DE3421176A1

DE3421176A1 - Vorrichtung zum akustischen nachweis von gasblasen in fluessigkeiten wie blut oder infusionsloesungen

Info

Publication number: DE3421176A1
Application number: DE19843421176
Authority: DE
Inventors: Horst-Artur Prof. Dr.-Ing. 5860 Iserlohn Crostack; Erich Dipl.-Ing. 3406 Bovenden Knothe; Peter Dipl.-Ing. 3408 Duderstadt Kühne; Franz-Josef Dipl.-Ing. 3414 Hardegsen Melcher; Christian Dipl.-Ing. 3400 Göttingen Oldendorf
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1984-06-07
Filing date: 1984-06-07
Publication date: 1985-12-19
Also published as: DE3421176C2

Description

Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Nachweis von Gasblasen in Flüssigkeiten wie Blut oder Infusionslösungen mit einer zylindrischen Meßkammer, durch welche die Flüssigkeit strömt, mit einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger, die an der Wand der Meßkammer anliegen, und mit einer Auswerteelektronik zur Erzeugung eines Alarmsignals beim Vorhandensein von Gasblasen in der Flüssigkeit.
Vorrichtungen dieser Art dienen z.B. bei künstlichen Nieren dazu, das dem Patienten wieder zugeführte Blut auf Gasblasenfreiheit zu überwachen. Eine Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise aus der DE-AS 22 40 342 bekannt. Dort sind Ultraschallsender und Ultraschallempfänger an gegenüberliegenden Seiten der Meßkammer angeordnet und es wird die Schwächung der Ultraschallwelle in der Meßkammer beim Vorhandensein von Luftblasen zu deren Nachweis ausgenutzt. Nachteilig an dieser bekannten Vorrichtung ist, daß eine Änderung der akustischen Kopplung zwischen Ultraschallsender bzw. Ultraschallempfänger und der Meßkammer ebenfalls zu einer Änderung des vom Ultraschallempfänger abgegebenen Signals führt und nicht von der Änderung der Schallabsorption innerhalb der Meßkammer - verursacht durch Luftblasen - unterschieden werden kann. Dadurch ist die Nachweisempfindlichkeit und Zuverlässigkeit dieser bekannten Vorrichtung schlecht.
Aufgabe der Erfindung war es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine hohe Nachweisempfindlichkeit besitzt und unempfindlicher gegen Änderungen der akustischen Kopplung zwischen Ultraschallsender bzw. Ultraschallempfänger und der Meßkammer ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß die an Gasblasen reflektierte Ultraschallwelle zu deren Nachweis herangezogen wird, daß der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger an der Wand der Meßkammer so angeordnet sind, daß ihre Achsen einen Winkel von 60...80' miteinander bilden, so daß die an der Rückwand der Meßkammer reflektierte Ultraschallwelle des Ultraschallsenders den Ultraschallempfänger erreicht und daß in der Auswerteelektronik die Amplitude dieses Rückwandechos als Referenzsignal benutzt wird.
Bereits die Ausnutzung der reflektierten Ultraschallwelle statt der durchgehenden Ultraschallwelle zum Nachweis der Gasblasen ergibt eine geringere Abhängigkeit von Schwankungen der akustischen Ankopplung: Verschlechtert sich beispielsweise die Kopplung zwischen Ultraschallsender und Meßkammer soweit, daß nur noch 90 % der ursprünglichen Ultraschallamplitude in die Meßkammer gelangt, so sinkt auch das Ausgangssignal der durchgehenden Ultraschallwelle auf 90 °b des ursprünglichen Wertes und täuscht eine gar nicht vorhandene Luftblasenkonzentration vor. Wird dagegen die reflektierte Ultraschallwelle ausgenutzt, so ändert sich das Signal bei Gasblasenfreiheit (= keine Reflektion an Gasblasen) gar nicht und auch das Signal bei Anwesenheit von Gasblasen sinkt nur um 10 % wegen der um 10 % geringeren Ultraschallanregungsamplitude.
Weiter kann durch die Anordnung von Ultraschallsender und Ultraschallempfänger unter 60...80' - vorzugsweise unter 70' - zueinander das Echo von der Rückwand der Meßzelle den Empfänger erreichen, so daß Änderungen der akustischen Kopplung an der Amplitude dieses Echosignals erkannt werden können. Wird die Amplitude dieses Rückwandechos als Referenzsignal benutzt - die Amplitude eines Luftblasenechos also ins Verhältnis gesetzt zur Amplitude des Rückwandechos - so heben sich Änderungen der akustischen Kopplung vollständig heraus.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei dient die Formgebung nach Anspruch 3 einer guten Kopplung zwischen Ultraschallsender bzw. Ultraschallempfänger und der Meßkammer.
