DE69629896T2

DE69629896T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Flüssigkeitsstandsmessung

Info

Publication number: DE69629896T2
Application number: DE69629896T
Authority: DE
Inventors: Christopher C. Jung; Nadar Nazarifar
Original assignee: Alcon Laboratories Inc
Current assignee: Alcon Vision LLC
Priority date: 1995-12-01
Filing date: 1996-11-28
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2016-11-29
Also published as: AU705714B2; ATE249618T1; EP0777111B1; DK0777111T3; ES2204994T3; JPH09178535A; CA2186805C; JP3254144B2; US5747824A; EP0777111A1; DE69629896D1; AU6793696A; CA2186805A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Vorrichtung zum Messen des Stands eines Fluids unter Ausnutzung des Phänomens der Totalreflexion von Strahlungsenergie in einem Behälter mit Wänden, die zumindest teilweise für ein gegebenes Spektrum von Strahlungsenergie transparent sind. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Messen eines Fluidstands in einer chirurgischen Kassette, die eine Komponente eines augenchirurgischen Instruments darstellt. Herkömmliche augenchirurgische Instrumentensysteme verwenden Vakuum, um den Operationsbereich abzusaugen, und positiven Druck, um den Bereich zu irrigieren. Charakteristischerweise wird seriell zwischen dem Mittel zur Druckerzeugung und dem chirurgischen Instrument eine Kassette angeordnet. Die Verwendung von Kassetten bei chirurgischen Instrumenten zur Handhabung von Irrigations- und Aspirationsströmen in einem Operationsbereich ist wohlbekannt. Die U.S.-Patente mit den Nummern 4.493.695 und 4.627.833 (Cook), 4.395.258 (Wang, et al.), 4.713.051 (Steppe, et al.), 4.798.850 (DeMeo, et al), 4.758.238, 4.790.816 (Sundblom, et al.), sowie 5.267.956 und 5.364.342 (Beuchat) offenbaren alle schlauchbestückte bzw. schlauchlose augenchirurgische Kassetten. Aspirationsfluiddurchflussmenge, Pumpengeschwindigkeit, Vakuumstand, Irrigationsfluiddruck und Irrigationsfluiddurchflussmenge sind einige der Parameter, die im Verlauf eines augenchirurgischen Eingriffs einer präzisen Steuerung bedürfen.
Bei Absauginstrumenten ist der Luftdruck in der Kassette niedriger als der atmosphärische Druck und das Fluid in der Kassette ist aus dem Operationsbereich entfernt worden. Bei Irrigationsinstrumenten ist der Luftdruck in der Kassette höher als der atmosphärische Druck und das Fluid wird zu dem Operationsbereich transportiert. Bei beiden Instrumententypen hat die Kassette die Funktion eines Reservoirs für das Fluid und gleicht die von den Druckerzeugungsmitteln verursachten Schwankungen aus.
Damit die Kassette wirkungsvoll als Reservoir arbeiten kann, muss der Fluidstand (und somit das Leervolumen) in der Kassette so gesteuert werden, dass die Kassette weder vollständig angefüllt noch entleert ist. Wenn die Kassette bei einem Absaugsystem mit Fluid gefüllt wird, kann Fluid in das Mittel zur Vakuumerzeugung (typischerweise ein Venturi-Rohr) gesaugt werden, was den Vakuumstand in dem chirurgischen Instrument in unannehmbarer Weise beeinträchtigen würde. Eine entleerte Kassette führt bei einem Absaugsystem dazu, dass Luft in den Absaugbeutel gepumpt wird, wodurch wertvolles Sammelvolumen in dem Beutel ungenutzt bleibt. Darüber hinaus ermöglicht ein konstantes Volumen in der Kassette bei einem Absaugsystem eine präzisere Steuerung des Vakuumstands in dem chirurgischen Instrument. Eine Steuerung des Fluidstands in den Kassetten von Irrigationssystemen ist in ähnlicher Weise wünschenswert.
Zumindest ein herkömmliches System, das von den Alcon Laboratories, Inc., gefertigte "Series Ten Thousand Ocutome ("STTO")", verwendet das Phänomen der Totalreflexion von Strahlungsenergie, um den Fluidstand in einer chirurgischen Kassette zu messen. Das Phänomen der Totalreflexion ist ein hinlänglich bekanntes physikalisches Phänomen, bei dem Strahlungsenergie, welche mit einem ausreichend großen Einfallswinkel (gemessen von einer senkrecht zur Grenzflächenoberfläche verlaufenden Geraden) auf eine Grenzfläche zwischen zwei durchlässigen Stoffen mit unterschiedlicher Brechzahl auftrifft, von der Grenzfläche zur Gänze reflektiert wird. Für eine Grenzfläche zwischen Wasser und Luft beträgt der Einfallswinkel, bei dem Strahlungsenergie zur Gänze reflektiert wird, ungefähr 48,8° zu einer senkrecht zur Grenzfläche verlaufenden Geraden. Dieser Winkel wird auch als kritischer Winkel bezeichnet.
Das STTO verwendet eine Anordnung von drei Infrarot-Leuchtdioden ("LEDs"), die außerhalb einer Seitenwand der Kassette in einer horizontalen Linie positioniert sind und in einem Winkel von etwa 10° zur Horizontalen (um mehr als 30° weniger als der 41,2°-Winkel zur Horizontalen, der für eine innere Totalreflexion erfor derlich ist) ausgerichtet sind. Eine entsprechende Anordnung von drei Phototransistor-Empfängern ist außerhalb der gegenüberliegenden Seitenwand der Kassettse positioniert. Jeder Empfänger ist auf der Zentralachse des Infrarot-Energiestrahlenbündels positioniert, welches von der entsprechenden LED ausgesendet wird. Die Empfängeranordnung ist in einem Winkel von ungefähr 10° zur Horizontalen nach unten weisend ausgerichtet. Somit ist die LED-Anordnung auf die Empfängeranordnung hin ausgerichtet und umgekehrt. Die von den Empfängern empfangenen Signale werden kontinuierlich addiert und periodisch mit einem vorgegebenen Kalibrierpunkt verglichen.
