DE69734662T2

DE69734662T2 - System zur impedanzüberwachung einer flüssigkeitsströmung

Info

Publication number: DE69734662T2
Application number: DE69734662T
Authority: DE
Inventors: D. Robert BUTTERFIELD; B. Allen FARQUHAR
Original assignee: Alaris Medical Systems Inc
Current assignee: CareFusion 303 Inc
Priority date: 1996-07-30
Filing date: 1997-07-29
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2017-07-30
Also published as: DK0923392T3; HK1018014A1; US5803917A; EP0923392A1; WO1998004303A1; JP2000504964A; DE69734662D1; JP3667770B2; ATE309831T1; GR990300028T1; JP4047288B2; JP2004154587A; CA2261038A1; DE923392T1; ES2138573T1; EP0923392B1; CA2261038C

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Fluidabgabesysteme. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Überwachung der Impedanz des Fluids in einem Fluidabgabesystem, das ein Fluid in einen Patienten infundiert.
Beschreibung der verwandten Technik
Fluid wird in verschiedenen Situationen in einen Patienten infundiert. Anwendungen von Fluidabgabesystemen umfassen (sind aber keineswegs beschränkt auf) intravenöse Infusion, intraarteriale Infusion, Infusion enteraler Lösungen, Infusion von Medikamenten in den epiduralen Raum und diagnostische Infusion zur Feststellung vaskulärer Merkmale des Arterien-, Harnausscheidungs-, Lymph- oder Zerebrospinalsystems.
Fluidabgabesysteme zur Infusion von Fluiden in einen Patienten umfassen einen Vorrat des zuzuführenden Fluids, eine Infusionsnadel oder Infusionskanüle, einen Zuführaufbau, der den Fluidvorrat mit der Kanüle verbindet, sowie eine Flußsteuervorrichtung wie z. B. eine Infusionspumpe mit positiver Verdrängung. Der Zuführaufbau umfasst typischerweise eine flexible Leitung. Die Kanüle ist am distalen Ende der flexiblen Leitung zum Einführen in ein Blutgefäß oder eine andere Körperstelle des Patienten zwecks Abgabe des Fluidinfusats an den Patienten angeordnet. Die Flußsteuervorrichtung ist oft eine peristaltische Pumpe, die auf die flexible Leitung wirkt, um das Fluid durch die Leitung des Zuführaufbaus zur Kanüle und in den Patienten zu befördern. Eine allgemein benutzte Flußsteuervorrichtung ist eine linear peristaltische Pumpe mit mehreren Nocken und nockenbetriebenen Fingern, die abwechselnd Abschnitte der flexiblen Leitung entlang einer Pumpzone verschließen, um eine sich verschiebende Verschlusszone zu erzeugen.
Während des Infusionsvorgangs können sich Vorfälle ereignen, welche die richtige Abgabe des Fluids an den Patienten stören können, z. B. eine Verstopfung der Zuführleitung. Es ist wünschenswert, diese Vorfälle so schnell wie möglich zu erfassen, so daß sie behoben werden können.
Eine übliche Technik zum Erfassen solcher Vorfälle und zum Bewerten des Status des Fluidabgabesystems ist das Überwachen des Drucks im Zuführaufbau. Druckschwankungen können auf Probleme in der Fluidabgabe hinweisen. Beispielsweise kann das Ansteigen des Drucks über einen bestimmten Grenzwert hinaus ein Zeichen für eine Verstopfung im System sein. Ebenso kann ein Druckabfall einen leeren Fluidvorrat oder andere Fehler des Fluidabgabesystems anzeigen.
Ein Problem der Bestimmung des Status des Fluidabgabesystems allein durch Drucküberwachung liegt in der niedrigen Geschwindigkeit, mit der sich Druck aufbaut, wenn das System mit niedriger Flußrate arbeitet. Bei niedriger Flußrate ist die Energie, die pro Zeiteinheit in den Durchlauf eingebracht wird, sehr gering. Es kann also viel Zeit vergehen, bis sich der Druck so weit aufgebaut hat, daß ein Grenzwert überschritten und eine Verstopfung angezeigt wird. Außerdem können bei einem relativ niedrigen Grenzwert Bewegungen des Patienten wie Husten, Niesen und Aufsetzen zu einer vorübergehenden Überschreitung des Druckgrenzwerts führen und so einen Fehlalarm für das Fluidabgabesystem auslösen. Ein anderes Problem bei der ausschließlichen Messung des Drucks entsteht, wenn die Kanüle in der interstitiellen Gewebematrix verrutscht, was zu einem Druckanstieg führt. Die Höhe des resultierenden Druckanstiegs hängt von der Flußrate ab. Bei einer Flußrate von beispielsweise 10 ml/h liegt der Druckanstieg typischerweise nur bei etwa 10 mm Hg; bei einer Flußrate von 2 ml/h liegt der Druckanstieg nur bei etwa 2 mm Hg. Solche relativ geringen Veränderungen sind schwer anhand von Direktanzeigen oder auch von Drucktrends zu erfassen, da andere Veränderungsursachen wie Bewegungen und Gefäßdruck des Patienten, ein Anheben der Systemkomponenten und die Flußrate selbst vorhanden sind.
Wie in der US-Patentschrift 4 898 576 an Philip erwähnt, kann die Messung des Wirkwiderstands der Fluidleitungsimpedanz zur Überwachung des Zustands der Fluidleitung benutzt werden. Eine zur aktiven Überwachung des Widerstands anstelle eines bloßen Wartens auf einen Druckaufbau benutzte Technik ist die Änderung der Flußrate. Es wurde festgestellt, daß die von der veränderten Flußrate bedingte Veränderung im Druck den Wirkwiderstand der Fluidimpedanz im System genau wiedergibt, wenn dem Druck genug Zeit gegeben wird, bei jeder Rate ein Gleichgewicht zu erreichen. Es wurde festgestellt, daß diese Technik bei höheren Flußraten mit entsprechend höherem Druck effektiv ist. Eine Veränderung dieser höheren Flußraten wird von einer schnellen und meßbaren Druckveränderung begleitet. Aufgrund der schnellen Reaktion auf Flußratenänderungen kann die Flußrate um die gewählte Flußrate herum variiert werden, ohne daß die Flussgleichmäßigkeit in klinisch relevanter Weise beeinflusst wird.
Bei niedrigeren Flußraten allerdings schränkt die klinische Notwendigkeit der Flußratengleichmäßigkeit die Größe der Flussveränderung ein, denen die Fluidleitung ausgesetzt werden darf. Es ist deshalb nicht wünschenswert, zwischen verschiedenen Flußraten abzuwechseln, um für die Bestimmung des Widerstands unterschiedliche Druckreaktionen zu erzielen, da die Veränderun gen im Fluss schädigende Auswirkungen auf die Flussgleichmäßigkeit hätten und außerdem eine relativ lange Zeitspanne nötig wäre, um diese Druckreaktionen zu erzielen.
Verschiedene Modelle von Druck und Widerstand ermöglichen genaue Widerstandsmessungen. Beispielsweise ist in der US-Patentschrift Nr. 5 087 245 an Doan eine Technik zur Bestimmung des Flusswiderstands beschrieben, die eine nicht-lineare Beziehung zwischen Druck und Durchfluss und einer zeitlich variierenden Impedanz (Resistanz und Komplianz) zulässt, und die das Einführen eines Fluidbolus in das Infusionssystem und das Überwachen der resultierenden Druckwelle und der Druckabfallreaktion beinhaltet. Das Injizieren einer bekannten Menge von Fluid bewirkt eine resultierende Druckwelle, die dann bis zum Gleichgewichtsdruck abfällt. Mit Hilfe des Gleichgewichtsdrucks und der Druckabfallreaktion kann der Fluidwiderstand bestimmt werden, auch wenn eine nicht-lineare Beziehung zwischen Fluss und Druck besteht und wenn die Impedanz (Resistanz und Komplianz) zeitlich gemäß der folgenden Gleichung variiert:
wobei:

∫F(t)dt: = Q = die bekannte abgegebene Menge Fluid,
P(t): = zeitliche Veränderung des Drucks
P₀: = der Gleichgewichtsdruck oder Offset-Druck,
A_P: = der Bereich unterhalb einer Druckreaktionswellenform und
A_F: = der Bereich unterhalb einer Fluidflusswellenform ist.

