DE60113292T2

DE60113292T2 - Verfahren und vorrichtung zur messung von tropfengrösse in einer tropfenkammer für ein infusionsgerät

Info

Publication number: DE60113292T2
Application number: DE60113292T
Authority: DE
Inventors: Houston Brown; C. Wiliam BARNES
Original assignee: Alaris Medical Systems Inc
Current assignee: CareFusion 303 Inc
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2021-11-21
Also published as: DE60113292D1; AU2002233925B2; WO2002040084A3; ATE303830T1; HK1055263A1; CA2429409A1; AU3392502A; WO2002040084A2; JP4405147B2; US6562012B1; EP1335765B1; CA2429409C; JP2004513710A; EP1335765A2

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Flüssigkeitsvolumens und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren, die das Volumen eines durch den freien Raum fallenden Flüssigkeitstropfens bestimmen.
Herkömmlicherweise wird in einer Vorrichtung für intravenöse (nachfolgend "IV") Infusion eine wässerige Lösung eines Medikaments in einer umgedrehten Flasche oder einer anderen Art von Flüssigkeitsbehälter über ein Flüssigkeitszuführset einem Patienten zugeführt, das einen Schlauch, eine Kanüle zum Einführen in die Blutgefäße eines Patienten, zahlreiche Flüssigkeitssteuereinrichtungen, wie zum Beispiel Klemmen, injektionsseitig und am stromaufwärtigen Ende eine Tropfkammereinrichtung umfaßt. Die Tropfkammereinrichtung enthält einen Tropfenbildner an ihrem stromaufwärtigen Ende, eine transparente Kammer, durch die Tropfen fallen sollen, und eine Auslaßöffnung an ihrem stromabwärtigen Ende. Der Tropfenbildnerabschnitt ist typischerweise derart konstruiert, daß er Tropfen mit einem vorab festgelegten Volumen bildet. Es ist typisch, daß Tropfenkammerhersteller angeben, daß eine bestimmte Anzahl von Tropfen einem bestimmten Flüssigkeitsvolumen entspricht. Zum Beispiel kann ein Tropfenbildner derart konstruiert sein, daß 20 Tropfen einem Milliliter entsprechen. Wenn die Flüssigkeit vom Flüssigkeitsbehälter zur Tropfenkammer zugeführt wird, erzeugt der Tropfenbildner Tropfen aus der Flüssigkeit, die durch die transparente Kammer zur Auslaßöffnung fallen. Eben diese Existenz von Tropfen zeigt an, daß Flüssigkeit in dem Flüssigkeitszuführsystem fließt. Die fallenden Tropfen können in der transparenten Kammer optisch beobachtet und über eine Zeiteinheit gezählt werden, um die Durchflußmenge zu berechnen. Die Durchflußmenge kann durch eine Klemme oder andere Einrichtung stromaufwärts von der Tropikammereinrichtung oder durch ein stromabwärtiges Mittel, wie zum Beispiel eine Infusionspumpe, eingestellt werden. Wenn eine Infusionspumpe verwendet wird, wird sie das Zuführset stromabwärts von der Tropfkammereinrichtung eingreifen und kann sie verwendet werden, um eine Durchflußmenge festzulegen. Die Frequenz von Tropfen durch die Tropfkammer wird dann von der an der Infusionspumpe eingestellten Durchflußmenge abhängen.
Es besteht Bedarf an einem zuverlässigen System, das die Durchflußmenge eines Infusionsmedikaments durch ein Flüssigkeitszuführset genauer messen kann. Typischerweise wird eine Behandlungsflüssigkeit bei einer bestimmten Durchflußmenge für einen Patienten verordnet. Es ist erwünscht, bei der Durchlußmenge zu bleiben, so daß die verordnete Behandlung erbracht wird. In dem Fall, in dem eine transparente Tropfkammer verwendet wird, kann ein stromaufwärtiges Ventil oder eine stromaufwärtige Klemme derart eingestellt werden, daß sie die Durchflußmenge steuert. Tropfen werden in der Tropfkammer beobachtet und in dem Bestreben zu überwachen, daß die verordnete Durchflußmenge eingestellt worden ist, gezählt. Es gibt jedoch viele Faktoren, die dazu neigen, daß sie eine Änderung der Durchflußmenge verursachen, nachdem sie zu Beginn eingestellt worden ist. Zum Beispiel hängt die Geschwindigkeit der Tropfenbildung von der Kopfhöhe/dem Kopfdruck des Flüssigkeitsbehälters ab. Leeren der Flüssigkeitsversorgung wird den Kopfdruck auf den Tropfenbildner senken und wird eine Minderung der Tropfenbildungsrate und Durchflußmenge verursachen. Schwingung oder Erschütterung kann verursachen, daß die Durchflußsteuerklemme ihre Einstellung ändert. Ein Hindernis kann seinen Weg in den Tropfenbildner finden, wodurch die Bildung von kleineren Tropfen und somit eine Änderung der Flüssigkeitsdurchflußmenge verursacht wird. Ungleichmäßiges Pumpen von einer stromabwärtigen Infusionspumpe kann auch Abweichungen in der Frequenz und Gestalt der Tropfen verursachen. Es wäre hilfreich, es relativ leicht bekannt zu machen, wenn eine Änderung der Durchflußmenge eingetreten ist, so daß eine Wiederherstellung der gewünschten Durchflußmenge bewirkt werden kann.
Als ein weiterer Gesichtspunkt wird die Durchflußmenge typischerweise durch Zählen der Anzahl von Tropfen pro Einheitszeit ermittelt und danach eine Berechnung durchgeführt, um die tatsächliche Durchflußmenge zu bestimmen. Wenn zum Beispiel vierzig Tropfen in einer Zeitdauer von einer Minute gezählt werden und die Ausführung der Tropfkammer so ist, daß zwanzig Tropfen einem Milliliter entsprechen, dann ergibt die Berechnung, daß eine Durchflußmenge von zwei Millilitern pro Minute vorliegt. Sollte das tatsächliche Volumen eines Tropfens von demjenigen abweichen, das für die bestimmte Tropfkammereinrichtung angegeben ist, kann die tatsächliche Flüssigkeitsdurchflußmenge zum Patienten von der berechneten abweichen. Dies würde in ähnlicher Weise unerwünscht sein, da der Patient nicht die verordnete Flüssigkeitsdurchflußmenge erhalten würde.