In die Operationskonsole ist eine leere Kassette eingesetzt und während des operativen Eingriffs wird Fluid aus dem Operationsbereich in die Kassette abgesaugt. Der Fluidstand darf so weit ansteigen bis die Fluid/Luft-Grenzfläche die Energie der LED-Anordnung abblockt. Wenn die Empfängeranordnung keine Energie mehr empfängt, meldet das System per Alarmton, dass die Kassette voll ist. Ist der chirurgische Eingriff noch nicht beendet, wird das Vakuum abgeschaltet und ein Stöpsel entfernt, wodurch sich die Kassette entleeren kann.
Während des Betriebs hat die STTO-Konstruktion Schwierigkeiten, Fehlerzustände auszuscheiden, unter anderem an der Wand der Kassette gebildete Luftblasen, Schaum an der Fluidoberfläche, Infrarot-Strahlung aus der Umgebung und Übertragung durch das an der Kassettenwand befindliche Meniskenglas hindurch. Dieses Problem entsteht durch die konische Form des von jeder LED ausgehenden Strahlenbündels, durch die horizontale Anordnung der LED und der Empfängeranordnung, sowie durch die vor der Analyse durch den System-Controller erfolgende Summierung der von den Phototransistor-Empfängern empfangenen Signale. Die von den LEDs ausgehenden konischen Strahlenbündel überlappen einander in derselben Ebene, wodurch die von einer LED ausgesendete Energie auf mehr als einen Phototransistor-Empfänger auftreffen kann. Da die von den einzelnen Empfängern empfangene Energie addiert wird, bevor das Steuersystem die empfangenen Signale auswertet, ist es nicht leicht möglich, eine nicht funktionierende LED zu erkennen. Außerdem führen die von den LEDs ausgehenden konischen Strahlenbündel dazu, dass ein Energieanteil in einem bedeutend größeren Winkel als die 10°, mit denen die Zentralachse der Energie auf die Grenzflä che auftrifft, zur Horizontalen auf die Fluid/Luft-Grenzfläche auftrifft. Ein Anteil der von den LEDs ausgehenden Energie kann sogar in einem Winkel auf die Grenzfläche auftreffen, der größer als der kritische Winkel von 41,2° einer Wasser/Luft-Grenzfläche zur Horizontalen ist. Daher kann in solchen Fällen ein Anteil der von der LED-Anordnung ausgehenden Energie durch die Fluid/Luft-Grenzfläche hindurch dringen, selbst wenn die Zentralachsen der von den LEDs ausgehenden Strahlenbündel die Grenzfläche halbieren.
In der Publikation Feinwerktechnik und Messtechnik 99 (1–2), 31–33 (Januar 1991), wird ein System beschrieben, welches die Lichtbrechung innerhalb eines Fluids dazu nutzt, das Vorhandensein bzw. das Nichtvorhandensein des Fluids zu erkennen. In ähnlicher Weise wird in JP56155815 eine solche Lichtbrechung verwendet, um eine Schlamm-Grenzfläche in einem Schlammfluid zu erkennen. In US-A-4773897 wird ein System beschrieben, bei dem das Vorhandensein eines Fluids einen Übertragungsweg okkludiert, wodurch jedes Signal, das auf einen einem Emitter direkt gegenüberliegend angeordneten Empfänger auftrifft, absorbiert wird.
Eine Technik zur optischen Flüssigkeitsstandmessung unter Verwendung der inneren Reflexion und der Brechung wird in dem Patent DE-A-19 04 568 offenbart. Ein Lichtempfänger wird in einer Höhe leicht oberhalb des lichtemittierenden Senders platziert, wobei das Licht durch horizontale Schlitze emittiert und empfangen wird. Wenn nun ein Anteil des emittierten Lichtkegels in einem Winkel auf die Flüssigkeitsoberfläche auftrifft, der eine interne Reflexion bewirkt, wird die Menge des empfangenen Lichtes vermindert. Ein Anteil der Verringerung wird dadurch verursacht, dass mehr Licht von dem Meniskenfenster an den Seiten des Behälters als von der Flüssigkeitsoberfläche wegreflektiert wird. Außerdem kommt es weiterhin zu einer Minderung des empfangenen Strahlenbündels durch Dämpfung infolge des Vorhandenseins von Flüssigkeit in gerader Linie zwischen Emitter und Empfänger. Diese Technik scheint zur Messung des Fluidstands nicht zur Gänze auf den Phänomenen der inneren Totalreflexion und der Brechung an der Flüssigkeit/Luft-Grenzfläche zu beruhen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft folglich eine Vorrichtung und ein Verfahren, wie sie in den beigefügten Ansprüchen detailliert beschrieben werden.
Die vorliegende Erfindung löst zahlreiche Unzulänglichkeiten, mit denen Systeme des beim STTO verwendeten Typs behaftet sind. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet eine Anordnung von vier Infrarot-LEDs und eine Anordnung von vier Phototransistor-Empfängern, wobei jede LED und jeder Phototransistor innerhalb einer Lichtblende montiert ist. Die LEDs sind unmittelbar außerhalb einer Seitenwand der Kassette in einer im Wesentlichen vertikalen Anordnung positioniert. Die vertikale Linie, auf welcher die LEDs angeordnet sind, verläuft im wesentlichen parallel zu der Richtung, in der sich die Fluid/Luft-Grenzfläche in der Kassette bewegt. Die LEDs sind in einem Winkel von ungefähr 20° zu der Horizontalen nach oben gerichtet. Eine entsprechende, im wesentlichen vertikale Anordnung von vier Phototransistor-Empfängern ist außerhalb der Kassette auf der den LEDs gegenüberliegenden Seite so montiert, dass jeder Empfänger auf die ihm entsprechende LED hin ausgerichtet ist.