Indem also eine bekannte Menge eines Fluids über das Infusionssystem injiziert wird, der resultierende Druck in seinem Abfallen auf einen Gleichgewichtsdruck überwacht wird und ein Integral der Differenz zwischen dem Gleichgewichtsdruck und der Druckreaktion bestimmt wird, kann der Widerstand zum Fluidfluss bestimmt werden. Nachdem die bekannte Menge an Fluid injiziert wurde, können jedoch keine weiteren Mengen von Fluid über das System injiziert werden (d. h. es werden keine weiteren Flussschritte initiiert), damit der Druck auf Gleichgewichtsdruckniveau abfällt. In einigen Situationen, zum Beispiel dann, wenn der Fluidwiderstand relativ hoch ist, kann eine relativ lange Pause in der Fluidinjektion nötig sein, damit der Druck wieder Gleichgewichtsniveau erreicht. Je nach Anwendung können solche langen Verzögerungen zwischen den Fluidflussschritten unerwünscht sein.
Wie in der anhängigen US-Patentanmeldung 5 609 576 erläutert, sind pseudozufällige Codes mit binärer Zufallsfolge (PRBS-Codes) benutzt worden, um die Verzögerungen bis zum Erreichen des Gleichgewichtsdrucks effektiv zu eliminieren, indem „virtuelle" Wellenformen erzeugt wur den. Aufgrund der hohen Verarbeitungsanforderungen von PRBS-Kodierungs- und Dekodierungsvorgängen wurden PRBS-Codes nur in Kombination mit linearen und nicht zeitlich variablen Modellen von Druck und Widerstand wie z. B. der folgenden Gleichung benutzt:
wobei

F: = Flußrate,
P: = Druck und Widerstand und Komplianz feste Werte sind (d. h. Werte, die nicht zeitlich oder mit dem Druck variieren).

Eine solche lineare und nicht zeitlich variable Bestimmungstechnik ist bei Fluidwiderständen zwischen 0 bis 1500 Fluidohm (dabei 1 Fluidohm = 1 mm Hg pro Liter pro Stunde = 0,0389 Pa pro m³ pro Sek.) Da jedoch die Fluidimpedanz (also Widerstand und Komplianz) in Wirklichkeit zeitlich variiert und nicht-linear ist, weist die oben genannte Bestimmungstechnik eine geringere Genauigkeit auf, wenn der Fluidwiderstand über 1500 Fluidohm liegt.
Es ist zu beachten, daß der Fluidwiderstand ein Teil des Gesamtsystems der Fluidimpedanz ist. Die Fluidimpedanz ist eine Funktion des Systems Komplianz, Inertanz und Widerstand.
Zu den Ursachen der nicht-linearen, zeitlich variierenden Widerstandbeziehung zählt die Viskoelastizität der flexiblen Leitung, welche sich nach der Anwendung einer positiven Drucktransiente langsam zusammenzieht. Auch die biochemischen und rheologischen Aspekte des Fluidsystems des Patienten wie der Blutfluss im menschlichen Körper verkomplizieren die Druck/Fluss-Beziehung.
Es gibt mehrere Anwendungen parenteraler Infusionssysteme, bei denen sowohl niedrige Flußraten als auch hohe Widerstände anzutreffen sind. Beispielsweise können bei der Infundierung kleiner Kinder und Säuglinge und insbesondere Frühgeborener mit parenteraler Flüssigkeit sowohl niedrige Flußraten als auch hohe Widerstände vorliegen.
Ein zusätzliches Problem bei der Überwachung von Fluidinfusionssystemen wird von verschiedenen „Stör"-Quellen verursacht, welche die Drucküberwachung negativ beeinflussen können. Solche Störquellen können Bewegungen des Fluidinfusionssystems und Patientenbewegungen wie Atmen und Gehen sein. Die Benutzung mehr als einer Pumpe und eines Zuführaufbaus zum Injizieren des Fluids über eine einzelne Fluidabgabesystemkanüle kann außerdem Störgeräusche verursachen, welche die individuelle Überwachung des Flusses in den verschiedenen Zuführvorrichtungen stören kann.
Fachleute haben deshalb erkannt, daß ein Fluidabgabeüberwachungssystem benötigt wird, das einen Fehlerzustand in der Fluidabgabe schneller und mit verbesserter Genauigkeit als frühere Systeme bei niedrigen Flußraten erfassen kann. Es besteht außerdem klarer Bedarf an einem System, das unter Aufrechterhaltung klinisch akzeptabler Flussmuster die Existenz eines Offset-Drucks ausgleichen kann, und das teilweise oder „weiche" Verstopfungen erfassen kann, die zu Druckveränderungen führen können, welche zu gering sind, um von üblichen Drucküberwachungssystemen entdeckt zu werden. Zusätzlich ist auch erkannt worden, daß ein System nötig ist, das weniger empfindlich auf andere Ursachen von Druckveränderungen in der Leitung reagiert, wie z. B. solchen, die von anderen Pumpen an derselben Fluidleitung verursacht werden. Es ist außerdem ein System wünschenswert, das über eine breite Spanne von Widerständen genau ist und das weniger empfindlich gegenüber Störeffekten ist. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese und andere Anforderungen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung ist ein medizinisches Fluidabgabesystem vorgesehen, welches eine Fluidleitung und eine Infusionspumpe umfasst, die auf die Fluidleitung einwirken kann, um den Fluidfluss durch die Leitung zu steuern, wobei die Infusionspumpe eine Drehwelle aufweist, die an einen Schrittmotor mit mehreren Motorschritten pro Umlauf gekoppelt ist, wobei die Art der Pumpe so ist, daß das Fluidvolumen variiert, welches entlang der Leitung durch die Pumpe per Motorschritt abgegeben wird, wobei das Abgabesystem einen Motorpositionssensor, welcher die Position des Motors und der Pumpe bestimmt, eine Druckmesseinrichtung, welche einen Drucksensor umfasst, der an die Leitung gekoppelt ist, um den Druck in der Leitung zu erfassen, sowie einen Prozessor umfasst, der eingerichtet ist, Drucksignale von dem Drucksensor zu empfangen, wobei der Positionssensor eingerichtet ist, ein Positionssignal an den Prozessor zu liefern, und der Prozessor eingerichtet ist, einen pseudozufälligen Code auszugeben, welcher „1"- und „0"-Elemente aufweist, um die Pumpe zu steuern, um eine Strömung in einem Strömungsvariationsmuster entsprechend dem pseudozufälligen Code zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor konfiguriert ist, den Pumpenmotor so zu steuern, daß dieser sich in Überschritten bewegt, wobei jeder Überschritt eine Gruppe dieser Motorschritte umfasst, so daß jeder Überschritt bewirkt, daß ein Überschrittfluidvolumen durch die Leitung strömt, wobei jedes Überschrittvolumen im wesentlichen gleich den anderen Überschrittvolumina ist, wobei der Prozessor konfiguriert ist, jedem Element des pseudozufälligen Codes ein Zeitfenster zuzuordnen und zu bewirken, daß der Pumpenmotor während jedes Zeitfensters, das einem „1"-Element des Codes zugeordnet ist, eine Anzahl von Überschritten durchläuft, wobei die Anzahl von der gewählten Flußrate oder anderen Systemparametern abhängig ist, und zu bewirken, daß der Pumpenmotor wäh rend jedes Zeitfensters, das einem „0"-Element des Codes zugeordnet ist, keine Überschritte durchläuft, wobei der Prozessor des Weiteren konfiguriert ist, zu bewirken, daß die Pumpe das Fluid, welches während jedes Zeitfensters abgegeben wird, das einem „1"-Element zugeordnet ist, in Form von mehreren dicht beabstandeten Strömungswellenformen am Anfang des Zeitfensters abgibt, und wobei der Prozessor eingerichtet ist, gemittelte Druckwerte für wenigstens einige der Drucksignale zu bestimmen, und die gemittelten Druckwerte entsprechend dem pseudozufälligen Code zu dekodieren, und die dekodierten gemittelten Druckwerte zu verarbeiten, um einen Strömungsparameter zu bestimmen.
In einem genaueren Aspekt bestimmt der Prozessor den Flusswiderstand.
In einem weiteren Aspekt kontrolliert der Prozessor die Flußsteuervorrichtung, um zu bewirken, daß verschiedene Flußraten in der Leitung vorhanden sind, mit der Anwendung von spezifischen Flußraten in Abhängigkeit davon, ob die gewählte Flußrate hoch, mittel oder niedrig ist. Der Prozessor wendet verschiedene Widerstandmesstechniken je nach der gewählten Flußrate an.