Die Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 4 bis 8 dienen der Entkopplung von Ultraschallsender und Ultraschallempfänger gegeneinander und gegenüber dem Befestigungsteil. Die Ausgestaltung nach Anspruch 9 dient dazu, auch bei ganz leerer, falsch in das Befestigungsteil eingelegter oder fehlender Meßkammer das Alarmsignal auszulösen; gleichzeitig wird hierdurch eine Selbstüberwachung der Elektronik erreicht. Die Leuchtdiode nach Anspruch 11 dient als Einlegehilfe für die Meßkammer: Sobald die gefüllte Meßkammer richtig in das Befestigungsteil eingelegt ist, erhält die Auswerteelektronik das Rückwandecho und die Leuchtdiode erlischt. Die Ausgestaltung nach Anspruch 12 ergibt einen genügend kurzen Ultraschall impuls und einen genügend langen Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Ultraschall impulsen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigt: Fig. 1 schematisch die Anordnung von Ultraschallsender und Ultraschallempfänger an der Meßkammer zur Verdeutlichung des Meßprinzipes, Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung und Fig. 3 ein Blockschaltbild der Auswerteelektronik.
An der zylindrischen, flüssigkeitsgefüllten Meßkammer 1 in Fig. 1 liegt ein Ultraschallsender 2 und ein Ultraschallempfänger 3 an. Ihre strichpunktierten Achsen 21 und 31 schließen einen Winkel von etwa 70' ein. Der Ultraschallsender 2 erzeugt ein Ultraschallwellenfeld, das etwa durch die gestrichelten Linien 5 begrenzt ist und das durch Wellenfronten 4 angedeutet ist. Die Begrenzungslinien 5 stellen selbstverständlich keine scharfen Grenzen des Ultraschallwellenfeldes dar, die Ultraschallamplitude nimmt vielmehr kontinuierlich zur Seite hin ab. Trifft die Ultraschallwelle auf ein Hindernis, beispielsweise in Form einer Gasblase 8, so geht von diesem Hindernis eine neue Kugelwelle aus, deren Wellenfronten auch den Ultraschallempfänger 3 erreichen und dort ein elektrisches Signal erzeugen. Trifft die Ultraschallwelle 4 auf die Rückwand der Meßkammer 1, so wird sie dort reflektiert und ein Teil dieses Rückwandechos erreicht auch den Ultraschallempfänger 3. Die Empfindlichkeit des Ultraschallempfängers 3 nimmt entsprechend wie beim Ultraschallsender 2 zu den Seiten hin ab, in Fig. 1 ist daher eine seitliche Begrenzung seines Aufnahmebereiches durch gepunktete Linien 6 angedeutet. Damit wird ein Rückwandecho etwa aus dem Bereich 7 der Rückwand der Meßkammer 1 vom Ultraschallempfänger 3 empfangen. Der Winkel von etwa 70' zwischen den Achsen 21 und 31 des Ultraschallsenders 2 und des Ultraschallempfängers 3 hat sich dabei als Optimum herausgestellt: Er gewährleistet einerseits noch einen genügend großen Abstand zwischen Ultraschallsender 2 und Ultraschallempfänger 3, so daß das direkte akustische Übersprechen klein gehalten werden kann, andererseits ergibt sich ein genügend großer Bereich 7, aus dem das Rückwandecho aufgenommen wird, so daß dessen Amplitude genügend groß ist.
Da die an der Rückwand 7 der Meßkammer 1 reflektierte Ultraschallwelle den längsten möglichen Weg zurücklegen muß, erreicht das Rückwandecho eines kurzen Ultraschallimpulses den Ultraschallempfänger 3 am spätesten, nach allen evtl. Luftblasenechos. Luftblasenechos und Rückwandecho können also durch ihre verschiedene zeitliche Verzögerung gegenüber dem vom Ultraschallsender 2 abgestrahlten Ultraschallwellenimpuls getrennt werden. Um eine genügende zeitliche Auflösung zu erzielen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Ultraschallwellenimpuls etwa aus drei Ultraschallschwingungen besteht.
Gemäß dem Blockschaltbild in Fig. 3 wird durch den Sendeimpuls aus dem Hochfrequenzgenerator 9 eine Verzögerungsschaltung 11 gestartet, die nach einer kurzen Zeit - entsprechend der Mindestlaufzeit der Ultraschallwelle vom Ultraschallsender 2 über eine Luftblase zum Ultraschallempfänger 3 - den elektronischen Schalter 14 schließt und solange geschlossen hält, wie es der maximalen Laufzeit der Ultraschallwelle vom Ultraschallsender 2 über eine Luftblase zum Ultraschallempfänger 3 entspricht.
