DE60314436T2 - Verfahren zur unterscheidung zwischen betriebsbedingungen in einer medizinischen pumpe - Google Patents

Verfahren zur unterscheidung zwischen betriebsbedingungen in einer medizinischen pumpe Download PDF

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Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität gegenüber der vorläufigen U.S.-Anmeldung Nr. 60/418,914 , am 16. Oktober 2002 angemeldet, und gegenüber der vorläufigen U.S.-Anmeldung Nr. 60/418,986 , am 16. Oktober 2002 angemeldet.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Betriebszustands einer medizinischen Pumpe. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen des Fluid-Zustands in Verdrängungspumpen-Vorrichtungen für Fluide für die Abgabe von Fluiden an einen Patienten.
  • Die moderne medizinische Versorgung beinhaltet oft die Verwendung von medizinischen Pumpenvorrichtungen, um Fluide und/oder fluide Medikamente an Patienten zu verabreichen. Medizinische Pumpen gestatten die kontrollierte Verabreichung von Fluiden an einen Patienten, und derartige Pumpen haben zum größten Teil Schwerkraftfluss-Systeme ersetzt, und zwar hauptsächlich aufgrund der viel größeren Genauigkeit bei den Abgaberaten und Dosierungen der Pumpe und aufgrund der Möglichkeit flexibler und dennoch kontrollierter Verabreichungspläne. Von den modernen medizinischen Pumpen werden häufig jene bevorzugt, die eine Membran oder Pumpenkassette einschließen, da sie für eine genauer gesteuerte Rate und ein genauer kontrolliertes Volumen sorgen als es andere Pumpenarten tun.
  • Ein typisches Verdrängungspumpensystem schließt einen Pumpenvorrichtungsantrieb und eine Einweg-Kassette ein. Die Einweg-Kassette, die ausgebildet ist, um nur für einen einzigen Patienten und in einem Fluidabgabezyklus verwendet zu werden, ist typischerweise eine kleine Kunststoffeinheit, die einen Einlass und einen Auslass hat, die mittels einer flexiblen Schlauchleitung mit dem Fluidzuführungsbehälter bzw. dem das Fluid empfangenden Patienten verbunden sind. Die Kassette schließt eine Pumpenkammer ein, wobei die Strömung des Fluids durch die Kammer durch einen Plunger oder Kolben gesteuert wird, der auf kontrollierte Art und Weise vom Vorrichtungsantrieb betätigt wird.
  • Zum Beispiel kann die Kassettenkammer eine Wand haben, die von einer flexiblen Membran gebildet wird, die vom Plunger und vom Antrieb hin- und herbewegt wird, damit das Fluid strömt. Die Pumpenantriebsvorrichtung schließt den Plunger oder Kolben zum Steuern der Fluidströmung in die und aus der Pumpenkammer in der Kassette ein, und sie schließt auch Steuermechanismen ein, um zu gewährleisten, dass das Fluid mit einer vorab eingestellten Rate auf eine vorbestimmte Weise und nur für eine bestimmte vorab ausgewählte Zeitspanne oder Gesamtdosierung an den Patienten verabreicht wird.
  • Das Fluid dringt durch einen Einlass in die Kassette und wird unter Druck durch einen Auslass gedrängt. Das Fluid wird an den Auslass abgegeben, wenn der Pumpenplunger die Membran in die Pumpenkammer drückt, um das Fluid zu verdrängen. Während des Ansaughubs zieht sich der Pumpenplunger zurück, die die Pumpenkammer abdeckende Membran zieht sich aus ihrer zuvor vollständig versetzten Anordnung zurück, woraufhin das Fluid durch den offenen Einlass und in die Pumpkammer gezogen wird. In einem Pumpenhub drängt der Pumpenplunger die Membran zurück in die Pumpenkammer, um das darin enthaltene Fluid durch den Auslass zu drücken. Solchermaßen strömt das Fluid aus der Kassette nicht in einem kontinuierlichen Strom, sondern stattdessen in einer Reihe von getrennten Impulsen.
  • Eines der Erfordernisse für eine medizinische Pumpe besteht darin, dass sie in der Lage ist zu erfassen, wenn sie unter bestimmten anormalen Bedingungen arbeitet, und den Benutzer hinsichtlich dieser Probleme zu alarmieren. Im Speziellen sollte die Pumpe es erkennen, wenn der Fluidstrom blockiert ist, es. kein Fluid in der Leitung gibt, sich keine Kassette in der Pumpe befindet, ob die Pumpe richtig zum Ansaugen gebracht wurde und ob die Ventile in der Pumpe korrekt abdichten.
  • Frühere Pumpen, die all diese Informationen liefern konnten, verwendeten mindestens zwei mit der Pumpenkammer oder den Schläuchen verknüpfte Sensoren, um eine Eingabe für das Steuersystem bereitzustellen. Die Verwendung mehrerer Sensoren erfordert mehr physischen Raum in der Pumpe und führt möglicherweise zu höheren Herstellungs-Stückkosten.
  • Das U.S.-Patent 5,464,392 offenbart die Erfassung des Vorliegens von Luft in einer Leitung in Zusammenhang mit einer medizinischen Pumpe, die eine Kassette mit einer Pumpenkammer hat, indem ein Stellungssensor und ein einziger Drucksensor verwendet werden, um mehrere Druckdaten zu erfassen, und indem ein Prozessor in Betrieb gesetzt wird, um die Unterschiede in den Ablesungen zu vergleichen, damit bestimmt wird, ob sich Luft in der Leitung befindet, damit der Unterschied in den Ablesungen in die D1-RAM-Position geschrieben wird und damit in Abhängigkeit davon, ob die Änderung des Drucks unter einem vorab ausgewählten Bezugs-Mindestausgleichsdruck liegt, entweder fortgefahren oder ein Alarm ausgegeben wird.