In einem weiteren Aspekt wird der pseudozufällige Code benutzt, um ein sich wiederholendes, nicht-gleichmäßiges Flussmuster zu erzeugen, das Druckreaktionen hervorruft, welche gemessen und dann dekodiert werden, um den geschätzten Gleichgewichtsdruck oder den Gesamt-Offset-Druck zu berechnen. Die Druckreaktionen während einer pseudozufälligen Codephase werden ebenfalls addiert. Die Druckreaktionssumme und der geschätzte Gleichgewichtsdruck werden dann benutzt, um den Flusswiderstand zu bestimmen.
In einem weiteren Aspekt, bei dem die gewählte Flußrate unter eine bestimmte Tiefstgrenze fällt, bestimmt der Prozessor eine Zeitfensterlänge und kontrolliert die Flußsteuervorrichtung derart, daß sie zu Beginn des Zeitfensters einen Fluidbolus abgibt. Die Druckreaktion wird überwacht, um einen Gleichgewichtsdruck zu bestimmen, und die Summe der Druckreaktion wird bestimmt. Der Widerstand wird anhand des bestimmten Gleichgewichtsdrucks und der Druckreaktionssumme berechnet.
In einem weiteren genaueren Aspekt, bei dem die gewählte Flußrate eine Höchstgrenze überschreitet, kontrolliert der Prozessor die Flußsteuervorrichtung derart, daß mehrere verschiedene Flußraten in der Leitung vorhanden sind. Der Prozessor verarbeitet dann die Druckdifferenz und die Flußratendifferenz, um die Flussimpedanz zu bestimmen.
In einem weiteren Aspekt kontrolliert der Prozessor die Flußsteuervorrichtung derart, daß sie eine dicht beabstandete Serie oder einen „Triller" von Flusswellenformen am Anfang eines Zeitfensters abgibt.
In einem anderen Aspekt, der für ein Fluidabgabesystem benutzt werden kann, das zwei oder mehr Fluidinfusionssegmente aufweist, von denen jedes eine separate Fluidquelle und eine sepa rate Flußsteuervorrichtung aufweisen kann, die auf eine separate Fluidleitung wirkt, wobei jedes der zwei oder mehr Fluidinfusionssegmente in eine gemeinsame Fluidleitung einleitet, die Fluid an den Patienten abgibt, und wobei wenigstens eins der Fluidinfusionssegmente einen Prozessor aufweist, der die Flußsteuervorrichtung kontrolliert, benutzt der Prozessor einen pseudozufälligen Kodierungs- und Dekodierungsprozess, um die Druckreaktionsüberschneidungen zu filtern, die von den anderen Fluidinfusionssegmenten erzeugt werden.
In einem anderen genaueren Aspekt der Erfindung bestimmt das System eine Schätzung der Signalqualität und der Störung.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen anhand der folgenden genauen Beschreibung der Erfindung unter Hinzuziehung der begleitenden Figuren verdeutlicht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Systems zur Erfassung von Anomalien in einer Fluidleitung, welche die Leitgedanken der Erfindung in ihrer Anwendung auf ein intravaskuläres Fluidinfusionssystem verkörpert.
2 zeigt eine graphische Darstellung des Fluidflusses und der entsprechenden Druckreaktionen.
3 zeigt eine graphische Darstellung verschiedener Fluidflusswellenformen und der entsprechenden Druckreaktionen.
4 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm, das den Prozess zur Erzeugung einer geschätzten Druckwellenform mit Hilfe von PRBS-Kodierung und -Dekodierung darstellt.
5 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm, das einen Prozess zur Bestimmung des Widerstands gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
6 zeigt eine graphische Darstellung, die eine Probe für die Zuordnung von Motorschritt und Überschritt illustriert.
7 zeigt eine graphische Darstellung der PRBS-Codeerzeugung.
8 zeigt eine graphische Darstellung der Druckreaktionen mit Grundlinienprobenmittelungsbereichen.
9 zeigt eine graphische Darstellung der PRBS-Dekodierung.
10 zeigt eine graphische Darstellung der Druckreaktionen mit Blockmittelwerten.
11 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm, das die Median-Filterung zeigt.
12 zeigt eine graphische Darstellung der Flusswellenformen aufgrund benachbarter Pumpschritte.
13a zeigt eine graphische Darstellung von Flusswellenformen entsprechend einer Beschleunigungs/Vrzögerungswellenform.
13b zeigt eine graphische Darstellung von Flusswellenformen gemäß getrillerten Beschleunigungs/Verzögerungswellenformen.
14 zeigt eine graphische Darstellung einer Druckwellenform und einer entsprechenden Zeitfenster-Summenreihe.
15 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das ein System für die Widerstandsüberwachung eines Fluidinfusionssystems mit zwei Fluidinfusionssegmenten darstellt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter genauerer Bezugnahme auf die Figuren, in denen identische Bezugszeichen der verschiedenen Ansichten ähnliche oder entsprechende Elemente anzeigen, ist in 1 ein Blockdiagramm eines Widerstandsüberwachungssystems 10 gezeigt, welches Aspekte der vorliegenden Erfindung verkörpert. Das Widerstandsüberwachungssystems ist an die Leitung 12 eines Fluidabgabesystems gekoppelt, in dem ein Pumpenmotor 14 einen Pumpmechanismus 16 antreibt, der in der dargestellten Ausführungsform eine Nockenwelle 18 aufweist, die an den Pumpenmotor 14 gekoppelt ist und eine Serie peristaltischer Elemente 20 bewegt. Die peristaltischen Elemente 20 wirken auf die Leitung 12, um Fluid von einer Fluidquelle 22 durch die Leitung 12 und über eine Kanüle 26 in einen Patienten 24 zu befördern.
Eine Nutzereingabevorrichtung 28 wie z. B. eine Tastatur stellt Betreiberbefehle wie z. B. die Auswahl der Flußrate an einen Prozessor 30 bereit. Der Prozessor 30 steuert den Betrieb des Pumpenmotors 14, der den Pumpmechanismus 16 antreibt. Ein Motorpositionierungssensor 32 bestimmt die Position von Motor 14 und Pumpmechanismus 16 und stellt ein Positionssignal an Prozessor 30 bereit.
Ein Drucksensor 34, der dem Pumpmechanismus nachgeordnet ist, ist an die Leitung 12 gekoppelt, um den Druck in der Leitung zu erfassen. Ein Analog/Digital-Umwandler 36 („A/D") empfängt die analogen Druckausgabesignale von Sensor 34 und wandelt sie mit einer vom Prozessor 30 gesteuerten Ableserate in ein digitales Format um. Der Prozessor 30 empfängt die digitalen Drucksignale, verarbeitet sie, wie es an späterer Stelle genauer beschrieben werden soll, und berechnet den Flusswiderstand. Eine Anzeige 38 stellt den Widerstand dar. Es sind ein oder mehrere Alarmgeber 40 vorgesehen, die unbefriedigende Widerstandswerte anzeigen. Als Absi cherung des Widerstandsüberwachungssystems kann das Alarmsystem 40 auch dann aktiviert werden, wenn der Druck einen eingestellten Grenzwert überschreitet. Ist ein solches Sicherungssystem vorhanden, vergleicht der Prozessor 30 die überwachten Druckwerte mit einem Druckgrenzwert. Wenn der überwachte Druck (oder, um Fehlalarm zu verhindern, ein Mittelwert mehrerer kürzlich überwachter Druckwerte) den Grenzwert überschreitet, wird das Alarmsystem 40 aktiviert. Um Fehlalarm zu vermeiden, liegt ein solcher Grenzwert typischerweise relativ hoch. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Grenzwert bei 84 Pa (600 mm Hg).
Die Auswahl der Flußrate erfolgt über Tastatur 28 und wird von Prozessor 30 empfangen. Der Nutzer an Tastatur 28 kann auch eine breite oder niedrige Widerstandsspanne wählen. In einer Ausführungsform liegt die niedrige Spanne zwischen 0 und 78 Pa pro m³ pro Sek. (0 bis 2000 Fluidohm), und die breite Spanne zwischen 0 und 233 Pa pro m³ pro Sek. (0 bis 6000 Fluidohm). Die Auswahl der Spanne dient dem Antrieb der Anzeige- und Alarmsysteme sowie dem Bestimmen des Widerstandsprozentsatzes (wie weiter unten anhand von Gleichung 4 erläutert). Der Nutzer wählt den hohen oder niedrigen Widerstand in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung.