Die von jeder LED ausgehende Energie trifft, sofern sie nicht von der Fluid/Luft-Grenzfläche abgeblockt wird, wahrscheinlich nur auf den ihr entsprechenden Empfänger auf, da LEDs und Empfänger mit Blenden versehen sind. Um weiters zu verhindern, dass die von einer LED ausgehende Energie einen anderen als den ihr entsprechenden Empfänger erreicht, werden die LEDs zyklisch hintereinander an- und ausgeschaltet, so dass zu einem Zeitpunkt nur eine LED angeschaltet ist. Somit kann das Steuersystem das von jedem Empfänger empfangene Signal separat auswerten, um zu ermitteln, ob Energie von jeder LED durch die Fluid/Luft-Grenzfläche hindurch gedrungen ist. Die an den LEDs und den Empfängern angebrachten Blenden ermöglichen es, die LEDs anstatt in dem bei dem STTO-System praktizierten 10°-Winkel zu der Horizontalen in einem Winkel von ungefähr 20° zu der Horizontalen nach oben auszurichten, da es weniger wahrscheinlich ist, dass die von den LEDs ausgehende Streuenergie in einem größeren Winkel als 41,2° zu der Horizontalen auf die Fluid/Luft-Grenzfläche auftrifft. Dieser nominelle Übertragungswinkel von 20° verleiht jedem LED/Empfänger-Paar von Natur aus einen größeren Spielraum zum Ausscheiden anomaler Signale, die unter anderem durch Luftblasen in der Kassette, Schaumbildung an der Fluidoberfläche und durch das Meniskenglas verursacht werden.
Die Position des Fluidstands über einen Bereich von Positionen hinweg und die zeitgemittelte Schwankungsrate der Position des Fluidstands können bestimmt werden, da die LED- und die Empfängeranordnung auf einer Geraden positioniert sind, die im wesentlichen parallel zu der Richtung verläuft, in welcher sich der Fluidstand verändert. Basierend auf diesen Daten kann der Controller das in der Kassette befindliche Fluidvolumen präziser steuern. Außerdem kann das System Fehler, die in der LED- und in der Empfängeranordnung auftreten, erkennen und korrigieren. Wenn zum Beispiel von einer LED keine Übertragung mehr erfolgt, kann das System die von den drei verbleibenden LED/Empfänger-Paaren generierten Daten verwenden, um diesen Fehler zu erkennen und den Fluidstand in der Kassette weiterhin messen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung zur optischen Messung des Fluidstands in einer augenchirurgischen Kassette über einen möglichen Ortebereich hinweg zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur optischen Messung des Fluidstands in einer augenchirurgischen Kassette ohne messtechnische Ausrüstung im Inneren der Kassette zu schaffen.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur optischen Messung des Fluidstands in einer augenchirurgischen Kassette zu schaffen, die die Erzeugung von verfälschten Sensor-Ablesewerten reduziert.
Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im folgenden aus der detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Perspektivansicht einer transparenten chirurgischen Kassette, welche in Verbindung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
2 ist eine Querschnittansicht der Fluidstandmesskammer der in 1 gezeigten Kassette, wenn die Kammer nahezu mit Fluid gefüllt ist, und bietet eine vereinfachte Darstellung der Strahlungsquellen, der übertragenen Strahlungsenergie und der Empfänger einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist die Querschnittansicht aus 2, wobei jedoch hier die Fluid/Luft-Grenzfläche die von der obersten Strahlenquelle emittierte Strahlungsenergie abblockt.
4 ist die Querschnittansicht aus 2, wobei jedoch hier die Fluid/Luft-Grenzfläche die von der untersten Strahlenquelle emittierte Strahlungsenergie abblockt.
5 ist die Querschnittansicht aus 2, wobei jedoch hier die Fluid/Luft-Grenzfläche im wesentlichen unterhalb aller von den Strahlenquellen emittierten Energiestrahlen verläuft.