  • Es ist daher eine Hauptaufgabe dieser Erfindung, Verfahren zur Verwendung eines einzigen Drucksensors bereitzustellen, um zwischen den Betriebsbedingungen in einer medizinischen Pumpe zu unterscheiden.
  • Diese und andere Aufgaben werden für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Verfahren zum Bestimmen des Betriebszustands einer medizinischen Pumpe auf der Grundlage von Daten, die aus einem Drucksensor und einem Stellungssensor gewonnen werden, wird offenbart. Der Drucksensor erzeugt Druckdaten, indem er die Kraft am Pumpelement abtastet. Der Stellungssensor erzeugt Positionsdaten, indem der Pumpzyklus verfolgt und die Stellung des Pumpelements bestimmt wird. Die Pumpendruckdaten und die Pumpenstellungsdaten werden verarbeitet. Die verarbeiteten Daten werden mit einem vorab bestimmten Schwellenwert verglichen, um den Betriebszustand der Pumpe zu bestimmen. Die drei relevanten Haupt-Betriebszustandsarten sind die folgenden: Normalzustand, wo Flüssigkeit vorhanden ist und es in der Pumpenkammer keine Leckage gibt; Leckagezustand, wo Flüssigkeit vorhanden ist, es aber es in der Pumpenkammer eine Leckage gibt; und Lufthubzustand, wo die Kammer ein bisschen Luft enthält.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Graph, der Daten aus einem Pumpenzyklus zeigt und den Normalzustand, den Leckagezustand und den Lufthubzustand darstellt;
  • 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Graphen aus 1 entlang der Linie 2-2, die Daten aus einem Pumpenzyklus zeigt, die den Normalzustand, den Leckagezustand und den Lufthubzustand darstellen;
  • 3 ist ein Graph, der Daten aus einem Pumpenzyklus zeigt, die Normalhub-Zustände mit verschiedenen Gegendruckpegeln darstellen;
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform zum Bestimmen des Betriebszustands einer medizinischen Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das eine weitere Ausführungsform zum Bestimmen des Betriebszustands einer medizinischen Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 6 ist ein Flussdiagramm, das eine weitere Ausführungsform zum Bestimmen des Betriebszustands einer medizinischen Pumpe, gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, und
  • 7 ist ein Schaltbild der Kassettenpumpe, das die Funktionskomponenten der Pumpe und der Kassette darstellt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf ihre bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die bevorzugte Ausführungsform zu beschränken. Es ist beabsichtigt, dass die Erfindung alle Modifikationen und Alternativen abdeckt, die in den Schutzumfang der Erfindung eingeschlossen sein können, wie er von den nachstehenden Ansprüchen definiert wird.
  • Personen mit durchschnittlichem Fachwissen werden ver stehen, dass der Begriff medizinische Pumpe, wie hierin verwendet, Folgendes einschließt, ohne darauf beschränkt zu sein: enterale Pumpen, parenterale Infusionspumpen, bewegliche Pumpen oder irgendeine Verdränger-Fluidpumpvorrichtung für die Verabreichung von Fluiden an einen Patienten.
  • 7 ist ein Schaltbild, das die Funktionskomponenten einer medizinischen Pumpe 10 darstellt, die in Verbindung mit einer Einweg-Kassette 12 zur Abgabe eines Fluids an einen Patienten verwendet wird. Die medizinische Pumpe 10 und die Kassette 12 werden mit mehreren Komponenten zum Implementieren der vorliegenden Erfindung gezeigt. Personen mit durchschnittlichem Fachwissen werden erkennen, dass die Pumpe 10 und die Kassette 12 viel mehr Bestandteile, als die in 7 gezeigten, einschließen. Jedoch ist es nicht erforderlich, dass all diese Bestandteile gezeigt werden, um eine exemplarische Ausführungsform für die praktische Anwendung der vorliegenden Erfindung zu offenbaren.
  • Details der Pumpe 10 und der Kassette 12, die unten nicht erörtert sind, können durch Bezugnahme auf die gleichzeitig anhängige nicht vorläufige Anmeldung mit dem Titel "Means for using single force sensor to supply all necessary information for determination of status of medical pump" bestimmt werden, die auf den Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde und gegenüber den vorläufigen U.S.-Anmeldungen, Seriennr. 60/418,986 und 60/418,914 , deren Offenbarung und Zeichnungen hiermit durch die Bezugnahme in ihrer Gesamtheit speziell eingeschlossen sind, die Priorität beansprucht. Diese Offenbarung beschreibt detailliert ein Mittel zum Verwenden eines einzigen Drucksensors und eines einzigen Stellungssensors, um die gesamte Information zu liefern, die erforderlich ist, um den Status einer medizinischen Pumpe zu bestimmen. Die Offenbarungen und Zeichnungen der vorläufigen U.S.-Anmeldungen, Seriennr. 60/418,986 und 60/418,914 , sind hierin ebenfalls durch die Bezugnahme in ihrer Gesamtheit explizit eingeschlossen. Die gleichzeitig anhängige nicht vorläufige U.S.-Anmeldung, Seriennr. 29/166,389 , mit dem Titel "Pump cassette", die auf den Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, offenbart die unten beschriebene spezielle Kassette 12. Pumpenkassetten und Kassettenpumpen allgemein, sind auf dem Gebiet der Abgabe medizinischer Fluide bekannt, wie durch die U.S.-Patente Nr. 4,818,186 ; 4,842,584 und 5,000,664 , die auf den Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen wurden und deren gesamte Offenbarung und Zeichnungen hiermit durch die Bezugnahme explizit hierin eingeschlossen sind, deutlich wird.
  • Die Kassette 12 schließt ein Gehäuse 14 ein, in dem eine Einlassöffnung 16 für die Aufnahme des aus einem IV intravenösen Beutel oder einem anderen Fluidbehälter (nicht gezeigt) strömenden Fluids angebracht ist. Auf ähnliche Weise verbinden Fluidleitungen (nicht gezeigt) eine Auslassöffnung 18 am Gehäuse 14 mit dem Körper eines Patienten.