In einer bevorzugten Ausführungsform vergleicht der Prozessor 30, nachdem er die gewählte Flußrate von der Nutzereingabe 28 erhalten hat, die gewählte Flußrate mit dem Flußratengrenzwert, um zu ermitteln, ob eine „hohe" Flußrate, eine „mittlere" Flußrate oder eine „niedrige" Flußrate gewählt wurde. Zwei Grenzwerte, ein hoher und ein niedriger, werden benutzt, um eine Einteilung in hohe, mittlere und niedrige Flußrate vorzunehmen. Eine gewählte Flußrate, welche den Höchstgrenzwert überschreitet, wird als hoch, eine gewählte Flußrate, welche den Tiefstgrenzwert unterschreitet, wird als niedrig, und eine gewählte Flußrate zwischen den Grenzwerten wird als mittlerer Grenzwert betrachtet. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die niedrige Flußrate bei 1,37 × 10^–10 m³ pro Sek. (0,5 Milliliter pro Stunde), und die hohe Flußrate bei 139 × 10^–10 m³ pro Sek. (50 Milliliter pro Stunde).
Als ein Aspekt des in 1 dargestellten Widerstandsüberwachungssystems werden drei verschiedene Verfahren zum Bestimmen des Fluidsystemwiderstands benutzt, so daß vom Fluidabgabesystem eine breite Spanne von Flußraten und Widerständen bei kontinuierlicher genauer Widerstandsmessung vorgesehen werden kann.
Für hohe Flußraten wird ein Zweiratenverfahren benutzt, wobei der Prozessor 30 44 oder mehr verschiedene Flußraten auswählt, zu denen der Motor läuft. Die Flußratenbefehle werden an die Motorsteuerung 46 übermittelt, die wiederum bewirkt, daß der Pumpenmotor 14 über den Pumpmechanismus 16 derart auf die Leitung 12 wirkt, daß F1uid zu diesen einzelnen Raten durch die Leitung gepumpt wird. Die Raten sind in einer Ausführungsform als Mittelung der gewählten Flußrate gewählt, um die Flussgleichmäßigkeit aufrechtzuerhalten.
Die Druckreaktionen auf die Flusswellenformen in Leitung 12 werden vom Drucksensor 34 überwacht, wobei digitale Drucksignale über den A/D-Umwandler 36 an den Prozessor 30 übermittelt werden. Diese Drucksignale werden verarbeitet 48, was bei der hohen Rate ganze Pumpenumdrehungsmittelwerte für die letzte Umdrehung in jeder Zweiratenspanne beinhaltet. Die Ausgabe wird dann zusammen mit der Flusstabelleninformation 28 benutzt, um den Fluidwiderstand zu berechnen 50. Der berechnete Widerstand kann gefiltert werden 52, beispielsweise durch einen gleitenden Mittelwert oder einen gleitenden Median-Filter, um so die Genauigkeit der Widerstandsberechnung zu verbessern. Der gefilterte Widerstand wird von Anzeige 38 dargestellt und an das Alarmsystem 40 übermittelt.
Das Variieren der Flußrate bei relativ hohen Flußraten bewirkt, wie oben erwähnt, eine starke und schnelle Druckreaktion, und der Widerstand zum Fluidfluss des Systems kann relativ schnell wie folgt bestimmt werden:
wobei

R: = Widerstand
F: ₁ = erste Flußrate
F: ₂ = zweite Flußrate
P₁: = Druck bei erster Flußrate
P₂: = Druck bei zweiter Flußrate ist.

Eine andere Beziehung kann bei der Bestimmung eines Widerstandsprozentsatzes benutzt werden, wobei die Ableserate berücksichtigt wird:
wobei

R%: = Widerstand in Prozent,
SCALE: = ein Größenfaktor, der (1/20) entspricht, oder (100/(2000 Fluidohm)), für eine niedrige nutzergewählte Widerstandsgröße von 0 bis 2000 Fluidohm, und der (1/60), oder (100/(6000 Fluidohm) für eine hohe nutzergewählte Widerstandsgröße von 0 bis 6000 Fluidohm ist,
P: = Druck in mm Hg (0 bis 14 Pa),
F: = Fluss in Litern pro Stunde (Liter pro Stunde = 2,78 × 10^–7 m³/Sek.)
M: = Proben bei einer Umdrehung zur hohen Rate und
N: = Proben bei einer Umdrehung zur niedrigen Rate ist.

Aus diesem Grund wird für hohe Flußraten (die in der Ausführungsform als über 38,89 × 10^–7 m³/Sek. (50 ml/h gezeigt sind)) ein „Zweiraten"-Verfahren benutzt, wobei die Flußrate mit zwei oder mehr Flußraten um die gewählte Flußrate herum variiert. Bei diesem Verfahren, das nicht die Erfindung verkörpert, werden die Veränderungen des Drucks, die sich aus den Flußraten ergeben, benutzt, um den Widerstand direkt zu berechnen. Die gewählten Flußraten und die Zeitspanne, während der sie angewandt werden, basieren auf der Mittelung zu der gewählten Flußrate; auf diese Weise entsteht durch die Veränderung der Flußraten kein wesentlicher klinischer Effekt.
Weitere Details zur Bestimmung des Fluidwiderstands bei hohen Flußraten anhand der zitierten Hoch-Niedrig-Flußratentechnik werden detailliert in der US-Patentschrift US-A-5 609 576 besprochen, die hier als Referenz aufgenommen ist.
Für niedrige Flußraten, die in einer Ausführungsform Flußraten unter 1,39 × 10^–10 m³/Sek. (0,5 ml/h) sind, wird der Widerstand mit Hilfe eines zweiten Verfahrens bestimmt. Die Antriebssteuerung benutzt keine PRBS-Kodierung und entspricht deshalb nicht der Erfindung. Stattdessen benutzt die Motorsteuerung 46 die vom Nutzer gewählte Flußrate, um den Pumpzyklus in eine Anzahl von Zeitfenstern TS einzuteilen, die alle dieselbe Länge aufweisen, wie in 2a dargestellt. Die Zeitfensterlänge wird maximiert, und der Motor wird angesteuert, um während jedes Zeitfensters ein Fluidvolumen Q_TS abzugeben, und zwar vorzugsweise zu Beginn des Zeitfensters als einzelnen Bolus 65. Die resultierende Druckwellenform 66 ist in 2b dargestellt. Durch Maximieren der Zeitfensterlänge gibt es genügend Zeit für einen Abfall des Leitungsdrucks auf Gleichgewichtsdruck P₀, der zur Reduzierung der Auswirkung von Störgeräusch und anderen störenden Signalen als Mittelwert des letzten Abschnitts 67 (d. h. des „Schwanzes") der Wellenform eines jeweiligen Zeitfensters berechnet werden kann.
Erneut Bezug nehmend auf 1 wird der Druck von Sensor 34 überwacht, die Drucksignale werden A/D-umgewandelt 36, und der Schwanzabschnitt des Drucksignals eines Zeitfensters wird benutzt, um einen Signalmittelwert 54 zu berechnen, wie z. B. den Zeitfensterschwanzabschnitt (ZSA). Der ZSA-Wert wird zum Bestimmen von P₀ 56 benutzt. Die A/D-umgewandelten Drucksignale werden zum Signalverarbeiten übermittelt, um eine Summe der Drucksignalwerte zu erzeugen. Die Drucksumme und der P₀-Wert werden zum Berechnen von Widerstand 50 benutzt. Der Widerstandwert kann gefiltert werden 58, um die Genauigkeit zu erhöhen und Störef fekte zu eliminieren. Der gefilterte Widerstandswert wird dann an Anzeige 38 und Alarmsystem 40 übermittelt.