Überwachen der Durchflußmenge durch optische Beobachtung von Tropfen, wie dies oben beschrieben ist, verlangt gewöhnlich persönliche Überwachung der Infusion durch eine Krankenschwester oder anderes medizinisches Personal. Infusionen erstrecken sich typischerweise über eine lange Zeitdauer und dieser Bedarf an Überwachung stellt somit ein beträchtliches Problem für das Krankenhauspersonal dar, speziell wenn Krankenschwestern knapp sind. Der Bedarf über mehrere Minuten zu messen, um die Durchflußmenge zu ermitteln, kann einen wesentlichen Teil der Zeit einer Krankenschwester einnehmen, wodurch weniger Zeit zur Durchführung von anderen Aufgaben bleibt. Die Notwendigkeit, mehrere Male während einer langen Infusion zurückzukehren, um erneut Tropfen zu zählen, führt auch zu einem erhöhten Bedarf an Krankenschwestern, deren Zeitpläne bereits typischerweise sehr voll sind.
In der Vergangenheit sind Lösungen zur Automatisierung des Überwachungsprozesses bereitgestellt worden. Viele Versuche sind unternommen worden, einen automatischen Tropfenzähler bereitzustellen, Während sich genannte Systeme als nützlich erwiesen haben, zeigen sie nicht durch direkte Messung das tatsächliche Volumen der detektierten Flüssigkeit an. Sie zeigen nur an, daß ein Tropfen detektiert worden ist. Genannte automatische Systeme verwenden dann das Tropfenvolumen, wie es vom Hersteller der Tropfkammer angegeben ist, um das Volumen zu bestimmen. Wie oben beschrieben, ist dies nicht immer genau.
Eine frühere Lösung ist optischer Art und enthält eine Anordnung von Fotodetektoren, die zur Bestimmung der Größe des Schattens eines Tropfens, wenn er vor dem Detektor passiert, verwendet wird. Die Schwankungen der optischen Qualitäten von Tropfkammern haben jedoch ein schwieriges zu überwindendes Hindernis dargestellt. Außerdem kann Kondensation in der Tropfkammer die Genauigkeit eines optischen Systems, so wie intensives Raumlicht stören. Eine weitere Umgebungsbedingung, die die Nützlichkeit von optischen Systemen beeinträchtigt hat, stellt die Schiefstellung der Tropfkammer dar, die so ernsthaft ist, daß die Tropfen nur teilweise den Fotodetektor kreuzen. Ferner variiert die Gestalt von Tropfen von Tropfen zu Tropfen. Diejenigen Techniken, die nur eine oder zwei lineare Abmessung(en) eines Tropfens messen, um sein Volumen zu bestimmen, können aufgrund dieser Änderung der Tropfengestalt eine Genauigkeit aufweisen, die geringer als erwünscht ist. Man hat bemerkt, daß ein System, das nur eine lineare Abmessung eines Tropfens, wie zum Beispiel nur die Länge, mißt, um das Tropfenvolumen zu bestimmen, das Volumen des Tropfens um dreißig Prozent oder mehr falsch berechnen kann. Weitere optische Verfahren sind aufgrund von einem oder mehreren der obengenannten Gründe weniger genau, als dies erwünscht ist.
Ein weiteres Verfahren, das in U.S. 4,583,975 von Pekkarinen et al. beschrieben ist, basiert auf dem piezoelektrischen Effekt. Dieses System enthält einen an der Innenwand einer Tropfkammer unter der Oberfläche von angesammelter Flüssigkeit in der Kammer montierten piezoelektrischen Film. Wenn ein Tropfen auf die Oberfläche der angesammelten Flüssigkeit trifft, wird das piezoelektrische Element beansprucht und wird ein Spannungsdifferenzsignal erzeugt. Das Verfahren umfaßt den direkten Kontakt eines elektrischen Elements einer elektrischen Schaltung mit der angesammelten Flüssigkeit in einer Tropfkammer; Flüssigkeit, die mit einem Patienten während einer Infusion in direktem Kontakt sein kann, wodurch dies aus vielen Gründen zu einer unerwünschten Lösung wird.
Eine weitere Technik verwendet kapazitätsbasierte Sensoren zur näherungsweisen Bestimmung der Durchflußmenge in einer Tropfkammer. Diese Verfahren werden jedoch nur verwendet, um das Vorhandensein eines Tropfens zu detektieren. Sie ermöglichen die Bestimmung der Frequenz der Tropfen und stützen sich auf das vom Hersteller angegebene Tropfenvolumen und ein angenommenes konstantes Tropfenvolumen zur Berechnung der Durchflußmenge. Sie führen keine Messungen durch, die ausreichen, um zu ermöglichen, daß das tatsächliche Volumen eines Tropfens selbst bestimmt wird. Weitere Beispiele von im Stand der Technik, wie zum Beispiel US4237878 , ermittelten kapzitätsbasierten Sensoren führen Messungen durch, die eine Bestimmung des Füllstands der angesammelten Flüssigkeit in einer Tropfkammer ermöglichen, anhand dessen Durchflußmengen bestimmt werden können, aber führen keine Messungen durch, anhand derer das tatsächliche Volumen eines Tropfens selbst bestimmt werden kann. "Medical flow measurement with drop counters methods for improving accuracy" (IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, IEEE Inc. New York, Band 16, Nr. 1, 1997, Seiten 72–76) beschreibt die Verwendung von Kapazität zur Messung eines Tropfenvolumens.