  • Eine Pumpenkammer 20 ist in Fluidstromverbindung zwischen der Einlassöffnung 16 und der Auslassöffnung 18 verbunden. Die Pumpenkammer 20 arbeitet, um Fluid durch die Kassette 12 zu dosieren.
  • Ein Einlassventil 22 liegt zwischen der Einlassöffnung 16 und der Pumpenkammer 20. Das Einlassventil 22 arbeitet, um die Fluidverbindung zwischen der Einlassöffnung 16 und der Pumpenkammer 20 physisch zu öffnen und zu schließen.
  • In ähnlicher Weise, liegt ein Auslassventil 24 zwischen der Pumpenkammer 20 und der Auslassöffnung 18. Das Auslassventil 24 arbeitet, um die Fluidverbindung zwischen der Pumpenkammer 20 und der Auslassöffnung 18 physisch zu öffnen und zu schließen. Die Pumpenkammer 20, das Einlassventil 22 und das Auslassventil 24 sind alle operativ mit der Pumpe 10 verbunden, um den Fluidstrom durch die Kassette 12 zu steuern.
  • Eine Verarbeitungseinheit 26 mit einem Prüf-Timer 27 ist in der Pumpe 10 eingeschlossen und führt verschiedene Arbeiten durch, die unten detaillierter beschrieben werden. Eine Anzeige-/Eingabevorrichtung 28 kommuniziert mit der Verarbeitungseinheit 26 und ermöglicht es dem Benutzer, eine Ausgabe von der Verarbeitungseinheit 26 zu empfangen und/oder etwas in die Verarbeitungseinheit 26 einzugeben. Personen mit durchschnittlichem Fachwissen werden erkennen, dass die Anzeige-/Eingabevorrichtung 28 als eine unabhängige Anzeigevorrichtung und eine unabhängige Eingabevorrichtung bereitgestellt sein kann.
  • Ein Speicher 30 steht mit der Verarbeitungseinheit 26 in Verbindung und speichert den Code und die Daten, die für die Verarbeitungseinheit 26 erforderlich sind, um die Betriebsbedingungen der Pumpe 10 zu berechnen und auszugeben. Genauer speichert der Speicher 30 einen Algorithmuscode 32, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebildet wurde, um Daten zu verarbeiten, um den Betriebszustand der Pumpe 10 zu bestimmen.
  • Ein Elektromotor 34 wird von der Verarbeitungseinheit 26 gesteuert und von einer Stromzufuhr (nicht gezeigt) erregt, um als Antriebsaggregat zum drehbaren Antreiben einer Welle 36 zu dienen.
  • Ein Pumpelement 38 ist operativ mit der Welle 36 verbunden. Wenn es eingeschaltet wird, bewegt sich das Pumpelement 38 vor und zurück, um periodisch einen Abwärtshub auszuführen, wodurch veranlasst wird, dass das Pumpelement 38 auf die Pumpenkammer 20 drückt, um das Fluid durch die Kassette 12 zu treiben. Bei einem Aufwärtshub gibt das Pumpelement 38 Druck von der Pumpenkammer 20, wodurch das Fluid von der Einlassöffnung 16 in die Pumpenkammer 20 gesogen wird.
  • Ein Einlass-Steuerelement 40 ist operativ mit der Welle 36 verbunden. Wenn es eingeschaltet wird, bewegt sich das Einlass-Steuerelement 40 vor und zurück, um periodisch einen Abwärtshub auszuführen, wodurch bewirkt wird, dass das Einlass-Steuerelement 40 auf das Einlassventil 22 drückt, wodurch die Pumpenkammer 20 für Fluidzufluss geschlossen wird. Bei einem Aufwärtshub nimmt das Einlass-Steuerelement 40 Druck vom Einlassventil 22 und ermöglicht dadurch die Fluidströmung von der Einlassöffnung 16 in die Pumpenkammer 20.
  • Ein Auslass-Steuerelement 42 ist operativ mit der Welle 36 verbunden. Wenn es eingeschaltet wird, bewegt sich das Auslass-Steuerelement 42 vor und zurück, um periodisch einen Abwärtshub auszuführen, wodurch bewirkt wird, dass das Auslass-Steuerelement 42 auf das Auslassventil 24 drückt, was wiederum die Pumpenkammer 20 für eine Fluidausströmung schließt. Bei einem Aufwärtshub, nimmt das Auslass-Steuerelement 42 Druck vom Auslassventil 24 und ermöglicht dadurch den Fluidstrom von der Pumpenkammer 20 an die Auslassöffnung 18. So wird der offene oder geschlossene Zustand der Pumpenkammer 20 durch die Positionierung und die Bewegung der Einlass- und Auslass-Steuerelemente 40 und 42 gesteuert.
  • Ein Drucksensor 44 ist operativ mit dem Pumpelement 38 verbunden. Der Drucksensor 44 tastet die Kraft am Pumpelement 38 ab und erzeugt auf der Grundlage dieser Kraft ein Drucksignal. Der Drucksensor 44 steht mit der Verarbeitungseinheit 26 in Verbindung und sendet das Drucksignal, zur Verwendung bei der Bestimmung der Betriebsbedingungen der Pumpe 10, an die Verarbeitungseinheit 26.
  • Personen mit durchschnittlichem Fachwissen werden erkennen, dass der Drucksensor 44 ein Kraftaufnehmer oder irgendeine andere Vorrichtung sein kann, die operativ den Druck abtasten kann, der vom Pumpelement 38 auf die Pumpenkammer 20 ausgeübt wird.