Kurz nach dem Öffnen des Schalters 14 schließt die Verzögerungsschaltung 11 den elektronischen Schalter 15 und hält ihn eine vorbestimmte Zeit - entsprechend der Länge des Rückwandechos - geschlossen. Ein Signal am Ultraschallempfänger 3 wird also nach Verstärkung durch den Verstärker 10 als Luftblasenecho oder als Rückwandecho identifiziert, je nachdem wie groß seine zeitliche Verzögerung gegenüber dem Sendeimpuls aus dem Hochfrequenzgenerator 9 ist. In einem Spitzenwertgleichrichter 16 bzw. 17 wird jeweils der Maximalwert des Empfängersignals während der Schließzeit des Schalters 14 bzw. 15 ermittelt und in der nachfolgenden Elektronik 18 und 19 ausgewertet. Der Grenzwertgeber 18 überwacht dabei, daß das Rückwandsignal einen vorgegebenen Mindestwert nicht unterschreitet; bei Unterschreiten wird am Alarmausgang 13 Alarm ausgelöst. Dadurch wird bei ganz leerer Meßkammer, bei fehlender Meßkammer, bei schlechter Kopplung zwischen Ultraschallsender 2 bzw. Ultraschallempfänger 3 und Meßkammer und bei Ausfall des Hochfrequenzgenerators oder eines der Bauelemente im Signalpfad Alarm ausgelöst. Dadurch ist eine Selbstüberwachung der Vorrichtung realisiert. Eine Leuchtdiode 12 in der Nähe der Meßkammer 1 signalisiert dem Benutzer beim Einlegen der Meßkammer, daß das Rückwandecho vorhanden ist und die Meßkammer also ordnungs- gemäß eingelegt ist. Im elektronischen Baustein 19 wird das Verhältnis aus dem Signal des Spitzenwertgleichrichters 16 (= Gasblasenecho) und dem Signal des Spitzenwertgleichrichters 17 (= Rückwandecho) gebildet. Dieses Verhältnis ist ein Maß für die Größe der Gasblase; überschreitet es einen vorgegebenen Wert, so wird ebenfalls über den Ausgang 13 Alarm ausgegeben.
Die in Fig. 1 nur schematisch gezeigte Meßvorrichtung ist in Fig. 3 detaillierter dargestellt. Im Schnitt erkennt man die Meßkammer 1, die sich weitgehend in einer senkrecht durchgehenden, etwa zylindrischen Aussparung im Befestigungsteil 40 befindet. Die Meßkammer 1 wird durch einen Bügel 42 gehalten, der mittels eines Scharnieres 41 drehbar am Befestigungsteil 40 befestigt ist und im geschlossenen Zustand durch einen Mechanismus 43 gehalten wird. Im Befestigungsteil 40 sind weiter der Ultraschallsender 2 und der Ultraschallempfänger 3 befestigt. Dabei ist die eigentliche Sende- bzw. Empfangsscheibe 2 bzw. 3 aus Piezokeramik zunächst in eine Messinghülse 26 bzw. 36 geklebt, die wiederum vom Befestigungsteil 40 durch eine Zwischenlage 25 bzw. 35 aus Silikonkautschuk getrennt ist. Dies sorgt für eine gute akustische Entkopplung zwischen Sende- bzw. Empfangsscheibe und dem Befestigungsteil 40. Der Ultraschallsender 2 ist in einer Ausführungsform gezeigt, bei der die Messinghülse 26 in ihrem vorderen, der Meßkammer 1 zugewandten Bereich in einem Koppel stück 27 mit einer Hohlkehle ausläuft. Die Krümmung der Hohlkehle ist dabei an den Durchmesser der Meßkammer 1 angepaßt. Dadurch wird eine besonders enge Kopplung über die ganze Sendefläche erreicht. Der Empfänger 3 ist mit einer einfachen Messinghülse 36 mit ebener Oberfläche gezeichnet, eine Ausführungsform, die bei guter Anschmiegsamkeit der Meßkammer 1 meist ausreicht. Die Messinghülsen 26 bzw. 36 stützen sich über Schraubenfedern 23 bzw. 33 an hinteren Befestigunsscheiben 24 bzw. 34 ab, die wiederum durch einen gemeinsamen Bügel 44 gehalten werden. Dadurch sind Ultraschallsender 2 und Ultraschallempfänger 3 in Richtung ihrer Achsen beweglich und liegen federnd an der Wand der Meßkammer 1 an. Bei der Ausführungsform der Messinghülse 26 mit gewölbtem Koppel stück 27 ist dabei eine Verdrehsicherung in Form eines Stiftes 28 vorgesehen, der in eine Nut im Befestigungsteil 40 eingeklemmt ist und in eine entsprechende Aussparung in der Zwischenlage 25 hineinragt.
Ultraschallsender 2 und Ultraschallempfänger 3 sind so angeordnet, daß ihre Achsen 21 und 31 sich nicht im Mittelpunkt 45 der Meßkammer 1 schneiden sondern näher am Bügel 42. Dadurch sind Ultraschallsender 2 und Ultraschallempfänger 3 weiter voneinander entfernt und die akustische Entkopplung ist besser. Demselben Zweck der akustischen Entkopplung dient eine Nut 46 zwischen Ultraschallsender 2 und Ultraschallempfänger 3.
Weiter ist in Fig. 3 die Leuchtdiode 12 erkennbar, die in einer Vertiefung 47 des Befestigungsteiles 40 sitzt. Falls nach dem Einlegen der gefüllten Meßkammer 1 und Schließen des Bügels 42 die Leuchtdiode 12 weiterhin leuchtet, erkennt die Bedienungsperson, daß die Meßkammer 1 nicht ordnungsgemäß eingelegt wurde und kann den Fehler beheben. (Bei der gezeichneten Anordnung der Leuchtdiode ist vorausgesetzt, daß der Bügel 42 durchsichtig ist, beispielsweise also aus Plexiglas besteht).
Das Befestigungsteil 40 ist mit einer Rückwand 48 versehen und wird in beliebiger Weise mit den restlichen Funktionsteilen wie Pumpen, Abschaltvorrichtungen etc. beispielsweise einer künstlichen Niere verbunden. Dies ist in den Zeichnungen nicht dargestellt, aa es bekannt und für die Erfindung unwesentlich ist. Ebenso sind die Einzelheiten der Elektronik 9...19 nicht dargestellt und erläutert, da sie zum Allgemeinwissen eines jeden elektronischen Fachmanns gehören.

