oder bei homogener Blutzusammensetzung die elektrische Empfängerspulenspannung gleich null. Dadurch ist es möglich, geringe Schwankungen und somit kleine Amplitudenauslenkungen erfassbar zu machen, da hier nur die elektrische Fehlersignalspannung gemessen wird. Beide Systeme können in einem mechanischen Freiraum als Aussparung 2.1 in einem Gehäuseteil 2 realisiert werden. Zur Auswertung der Signale wird ein Frequenzsweep genutzt, der den Bereich von 10 kHz bis 100 MHz abdeckt. Dabei werden Realteil, Imaginärteil und Betrag der Impedanz über die Zeit erfasst. Zur Analyse werden die Signale im Bereich von signifikanten Peaks (Amplitudenwerten) oder beim Überschreiten einer Toleranzgrenze näher betrachtet. Diese Bereiche deuten auf Veränderungen, wie z.B. Inhomogenitäten, Partikelform-/größenänderung, Druckänderungen oder äußere Störeinflüsse hin.Eddy current technology uses a transmitter coil and a receiver coil to examine blood. The positioning of these two coils in relation to one another can in principle be freely selected and thereby enables a high degree of flexibility in the development of an eddy current sensor system. A distinction can be made between an absolute system and a differential system. In the case of the absolute system, the transmitter and receiver coils can be located in one sensor module. The transmitter coil is the outside and the receiver coil is the inside electrical coil. In an absolute system, a change in the composition of the blood has an absolute strengthening or weakening effect. In addition to the interesting error signal voltage, the electrical voltage recorded at the receiver coil also contains the induced electrical coil voltage and interference signals, etc. This property can mean that small fluctuations are not detectable. The differential system uses two identical electrical absolute coils that are electrically connected in opposite directions. This leads to the compensation of magnetic fields. Thus, at the beginning of the measurement or if the blood composition is homogeneous, the electrical receiver coil voltage is zero. This makes it possible to make small fluctuations and thus small amplitude deflections detectable, since only the electrical error signal voltage is measured here. Both systems can be in a mechanical free space as a recess 2.1 in one housing part 2 will be realized. A frequency sweep that covers the range from 10 kHz to 100 MHz is used to evaluate the signals. The real part, imaginary part and the amount of impedance are recorded over time. For the analysis, the signals in the area of significant peaks (amplitude values) or when a tolerance limit is exceeded are examined more closely. These areas indicate changes, such as inhomogeneities, particle shape / size changes, pressure changes or external disturbances.

Am Gehäuse 1 sind zwei diametral gegenüberliegend angeordnete Bohrungen 1.3 vorhanden in die passgenau jeweils ein nicht dargestellter Ultraschallwandler eingeführt und so fixiert werden, dass die jeweilige aktive und sensitive Oberfläche in berührenden Kontakt mit einer der planaren Flächen 3.1, die am Messrohr 3 vorhanden sind, kommt und lediglich ein Koppelmedium zwischen diesen Oberflächen und der jeweiligen planaren Fläche 3.1 vorhanden ist.On the housing 1 are two diametrically opposite holes 1.3 present in each of which a precisely fitting ultrasonic transducer, not shown, is inserted and fixed in such a way that the respective active and sensitive surface is in touching contact with one of the planar surfaces 3.1 on the measuring tube 3 are present, comes and only a coupling medium between these surfaces and the respective planar surface 3.1 is available.

Claims (7)