  • Ein Stellungssensor 46 verfolgt den Pumpzyklus der Pumpe 10, indem die Stellung des Pumpelements 38 bestimmt wird. Der Stellungssensor 46 kann operativ mit der Welle 36, einer an der Welle 36 angebrachten Nocke oder Nockenwelle 76 oder mit dem Pumpelement 38 selber, verbunden sein. Der Stellungssensor 46 erzeugt ein Stellungssignal, indem er die Stellung des Pumpelements 38 direkt oder indirekt erfasst. In einer Ausführungsform ist der Stellungssensor 46 zum Beispiel ein Hall-Effekt-Sensor, der einen Magneten (nicht gezeigt) hat, der in relationalem Kontakt zur Welle 36 steht. Die Drehposition der Welle 36 kann überwacht werden, um indirekt die Stellung des Pumpelements 38 zu erfassen. Der Stellungssensor 46 steht mit der Verarbeitungseinheit 26 in Verbindung und sendet das Stellungssignal zur Verwendung bei der Bestimmung der Betriebsbedingungen der Pumpe 10 an die Verarbeitungseinheit 26. Personen mit durchschnittlichem Fachwissen werden erkennen, dass der Stellungssensor 46, wie hierin verwendet, mechanische Indikatoren, wie beispielsweise Dreh-Messuhren, elektronische Schalter, Hall-Effekt-Sensoren und Optik-basierte Lagedetektoren einschließt, ohne darauf beschränkt zu sein.
  • Im Betrieb, zu Beginn eines Pumpzyklus, arbeitet das Auslass-Steuerelement 42, um das Auslassventil 24 zu schließen, so dass es zwischen der Pumpenkammer 20 und der Auslassöffnung 18 keine Fluidverbindung gibt. Das Einlassventil 22 wird geöffnet, um zu ermöglichen, dass die Pumpenkammer 20 mit der Einlassöffnung 16 in Fluidverbindung steht. In der nächsten Phase des Pumpzyklus, arbeitet das Einlass-Steuerelement 40, um das Einlassventil 22 zu schließen, wodurch die Fluidverbindung zwischen der Einlassöffnung 16 und der Pumpenkammer 20 geschlossen wird. Das Auslassventil 24 bleibt weiterhin geschlossen. Als Nächstes beginnt das Pumpelement 38 mit einer Abwärtshubbewegung, die das Pumpelement 38 gegen die Pumpenkammer 20 drückt, wodurch das Zusammendrücken der Pumpenkammer 20 bewirkt wird, wodurch wiederum der Druck innerhalb der Pumpenkammer 20 erhöht wird. Der Drucksensor 44 liest und sendet diese Druckdaten an die Verarbeitungseinheit 26. Unter normalen Bedingungen wird die Pumpenkammer 20 genug zusammengedrückt und ein gewünschtes Druckprofil wird erzeugt. Bei einer bestimmten Position der Welle 36 oder zu einem bestimmten Zeitpunkt im Pumpzyklus, arbeitet das Auslass-Steuerelement 42, um das Auslassventil 24 zu öffnen, so dass Fluid aus der Pumpenkammer 20 zur Auslassöffnung 18 strömt. Der Pumpenzyklus wiederholt sich dann.
  • Die Verarbeitungseinheit 26 ruft den Betriebszustandsalgorithmus 32 aus dem Speicher 30 ab und wendet ihn auf die aus diesem Pumpenzyklus gewonnenen Druck- und Positionsdaten an. Die Pumpendruckdaten und Pumpenpositionsdaten werden verarbeitet. Die verarbeiteten Daten werden zur Bestimmung des Betriebszustands der Pumpe mit einem vordefinierten Schwellenwert verglichen. Die drei Hauptarten der relevanten Betriebszustände sind die folgenden: Normalzustand, wo Flüssigkeit vorhanden ist und es in der Pumpenkammer keine Leckage gibt; Leckagezustand, wo Flüssigkeit vorhanden ist, es aber in der Pumpenkammer 20 eine Leckage gibt (einschließlich am Einlassventil 22 oder Auslassventil 24); und Lufthubzustand, wo die Kammer ein bisschen Luft enthält. Sobald der Betriebszustand bestimmt wurde, gibt die Verarbeitungseinheit 26 den Betriebszustand auf der Anzeige 28 aus und/oder verwendet den bestimmten Betriebszustand, um den Betrieb der Pumpe 10 anzupassen.
  • Personen mit durchschnittlichem Fachwissen werden verstehen, dass die Schwellenwerte für jeden der hierin offenbarten Algorithmen empirisch aus experimentellen Daten vorbestimmt werden und von Pumpenmodell zu Pumpenmodell variieren.
  • Mit Bezug auf 1 wird der Stellungssensor 46 verwendet, um ein Erfassungsereignis auszulösen, worin Drucksensor (44) -daten für die Verarbeitung und die Bestimmung des Betriebszustands erfasst werden. 1 zeigt Zeitdiagramme der Druck- und Stellungssignale, die mit einer Prototypeinheit im Labor aufgenommen wurden. Die Stellungssignale sind digitaler Natur und haben Werte nahe 3 oder 0 V. Die übrigen Analogsignale, die allmählicher steigen und fallen, sind die Signale, die die Drucksensor (44) -messungen darstellen. Im System gibt es einen Drucksensor 44, und die vier gezeigten Analogsignale stellen vier verschiedene Beispiel-Betriebszustände dar, die auf demselben Diagramm übereinandergelegt wurden. Sie werden jeweils verwendet, um die Arbeitsweise der zu offenbarenden Signalverarbeitungsalgorithmen zu erläutern.