Obwohl erhöhte Genauigkeit bei der Messung von Durchflußmengen erwünscht ist, sind die Kosten immer von Bedeutung. Die Fähigkeit, bessere Gesundheitsvorsorge für eine zunehmende Anzahl von Leuten verfügbar zu machen, verlangt, daß die Kosten so niedrig wie möglich gehalten werden. Es ist erwünscht, die Kosten von medizinischen Geräten so zu senken, daß sie für eine größere Anzahl von Menschen bezahlbar sind.
Demzufolge haben Fachleuten einen Bedarf an einer Vorrichtung zur Messung der Flüssigkeitsdurchflußmenge, die genauer ist, erkannt. Es ist auch ein Bedarf an einem Durchflußmeßsystem erkannt worden, das gegen die Gestalt von Tropfen unempfindlich ist und auch gegen die optischen Eigenschaften von diesen Tropfen unempfindlich ist. Es ist auch ein Bedarf erkannt worden, das Volumen von Tropfen in einer Tropfkammer so zu bestimmen, daß eine Ist-Durchflußmenge genauer überwacht werden kann. Es besteht auch ein Bedarf an einer derartigen Durchflußmeßvorrichtung, die leichter herzustellen und leichter zu verwenden ist. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese und weitere Bedürfnisse.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Kurz und in allgemeinen Worten gesagt, ist die vorliegende Erfindung auf einen kapazitivbasierten Sensor zur Messung des Volumens eines Flüssigkeitstropfens gerichtet, der durch eine IV-Tropfkammer tritt. Der Sensor enthält einen Kondensator mit zwei parallelen Platten, die in einer festen Entfernung voneinander beabstandet sind und auf jeder Seite einer Tropfkammer positioniert sind. Die Platten sind derart positioniert, daß ein Flüssigkeitstropfen durch den Raum zwischen den Platten hindurchtritt, wodurch bewirkt wird, daß sich die von den Platten gebildete Kapazität ändert. Diese Änderung der Kapazität wird gemessen und auf der Grundlage der gemessenen Änderung der Kapazität wird das Volumen des Tropfens genauer berechnet.
In einem Aspekt wird die Änderung der Kapazität durch Einbauen der parallelen Platten in einen Schwingkreis mit einer von der Kapazität der parallelen Platten abhängigen Resonanzfrequenz gemessen. Jede Änderung der Resonanzfrequenz des Kreises, die durch eine Änderung der Kapazität der parallelen Platten hervorgerufen würde, wird detektiert und gemessen. Die Kapazitätsänderung wird anhand der Frequenzänderung im Schwingkreis bestimmt. In einem weiteren Aspekt gemäß der Erfindung können die parallelen Platten Teil einer kapazitiven symmetrischen Brücke sein, die eine Änderung der Kapazität wahrnimmt, wenn ein Flüssigkeitstropfen zwischen die Platten fällt.
In beiden oben beschriebenen Aspekten wird die Änderung der Kapazität der Platten, die sich anhand eines zwischen sie fallenden Tropfens ergibt, zur Berechnung des Volumens des Tropfens verwendet. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung weist den Vorteil auf, daß das Volumen jedes Tropfens direkt gemessen wird, wodurch der Nachteil beseitigt wird, daß man eine Tropfengröße oder -gestalt voraussetzen muß. Außerdem haben die optischen Qualitäten der Tropfkammer keinen Einfluß auf die Bestimmung des Tropfenvolumens, wodurch somit ein störender Aspekt der Verfahren im Stand der Technik beseitigt wird, die sich auf optische Verfahren zur Berechnung der Tropfengröße stützen.
Gemäß einem weiteren Aspekt enthält die vorliegende Erfindung eine elektronische Schaltung, die das gemessene Volumen jedes Tropfens einer Reihe von Tropfen, die durch eine IV-Tropfkammer fallen, über eine Zeitdauer aufzeichnet und das Ergebnis integriert, wodurch eine Messung der Flüssigkeitsdurchflußmenge durch die Tropfkammer ermöglicht wird. Gemäß einem weiteren Aspekt enthält die vorliegende Erfindung eine elektronische Schaltung, die der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht, die Ist-Durchflußmenge durch die Tropfkammer, auf der Grundlage der gemessenen Durchflußmenge, einzustellen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellen, ersichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht eine Vorrichtung zur Steuerung der Flüssigkeitsströmung zu einem Patienten gemäß Aspekten der Erfindung und genauer gesagt zeigt eine herkömmliche Tropfkammer mit der Vorrichtung und elektronischen Schaltung, die zur Messung des Volumens eines in der Tropfkammer fallenden Tropfens gemäß spezielleren Aspekten der Erfindung verwendet werden;
2 veranschaulicht die elektronische Schaltung von 1 im Detail.
3 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform eines Schwingkreises, der eine Resonanzfrequenz aufweist und kapazitive Platten enthält, die, wie in 1 gezeigt, um die Tropfkammer angeordnet sind, worin der Schwingkreis so gezeigt ist, daß er mit einem Phasenregelkreis verbunden ist, mit dem die Resonanzfrequenz des Schwingkreises verglichen werden kann.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nunmehr auf die Zeichnungen im Detail bezugnehmend, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche oder ähnliche Elemente in den verschiedenen Ansichten kennzeichnen, zeigt 1 ein System 10 zur Messung der Tropfengröße in einer intravenösen Tropfkammer 12. Es ist auch das Meßsystem 10 gezeigt, das einen Teil eines Durchflußsteuersystems 14 bildet, wo der Durchfluß gemäß dem Meßsystem 10 eingestellt wird. Das Meßsystem 10 in 1 umfaßt einen an der Tropfkammer 12 montierten Sensor 16 und eine Meßschaltung 18, die das Volumen eines Tropfens in einer Ausführungsform und eine Durchflußmenge in einer anderen Ausführungsform bestimmt.