6 ist eine detaillierte Ansicht der von der obersten Strahlenquelle in 3 emittierten Strahlungsenergie.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Wie am besten aus 1 ersichtlich, besteht die Kassette 10 in einer Ausführungsform, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, im allgemeinen aus einem Gehäuse 12, einem Peristaltikpumpenschlauch 16, einem Vakuumanschluss 32 und doppelt ausgeführten Saugleitungen 18. Das Gehäuse 12 ist vorzugsweise aus transparentem Kunststoff gefertigt und enthält die Kammer 20. Wenn sie in eine (nicht dargestellte) Operationskonsole eingesetzt ist, ist die Kassette wie in 1 dargestellt ausgerichtet, wobei sich die Saugleitungen 18 oberhalb der Kammer 20 und der Pumpenschlauch 16 unterhalb der Kammer 20 befinden. Unterdruck bzw. Vakuum wird in der Kammer 20 über Vakuumanschluss 32 erzeugt. Fluid, das aus dem Operationsbereich abgesaugt wird, gelangt über die Saugleitungen 18 in die Kammer 20. Das Fluid fließt über den Pumpenschlauch 16 aus der Kammer 20 ab und wird in einem (nicht dargestellten) Absaugbeutel gesammelt, welcher mithilfe des Hakens 26 an dem Gehäuse 12 befestigt werden kann. Die Fluidstandmesskammer 30 ist eine Erweiterung der Kammer 20, so dass der Fluidstand in der Fluidstandmesskammer 30 genau mit dem Fluidstand in der Kammer 20 übereinstimmt. Ein (nicht dargestellter) Vakuumgenerator und ein (nicht dargestellter) Peristaltikpumpenrollenkopf können zusammen mit geeigneten (nicht dargestellten) Steuersystemen dazu verwendet werden, um die Fluidströme durch das Pumpenrohr 16 und durch die Saugleitungen 18 entsprechend zu steuern und dadurch den Fluidstand in der Fluidstandmesskammer 30 zu verändern. Je nach An des chirurgischen Eingriffs bzw. je nachdem, welcher Chirurg die Operation durchführt, können Kassetten 10 von verschiedenem Typ in die Operationskonsole eingesetzt werden, so dass die Leistung der Operationskonsole optimiert wird. Jeder Kassettentyp 10 muss jedoch über eine entsprechend geformte Fluidstandmesskammer 30 verfügen, welche an die Fluidstandmessausrüstung angepasst ist, die im Zuge der nachfolgenden Abhandlung der 2–5 beschrieben wird.
2 zeigt die Fluidstandmesskammer 30 mit dem Anschluss 32. Die Fluidstandmesskammer 30 ist wie in 1 dargestellt ausgerichtet. Die LED-Anordnung 50 ist in der (nicht dargestellten) Operationskonsole montiert. In der allgemein dargestellten Ausführungsform umfasst der LED-Aufbau 50 den Quellenabschirmaufhau 52 und die LEDs 53–56, von denen jede ein Infrarot-Strahlenbündel emittiert, was zum Beispiel für die LED 53 durch die Emissions-Zentralachse 57 dargestellt ist. Nach dem Durchdringen der Kassettenwand 51 wird die Emissions-Zentralachse 57 leicht gebrochen, um nun die Übertragungs-Zentralachse 57'' zu bilden. In 2 wird das von jeder der LEDs 53–56 emittierte Infrarot-Strahlenbündel durch die Kassettenwand 51, das Fluid 42 und die Kassettenwand 61 hindurch übertragen, da die Fluid/Luft-Grenzfläche 40 oberhalb des von der LED 53, der obersten der LEDs 53–56, emittierten Strahlenbündels verläuft. Eine detailliertere Abhandlung des Verhaltens der Infrarot-Strahlenbündel bei ihrem Durchtritt durch die Kassettenwand 51 sowie in der Fluidstandmesskammer 30 erfolgt im Zusammenhang mit 6. Der LED-Aufbau 50 ist so in der Operationskonsole befestigt, dass sich die Kassettenwand 51 in unmittelbarer Nähe zu den LEDs 53–56 befindet, wenn die Kassette 10 in der Operationskonsole eingesetzt ist. Die 2–5 zeigen eine vier LEDs umfassende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, es können jedoch auch zwei oder drei oder mehr als vier LEDs (oder andere geeignete Strahlenquellen) in dem LED-Aufbau 50 beinhaltet sein, ohne dass dadurch vom Umfang der Erfindung abgegangen wird. Die 2–5 zeigen den Quellenabschirmaufbau 52 als eine einteilige Baueinheit für alle vier LEDs 53–56, es können jedoch auch getrennte Quellenblenden für jede einzelne der LEDs 53–56 verwendet werden. Außerdem müssen die LEDs 53–56 nicht unbedingt in einer Linie oder an derselben Seite der Fluidstandmesskammer 30 angeordnet sein. Die LEDs 53–56 können auch in von der Vertikalen abweichenden Richtungen gegeneinander versetzt sein (zusammen mit dem erforderlichen Versatz in vertikaler Richtung) und sie können an verschiedenen Seiten der Fluidstandmesskammer 30 positioniert sein. Natürlich müssten die Empfänger 63–66 in ihrer Position ähnlich angepasst werden, so dass sie Energie von den ihnen entsprechenden LEDs empfangen können. Solche alternative Positionen für die LEDs und die Empfänger erlauben unter Umständen eine Reduzierung der vertikalen Beabstandung zwischen LED/Empfänger-Paaren, was die Auflösung erhöhen würde, mit welcher die Position der Fluid/Luft-Grenzfläche 40 gemessen werden könnte. Durch eine Positionierung der LEDs an verschiedenen Wänden der Kassette würde das System in die Lage versetzt, zu bestimmen, ob die Kassette bezüglich ihrer bevorzugten Ausrichtung um einen bestimmten Winkel geneigt ist, da der Einfallswinkel auf die Fluid/Luft-Grenzfläche für die von den LEDs emittierte Energie an einer Wand sich von dem Einfallswinkel für die von den LEDs emittierte Energie an einer anderen Wand unterscheiden würde, falls die Kassette geneigt wäre.
Der Empfängeraufbau 60 ist, wie dargestellt, unmittelbar außerhalb der Kassettenwand 61 positioniert, welche der Kassettenwand 51 gegenüberliegend angeordnet ist. Die Empfänger 63–66 sind vorzugsweise Phototransistoren, die jeweils den LEDs 53–56 entsprechen. Die Empfänger 63–66 sind vorzugsweise in dem Empfängerab schirmaufbau 62 montiert und empfangen jeweils die von den LEDs 53–56 emittierte Energie. Der Empfängerabschirmaufbau 62 kann, wie oben in Verbindung mit dem Quellenabschirmaufbau 52 beschrieben wurde, getrennte Blenden umfassen. Die Positionen der Empfänger 63–66 können in einer Weise verändert werden, gleich jener, in welcher die Positionen der LEDs 53–56 verändert werden können, solange die Empfänger 63–66 so positioniert sind, um Energie von ihren entsprechenden LEDs zu empfangen.