Für mittlere Flußraten, die in einer Ausführungsform Flußraten zwischen 1,39 × 10^–10 m³/Sek. (0,5 ml/h) und 139 × 10^–10 m³/Sek (50 ml/h) sind, variiert die tatsächliche Flußrate gemäß einem pseudozufälligen Variationsmuster um die gewählte Flußrate herum. Das pseudozufällige Muster wird von einem Pseudozufallskodierer bereitgestellt, der in der dargestellten Ausführungsform ein Kodierer 60 mit binärer Zufallsfolge (Pseudo Random Binary Sequence – PRBS) ist, dessen Betrieb genauer unter Bezugnahme auf 7 erläutert werden soll. Der PRBS-Code wird an Motorsteuerung 46 übermittelt, welche Volumendaten (von Suchtabellen 62), den PRBS-Code und die vom Nutzer gewählte Flußrate zum Bestimmen eines gewünschten, nicht-gleichmäßigen Flussmusters benutzt, wie weiter unten unter Bezugnahme auf 6 und 7 genauer erläutert werden sollen. Die Motorsteuerung 46 teilt die Pumpzyklen außerdem in eine Anzahl von Zeitfenstern TS auf. Die Motorsteuerung 46 bewirkt dann, daß der Pumpenmotor 14 durch den Pumpmechanismus 16 auf Leitung 12 wirkt, so daß in dem vorbestimmten, nicht-gleichmäßigen Flussmuster Fluid durch die Leitung 12 gepumpt wird.
2c und 2d zeigen Proben von Fluss- und Druckwellenformen von einem PRBS-Code. Im Beispiel von 2c wird ein PRBS-Code einer Länge 7 mit den Elementen 1 1 1 0 1 0 0 benutzt, um die Fluidinfusion zu kontrollieren. Jedem Zeitfenster wird ein Element (d. h. eine 1 oder eine 0) des PRBS-Codes zugeordnet. Für jedes Zeitfenster mit einem zugeordneten PRBS-Element von 1 wird ein einzelner kleiner Fluidbolus des Volumens Q_TS injiziert, wie in 2c gezeigt, und zwar vorzugsweise zu Beginn des Zeitfensters. Die resultierende Druckwelle ist in 2d dargestellt.
Bezug nehmend auf 1 wird für mittlere Flußraten der resultierende Druck in Leitung 12 von einem Drucksensor 34 überwacht, der Drucksignale ausgibt. Für alle oder einige der Drucksignale wird ein Mittelwert errechnet 54, um Druckmittelwerte zu erzeugen, wie z. B. die Grundlinienprobenmittelwerte (GLPMs). Ein Grundlinienprobenmittelwert ist ein Mittelwert eines Abschnitts des Drucksignals in einem Zeitfenster, wie z. B. des Schwanzabschnitts 69 aus 2d. Erneut Bezug nehmend auf 1, wird der GLPM gemäß dem pseudozufälligen Variationsmuster dekodiert 64, und die dekodierten Druckmittelwerte werden zum Bestimmen 56 des geschätzten Gleichgewichtsdrucks (P₀) benutzt.
Es ist zu beachten, daß die Druckmittelwerterzeugung 54 den Zweck hat, die Verarbeitungsanforderungen für das Dekodieren zu reduzieren und Störgeräusche und andere Störsignale zu eliminieren. Das System könnte aber auch arbeiten, wenn die Drucksignale ohne Mittelwerterzeugung dekodiert werden. Allerdings ist die Dekodierung prozessorintensiv, wie weiter unten an hand von 9 erläutert werden soll. So könnte das Dekodieren aller Drucksignale anstelle eines Druckmittelwertes die Verarbeitungsanforderungen beträchtlich steigern.
Die berechneten P₀-Werte können gefiltert werden 49, wie z. B. durch den Median-Filterprozess, der Bezug nehmend auf 11 beschrieben wird, um Störeffekte zu reduzieren und die Genauigkeit des P₀-Werts zu erhöhen. Der gefilterte P₀-Wert ist für die Widerstandsberechnung 50 vorgesehen.
Die A/D-umgewandelten Drucksignale werden verarbeitet 48, um einen Drucksummenwert bereitzustellen. Der Drucksummenwert und der gefilterte Gleichgewichtsdruck P₀ werden dann benutzt, um den Widerstand 50 zu berechnen. Der berechnete Widerstand kann gefiltert werden 58, wie z. B. durch den Median-Filterprozess, der Bezug nehmend auf 11 beschrieben wird, um die Genauigkeit des Widerstandswertes zu erhöhen. Der gefilterte Widerstand wird an Anzeige 38 und an Alarmsystem 40 übermittelt.
Es ist zu beachten, daß der P₀-Wert und der Widerstandswert mit jedem neuen Zeitfenster aktualisiert werden können und kein völlig neuer PRBS-Codezyklus durchlaufen werden muß. Wie beispielsweise in 2d gezeigt, können aktualisierte Werte P₀ und Widerstand über eine Spanne 70a bestimmt werden, welche die ersten M dargestellten Zeitfenster (TS_a bis TS_g mit Codelänge M = 7) umfasst. Wenn Daten von einem anderen Zeitfenster wie z. B. TS_h empfangen werden, können die aktualisierten Werte P₀ und Widerstand über eine neue Spanne 70b bestimmt werden, welche die Zeitfenster TS_b bis TS_h umfasst. Wenn Daten von noch einem weiteren Zeitfenster wie z. B. TS_i empfangen werden, können die aktualisierten Werte P₀ und Widerstand über die neue Spanne 70c bestimmt werden, welche die Zeitfenster TS_c bis TS_i umfasst. Obwohl also M Zeitfenster benutzt werden, um P₀ und Widerstand zu bestimmen, muß das System nicht M Zeitfenster lang mit der aktualisierten Berechnung von P₀ und Widerstand warten. Stattdessen wird jedes Mal, wenn neue Daten für ein neues Zeitfenster empfangen werden, eine aktualisierte Berechnung von P₀ und Widerstand anhand der Daten des neuen Zeitfensters und des vorherigen (M – 1) Zeitfensters durchgeführt.
Die Grundprinzipien der Benutzung des pseudozufälligen Musters sind in 3 dargestellt, welche verschiedene Flusswellenformen und ihre entsprechenden Druckwellenformen zeigt. In 3a umfasst eine induzierte Flusswellenform 71a einen einzelnen Fluidbolus 72a, der zu Beginn einer Zeitspanne T injiziert wird. Der Bolus 72a hat ein Volumen Q_T. Die resultierende Druckwellenform 74a hat einen anfänglichen Scheitel 76a, welcher zum Ende oder kurz vor Ende der Zeitspanne T auf einen Gleichgewichtsdruck P₀ abfällt. Der Gleichgewichtsdruck kann benutzt werden, um den Flusswiderstand des Fluidabgabesystems genau zu bestimmen. Die Wartezeit bis zum Abfall des Drucks auf Gleichgewichtsdruck kann jedoch sehr lang sein, beispielsweise etwa eine Minute oder mehr.
In vielen Situationen ist die Abfallzeit, die für den Druckabfall auf Gleichgewichtsdruck benötigt wird, zu lang für eine praktische Anwendung in intravenösen Fluidabgabesystemen. Außerdem kann die Abgabe eines großen einzelnen Fluidbolus unerwünscht sein. Es wird oft bevorzugt, eine Serie kleinerer Fluidboli 72b in gleichmäßigen Abständen über eine Zeitspanne T hinweg abzugeben, wie in der Flusswellenform 71b in 3b gezeigt. Allerdings können solche gleichmäßig beabstandeten Boli 72b zu einer Druckwellenform 74b führen, wie sie in 3b gezeigt ist, wobei zwischen den Boli 72b zu wenig Zeit vorhanden ist, so daß der Druck nicht auf Gleichgewichtsdruck abfallen kann. In diesem Fall kann der Gleichgewichtsdruck nicht direkt gemessen werden.
Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Serie von kleinen Fluidboli über eine Zeitspanne T hinweg abgegeben, wobei die kleinen Boli über eine Anzahl M von Zeitfenstern hinweg unter Anwendung eines pseudozufälligen Codes beabstandet sind, dessen Länge M der Anzahl von Zeitfenstern entspricht, in welche die Zeitspanne T aufgeteilt ist. In dem in 3c gezeigten Beispiel ist die pseudozufällige Sequenz eine binäre Zufallsfolge (PRBS), deren Länge M 7 entspricht. Der dargestellte PRBS-Code ist 1 1 1 0 1 0 0, wobei 1 einen Fluidbolus anzeigt, der während der jeweiligen Zeitspanne TS abgegeben wird, während 0 anzeigt, daß während dieser Zeitspanne TS kein Bolus abgegeben wird.