In dem Durchflußsteuersystem 14 ist das Meßsystem 10 gemeinsam mit einer Durchflußsteuereinrichtung 20, wie zum Beispiel einer peristaltischen Infusionspumpe, enthalten. Die Ausgabe des Meßsystems 10 wird vom Durchflußsteuersystem 14 zur Steuerung der stromabwärtigen Durchflußsteuereinrichtung 20 und zum Erzielen einer programmierten Durchflußmenge verwendet. Am stromaufwärtigen Ende ist ein Behälter mit medizinischer Flüssigkeit, der in diesem Fall ein Beutel 24 ist, derart positioniert, daß medizinische Flüssigkeit über eine Leitung 26 in die Tropfkammer 12 geleitet wird. Zwischen dem Beutel 24 und der Tropfkammer 12 in dieser Ausführungsform ist eine stromaufwärtige Durchflußsteuereinrichtung 22 positioniert. In einer Ausführungsform kann eine stromaufwärtige Durchflußsteuereinrichtung 22 eine elektrisch gesteuerte Klemme umfassen. Eine stromaufwärtige Durchflußsteuereinrichtung 22 kann anstelle der oder zusätzlich zur stromabwärtigen Durchflußsteuereinrichtung 20 verwendet werden. Die Ausgabe des Meßsystems 10 kann auch vom Durchflußsteuersystem 14 verwendet werden, um eine programmierte Durchflußmenge zu erzielen. Im typischen Fall würde jedoch nur eine stromabwärtige Durchflußsteuereinrichtung 20 verwendet werden.
Nachdem das Medikament durch die stromaufwärtige Durchflußsteuereinrichtung 22 gegangen ist, strömt es in die Tropfkammer 12, wo ein integraler Tropfenbildner am stromaufwärtigen Ende 28 Tropfen 30 aus dem Medikament bildet, deren Fallweg innerhalb eines transparenten Gehäuses 32 der Tropfkammer liegt. Die Flüssigkeitstropfen sammeln sich am stromabwärtigen Ende 34 der Tropfkammer 12, wo eine Auslaßöffnung 36 angeordnet ist. Aus der Auslaßöffnung strömt Fluid stromabwärts durch eine Leitung 38, durch eine stromabwärtige Durchflußsteuereinrichtung 20, wie zum Beispiel eine großvolumige Infusionspumpe, und durch eine Kanüle 40 in die Gefäßanordnung eines Patienten.
Der Sensor 16 in dieser Ausführungsform enthält zwei parallele, elektrisch leitfähige Metallplatten 42, die in einem konstanten Abstand zueinander befestigt sind und die einen Kondensator bilden. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Platten außerhalb der Tropfkammer 12 in festen Positionen relativ zur Tropfkammer installiert, während in einer anderen Ausführungsform die Platten in die Wand der Tropfkammer eingebaut werden können.
In der Ausführungsform von 1 besteht eine Aufgabe des von den zwei Platten 42 gebildeten Kondensators darin, das Volumen eines Tropfens 30 zu messen, die Tropfen pro Einheitszeit zu zählen und eine Durchflußmenge genau zu bestimmen, wie dies unten ausführlicher erörtert wird. Die Größe und Gestalt der Platten 42 kann in Abhängigkeit von der Anwendung variieren. In einer Ausführungsform sind die Platten 42 bogenförmig und erstrecken sie sich entlang eines bestimmten Bogens um die Tropfkammer 12.
Vorzugsweise wird das gesamte transparente Gehäuse 32 der Tropfkammer 12 nicht verdunkelt, sondern ein transparenter Abschnitt 32 desselben beibehalten, so daß das Pflegepersonal weiterhin eine optische Überprüfung des Vorliegens von Tropfen vornehmen kann. Die Höhe der Platten 42 ist in dieser Ausführungsform derart ausgewählt, daß sie länger als ein Tropfen ist, so daß ein ganzer Tropfen zwischen deren oberen und unteren Kanten passen wird, aber nicht lang genug ist, um zwei oder mehr Tropfen bei der höchsten Durchflußmenge zu umfassen. Außerdem sollten die Platten 42 weit genug unter dem Tropfenbildner angeordnet werden, so daß der Tropfen vom Tropfenbildner vollständig gelöst ist, bevor er in das Gebiet zwischen den Platten 42 tritt. Die Platten sollten auch weit genug über der Flüssigkeitsansammlung am stromabwärtigen Ende der Tropfkammer 12 sein, so daß irgendwelche von den Tropfen erzeugte Spritzer nicht in das Gebiet zwischen den Platten eintreten werden.
Die in 1 gezeigte Meßschaltung 18 ist, wie unten ausführlicher erläutert, derart konfiguriert, daß sie Messungen durchführt, die eine Berechnung des Volumens eines zwischen die Platten 42 fallenden Flüssigkeitstropfens ermöglichen. In dieser Ausführungsform wird sogar eine kleine Kugel aus Flüssigkeit, die von einem Tropfenbildner herabfällt, eine merkbare Änderung der Kapazität des von den Platten 42 gebildeten Kondensators bewirken. Genauer gesagt wird ein Flüssigkeitstropfen, der zwischen den zwei elektrisch geladenen parallelen Platten, die in einem festen Abstand, d, voneinander angeordnet und durch Luft getrennt sind, um einen Kondensator zu bilden, eingeleitet wird, bewirken, daß die Kapazität der Platten einer Änderung, δC, unterliegt, die näherungsweise direkt proportional zum Volumen, Φ, des Flüssigkeitstropfens gemäß dem Ausdruck ist
wobei ε₀ die Dielektrizitätskonstante des freien Raumes darstellt. In der hierin verwendeten Form bedeutet das Symbol "≈" näherungsweise Gleichheit. Da der Raum "d" zwischen den Platten 42 fest ist, ε₀ bekannt ist und δC und Φ die einzigen Variablen sind, kann das Volumen eines Flüssigkeitstropfens, Φ, berechnet werden, wenn die Änderung der Kapazität δC gemessen wird. Die Messung und Signalverarbeitung, um die in Gleichung Nr. 1 ausgedrückte Beziehung verwenden zu können, ist unten ausführlicher erörtert.