Claims

Vorrichtung zum akustischen Nachweis von Gasblasen in Flüssigkeiten wie Blut oder Infusionslösungen Ansprüche: 1. Vorrichtung zum akustischen Nachweis von Gasblasen in Flüssigkeiten wie Blut oder Infusionslösungen mit einer zylinderförmigen Meßkammer, durch welche die Flüssigkeit strömt, mit einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger, die an der Wand der Meßkammer anliegen, und mit einer Auswerteelektronik zur Erzeugung eines Alarmsignals beim Vorhandensein von Gasblasen in der Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die an Gasblasen reflektierte Ultraschallwelle zu deren Nachweis herangezogen wird, daß der Ultraschallsender (2) und der Ultraschallempfänger (3) an der Wand der Meßkammer (1) so angeordnet sind, daß ihre Achsen (21 und 31) einen Winkel von 60...80- miteinander bilden, so daß die an der Rückwand der Meßkammer (1) reflektierte Ultraschallwelle des Ultraschallsenders (2) den Ultraschallempfänger (3) erreicht und daß in der Auswerteelektronik (9...19) die Amplitude dieses Rückwandechos als Referenzsignal benutzt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (2) und der Ultraschallempfänger (3) an der Wand der Meßkammer (1) so angeordnet sind, daß ihre Achsen (21 und 31) einen Winkel von 70' bilden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (2) und/oder der Ultraschallempfänger (3) über ein Koppel stück (27) an die zylindrische Meßkammer (1) angekoppelt ist, wobei das Koppel stück (27) auf seiner der Meßkammer (1) zugewandten Seite eine Hohlkehle aufweist, deren Krümmungsradius etwa gleich dem Durchmesser der Meßkammer (1) ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsteil (40), das den Ultraschallsender (2) und den Ultraschallempfänger (3) trägt, eine Nut (46) aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (2) und der Ultraschallempfänger (3) so angeordnet sind, daß der Schnittpunkt ihrer Achsen (21 und 31) nicht auf der Mittelachse (45) der Meßkammer (1) liegt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (2) und/ oder der Ultraschallempfänger (3) gegenüber dem Befestigungsteil (40) durch eine Kunststoffzwischenschicht (25,35) akustisch isoliert ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffzwischenschicht (25,35) aus Silikonkautschuk besteht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (2) und/ oder der Ultraschallempfänger (3) radial zur Meßkammer (1) verschiebbar angebracht ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteelektronik (9...19) ein Grenzwertgeber (18) vorhanden ist, der ein Alarmsignal erzeugt, wenn der Ultraschallempfänger (3) ein zu kleines Rückwandecho erhält.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteelektronik (9...19) eine Schaltung (19) vorhanden ist, die die Amplitude des Ultraschallechos einer Luftblase mit der Amplitude des Rückwandechos ins Verhältnis setzt, und daß ein Alarmsignal erzeugt wird, wenn dieses Verhältnis einen vorgegebenen Wert überschreitet.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Alarmsignal auch durch eine Leuchtdiode (12) am Befestigungsteil (40) angezeigt wird.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochfrequenzgenerator (9) vorhanden ist, der den Ultraschallsender (2) etwa alle 10 ms kurzzeitig mit einem Hochfrequenzsignal anregt, so daß der Ultraschallsender (2) ungefähr 3 Schwingungen ausführt.