Wie in 3c dargestellt, zeigt die Druckwellenform 74c, die aus der PRBS-kodierten Fluidabgabe entsteht, daß nicht genug Zeit zwischen den Boli 72c vorhanden ist, damit die Druckwellenform 74c auf Gleichgewichtsdruck abfallen kann. Aus diesem Grund kann der Gleichgewichtsdruck nicht direkt gemessen werden. Indem aber mit Hilfe desselben PRBS-Codes (1 1 1 0 1 0 0) die gesamte Druckwellenform von 3c dekodiert wird, kann eine geschätzte Druckwellenform 74d erzeugt werden, wie in 3d gezeigt. Die geschätzte Druckwellenform 74d entspricht einem virtuellen einzelnen Fluidbolus 72d, der zu Beginn der Zeitspanne T abgegeben wurde. Außerdem stellt der Endabschnitt der geschätzten Druckwellenform 74d eine starke Annäherung P₀est an den Gleichgewichtsdruck P₀ bereit, der aufgetreten wäre, wenn genug Zeit zwischen den Boli zum ausreichenden Druckabfall zur Verfügung gestanden hätte.
Obwohl also tatsächlich abgegebener Fluss und tatsächlich gemessener Druck den Wellenformen 71c, 74c folgen, die in 3c gezeigt sind, kann durch Dekodieren der gemessenen Druckwellenform 74c mit Hilfe des PRBS-Codes eine „virtuelle" Druckwellenform 74d, wie z. B. die in 3d gezeigte, berechnet werden, wobei die „virtuelle" Druckwellenform 74d der Druckwellenform 74a aus 3a entspricht, die zum Bestimmen von P₀ wünschenswert ist.
Das Dekodieren der gesamten Wellenform oder auch nur größerer Abschnitte derselben macht das Dekodieren von hunderten einzelner Drucksignale nötig. Da Dekodieren ein prozessorintensiver Prozess ist, ist es wünschenswert, die Anzahl der dekodierten Signale zu reduzieren. Es wurde festgestellt, daß bei Hinzuziehung eines Druckmittelwerts 78 von jedem Zeitfenster TS, wie in 3e gezeigt, und durch das Dekodieren von nur einem Druckmittelwert für jedes Zeitfenster die resultierende, in 3f dargestellte geschätzte Druckwellenform 74f, zum Bestimmen des Gleichgewichtsdrucks benutzt werden kann, und daß der resultierende geschätzte Gleichgewichtsdruck P₀est eine starke Annäherung an den geschätzten Gleichgewichtsdruck ist, der durch das Dekodieren aller Drucksignale ohne Mittelwerterzeugung erzeugt worden wäre. Obwohl also tatsächlich abgegebener Fluss und tatsächlich gemessener Druck den Wellenformen 71c, 74c aus 3c folgen, kann durch Mittelung der Drucksignale und das Dekodieren der Druckmittelwerte mit Hilfe des PRBS-Codes eine „virtuelle" Druckwellenform 74, wie z. B. die aus 3f berechnet werden, wobei die „virtuelle" Druckwellenform den Druckwellenformen 74a, 74d der 3a und 3d entspricht, die zum Bestimmen des Gleichgewichtsdrucks gewünscht werden.
4 zeigt weiterhin den Prozess des Erzeugens eines pseudozufälligen Fluidflusses, des Überwachens des resultierenden Drucks, des Dekodierens des resultierenden Drucks zum Erzeugen eines „virtuellen" Drucks und des Bestimmens eines geschätzten Gleichgewichtsdrucks P₀. Unter 80 ist eine gewünschte Flußrate von Q/T dargestellt, wobei Q = eine gewählte Menge von Fluid und T = Zeitspanne ist. Anstelle der Abgabe der Menge Q als einzelnen Fluidbolus während der Zeitspanne T erzeugt ein PRBS-Kodierer einen PRBS-Code 82, der in der gezeigten Ausführungsform 1 1 1 0 1 0 0 ist. Die Motorsteuerung teilt den Fluidbolus in vier separate, aber etwa gleiche Boli mit Volumina Q_TS, die gemäß dem pseudozufälligen Muster des PRBS-Codes im Verlauf der Zeitspanne wie unter 84 gezeigt abgegeben werden. Ein Messfühler oder ein anderer Drucksensor 86 erzeugt Drucksignale zum Messen des resultierenden Drucks 88.
Ein Mittlungsprozess 90 wie Blockmittelung wird benutzt, um einen Mittelwert für einen Abschnitt der Drucksignale jedes Zeitfensters zu erzeugen, wie unter 92 gezeigt. Bei der dargestellten Ausführungsform wird nur für den Schwanzabschnitt 94 ein Mittelwert erzeugt. Die resultierenden Druckmittelwerte werden dem PRBS-Dekodierer 96 zugeführt.
Der PRBS-Dekodierer 96 verarbeitet die Druckmittelwerte und bestimmt die „virtuellen" Druckwerte 98. Diese „virtuellen" Druckwerte werden zum Bestimmen des Gleichgewichtdrucks (P₀) benutzt, welcher wiederum zum Berechnen des Fluidwiderstands benutzt wird.
5 zeigt teilweise den Prozess zum Bestimmen des Fluidwiderstands mit Hilfe des Kodierers und Dekodieres für das pseudozufällige Flussmuster zum Bestimmen des Gleichgewichtdrucks.
Der Nutzer wählt eine gewünschte Flußrate 28 zur Abgabe an den Patienten 24 über Leitung 12. Ein PRBS-Kodierer/Modulator 60 bestimmt einen gewünschten PRBS-Code und eine Zeitfensterlänge aufgrund der vom Nutzer gewählten Flußrate, und die Motorsteuerung 46 bewirkt, daß der Pumpenmotor 14 und der Mechanismus 16 einen Fluss in Leitung 12 gemäß dem RPBS-Code und der Zeitfensterlänge induzieren.
Der Sensor 34 überwacht die resultierenden Drücke in der Leitung und übermittelt Drucksignale, die zum Bestimmen des Fluidwiderstands durch den A/D-Umwandler 36 laufen. Die Drucksignale werden zum Bestimmen einer Drucksumme 48 über eine Anzahl von Zeitfenstern hinweg benutzt, die der PRBS-Codelänge entspricht. Abschnitte der Drucksignale werden auch gemittelt 54, um Schwanzmittelwerte oder Grundlinienprobenmittelwerte (GLPMs) für einzelne Zeitfenster zu bestimmen. Die GLPMs werden dann demoduliert 64, wozu eine Umkehrung des PRBS-Codes benutzt wird. Die demodulierten GLPMs werden zum Bestimmen 56 des Gleichgewichtsdrucks P₀ benutzt.
Bei der Berechnung der Gleichgewichtswerte P₀ für verschiedene Zeitfenster können die geschätzten Werte P₀ in Qualität und Genauigkeit aufgrund einer Anzahl von Faktoren variieren, darunter Systemstörgeräusch, große Offset-Änderungen und harte Verstopfungen. Diese Faktoren können zu großen Veränderungen der Grundlinie und/oder der Impedanz führen, wodurch die dekodierte Ausgabe instabil wird, was wiederum dazu führt, daß der geschätzte P₀-Wert von geringerer Qualität und Genauigkeit ist. Um eine schwere Fehlberechnung des Widerstands aufgrund solcher Umstände zu verhindern, bestimmt das System eine Signalqualität 102 durch Berechnen eines NSAD-Parameters (Normalisierte Summe Absolut Delta), der eine Störgeräuscheinschätzung bereitstellt. Weitere Details der NSAD-Berechnung und -Benutzung werden genauer im Zusammenhang mit 11 gegeben.
Zusätzlich zur Berechnung von NSAD können Genauigkeit und Qualität der geschätzten P₀-Werte weiter durch das Filtern jeder P₀-Schätzung durch einen P₀-Median-Filter 104 erhöht werden. Eine genaue Beschreibung des Median-Filters erfolgt an späterer Stelle im Zusammenhang mit 11.
Der geschätzte P₀-Wert und die Drucksummen werden zum Berechnen 50 des Fluidwiderstands mit Hilfe einer Gleichung wie der folgenden benutzt:
wobei:

∫f(t)dt: = Q = bekannte abgegebene Menge Fluid über die PRBS-Codelänge, und
P₀: = der geschätzte Gleichgewichts- oder Offset-Druck ist.