2 veranschaulicht zahlreiche Aspekte einer Ausführungsform einer Meßschaltung 18, die das Volumen eines zwischen den parallelen Platten 42 fallenden Tropfens bestimmt. In einem Aspekt enthält die Schaltung 18 einen Schwingkreis 44, der einen spannungsgesteuerten Oszillator umfaßt, der mit den parallelen Platten 42 verbunden ist. Der Schwingkreis 44 ist derart konfiguriert, daß er eine Resonanzfrequenz aufweist, die von der Kapazität der parallelen Platten 42 abhängt und dadurch geändert werden kann. In einem Anfangszustand – das heißt, in einem Zustand ohne irgendeinen Tropfen zwischen den Platten – ist die Kapazität der parallelen Platten C₀ und ist die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 44 f₀. Da der Kondensator als ein Teil des Schwingkreises ausgebildet ist, führt jede Änderung, δC, der Kapazität zu einer proportionalen Änderung, δf, der Resonanzfrequenz. Diese resultierende Änderung der Frequenz des Schwingkreises 44 kann gemessen werden, indem seine Frequenz mit der festen Frequenz eines Phasenregelkreises 46 verglichen wird, der derart abgestimmt ist, daß er dieselbe Frequenz, f₀, aufweist, die der Schwingkreis 44 in seinem Anfangszustand aufweist. Die gemessene Frequenzänderung, δf, im Schwingkreis 44 kann dann in eine Spannung umgewandelt werden, die in einer Auswerteschaltung 48 gemessen werden kann. Die Auswerteschaltung 48 ist derart konfiguriert, daß sie die Spannungsinformation bezüglich der Frequenzänderung δf im Schwingkreis in die entsprechende Kapazitätsänderung, δC, der Platten gemäß der bekannten mathematisch beschriebenen Beziehung
umwandelt. Die in Gleichung Nr. 2 ausgedrückte Beziehung wird unten umfassender demonstriert.
Die Auswerteschaltung 48 ist ferner konfiguriert, um die resultierende Information bezüglich der Kapazitätsänderung, δC, der Platten 42 in das Volumen des Flüssigkeitstropfens, der die Frequenzänderung des Schwingkreises verursachte, gemäß der in Gleichung Nr. 1 ausgedrückten Beziehung umzuwandeln. Auswerteschaltungen, die Information in Form von Frequenzänderung in eine Spannung umwandeln, sind auf dem Gebiet bekannt und werden hier nicht weiter beschrieben.
In einem weiteren Aspekt der in 2 gezeigten Ausführungsform kann die Auswerteschaltung 48 ihre Information zu einer Integrationsschaltung 50 leiten, in der das Volumen aller Tropfen, die innerhalb einer bestimmten Periode gefallen sind, aufgezeichnet und integriert wird, wodurch so die Flüssigkeitsdurchflußmenge in der Tropfkammer 12 hergeleitet wird. In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die von der Integrationsschaltung 50 bestimmte Durchflußmenge zu einer Durchflußeinstellschaltung 52 geleitet werden, die die Flüssigkeitsdurchflußmenge in der Tropfkammer 12 durch Änderung der Einstellungen der stromaufwärtigen oder stromabwärtigen Durchflußsteuereinrichtungen 22, 20 passend gemäß der gemessenen Durchflußmenge einstellen kann. Wenn zum Beispiel die gemessene Durchflußmenge größer als die gewünschte ist, kann die Durchflußeinstellschaltung 52 die Durchflußmenge entsprechend reduzieren, und wenn die Durchflußmenge geringer als die gewünschte ist, sie erhöhen. Die Betriebsweise von Integrations- und Strömungseinstellschaltungen ist auf dem Gebiet allgemein bekannt und wird hier nicht beschrieben.
3 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Schwingkreises 44, der mit einem Phasenregelkreis 46 (2) verbunden ist, die gemeinsam verwendet werden können, um die Änderung der Kapazität des von den parallelen Platten 42 gebildeten Kondensators zu messen. Die in 3 gezeigten Schaltungen veranschaulichen, wie die parallelen Platten 42 in einen Schwingkreis 44 eingebaut werden können, der von einem spannungsgesteuerten Oszillator (Voltage Controlled Oscillator "VCO") eingestellt ist. Die gemessene Frequenz des Schwingkreises 44 wird zu einem Phasenregelkreis 46 (2) geleitet, der seine eigene feste Frequenz mit derjenigen des Schwingkreises 44 vergleicht. Irgendeine Änderung der Frequenz des Schwingkreises, wie sie durch eine Änderung der Kapazität der parallelen Platten 42 verursacht werden kann, wird detektiert und gemessen, und in eine Spannung umgewandelt, die danach in eine Auswerteschaltung 48 (2) und eine Integrationsschaltung 50 (2), wie sie vorangehend beschrieben worden sind, gegeben werden kann.
Auf den Schwingkreis 44 (VCO) von 3 detaillierter bezugnehmend, besteht die Funktion des Kondensators C₁ darin, die an die C_2-VARICAP angelegte DC-Steuerspannung vom Oszillator zu trennen und ist er im Verhältnis zur Kapazität von C_2-VARICAP groß. Die frequenzbestimmenden Komponenten dieses Kreises sind die Induktivität L_RES, die C_FO, die Varicap, C₂, und die Kapazität zwischen den Platten 42. Die C_2-VARICAP ist ein spannungsgesteuerter Kondensator und in Sperrrichtung vorgespannt. Wenn die positive Spannung erhöht wird, wird die Kapazität reduziert. Wenn ein Tropfen zwischen die Platten 42 tritt, wird somit die Steuerspannung V_KVCO proportional zur erhöhten Kapazität zwischen den Platten 44 erhöht, um zu bewirken, daß die Gesamtkapazität konstant bleibt und somit die Ausgabefrequenz konstant bleibt. Das Reihennetz aus L₁ und R₄ dient dazu, die hohe Frequenz von der Steuerspannung V_KVCO zu isolieren. Kondensator C_FO dient als Rückkopplung vom Kollektor zum Emitter, um Oszillation des Kreises aufrechtzuerhalten. Kondensator C₄ paßt die Emitterausgabe an nachfolgende Schaltungen an. C₅ ist ein typischer Umgehungskondensator, um eine niedrige Impedanz an der oberen Seite von L_RES sicherzustellen. Widerstände R₁, R₂ und R₃ dienen als Vorspannung für den Transistor Q₁. Diode D₁ ist hinzugefügt, um für eine Temperaturkompensation beim Transistor Q₁ zu sorgen. Der Transistor Q₁ ist ein bipolarer Transistor mit Eigenschaften, die ermöglichen, daß er bei den gewünschten Frequenzen oszilliert.