Der hier verwendete Begriff "Übertragungsweg" für ein bestimmtes LED/Empfänger-Paar meint jenen Weg, über den sich der Zentralstrahl der von der LED emittierten Energie ausbreitet, bis er von dem Empfänger empfangen wird. Die Spesen 73, 74, 75, 76 aus 2 entsprechen jeweils im wesentlichen den Übertragungswegen für die LED/Empfänger-Paare 53/63, 54/64, 55/65, 56/66. Die Spuren 73, 74, 75, 76 sind keine perfekten Geraden aufgrund der Brechung, die an den Grenzflächen erfolgt zwischen: (i) der Luft und der Kassettenwand 51, (ii) der Kassettenwand 51 und dem Fluid 42 bzw. der Luft in der Fluidstandmesskammer 30, (iii) dem Fluid 42 bzw. der Luft in der Fluidstandmesskammer 30 und der Kassettenwand 61, und (iv) der Kassettenwand 61 und der Luft. Die Gesamtauswirkung der Brechung an diesen Grenzflächen macht es erforderlich, dass jeder entsprechende Empfänger 63–66 geringfügig tiefer positioniert wird als dies ansonsten erforderlich wäre, wie durch den Versatz 70 gezeigt wird. Der Gesamtversatz 70 ist geringfügig größer, wenn die Spur 73 zum Beispiel durch das Fluid 42 hindurch tritt, als wenn die Spur 73 durch die Luft in der Fluidstandmesskammer 30 hindurch verläuft. Zur Anpassung an diese unterschiedlichen Versatzwerte werden die Empfänger 63–66 vorzugsweise in einer Mittelposition zwischen den theoretisch perfekten Versatzpositionen für die Übertragung durch Fluid 42 und Luft positioniert.
3 zeigt wie die Fluid/Luft-Grenzfläche 40 die von der LED 53 emittierte Energie abblockt, so dass der Empfänger 63 im wesentlichen kein Signal empfängt. 4 zeigt, wie die Fluid/Luft-Grenzfläche 40 die von der LED 56 emittierte Energie abblockt, so dass der Empfänger 66 kein Signal empfängt. Dies ist die bevorzugte Gleichgewichtslage der Fluid/Luft-Grenzfläche 40. 5 zeigt, wie die Fluid/Luft- Grenzfläche 40 keine von den LEDs 53–56 emittierte Energie abblockt, so dass alle Empfänger 63–66 Signale empfangen. Diese Position der Fluid/Luft-Grenzfläche 40 (oder sogar niedriger als hier dargestellt) ist zu erwarten, wenn die Kassette 10 zum ersten Mal in die Operationskonsole eingesetzt wird.
6 ist eine detaillierte Querschnittansicht der Fluidstandmesskammer 30 in unmittelbarer Umgebung der LED 53, wenn die Fluid/Luft-Grenzfläche 40 so positioniert ist, um die von der LED 53 ausgehende Energie abzublocken. Die LED 53 ist nach oben gerichtet, so dass die Emissions-Zentralachse 57 in einem Winkel γ von zwischen 0° und 41,2° zu der Horizontalen verläuft, wobei ein Winkel zwischen etwa 5° und 35° zur Horizontalen bevorzugt, ein Winkel zwischen etwa 10° und 30° zur Horizontalen mehr bevorzugt, und ein Winkel von etwa 20° zur Horizontalen am meisten bevorzugt wird. Die Quellenblende 52 ist eng genug, um eine Übertragung aller Energie, die in einem Winkel, der etwa 5° größer als α ist, zu der Emissions-Zentralachse 57 emittiert wird, abzublocken. Das von der LED 53 emittierte Strahlenbündel wird durch den oberen Emissionsbegrenzungsstrahl 58 und den unteren Emissionsbegrenzungsstrahl 59 definiert, und der Winkel zwischen den Strahlen 58 und 59 ist nicht größer als etwa 10°. Trifft das von der LED 53 emittierte Strahlenbündel auf die Kassettenwand 51 auf, wird das Strahlenbündel in einem Winkel von etwa 7° nach unten gebrochen, wie durch den oberen Begrenzungsstrahl 58', die Zentralachse 57' und den unteren Begrenzungsstrahl 59' gezeigt wird. Tritt das Strahlenbündel an der anderen Seite der Kassettenwand 51 wieder aus dieser aus, wird das Strahlenbündel in einem Winkel von etwa 2° nach oben gebrochen, wie durch den oberen Übertragungsbegrenzungsstrahl 58'', die Übertragungs-Zentralachse 57'' und den unteren Übertragungsbegrenzungsstrahl 59'' gezeigt wird. Der sich daraus ergebende Einfallswinkel β, mit welchem die Übertragungs-Zentralachse 57'' auf die Fluid/Luft-Grenzfläche 40 auftrifft, beträgt etwa 15°. Der Einfallswinkel des oberen Übertragungsstrahls 58'' beträgt etwa 20° (ungefähr β + α), und der Einfallswinkel des unteren Übertragungsbegrenzungsstrahls 59'' beträgt in etwa 10° (ungefähr β – α). Da sämtliche Einfallswinkel (gemessen zu der Horizontalen) kleiner sind als der kritische Winkel von 41,2°, dringt so gut wie keine Energie aus der LED 53 durch die Fluid/Luft-Grenzfläche 40 hindurch. Das Meniskenfenster, Schaumbildung an der Oberfläche des Fluids 42, Spritzen des Fluids 42, Neigung der Kassette 10, sowie Luftblasen in Fluid 42 oder an den Kassettenwänden 51 bzw. 61 verursachen alle lokale Abweichungen in den soeben beschriebenen Winkelbeziehungen zwischen dem Infrarot-Strahlenbündel und der Fluid/Luft-Grenzfläche 40, die dazu führen können, dass eine geringe Energiemenge durch die Fluid/Luft-Grenzfläche 40 hindurch übertragen wird. Bei der vorliegenden Erfindung kommen jedoch Quellenblenden 52, Empfängerblenden 62 sowie gewisse, weiter unten genauer beschriebene Steuertechniken zum Einsatz, um solche und andere anomale Signale auszuscheiden.