  • Wenn große Datenmengen unter verschiedenen experimentellen Bedingungen gesammelt wurden, wurden bestimmte Beobachtungen sofort gemacht. Wie in der in 1 gezeigten Beispiel-Datengruppe gezeigt, schien der erste Zeitabschnitt zwischen –0,4 s und 0 s keine Gelegenheiten für die Signalunterscheidung zu bieten. Darüber hinaus schienen auch andere Abschnitte über 0,2 s keine Signalunterschiede zu bieten, die den relevanten Betriebszuständen entsprachen. Genauer, schienen in diesen nicht relevanten Abschnitten, der Gegendruck und andere Elemente im System die Drucksignalmerkmale zu dominieren. In einem relevanten Abschnitt, der durch die Linie 2-2 markiert ist, arbeitet das System tatsächlich mit geschlossener Pumpenkammer 20, so dass der Drucksensor 44 einen ansteigenden Druck während des Pumphubs erfasst. Dies schafft einzigartige Bedingungen, unter denen es möglich sein kann, zwischen Normal-, Leckage- und Lufthub-Pumpzuständen zu unterscheiden.
  • Mit Bezug auf die 1 und 2, werden die Daten für den relevanten Abschnitt, der durch die Linie 2-2 in 1 markiert ist, detaillierter gezeigt. Die Pumpenzyklusdaten wurden im Labor gesammelt, indem ein Pumpen-Prototyp zur genaueren Analyse des relevanten Abschnitts einer großen Vielfalt an Betriebs- und Umgebungsbedingungen ausgesetzt wurde. Um effektive und stabile Algorithmen zu entwickeln, war es wichtig, die Zeitversetzung, Vorspannungsverschiebungen oder -offsets und andere Änderungen, die auftreten konnten, zu analysieren. Die vier digitalen Stellungssignale werden mit A beziffert, und die vier Drucksignale werden mit B-E beziffert. Die Beispiel-Drucksignale B-E entsprechen den drei zuvor erwähnten Betriebszustandsarten (Normal, Leckage und Lufthub), und zusätzlich kann im System ein Gegendruck vorliegen. Die nummerierten Fälle in der Figur sind wie folgt:
    • B: Normal, kein Gegendruck;
    • C: Normal, relativ großer Gegendruck vorhanden;
    • D: Leckage, geringer Gegendruck und
    • E: Lufthub, geringer Gegendruck.
  • Personen mit durchschnittlichem Fachwissen werden erkennen, dass die Größe, Taktung und Form der Drucksignale abhängig von der Quelle oder dem Ort der Leckage(n), der Luftmenge oder der Gegendruckgröße etwas variieren kann. Es gibt z. B. mindestens zwei weitere in 2 nicht gezeigte Fälle oder Kombinationen. Diese Fälle sind Leckage mit hohem Gegendruck und Lufthub mit hohem Gegendruck.
  • Daten für viele weitere Zustandskombinationen wurden gesammelt und analysiert, und der relevante Abschnitt (in 1 an der Linie 2-2 und in 2 gezeigt) blieb der machbarste. Vor allem die Daten, die vor einer nächsten Anstiegsflanke G des Stellungssensors 46 erfasst wurden, stellten sich als effektive Datengruppe heraus. Dies liegt an den stark variierenden und nicht korrelierten Wirkungen, die der Gegendruck im System, der nach dieser Anstiegsflanke G einsetzt, auf das Drucksignal. hat. Daher tritt der spezifische relevante Abschnitt (an der Linie 2-2) zwischen der zweiten Abfallflanke F des Stellungssensors 46 auf, die im abgeschlossenen Pumpenzyklus auftritt, und einem Zeitpunkt vor der nächsten Anstiegsflanke G dieses Stellungssignals.
  • Eine Reihe von Algorithmen wurde vor der Entwicklung der endgültigen bevorzugten Gruppe erwogen und geprüft. Unter diesen waren ein einfaches Schwellenwertverfahren und ein Verfahren eingeschlossen, in dem die Abfallflanke des Drucksignals analysiert wurde (Abfallflankenverfahren).
  • Das einfache Schwellenwertverfahren beinhaltete das Vergleichen des Drucksignals mit einem vorbestimmten Schwellenwert. Jedoch reduzierten die variierenden Signaloffsets im System die Leistung dieses Verfahrens, wodurch dieses Verfahren zur Unterscheidung zwischen den Betriebszuständen untauglich wurde.
  • Nimmt man auf 3 Bezug, wurde im Abfallflankenverfahren die Zeitableitung (oder Flanke) der Daten, die in den relevanten Abschnitt (an der Linie 2-2 in 1) fallen, berechnet und mit einem negativen Schwellenwert verglichen. Bei dieser Vorgehensweise würde eine Abfallflanke, die normalerweise typisch für einen normalen Hub ist, zu einer Zeitableitungsberechnung führen, die den negativen Schwellenwert überschreiten würde. Luftstöße und bestimmte Leckagezustände enthielten häufig nicht dieses Abfallflankenmerkmal und überschritten nicht den eingestellten Schwellenwert. Jedoch hatte ein normaler Hub mit einem signifikanten Gegendruck oft nicht diese Abfallflanke. Dies ist in 3 zu sehen, wo einige Normalhübe die Abfallflanken haben, wenn die Gegendruckpegel niedrig sind, und einige nicht, wenn der Gegendruck hoch ist. Diese Bedingung machte daher das Abfallflankenverfahren zur Unterscheidung zwischen den Betriebszuständen untauglich.
  • Andere Versuche und Änderungen mit demselben allgemeinen Ansatz wurden erwogen, aber in dieser Offenbarung werden lediglich die bevorzugten Vorgehensweisen unten detailliert beschrieben. Drei Haupt-Ausführungsformen der bevorzugten Algorithmen wurden entwickelt und wie folgt aufgelistet:
    • Klasse 1: Verzögerter Schwellenwert-Algorithmus
    • Klasse 2: Gewichteter Integrations-Algorithmus und
    • Klasse 3: Integrierter zusammengesetzter Ableitungsalgorithmus
  • Es gibt vielerlei mögliche Variationen für jede Klasse von Algorithmen. Diese Variationen schließen das Variieren der Wichtungstechnik, das Unwirksam-Machen der Wichtung, die Stellung des Ankers und die Abfolge, mit der die Daten analysiert werden, ein. Der verzögerte Schwellenwert-Algorithmus der Klasse 1 stellt die bevorzugte Ausführungsform dar. Jedoch können auch die anderen zu beschreibenden Algorithmen unter bestimmten Bedingungen ebenso gute Ergebnisse erzielen. Daher sind alle Algorithmen gleich wichtig und werden gleich detailliert erörtert werden.