Zusätzlich zum VCO wird ein Phasenregelkreis (Phase Locked Loop "PLL") mit einem Frequenzbezug verwendet, um eine konstante Ausgabefrequenz des VCO zu erzeugen. Jeder Versuch einer Abweichung der Phase des VCO wird zu einer Änderung von V_KVCO führen und den Kreis in Frequenzstabilität zurückbringen. Eine integrierte Schaltung PLL, die verwendet werden könnte, stellt die Motorola MC145151-2 dar. Die VCO-Ausgabe, F_OUT, wird von einem Fujitsu MB467 unterteilt, um die F_OUT auf einen Bereich zu reduzieren, der von der integrierten Schaltung PLL nutzbar ist.
Unter Bezugnahme auf den Phasenregelkreis des Kreises 46 legt der verwendete Frequenzstandard ein bekanntes Signal an, dessen Frequenz proportional zu einem Vielfachen der gewünschten VCO-Frequenz ist. Wenn die gewünschte VCO-Frequenz 120 MHz sein soll, dann würde ein Teiler von 12 eine Ausgabefrequenz von 10 MHz geben. Wenn der Frequenzstandard auch 10 MHz ist, dann wird der VCO auf den Standard in Frequenz und Phase aufschalten. Wenn etwas den Schwingkreis in dem VCO stört, wird die Steuerspannung verschoben werden, so daß der VCO auf der gewünschten Frequenz bleiben wird. Diese Steuerspannung oder Fehlerspannung kann als proportional zum Tropfenvolumen angesehen werden und ist die Ausgabe an die Auswerteschaltung 48.
Die Integrationsschaltung ist ein Analog-Digital (A-to-D)-Wandler, der die Fehlerspannung in eine digitale Zahl umwandelt, die in der Integrationsschaltung 50 integriert werden kann, um eine Durchflußeinstellschaltung 52 zu steuern, oder verwendet werden kann, um einfach einen Meßwert des Gesamtdurchflusses zur Kalibrierung von Zusatzgeräten zu geben.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Änderung der Kapazität der Platten 42, die durch einen zwischen sie fallenden Tropfen 30 verursacht wird, durch Verwendung einer symmetrischen Brückenschaltung anstelle des Schwingkreises 44 und des Phasenregelkreises 46 der vorangehenden Ausführungsform bestimmt werden. Jedoch besteht der Vorteil der Verwendung eines Schwingkreises in Kombination mit einem Phasenregelkreis, wie dies in der vorangehenden Ausführungsform beschrieben ist, darin, daß sie eine genauere Anzeige der Änderung der Kapazität der Platten, als sie mit einer symmetrischen Brückenschaltung erzielt werden kann, ermöglicht. Die Änderung der Kapazität, die durch einen Flüssigkeitstropfen von der Größe, die typischerweise in einem Infusionsset auftritt, verursacht wird, ist sehr klein und wird ein hochempfindliches System zur Messung der Änderung mit Genauigkeit verlangen. Kapazitive Brückenschaltungen sind Fachleuten allgemein bekannt und es erfolgt hier keine weitere Beschreibung.
Obwohl nicht vorgesehen ist, durch Theorie gebunden zu sein, stellt das folgende eine mathematischere Beschreibung von Berechnungen dar, die die Bestimmung des Volumens eines Tropfens ermöglichen. Ein Paar parallele Platten weist eine Kapazität, C, auf und weist eine zwischen diesen eingeführte kleine dielektrische Kugel auf. Eine feste Ladung, Q, ist auf den Platten angeordnet. Es ist bekannt, daß die elektrische Energie, W, die auf den Platten gespeichert ist, als eine Funktion von deren Kapazität, so ausgedrückt werden kann
Demgemäß kann die Änderung der gespeicherten elektrischen Energie, δW, die sich anhand einer Änderung der Kapazität, δC, ergibt, so angegeben werden
wobei
die Spannung am Kondensator ist.
Es ist ferner bekannt, daß in der Mitte eines Kondensators mit parallelen Platten das elektrische Feld, E, näherungsweise gegeben ist durch
wobei d der Abstand zwischen den parallelen Platten ist. Somit
Aus Stratton (J. A. Stratton, Electromagnetic Theory, McGraw Hill, 1941, Seite 206) ist bekannt, daß die Änderung der gespeicherten elektrischen Energie als eine Folge des Einführens einer dielektrischen Kugel in ein gleichförmiges Feld, E, gegeben ist durch
wobei r der Radius der dielektrischen Kugel ist und
die dielektrische Konstante der Kugel ist, die auch als die Dielektrizitätskonstante der Kugel ε relativ zur Dielektrizitätskonstante des freien Raumes, ε₀ = 8,854 × 10^–12 Farad/Meter angegeben werden kann.