Die Quellenblenden 52 und die Empfängerblenden 62 verhindern, dass die Empfänger 63–66 fälschlicherweise anzeigen, dass sie Energie von ihren entsprechenden LEDs empfangen haben. Als Quellen für falsche Ablesewerte kommen unter anderem der Energieempfang von der falschen LED (Übersprechen) und aus anderen in der Umgebung vorhandenen Infrarot-Quellen in Frage. Quellen für ein Übersprechen sind unter anderem eine unvorhersehbare Reflexion bzw. Brechung der von den LEDs 53–56 emittierten Energie, verursacht unter anderem durch Luftblasen in dem Fluid 42 oder an den Kassettenwänden 51 bzw. 61, das Meniskenfenster des Fluids 42 an der Berührungsstelle der Fluid/Luft-Grenzfläche 40 mit den Kassettenwänden 51 und 61, Schaum auf der Fluid/Luft-Grenzfläche 40, Spritzen des Fluids 42 oder übergroße Neigung der Kassette 10. Übliche Quellen für Infrarot-Strahlung aus der Umgebung sind unter anderem Infrarot-Fernsteuerungen und Glühlampen. Die Quellenblenden 52 und die Empfängerblenden 62 verhindern auf wirkungsvolle Weise fast alle durch Infrarotquellen aus der Umgebung bedingten Fehlsignale und viele durch Übersprechen verursachte Fehlsignale.
Um jedoch weiters Fehler durch Übersprechen zu verhindern, veranlasst das Steuersystem die LEDs 53, 54, 55 und 56, zyklisch hintereinander an- und auszuschalten, so dass zu einem bestimmten Zeitpunkt nur eine LED angeschaltet ist. Die Zeitdauer, für die jede LED angeschaltet ist, wird von der Zeit bestimmt, die die Empfänger 63– 66 benötigen, um sich in Reaktion auf den Empfang von Energie vollständig einzuschalten (etwa eine Millisekunde bei einer bevorzugten Ausführungsform). Die Zeitdauer, während der alle LEDs ausgeschaltet sind (d. h. die Zeit zwischen dem Ausschalten der LED 53 und dem Anschalten der LED 54), wird von der Zeit bestimmt, die von den Empfängern 63–66 benötigt wird, um in ihren Ruhezustand (Ausschaltzustand) zurückzukehren (etwa zwei Millisekunden bei einer bevorzugten Ausführungsform). Etwa alle 100 Millisekunden schaltet das Steuersystem jede der LEDs 53–56 zyklisch an und aus. Unmittelbar vor und nach dem Einschalten jeder der LEDs 53–56 fragt das Steuersystem jeden der entsprechenden Empfänger 63–66 ab, um zu ermitteln, ob der Empfänger vor dem Einsetzen der LED ausgeschaltet und in der Folge nach dem Einsetzen der LED angeschaltet war. Dieses Schem, zu einem Zeitpunkt nur eine LED anzuschalten und die Empfänger vor und nach dem Einschalten der LED abzufragen, ermöglicht es dem Steuersystem, von jedem einzelnen Empfänger empfangene falsche Ein-Signale und falsche Aus-Signale auszuscheiden.
Wenn das Steuersystem feststellt, dass ein Empfänger eingeschaltet hätte sein sollen, aber nicht eingeschaltet war, muss die Fluid/Luft-Grenzfläche 40 das von der entsprechenden LED kommende Signal abgeblockt haben. Somit ist in einem annehmbaren Spielraum die neue Position der Fluid/Luft-Grenzfläche 40 bekannt. In Abhängigkeit zu der neuen Position der Fluid/Luft-Grenzfläche 40, verglichen mit deren früherer Position, pumpt das Steuersystem entweder Fluid 42 aus der Kammer 20 ab oder lässt mehr Fluid hineinströmen. 4 zeigt die bevorzugte Gleichgewichtslage der Fluid/Luft-Grenzfläche 40 damit sie mit der von der LED 56 emittierten Energie und somit mit dem Energieempfang durch den Empfänger 66 in Wechselwirkung tritt. Nach Erreichen der in 4 dargestellten Gleichgewichtslage schaltet das Steuersystem die Peristaltikpumpe ab und lässt zu, dass sich Fluid in der Kammer 20 ansammelt. Wenn im Gegensatz dazu das Steuersystem eine Wechselwirkung der Fluid/Luft-Grenzfläche 40 mit irgendeinem der LED/Empfänger-Paare 53/63, 54/64 oder 55/65 feststellt, bzw. wenn die Fluid/Luft-Grenzfläche 40 so weit ansteigt, dass die Spur 76 bis an den Empfänger 66 reicht, dann schaltet das Steuersystem die Peristaltikpumpe ein und pumpt so lange Fluid 42 aus der Kammer 20 ab, bis die Gleichgewichtslage wiederhergestellt ist.