Messsystem zur Überwachung der Inhaltsstoffe, physikalischer Parameter und/oder Homogenität von durch einen Kanal gefördertem Blut, bei dem ein zur Ultraschallprüfung ausgebildetes Sensorsystem mindestens einen Ultraschallwandler aufweist, der zur Emission von Schallwellen an der Außenwand oder innerhalb des Kanals angeordnet ist, und ein zur Wirbelstromdetektion ausgebildetes Sensorsystem, das mit mindestens einer elektrischen Sendespule und mindestens einer elektrischen Empfängerspule oder einem Riesen-magnetorisistiven Sensor (GMR), anisotropen magnetoresistiven Sensor (AMR), supraleitenden Quanteninterferenz-Sensor (SQUID) oder einem Hall-Sensor gebildet ist, in Bewegungsrichtung des geförderten Bluts vor oder hinter dem zur Ultraschallprüfung ausgebildeten Sensorsystem angeordnet ist und das zur Ultraschallprüfung ausgebildete Sensorsystem und das zur Wirbelstromdetektion ausgebildete Sensorsystem an eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen sind und die elektronische Auswerteeinheit ausgebildet ist, mittels der von beiden Sensorsystemen erfassten Messsignale Inhaltsstoffe, physikalische Parameter und/oder Fehler der Homogenität des geförderten Bluts zu erkennen.Measuring system for monitoring the ingredients, physical parameters and / or homogeneity of blood conveyed through a channel, in which a sensor system designed for ultrasonic testing has at least one ultrasonic transducer which is arranged to emit sound waves on the outer wall or within the channel, and a sensor system designed for eddy current detection, which is formed with at least one electrical transmitter coil and at least one electrical receiver coil or a giant magnetoresistive sensor (GMR), anisotropic magnetoresistive sensor (AMR), superconducting quantum interference sensor (SQUID) or a Hall sensor, in Direction of movement of the conveyed blood is arranged in front of or behind the sensor system designed for ultrasonic testing and the sensor system designed for ultrasonic testing and the sensor system designed for eddy current detection are connected to an electronic evaluation unit and the electronic evaluation unit is designed to detect ingredients, physical parameters and / or defects in the homogeneity of the conveyed blood by means of the measurement signals recorded by both sensor systems. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Ultraschallwandler des zur Ultraschallprüfung ausgebildeten Sensorsystems diametral dem anderen Ultraschallwandler gegenüberliegend an der Kanalaußenwand und/oder der Kanalinnenwand angeordnet ist.Measuring system according to Claim 1 , characterized in that a second ultrasonic transducer of the sensor system designed for ultrasonic testing is arranged diametrically opposite the other ultrasonic transducer on the duct outer wall and / or the duct inner wall. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Ultraschallwandler eine konkav gewölbte Oberfläche aufweisen, die an einer entsprechend konvex gewölbten Oberfläche des Kanals anliegend oder an einer planaren Fläche (3.1) an der Außenwand des Kanals eine planare Oberfläche des/der Ultraschallwandler(s) angeordnet ist/sind.Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the ultrasonic transducer (s) have a concavely curved surface, which rests on a correspondingly convexly curved surface of the channel or a planar surface of the / the on a planar surface (3.1) on the outer wall of the channel Ultrasonic transducer (s) is / are arranged. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sende- und Empfängerspulenpaar ein Sensormodul, das zur Wirbelstromdetektion ausgebildet ist,bildet.Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one transmitting and receiving coil pair forms a sensor module which is designed for eddy current detection. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sende- und Empfängerspulenpaare ein Sensormodul, das zur Wirbelstromdetektion ausgebildet ist, bilden, wobei die Sensormodule austauschbar in einem Gehäuse (1) angeordnet und/oder alternierend betreibbar sind.Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that several pairs of transmitter and receiver coils form a sensor module designed for eddy current detection, the sensor modules being arranged interchangeably in a housing (1) and / or being operable alternately. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sendespule um den Kanalumfang ausgebildet oder angeordnet ist und eine Empfängerspule im Inneren der Sendespule, in die Kanalwandung integriert, in Nuten an der Außenwand des Kanals aufgenommen oder im Inneren des Kanals angeordnet ist.Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one transmitter coil is formed or arranged around the channel circumference and a receiver coil is integrated into the channel wall inside the transmitter coil, received in grooves on the outer wall of the channel or arranged inside the channel. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Sensorsystem(e), das/die zur Wirbelstromdetektion ausgebildet ist/sind, zur Durchführung einer Absolut- und/oder Differenzmessung ausgebildet ist/sind.Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor system (s) which is / are designed for eddy current detection is / are designed to carry out an absolute and / or differential measurement.
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