  • In 4 ist die gesamte Arbeitsweise des Algorithmus 110 der Klasse 1 in Form eines Flussdiagramms dargestellt. Der Algorithmus 110 der Klasse 1 beginnt mit dem Startblock 112. Ein Entscheidungsblock 114 überwacht den Pumpenzyklus mittels des Stellungssignals A, um zu bestimmen, wann ein relevanter Abschnitt auftritt. In diesem Beispiel ist der relevante Abschnitt so definiert, dass er dann beginnt, wenn die zweite Abfallflanke F des Stellungssignals A in jedem neuen Pumpenzyklus erfasst wird. Wenn die zweite Abfallflanke F im Entscheidungsblock 114 erfasst wird, rückt der Algorithmus 110 der Klasse 1 auf den Block 116 vor. Der Block 116 startet den Prüf-Timer 27 für eine vorbestimmte Prüfzeit Td. Dann erfasst ein Block 118 mit einer vorbestimmten Abtastrate während eines ersten Prüfzeitabschnitts mehrere Referenz-Druckwerte, und sobald die ersten Na-Referenz-Druckwerte erfasst wurden, wird ein Druckankerwert berechnet und gespeichert, indem der Mittelwert dieser Referenz-Druckwerte berechnet wird. Dieser Ankerwert wird gespeichert und bei späteren Berechnungen verwendet.
  • Das Verankern ist eine Technik, die in diesem und den anderen Algorithmen als ein Vorgang genutzt wird, der die allgemeinen Offset-Schwankungen beseitigt, die im Drucksignal von einem Pumpenzyklus zum nächsten und innerhalb jeder physischen Pumpeneinheit beobachtet werden. Dieser Vorgang beinhaltet die Berechnung eines Mittelwerts aus einer Reihe von ersten Datenpunkten in der relevanten Datengruppe und das Subtrahieren dieser Mittelwerte von allen folgenden Datenpunkten in der Gruppe.
  • Ein Block 120 erfasst einen Druck-Datenwert und berechnet und speichert dann einen resultierenden Wert, indem der Ankerwert vom Datenwert subtrahiert wird. Ein Puffer zum Speichern der letzten resultierenden Nb-Abtastwerte (oder Datenpunkte) wird erstellt und verwaltet. Dieser Puffer kann ein kreisförmiger Puffer sein, um die Verarbeitungseffizienz zu verbessern. Ein Entscheidungsblock 122 zeigt genau solch einen kreisförmigen Puffer und wiederholt die Schritte der Erfassung des Druck-Datenwertes und der Berechnung und Speicherung des resultierenden Wertes, bis die vorbestimmte Prüfzeit Td verstrichen ist. Mit Erfassung jedes neuen Druck-Datenwerts wird so der Puffer aktualisiert, bis der vorbestimmte Zeit-Wert Td abgelaufen ist. Wenn die Zeit Td abgelaufen ist, dann ist die Datenerfassung abgeschlossen und es erfolgt die Endverarbeitung.
  • Während der Endverarbeitung, berechnet ein Block 124 einen Prüfwert, indem ein Mittelwert der resultierenden Werte berechnet wird, und vergleicht diesen Prüfwert mit einem vorbestimmten Schwellenwert, um den Betriebszustand der Pumpe zu bestimmen. Im letzten Schritt erstellt der Algorithmus 110 so den Mittelwert der Nb-Datenpunkte im Speicherungspuffer und vergleicht diesen gemittelten Wert mit einer Reihe vorbestimmter Schwellenwerte, um den Betriebszustand der Pumpe zu bestimmen (d.h. Normal, Leckage oder Lufthub).
  • In 5 wird, in Form eines Flussdiagramms, die gesamte Funktionsweise des gewichteten Integrations-Algorithmus 130 der Klasse 2 gezeigt. Dieser Algorithmus beginnt auf dieselbe Weise wie der Algorithmus 130 der Klasse 1, aber der Unterschied in der Funktionsweise liegt in der Aktualisierung des Puffers und in den abschließenden Schritten.
  • Der Algorithmus 130 der Klasse 2 beginnt mit dem Startblock 132. Ein Entscheidungsblock 134 überwacht den Pumpenzyklus mittels eines Stellungssignals A, um zu bestimmen, wann ein relevanter Abschnitt auftritt. In diesem Beispiel wird der relevante Abschnitt definiert als dann einsetzend, wenn die zweite Abfallflanke F des Stellungssignals A in jedem neuen Pumpenzyklus erfasst wird. Wenn die zweite Abfallflanke F am Entscheidungsblock 134 erfasst wird, rückt der Algorithmus 130 der Klasse 2 auf den Block 136 vor. Der Block 136 startet den Prüf-Timer 27 für eine vorbestimmte Prüfzeit Td. Dann erfasst ein Block 138 mit einer vorbestimmten Abtastrate mehrere Referenz-Druckwerte während eines ersten Prüfzeitabschnitts, und sobald die ersten Na-Referenz-Druckwerte erfasst wurden, wird ein Druck-Ankerwert berechnet und gespeichert, indem der Mittelwert dieser Referenz-Druckwerte berechnet wird. Dieser Ankerwert wird gespeichert und in späteren Berechnungen verwendet.