Wird eine Kassette zum ersten Mal in die Operationskonsole eingesetzt, so versucht das Steuersystem automatisch, Fluid aus der Kammer 20 abzupumpen. Kann nach etwa 10 Sekunden keine Fluid/Luft-Grenzfläche erkannt werden, wird davon ausgegangen, dass die Kammer 20 leer ist und das Fluid kann sich so lange ansammeln, bis die in
4 dargestellte Gleichgewichtslage erreicht ist. Wird hingegen während dieser ersten Abpumpphase von dem LED/Empfänger-Paar 53/63 eine Fluid/Luft-Grenzfläche erkannt, wird davon ausgegangen, dass die Kammer 20 voll war, und sie wird bis zum Erreichen der Gleichgewichtslage abgepumpt. Ist die Gleichgewichtslage erreicht, so arbeitet das Steuersystem wie soeben beschrieben.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Empfänger so positioniert werden, dass sie nur dann Energie empfangen, wenn die Energie durch die Fluid/Luft-Grenzfläche 40 nach unten reflektiert wird. In einer solchen alternativen Ausführungsform würden die LEDs 53–56 wie in den 2–5 gezeigt positioniert werden, die Empfänger 63–66 würden jedoch weiter nach unten versetzt und mit ihren offenen Enden in einem Winkel von etwa 20° nach oben weisend ausgerichtet werden. Die Grenzfläche würde somit durch das Vorhandensein eines empfangenen Signals anstatt durch das Ausbleiben eines solchen erkannt werden.

Claims

Vorrichtung zum Erfassen des Stands eines Fluids (42), welches in einem Fluidreservoir (30) enthalten ist, das Wände (51, 61) aufweist, die für Strahlungsenergie transparent sind, wobei mehrere Strahlungsenergiequellen (53–56) außerhalb einer Seitenwand des Reservoirs angeordnet sind und eine entsprechende Anzahl von Strahlungsenergieempfängern (63–66) außerhalb des Reservoirs gegenüber den entsprechenden Strahlungsenergiequellen (53–56) in Paaren angeordnet sind, so daß jeder Empfänger entlang eines Übertragungsweges (73–76) eines emittierten Energiestrahls ausgerichtet ist, der nach oben durch das Reservoir gerichtet ist, wobei ein Strahl der Strahlungsenergie, der aus einer Quelle nach oben transmittiert wird, auf seinen entsprechenden Empfänger auftrifft, sofern er nicht durch die Fluid/Luft-Grenzfläche (40) durch Totalreflexion abgelenkt wird, wobei ein Steuersystem in der Lage ist, separat das Ausbleiben eines von jedem Empfänger empfangenen Signals zu analysieren, um zu bestimmen, ob die Energie aus einer Quelle durch die Fluid/Luft-Grenzfläche blockiert wurde, um die Lage der Fluid/Luft-Grenzfläche anzuzeigen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Strahlungsenergiequelle (53–56) und jeder Strahlungsenergieempfänger (63–66) mit Blenden (52, 62) versehen ist, so daß der aus jeder Strahlungsenergiequelle emittierte Strahl nur auf dem ihm zugeordneten Empfänger auftrifft, um ein Übersprechen zu vermeiden, dadurch, daß jede Strahlungsenergiequelle (53–56) mit einen Winkel von etwa 20° gegen die Horizontale nach oben gerichtet ist, dadurch, daß die Energiequellen (53–56) vertikal voneinander beabstandet sind, und dadurch, daß die Energieempfänger (63–66) vertikal voneinander beabstandet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die mehreren Energiequellen (53–56) in einer vertikalen Linie an einer Seite des Reservoirs angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der jeder Empfänger (63-66) nach unten zu einer entsprechenden Energiequelle mit einem Winkel von etwa 20° gegen die Horizontale ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die folgendes umfaßt: a) einen Quellenabschirmaufbau (52), der zum Abblocken der Energie eingerichtet ist, die von ihrer entsprechenden Strahlungsquelle (53–56) in einem Winkel von mehr als 5° bezüglich des Übertragungswegs (73–76) emittiert wird, und b) einen Empfängerabschirmaufbau (62), der zum Abblocken der Energie eingerichtet ist, die von ihrem entsprechenden Empfänger (63–66) in einem Winkel von mehr als 5° bezüglich des Übertragungswegs (73–76) empfangen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Steuersystem in der Lage ist, die Strahlungsquellen (53–56) in einer Abfolge zyklisch an- und auszuschalten, so daß zu einem Zeitpunkt nur eine Strahlungsquelle angeschaltet ist.
Vorrichtung zum Erfassen des Standes eines Fluids (42), welches in einem Fluidreservoir (30) enthalten ist, das Wände (51, 61) aufweist, die für Strahlungsenergie transparent sind, wobei mehrere Strahlungsenergiequellen (53–56) außerhalb einer Seitenwand des Reservoirs angeordnet sind und eine entsprechende Anzahl von Strahlungsenergieempfängern (63–66) außerhalb des Reservoirs gegenüber den entsprechenden Strahlungsenergiequelle (53–56) in Paaren angeordnet sind, so daß jeder Empfänger entlang eines Übertragungsweges (73, 76) eines emittierten Energiestrahls ausgerichtet ist, der nach oben durch das Reservoir gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Strahlungsenergiequelle (53–56) und jeder Strahlungsenergieempfänger (63–66) mit Blenden (52, 62) versehen ist, so daß der aus jeder Strahlungsenergiequelle emittierte Strahl nur auf dem ihm zugeordneten Empfänger auftrifft, um ein Übersprechen zu vermeiden, dadurch, daß jede Strahlungsenergiequellen (53–56) mit einem Winkel von etwa 20° gegen die Horizontale nach oben gerichtet ist, dadurch, daß die Energiequellen (53–56) vertikal voneinander beabstandet sind, dadurch, daß die Energieempfänger (63–66) vertikal voneinander beabstandet sind, und dadurch, daß ein Strahl der Strahlungsenergie, der aus einer Quelle nach oben gerichtet transmittiert wird, auf seinen entsprechenden Empfänger auftrifft, sofern er von der Fluid/Luft-Grenzfläche (40) durch Totalreflexion abgelenkt wird, wobei das Steuersystem in der Lage ist, die Gegenwart eines von jedem Empfänger empfangenen Signals separat zu analysieren, um zu bestimmen, ob die Energie aus einer Quelle von der Fluid/Luft-Grenzfläche reflektiert wurde, um die Lage der Fluid/Luft-Grenzfläche anzuzeigen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der jeder Empfänger (63–66) mit einem Winkel von etwa 20° gegen die Horizontale nach oben ausgerichtet ist, so daß sie Energie nur empfangen, wenn die Energie von der Fluid/Luft-Grenzfläche in dem Reservoir nach unten reflektiert wird.