Durch Kombinieren der Gleichungen Nr. 3 bis 8 ergibt sich, daß
Da jedoch der Medikamententropfen eine wässerige Lösung ist, die im wesentlichen aus Wasser besteht, und die Dielektrizitätskonstante von Wasser zwischen sechzig und achtzig beträgt, ist ersichtlich, daß die Dielektrizitätskonstante von Wasser im Verhältnis zur Dielektrizitätskonstante vom freien Raum groß ist. Da bei der physikalischen Struktur der hier angenommenen Vorrichtung κ viel größer als eins ist, folgt somit die Näherung:
aus der Gleichung Nr. 9 aus praktischen Gründen.
Da das Volumen des kugelförmigen Tropfens, Φ, mit dem Radius des Tropfens gemäß dem Ausdruck
in Beziehung steht, folgt, daß
die der in der obigen Gleichung Nr. 1 stehende Ausdruck ist.
Man erkennt, daß zwei Aspekte einer Änderung der Kapazität der parallelen Platten 42, wie dies in Gleichung Nr. 1 ausgedrückt ist, besonders wichtig sind. Erstens ist die Änderung der Kapazität direkt proportional zum Volumen des Tropfens 30. Zweitens ist die Änderung der Kapazität unempfindlich gegen die dielektrische Konstante des Tropfens.
Obwohl diese Ergebnisse unter der Annahme eines kugelförmigen Tropfens hergeleitet wurden, verifizieren experimentelle Ergebnisse für tatsächliche Tropfen, die über eine kurze Strecke durch parallele Platten fallen, daß Gleichung Nr. 1 nicht für die Abweichungen von der Kugelform, die ein Tropfen typischerweise erfährt, wenn er über eine kurze Strecke fällt, empfindlich ist.
Die durch Gleichung Nr. 2 ausgedrückte physikalische Beziehung, die die Änderung der Resonanzfrequenz, δf, eines Kreises widerspiegelt, der einen Kondensator aufweist, und die auftritt, wenn sich die Kapazität des Kondensators um einen Betrag δC ändert, kann wie folgt demonstriert werden:
Es ist bekannt, daß ein LC-Schwingkreis eine Resonanzfrequenz f₀
aufweist, wobei L₀ der bekannte Induktivitätswert ist und Co der bekannte Wert der in den LC-Kreis enthaltenen Kapazität ist. Somit wird eine kleine Änderung, δf, von f₀ durch eine kleine Änderung, δC, von Co gemäß der Beziehung verursacht
Wenn δC im Vergleich zu Co klein ist, wie dies in der vorliegenden Erfindung der Fall ist, dann folgt, daß:
die der in der obigen Gleichung Nr. 2 stehende Ausdruck ist.
Ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, daß die obigen Ausdrücke von physikalischen Beziehungen, die zur Bestimmung des Volumens eines zwischen parallele Platten fallenden Tropfens verwendet werden, auf Annahmen basierende Näherungen sind, die einen vernünftigen Genauigkeitsgrad ergeben. Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung kann es jedoch von Vorteil sein, die Schaltung, die so beschrieben ist, daß sie die Meßschaltung 18 umfaßt, zu kalibrieren, um genannte Schaltung anfänglich einzustellen und das Volumen eines Flüssigkeitstropfens mit bekanntem Volumen korrekt zu messen. Durch derartige Kalibrierung dieser Schaltung kann die die Erfindung ausführende Person ihre Genauigkeit bei der Durchführung von nachfolgenden Messungen verbessern, da eine Kalibrierung in gewissem Maße Faktoren (egal ob sich aus den Näherungen oder aus physikalischen Eigenschaften der Vorrichtung, die gemäß den Prinzipien der Erfindung gebaut ist, ergebend), die dazu führen könnten, daß das gemessene Volumen eines Tropfens größer oder kleiner als das tatsächliche Volumen des Tropfens ist, in gewissem Maße berücksichtigen kann.
Während nur die derzeit bevorzugten Ausführungsformen detailliert beschrieben worden sind, wird für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich sein, daß Modifikationen und Verbesserungen an der hierin beschriebenen Vorrichtung vorgenommen werden können, ohne aus dem Schutzbereich der Erfindung zu gelangen. Dementsprechend soll die Erfindung, mit Ausnahme durch die beigefügten Ansprüche, nicht beschränkt werden.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung des Volumens eines Flüssigkeitstropfens, der sich über einen vorab festgelegten Weg bewegt, umfassend: zwei einen Kondensator bildende Platten (42), wobei die Platten (42) durch den vorab festgelegten Weg getrennt und auf jeder Seite des vorab festgelegten Weges positioniert sind, so daß der Flüssigkeitstropfen zwischen den Platten (42) hindurchtritt, wenn er sich über den vorab festgelegten Weg bewegt, wodurch die Kapazität des Kondensators geändert wird; ein mit dem Kondensator verbundenes Volumenbestimmungssystem, das gestaltet ist, um den Betrag der Änderung der Kapazität des Kondensators zu messen, wenn sich der Flüssigkeitstropfen über den vorab festgelegten Weg zwischen den zwei gegenüberliegenden Platten (42) bewegt, und gestaltet ist, um das Volumen des Flüssigkeitstropfens auf der Grundlage des Betrags der Änderung der Kapazität, die durch den sich zwischen den zwei gegenüberliegenden Platten bewegenden Flüssigkeitstropfen bewirkt wird, zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenbestimmungssystem einen Schwingkreis (44) mit einer Resonanzfrequenz umfaßt, die durch die Kapazität des von den zwei gegenüberliegenden Platten (42) gebildeten Kondensators bestimmt wird, und daß eine Änderung der Kapazität der zwei gegenüberliegenden Platten (42) zu einer proportionalen Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises führen wird und das Volumenbestimmungssystem auf die Resonanzfrequenz mit der Bestimmung des Volumens des Flüssigkeitstropfens anhand derselben anspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenbestimmungssystem ferner einen Oszillator mit einer Oszillationsfrequenz enthält, die von der Kapazität des von den zwei gegenüberliegenden Platten gebildeten Kondensators bestimmt wird, und das Volumenbestimmungssystem auf die Oszillationsfrequenz des Oszillators mit der Bestimmung des