Der geschätzte Druck kann für jedes Zeitfenster aktualisiert werden, und zwar anhand der Berechnung, welche die Drucksumme und den geschätzten P₀-Wert des aktuellen Zeitfensters zusätzlich zu den Drucksummen der vorhergehenden M – 1 Zeitfenster benutzt, so daß Daten von M Zeitfenstern zum Schätzen des Widerstands benutzt werden. Dieses Benutzen von Daten von mehreren Zeitfenstern erhöht die Genauigkeit und Qualität der aktualisierten Widerstandsschätzung. Die Genauigkeit und Qualität des aktualisierten Widerstands kann weiter verbessert werden, indem ein Widerstand-Median-Filter 58 ähnlich wie der Median-Filter 104 benutzt wird, der zur Benutzung für den Gleichgewichtsdruck P₀ beschrieben wurde. Der Median-Filter für den Widerstand speichert die jüngsten Widerstandsschätzungen in einem Array und bestimmt einen gefilterten Widerstandswert. Genaue Angaben zur Arbeit des Median-Filters erfolgen an späterer Stelle unter Bezugnahme auf 11. In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist der gefilterte Widerstandswert eine Ausgabe sowohl an das Warn/Alarmsystem 40 als auch an die Anzeige 38, wie z. B. eine visuelle Säulendiagrammdarstellung und/oder eine Trendkurvendarstellung.
Bezug nehmend auf 6 bis 13 sollen nun spezifische Elemente des mittleren Flußratensystems und -verfahrens genauer beschrieben werden, wobei mit der Flussabgabe begonnen wird. Typische Fluidinfusionspumpen werden von Schrittmotoren angetrieben, die eine Anzahl von Schritten pro Pumpenumdrehung aufweisen. Je nach Art der Pumpen kann das abgegebene Volumen stark variieren. Einige Pumpenschritte können sogar negative Volumina abgeben (d. h. einen negativen Fluss). Um gleichmäßig abgegebene Fluidvolumina bereitzustellen, ist der Pumpzyklus in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in mehrere Überschritte aufgeteilt, wobei jeder Überschritt etwa die gleiche Menge Fluid Qss abgibt.
Die Kombination von Motorschritten zu Überschritten kann dynamisch bestimmt sein, wobei aktualisierte Information zu zeitlich variierenden oder Druck-variierenden Veränderungen des Fluidflusses pro Einzelschritt benutzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Einteilung der Schritte in Überschritte jedoch mit Hilfe einer Suchtabelle, die auf einen jeweiligen Pumpentyp zugeschnitten ist.
In der Ausführungsform von 6 sieht der Pumpenmotor 200 Schritte pro Umdrehung vor, wobei die Schritte von 0 bis 199 indiziert sind. Im Verlauf einer Pumpenumdrehung gibt die Pumpe ein Fluidvolumen Qrev ab, das typischerweise in Mikrolitern ausgedrückt ist. Das Volumen pro Schritt (d. h. Qs) variiert jedoch von Schritt zu Schritt stark, wobei einige Schritte sogar negative Volumen aufweisen. Um den Fluss auszugleichen, sind die einzelnen Motorschritte in eine kleinere Anzahl von Bewegungen namens Überschritt eingeteilt, wobei das Volumen jedes Überschritts (d. h. Qss) im wesentlichen dem Volumen anderer Überschritte entspricht. In der Ausführungsform aus 6 gibt es 32 Überschritte pro Umdrehung.
Da das pro Motorschritt gepumpte Volumen zwischen den Schritten stark variiert, muß die Anzahl von Schritten in einzelnen Überschritten variieren, um etwa gleiche Fluidmengen bereitzustellen. In der Zusammenstellung, die in 6 gezeigt ist (und die nur als Beispiel gezeigt ist), umfasst Überschritt 0 (d. h. Qss₀) beispielsweise nur zwei Motorschritte (d. h. Qs₀ und Qs₁), Überschritt 1 (d. h. Qss₁) umfasst drei Motorschritte (Qs₂, Qs₃ und Qs₄), und Überschritt 29 (d. h. Qss₂₉) umfasst 101 Motorschritte (Qs₈₈ bis Qs₁₈₈). Obwohl die verschiedenen Überschritte aus einer stark variierenden Anzahl von Motorschritten bestehen, gibt jeder Überschritt in etwa dieselbe Fluidmenge Qss ab wie andere Überschritte.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden ein oder mehr Überschrittvolumina (Qss) in jedem Zeitfenster abgegeben, in dem Fluid abgegeben wird (d. h. Zeitfenster, die durch eine binären Code von 1 dargestellt sind). Die Anzahl der Überschritte, in denen in jedem Fluid-Abgabe-Zeitfenster Fluid abgegeben wird, variiert in Abhängigkeit von der gewählten Flußrate und anderen Systemparametern. (Es werden keine Fluidvolumina in Nicht-Fluid-Abgabe-Zeitfenstern abgegeben, d. h. Zeitfenstern mit einem PRBS-Codeteil von 0.) Repräsentative Mengen von Überschritten pro „Fluss"-Zeitfenster (d. h. Fluid-Abgabe-Zeitfenster) sind unten in Tabelle A dargestellt.
Die Zeitfensterlänge ist als Funktion der Codelänge M, der vom Nutzer gewählten Rate und der Anzahl von Codes/Umdrehung bei der gewählten Rate bestimmt. Die Zeitfensterlänge wird vorzugsweise so berechnet, daß sichergestellt ist, daß die spezifizierte Anzahl von Codes pro Umdrehung ausgeführt wird und daß das pro Code produzierte Volumen, geteilt durch die Gesamtzeit pro Code, die vom Nutzer gewählte Flußrate ergibt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Codelänge M und die Codes/Umdrehungswerte durch eine Tabellensuche als Funktion der gewählten Rate spezifiziert, und die Zeitfensterlänge wird als Funktion der gewählten Rate entweder berechnet oder spezifiziert. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Zeitfenster so gewählt, daß sich die Zeitspanne T von etwa einer Minute ergibt, so daß sichergestellt ist, daß die durchschnittliche Flußrate über eine Zeitspanne von nicht länger als T genau den Anforderungen des Betreibers entspricht.
Tabelle A zeigt Werte der Codelänge M und Codes pro Umdrehung bei einer Ausführungsform der Erfindung. Bei den Tabellenwerten der Tabelle A wurden die Werte so gewählt, daß sichergestellt ist, daß die Dauer des Codes nicht geringer ist als etwa 52 Sekunden über der Flußratenspanne 1,67 × 10^–10 bis 138,6 × 10^–10 m³/Sek. (0,6 bis 49,9 ml/h) für ein Umdrehungsvolumen von 183 Mikrolitern. Es ist zu beachten, daß die Werte der Tabelle A für eine bestimmte Pumpvorrichtung gedacht sind, nämlich die IVAC Signature Edition Pumpe (Modelle 7100 und 7200), für welche die Erfindung die 200 Pumpenschritte in 32 Überschritte eingeteilt hat. Andere Pumpenmotoren und -mechanismen sind jedoch auch auf die Erfindung anwendbar, und andere Werte für M, BIC usw. können für verschiedene Pumpen und andere Parameter gewählt werden.
Die PRBS-Codes weisen vorzugsweise eine Länge auf, die sicherstellt, daß sie gleichmäßig in einen vollständigen Pumpzyklus passen. Um ein gleichmäßiges Passen sicherzustellen, sollte der PRBS-Code eine Anzahl N von Fluss-Abgabe-Zeitfenstern (d. h. Zeitfenstern, in denen ein Überschritt Fluid abgegeben wird, oder „aktive" Zeitfenster) aufweisen, so daß die Gesamtmenge der Überschritte pro Pumpzyklus (die in dem zitierten Beispiel 32 ist) gleichmäßig durch N geteilt werden kann. In dem in Tabelle A gezeigten Beispiel weist ein PRBS-Code der Länge 7 vier Fluss-Abgabe-Zeitfenster auf, wobei in jedem dieser Zeitfenster ein Überschritt Fluid von der Pumpe in die Leitung gepumpt wird. Da es pro PRBS-Codezyklus vier aktive Zeitfenster gibt, dauert es acht PRBS-Zyklen (d. h. acht PRBS-Zyklen mal vier aktiven Zeitfenstern/PRBS-Zyklen), um 32 Überschritte zu induzieren.
Ebenso hat ein PRBS-Code der Länge 15 acht aktive Zeitfenster, und 32 kann gleichmäßig durch 8 geteilt werden. Für einen PRBS-Code der Länge 31 gibt es 16 aktive Zeitfenster, die ebenso gleichmäßig durch 32 geteilt werden können.