  • Ein Block 140 nimmt, während der Pufferaktualisierung, die Kernberechnungen des Algorithmus 130 vor, um einen Integrationsterm zu berechnen. Die folgende Gleichung beschreibt den im Block 140 verwendeten Integrationsterm: Ik = Ik-1 + (dk – A)W(t)worin Ik den Integrationsterm, Ik-1 den vorherigen Integrationsterm, dk den neu erfassten Druck-Datenwert, A den Ankerwert und W(t) den Wichtungswert darstellt, der eine Funktion der Zeit (oder Position) ist, bei der der neue Druck-Datenwert erfasst wurde. Die Funktion W(t) kann linear, polynomisch oder irgendeine andere Zeitfunktion sein, um die Emphase und Rückentzerrung verschiedener Abschnitte in der Datengruppe zu ermöglichen.
  • Der Block 140 setzt, gleich zu Beginn des Algorithmus während jedes neuen Pumpenzyklus, einen ersten vorhergehenden Integrationsterm Ik-1 von Null. Der Block 140 erfasst einen Druck-Datenwert dk und berechnet und speichert dann einen neuen Integrationsterm Ik, indem der Ankerwert A vom Datenwert dk subtrahiert wird, um eine Resultierende zu ergeben, die Resultierende mit einem Wichtungswert W(t) multipliziert wird, um ein Produkt zu ergeben, und das Produkt zum vorhergehenden Integrationsterm Ik-1 addiert wird.
  • Ein Entscheidungsblock 142 wiederholt die Schritte der Erfassung des Druck-Datenwertes dk und der Berechnung und Speicherung des neuen Integrationsterms Ik, bis die vorbestimmte Prüfzeit Td abgelaufen ist. So wird mit Erfassung jedes neuen Druck-Datenwerts dk der neue Integrationsterm Ik aktualisiert, bis der vorbestimmte. Zeitwert Td abgelaufen ist. Wenn die Zeit Td abgelaufen ist, ist die Datenerfassung abgeschlossen und es erfolgt die Endverarbeitung.
  • Während der Endverarbeitung vergleicht ein Block 144 den Integrationsterm Ik mit einem vorbestimmten Schwellenwert, um den Betriebszustand der Pumpe zu bestimmen (d.h. Normal, Leckage oder Lufthub).
  • In 6 ist, in Form eines Flussdiagramms, die gesamte Funktionsweise des integrierten zusammengesetzten Ableitungsalgorithmus 150 gezeigt. Der Algorithmus 150 der Klasse 3 beginnt auf dieselbe Weise wie der Algorithmus 130 der Klasse 2, aber es wird keine Ankerberechnung verwendet und es unterscheiden sich die Pufferaktualisierung und die abschließenden Schritte.
  • Der Algorithmus 150 der Klasse 3 beginnt mit dem Startblock 152. Ein Entscheidungsblock 154 überwacht den Pumpenzyklus mittels eines Stellungssignals A, um zu bestimmen, wann ein relevanter Abschnitt auftritt. In diesem Beispiel wird der relevante Abschnitt definiert als dann einsetzend, wenn die zweite Abfallflanke F des Stellungssignals A in jedem neuen Pumpenzyklus erfasst wird. Wenn die zweite Abfallflanke F im Entscheidungsblock 154 erfasst wird, rückt der Algorithmus 150 der Klasse 3 auf den Block 156 vor. Der Block 156 startet den Prüf-Timer 27 für eine vorbestimmte Prüfzeit Td.
  • Ein Block 158 nimmt, während der Pufferaktualisierung, die Kernberechnungen des Algorithmus 150 vor, um eine Güteziffer zu berechnen. Die folgende Gleichung beschreibt die im Block 158 verwendete Güteziffer-Berechnung: FOMk = FOMk-1 + (dk – dk-q)W(t) worin FOMk die Güteziffer darstellt, FOMk-1 die vorhergehende Güteziffer darstellt, dk den neu erfassten Druck-Datenwert darstellt, dk-q irgendeinen anderen Druck-Datenwert in der Gruppe darstellt und W(t) den Wichtungswert darstellt, der eine Funktion der Zeit (oder Position) ist, bei der der neue Druck-Datenwert erfasst wurde. Die Funktion W(t) kann eine lineare, polynomische oder irgendeine andere Zeitfunktion sein, um die Emphase und Rückentzerrung verschiedener Abschnitte in der Datengruppe zu ermöglichen.
  • Der Block 158 stellt eine erste vorhergehende Güteziffer FOMk-1 von Null ein, sobald der Algorithmus 150 während eines jeden neuen Pumpenzyklus beginnt. Der Block 158 erfasst den vorhergehenden Druck-Datenwert dk-q und den neuen Druck-Datenwert dk, worin der vorhergehende Druck-Datenwert dk-q jeder Datenwert außer dem neuen Druck-Datenwert ist. Der Block 158 berechnet und speichert eine neue Güteziffer FOMk, indem der vorhergehende Druck-Datenwert dk-q vom neuen Druck-Datenwert dk subtrahiert wird, um eine Resultierende zu ergeben, die Resultierende mit dem Wichtungswert W(t) multipliziert wird, um ein Produkt zu ergeben, und das Produkt zur vorhergehenden Güteziffer FOMk-1 addiert wird.
  • Ein Entscheidungsblock 160 wiederholt die Schritte der Erfassung des neuen Druck-Datenwertes dk und der Berechnung und Speicherung der neuen Güteziffer FOMk, bis die vorbestimmte Prüfzeit Td abgelaufen ist. So wird mit Erfassung jedes neuen Druck-Datenwerts dk die neue Güteziffer FOMk aktualisiert, bis der vorbestimmte Zeitwert Td abgelaufen ist. Wenn die Zeit Td abgelaufen ist, ist die Datenerfassung beendet und es erfolgt die Endverarbeitung.
  • Während der Endverarbeitung, vergleicht ein Block 162 die Güteziffer FOMk mit vorbestimmten Schwellenwerten, um den Betriebszustand der Pumpe zu bestimmen (d.h. Normal, Leckage oder Lufthub). Zum Beispiel wird in einer Ausführungsform ein Schwellenwert bei 450 gesetzt, so dass, wenn die Güteziffer über 450 liegt, die Pumpe dies als einen normalen Fluidhub und unter 450 als einen Lufthub interpretiert.