Verfahren zum Erfassen des Standes eines Fluids (42), welches in einem Fluidreservoir (30) enthalten ist, das Wände (51, 61) aufweist, die für Strahlungsenergie transparent sind, wobei mehrere Strahlungsenergiequellen (53–56) außerhalb einer Seitenwand des Reservoirs angeordnet werden und eine entsprechende Anzahl von Strahlungsenergieempfängern (63–66) außerhalb des Reservoirs gegenüber den entsprechenden Strahlungsenergiequellen (53–56) in Paaren angeordnet werden, so daß jeder der Empfänger entlang eines Übertragungsweges (73–76) eines emittierten Energiestrahls ausgerichtet wird, der durch das Reservoir nach oben gerichtet ist, wobei ein Strahl der Strahlungsenergie, der aus der Quelle nach oben transmittiert wird, auf seinen entsprechenden Empfänger auftrifft, sofern er nicht von der Fluid/Luft-Grenzfläche (40) durch Totalreflexion abgelenkt wird, wobei ein Steuersystem in der Lage ist; das Ausbleiben eines von jedem Empfänger empfangenen Signals separat zu analysieren, um zu bestimmen, ob die Energie aus einer Quelle durch die Fluid/Luft-Grenzfläche blockiert wurde, um die Lage der Fluid/Luft-Grenzfläche anzuzeigen, gekennzeichnet durch Ausstatten jeder Strahlungsenergiequelle (53–56) und jedes Strahlungsenergieempfängers (63–66) mit Blenden (52, 62), so daß der von jeder Strahlungsenergiequelle emittierte Strahl nur auf dem ihm zugeordneten Empfänger auftrifft, um ein Übersprechen zu vermeiden, durch Aufwärtsrichten jeder Strahlungsenergiequelle (53–56) mit einem Winkel von etwa 20° gegen die Horizontale, durch Anordnen der Energiequellen (53–56) mit jeweils einem vertikalen Abstand, und durch Anordnen der Energieempfänger (63–66) mit jeweils einem vertikalen Abstand.
Verfahren nach Anspruch 8, bei der die Anordnung der mehreren Energiequellen (53– 56) in einer vertikalen Linie auf einer Seite des Reservoirs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei dem jeder Empfänger (63–66) nach unten zu einer entsprechenden Energiequelle mit einem Winkel von etwa 20° gegen die Horizontale ausgerichtet wird.
Verfahren zum Messen des Stands eines Fluids (42), das in einem Fluidreservoir (30) enthalten ist, welches Wände (51, 61) aufweist, die für Strahlungsenergie transparent sind, wobei mehrere Strahlungsenergiequellen (53–56) außerhalb einer Seitenwand des Reservoirs angeordnet werden und eine entsprechende Anzahl von Strahlungsenergieempfängern (63–66) außerhalb des Reservoirs gegenüber den entsprechenden Strahlungsenergiequellen (53–56) in Paaren angeordnet werden, so daß jeder Empfänger entlang eines Übertragungsweges (73–76) eines emittierten Energiestrahls ausgerichtet wird, der durch das Reservoir nach oben gerichtet ist, gekennzeichnet durch Ausstatten jeder Strahlungsenergiequelle (53–56) und jedes Strahlungsenergieempfängers (63–66) mit Blenden (52, 56), so daß der von jeder Strahlungsenergiequelle emittierte Strahl nur dem ihm zugeordneten Empfänger auftrifft, um ein Übersprechen zu vermeiden, durch Aufwärtsrichten jeder Strahlungsenergiequelle (53–56) mit einem Winkel von etwa 20° gegen die Horizontale, durch Anordnen der Energiequellen (53–56) mit einem vertikalen Abstand zwischen jeder von ihnen, durch Ausrichten der Energieempfänger (63–66) mit einem vertikalen Abstand zwischen jedem von ihnen, und durch Transmittieren eines Strahls von Strahlungsenergie aus einer Quelle nach oben, so daß er auf seinem entsprechenden Empfänger auftrifft, sofern er durch die Fluid/Luft-Grenzfläche (40) durch Totalreflexion abgelenkt wird, wobei das Steuersystem in der Lage ist, separat die Gegenwart eines Signals zu analysieren, welches von jedem Empfänger empfangen wird, um zu bestimmen, ob die Energie aus einer Quelle durch die Fluid/Luft-Grenzfläche reflektiert wurde, um die Lage der Fluid/Luft-Grenzfläche anzuzeigen.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem jeder Empfänger (63–66) mit einem Winkel von etwa 20° gegen die Horizontale nach oben gerichtet wird, so daß sie Energie nur empfangen, wenn die Energie von der Fluid/Luft-Grenzfläche in dem Reservoir nach unten reflektiert wird.