Volumens des Flüssigkeitstropfens anhand derselben anspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenbestimmungssystem eine kapazitive symmetrische Brücke umfaßt, die mit dem von den zwei gegenüberliegenden Platten gebildeten Kondensator gekoppelt ist, daß eine Änderung der Kapazität des von den zwei gegenüberliegenden Platten gebildeten Kondensators aufgrund des zwischen den Platten durchgehenden Flüssigkeitstropfens die Brücke unsymmetrisch machen wird und ein Unsymmetriesignal von der Brücke geliefert wird, das die Änderung der Kapazität repräsentiert, und das Volumenbestimmungssystem auf das Unsymmetriesignal mit der Bestimmung des Volumens des Flüssigkeitstropfens anhand desselben anspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Tropfkammer (12) umfaßt, an der die zwei gegenüberliegenden Platten (42) montiert sind, wobei die Tropfkammer zwischen den zwei gegenüberliegenden Platten angeordnet ist, ferner die Tropfkammer den vorab festgelegten Weg liefert und daß ein in die Tropfkammer zwischen die Platten fallender Flüssigkeitstropfen die Kapazität des von den zwei gegenüberliegenden Platten gebildeten Kondensators ändern wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenbestimmungssystem ferner gestaltet ist, um die einzelnen bestimmten Volumen der zwischen den zwei gegenüberliegenden Platten durchgehenden Flüssigkeitstropfen über eine ausgewählte Zeitdauer zu integrieren und ein Signal eines Volumens pro Einheitszeit zu liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (42) in der Wand einer Tropfkammer (12) eingebettet sind und der Weg zwischen den Platten in der Tropfkammer angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (42) an der Außenseite der Wand einer Tropfkammer (12) montiert sind und der Weg zwischen den Platten in der Tropfkammer angeordnet ist.
Vorrichtung zur Bestimmung des Volumens eines Tropfens aus medizinischer Flüssigkeit, der sich über einen vorab festgelegten Weg in einer medizinischen Leitung mit einer Wand bewegt, umfassend: zwei einen Kondensator bildende Platten (42), wobei die Platten (42) an der Wand der Leitung so montiert sind, daß sie durch den vorab festgelegten Weg getrennt und auf jeder Seite des vorab festgelegten Weges so positioniert werden, daß der Tropfen aus medizinischer Flüssigkeit zwischen den Platten (42) hindurchgeht, wenn er sich über den vorab festgelegten Weg bewegt, wodurch die Kapazität des Kondensators geändert wird; ein mit dem Kondensator verbundenes Volumenbestimmungssystem, das gestaltet ist, um: den Betrag der Änderung der Kapazität des Kondensators zu messen, wenn sich der Tropfen aus medizinischer Flüssigkeit über den vorab festgelegten Weg der medizinischen Leitung zwischen den zwei gegenüberliegenden Platten (42) bewegt; das Volumen des Flüssigkeitstropfens auf der Grundlage des Betrags der Änderung der Kapazität zu bestimmen, die durch den sich zwischen den zwei gegenüberliegenden Platten (42) bewegenden Flüssigkeitstropfen bewirkt wird; und die einzelnen bestimmten Volumen der zwischen den zwei gegenüberliegenden Platten (42) hindurchgehenden Flüssigkeitstropfen über eine ausgewählte Zeitdauer zu integrieren und ein Signals eines Volumens pro Einheitszeit zu liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine mit der Volumenbestimmungsschaltung verbundene Anzeigeeinrichtung umfaßt, die das Signal eines Volumens pro Einheitszeit empfängt und eine Flüssigkeitsdurchflußmenge auf der Grundlage des Signals eines Volumens pro Einheitszeit anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 6 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner umfaßt: einen Speicher, in dem eine ausgewählte Flüssigkeitsdurchflußmenge gespeichert ist; einen Prozessor, der mit dem Speicher verbunden ist und die gespeicherte Flüssigkeitsdurchflußmenge mit dem Signal eines Volumens pro Einheitszeit vergleicht und ein Durchflußsteuersignal auf der Grundlage der Differenz liefert; und eine Durchflußsteuereinrichtung, die auf das Durchflußsteuersignal mit einer Änderung des Durchflusses von Flüssigkeitstropfen als Reaktion darauf anspricht.
Verfahren zur Bestimmung des Volumens eines Flüssigkeitstropfens, der sich über einen vorab festgelegten Weg bewegt, umfassend die Schritte: Positionieren von zwei gegenüberliegenden Platten (42), die einen Kondensator definieren, quer zum vorab festgelegten Weg, so daß der Flüssigkeitstropfen zwischen den zwei Platten (42) hindurchgeht, wenn er sich über den vorab festgelegten Weg bewegt, wodurch die Kapazität des Kondensators geändert wird; Messen der Änderung der Kapazität des Kondensators, wenn sich der Flüssigkeitstropfen über den vorab festgelegten Weg zwischen den zwei gegenüberliegenden Platten (42) bewegt; und Bestimmen des Volumens des Flüssigkeitstropfens auf der Grundlage des Betrags der Änderung der Kapazität, die durch den sich zwischen den zwei gegenüberliegenden Platten (42) bewegenden Flüssigkeitstropfen bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner die Schritte umfaßt: Integrieren der einzelnen bestimmten Volumen der zwischen den zwei gegenüberliegenden Platten durchgehenden Flüssigkeitstropfen über eine ausgewählte Zeitdauer; und Liefern eines Signals eines Volumens pro Einheitszeit.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt des Anzeigens einer Flüssigkeitsdurchflußmenge als Antwort auf das Signal eines Volumens pro Einheitszeit umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt umfaßt: Speichern einer ausgewählten Flüssigkeitsdurchflußmenge in einem Speicher; Vergleichen der gespeicherten Flüssigkeitsdurchflußmenge mit dem Signal eines Volumens pro Einheitszeit; und Ändern des Durchflusses von Flüssigkeitstropfen als Antwort darauf.