  • Mehrere Änderungen an jeder Klasse von Algorithmen sind möglich, die die Leistung verbessern können. Diese Änderungen schließen die Änderung des Auslöse-Ereignisses, die Wichtungstechnik, die Deaktivierung der Wichtung, die Stellung des Ankerwerts und die Abfolge, mit der die Daten analysiert werden, ein.
  • Während das Auslöse-Ereignis in der bevorzugten Ausführungsform die zweite Abfallflanke F des Stellungssensors ist, kann das Auslöse-Ereignis bei Bedarf geändert werden, um die Systemänderungsempfindlichkeit zu reduzieren. Das Auslöse-Ereignis kann z. B. die zweite Anstiegsflanke G im in 1 gezeigten Pumpenzyklus sein. Das Festlegen der Anstiegsflanke G als Auslöse-Ereignis, kann z. B. die Verzögerung zwischen dem Auslöse-Ereignis und der Datenerfassung im Algorithmus 110 der Klasse 1 reduzieren. Dies ist infolge der Tatsache wichtig, dass der Algorithmus 110 der Klasse 1 zufriedenstellender arbeiten wird, wenn die gesammelten Drucksignaldaten mit einer bestimmten gewünschten Pumpenstellung korrelieren. Da keine Pumpenelementstellungs- oder -geschwindigkeitsabtastung zur Verfügung steht, werden der Timer und die prognostizierte Geschwindigkeit verwendet, um die aktuelle Stellung einzuschätzen. Das Verkürzen der Verzögerung zwischen dem Auslöse-Ereignis und der Schlüssel-Datenerfassung, reduziert die akkumulierten Auswirkungen von Geschwindigkeitsänderungen im Pumpenmotor und geschätztem Lagefehler, wodurch die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, dass die gesammelten Daten der gewünschten und erwarteten Stellung entsprechen.
  • Eine weitere Änderung beinhaltet das Glätten der Datengruppe. Es ist möglich, alle relevanten Daten zu erfassen, bevor die Algorithmus-Berechnungen beginnen. In diesem Fall können die Daten vor den Kernberechnungen geglättet werden. Dies ist wirkungsvoll, wenn das Drucksignal unerwünschtes Rauschen enthält.
  • Die Ankerposition ist eine weitere Variable, die geändert werden kann, um die Systemleistung zu verbessern. In Ausführungsformen mit dem Algorithmus 110 der Klasse 1 und dem Algorithmus 130 der Klasse 2 wird der Ankerwert mittels Verwendung der ersten Na-Datenpunkte berechnet. Abhängig von der Krümmung und Art der Datengruppe kann es vorteilhaft sein, diesen Ankerwert zu berechnen, indem die Datenpunkte an irgendeiner anderen Stelle in der Datengruppe verwendet werden. Dies kann ein bestimmtes Merkmal nahe der neuen Ankerposition akzentuieren und das Unterscheidungsniveau des Algorithmus erhöhen.
  • Obwohl die Erfindung in Verbindung mit ihren Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, sollte es verständlich sein, dass viele Modifikationen, Ersetzungen und Ergänzungen vorgenommen werden können, die im beabsichtigten weiten Schutzumfang der folgenden Ansprüche liegen. Aus dem Vorhergehenden wird ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung mindestens alle angegebenen Ziele erreicht.

Claims (7)

  1. Ein Verfahren zum Bestimmen der Betriebsbedingungen in einer medizinischen Pumpe (10), die über eine Kassette (12) mit einer Pumpenkammer (20) verfügt, das Folgendes umfasst: das Überwachen des Pumpenzyklus mit einem Stellungssensor (46); das Starten eines Prüf-Timers (27) über eine vorbestimmte Prüfzeit in einem bestimmten Abschnitt des Pumpenzyklus; das Schließen der Pumpenkammer (20) für die Strömung während mindestens eines Abschnitts des Bestimmungsabschnitts des Pumpenzyklus; das Aufzeichnen einer Vielzahl von Druckbezugswerte während eines ersten Abschnitts der Prüfzeit von einem einzigen Drucksensor (44); das Berechnen und Speichern eines Druckankerwerts, indem ein Mittelwert der Bezugswerte erstellt wird; das Aufzeichnen eines Druckdatenwerts vom Drucksensor (44); das Berechnen und Speichern eines resultierenden Werts, indem der Ankerwert vom Datenwert subtrahiert wird; das Wiederholen der Schritte zum Aufzeichnen des Druckdatenwerts und zum Berechnen und Speichern des resultierenden Werts, bis die vorbestimmte Prüfzeit abgelaufen ist; das Berechnen eines Prüfwerts, indem über die resultierenden Werte ein Mittelwert gebildet wird; und das Vergleichen des Testwerts mit dem vorbestimmten Schwellenwert, um die Betriebsbedingung der Pumpe zu bestimmen.
  2. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin die bestimmte Betriebsbedingung der normale Typ, der Lecktyp oder der Luftstoß ist.
  3. Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt des Glättens der Druckbezugswerte und der Druckdatenwerte vor der Durchführung der Berechnungsschritte umfasst.
  4. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin der bestimmte Abschnitt des Pumpenzyklus eingestellt wird, um die Systemänderungsempfindlichkeit zu vermindern.
  5. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin der erste Abschnitt der Prüfzeit eingestellt wird, um die Verzögerung zwischen den Schritten des Startens des Prüf-Timers im bestimmten Abschnitt des Pumpenzyklus und des Aufzeichnens des Druckdatenwerts zu verkürzen.
  6. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin der bestimmte Abschnitt des Pumpenzyklus und der erste Abschnitt der Prüfzeit eingestellt werden, um den Druckankerwert zu variieren.
  7. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin die Abschnitte der Druckbezugswerte und der Druckdatenwerte gewichtet werden, um das Gewicht dieser Abschnitte einzustellen.
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