Es ist zu beachten, daß für einige der höheren Flußraten mehr als ein Überschritt Fluid in jedem aktiven Zeitfenster abgegeben werden kann. In dem in Tabelle A gezeigten Beispiel benötigen Flußraten von über 8,61 × 10^–10 m³/Sek (3,1 ml/h) zwei oder mehr Überschritte pro Zeitfenster.
Die Anzahl der Überschritte pro Zeitfenster ist vorzugsweise eine Zahl, die gleichmäßig in die Gesamtzahl der Überschritte pro Pumpzyklus teilbar ist.
Wenn zwei oder mehr Überschritte Fluid in einem einzigen Zeitfenster abgegeben werden, werden die Überschritte vorzugsweise zu Beginn des Zeitfensters abgegeben, und zwar entweder als ein einzelner Fluidbolus oder mit Hilfe des Trillerverfahrens, das weiter unten in Zusammenhang mit 13 beschrieben werden soll.
7 stellt einen Prozess zum Erzeugen von PRBS-Codes dar. Jede pseudozufällige binäre Sequenz (PRBS) besteht aus den Codewerten 1 und 0, wobei jede 1 oder 0 einem Zeitfenster zugeordnet ist. Bei Zeitfenster, denen ein Codewert 1 zugeordnet ist, erfolgen zu Beginn ein oder mehrere Flussüberschritte, während bei Zeitfenstern, denen ein Codewert 0 zugeordnet ist, keine Überschritte stattfinden. Die Codewiederholungsdauer liegt typischerweise zwischen 40 und 100 Sekunden und variiert mit der Flußrate. Das kodierte Flussmuster produziert einen Gesamtfluss, der dem Fluss entspricht, welcher bei einem konstanten Nennfluss während der Codedauer produziert worden wäre.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden nur PRBS-Code mit einer Integer-Länge M erzeugt, wobei M = 2^k – 1 ist, dabei ist k ein Integer-Wert ist. PRBS-Codes bestehen aus Serien von 1 und 0, wobei die Anzahl von 1 immer um eins größer ist als die Anzahl von 0. Die Anzahl von 1 ist immer ein gerades Mehrfaches von 2.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die PRBS-Codesequenzen mit Hilfe eines Rückkopplungsalgorithmus ähnlich dem in 7 gezeigten bestimmt. Es werden drei Hauptwerte benutzt, um die Art und die Phase jeder PRBS-Sequenz zu bestimmen. Die Codelänge M definiert die Länge des PRBS-Codes. Der OCTAL-Erzeugercode bestimmt die PRBS-Art, während der binäre Initialisierungscode (BIC) die Phase oder den Ausgangspunkt innerhalb des Codes bestimmt. Repräsentative Werte für Codelänge M, OCTAL und BIC sind im folgenden in Tabelle B dargestellt.
Die OCTAL-Werte aus Tabelle B stammen von Zeimer and Peterson, Digital Communications And Spread Spectrum Systems, Seite 390, MacMillan Publishing Co., New York. Der OCTAL-Code, der in der Tabelle in einem Basis-8-Format (d. h. OCTAL-Format) ausgedrückt ist, bestimmt, welche von mehreren möglichen PRBS-Codes einer bestimmten Länge gebildet werden. Bestimmte Codes und relative Umdrehungen (d. h. Ausgangspunkte) wurden für eine optimale Leistung bestimmter Pumpen bestimmt, um die Auswirkungen von Artefakten zu minimieren, die vom Mechanismus und vom Sensor erzeugt werden. Die BIC-Werte aus Tabelle B, welche die Phase oder den Ausgangspunkt im Code bestimmen, wurden empirisch anhand von Flusskennlinien einer bestimmten Pumpe bestimmt, wie an späterer Stelle anhand von 12 genauer werden soll.
Bei dem in 7 dargestellten PRBS-Kodierungsprozess wird der gewählte OCTAL-Code in ein Binärformat umgewandelt, um ein Array von 1- und 0-Multiplikatoren zu erzeugen. Die niederwertigste Stelle (LSB – least significant bit) des OCTAL-Codes wird verworfen, und der verbleibende Code wird von der nächstniederwertigen Stelle (LSB + 1) (da die niederwertigste Stelle verworfen wurde) bis zur hochwertigsten Stelle (MSB – most significant bit) in einem Octal-Code-Array (Binärform) 114 geordnet. Der Octal-Code-Array (Binärform) wird benutzt, um die Ausgabe der „Grad"-Zahl der Schieberegister zu operieren.
Der binäre Initialisierungscode (BIC) wird benutzt, um den Initialwert des Schieberegisters festzulegen und auf diese Weise die ersten Bits des PRBS-Codes sowie die Beziehung des PRBS-Codes zur physischen Rotation des Pumpmechanismus zu bestimmen. Der BIC-Phasenwert entspricht dem Motor/Umdrehungsmonitor, der eingestellt ist, um Überschritt 0 zu starten. Wie in 7 dargestellt, ist der BIC von einer niederwertigsten Stelle (LSB) zu einer hochwertigsten Stelle (MSB) in einem Array 115 geordnet. Bei Aktivierung des Systems wird der BIC-Array benutzt, die Generator-Array-Elemente 116 vorzuladen.
In einem ersten Schritt werden die Octal-Code-Array-Elemente (Binärform) (114_a bis 114_d ) mit Generator-Array-Elementen (116_a bis 116_d ) multipliziert, wie durch Multiplikatoren (117_a bis 117_d ) gezeigt. Die resultierenden Werte werden von einer Serie von EXCLUSIVE/OR („XOR") Gattern 118 verarbeitet, wobei jedes XOR-Funktionsgatter eine Wertepaar als Eingabe erhält und entweder eine 1 oder eine 0 ausgibt. Die XOR-Gatter geben bei einer Eingabe von (1 und 1) oder (0 und 0) eine 0 aus, und bei einer Eingabe von (1 und 0) oder (0 und 1) eine 1. Wie in 7 dargestellt, werden die zwei Werte, die von zwei der Multiplikatoren (117_a und 117_b ) produziert werden, in ein XOR-Gatter (118_a ) eingegeben, und die zwei von den verbleibenden zwei Multiplikatoren (117_c und 117_d ) produzierten Werte werden zunächst durch ein weiteres XOR-Gatter (118_b ) geleitet. Jedes dieser XOR-Gatter (d. h. 118_a und 118_b ) geben einen Wert 1 oder 0 aus. Die Ausgaben dieser XOR-Gatter (118_a und 118_b ) werden in ein drittes XOR-Gatter 118 eingegeben, das einen einzelnen Wert 1 oder 0 ausgibt.
Der ganz zur Linken angeordnete Wert des Generator-Arrays (d. h. der Wert in Register 116_a ) wird als das erste Element des PRBS-Arrays zur Motorsteuerung ausgegeben. Die Werte aller übrigen Register verschieben sich um eine Position nach links, wodurch das letzte Register 116_d leer bleibt. Der Ausgabewert des dritten XOR-Gatters 118_c wird dann in das letzte Register 116_d eingegeben.
Der in 7 dargestellte Prozess ist als 4-Element-BIC spezifiziert. Es können jedoch ähnliche Prozesse zur Erzeugung von PRBSs mit BICs anderer Länge benutzt werden.
Der oben beschriebene Prozess wird so lange wiederholt, bis M Elemente des PRBS-Codes erzeugt worden sind.
Die obigen Ausführungen konzentrieren sich auf die Benutzung von PRBS-Codes. Auf die vorliegende Erfindung sind jedoch auch andere pseudozufällige Codes als pseudozufällige Binärcodes anwendbar. Beispielsweise kann ein pseudozufälliger Code benutzt werden, der aus nicht-binären Werten besteht, wie z. B. ein 4-Bit-Code mit Werten von 2, 4, 0 und 3. Sogar Nicht-Integer-Werte können benutzt werden, wie z. B. ein 3-Bit-Code mit Werten von 0,6, 1,2, 0,8. Bei einer solchen Ausführungsform würden drei Fluidboli abgegeben, wobei jedes ein Volumen aufweisen würde, das zu dem jeweiligen Bit (d. h. 0,6, 1,2, 0,8) proportional wäre. Alternativ könnten die Boli im wesentlichen dieselbe Größe aufweisen, wobei allerdings der Abstand zwischen den Boli in seiner Abmessung (d. h. entweder direkt oder invers) je nach Bit-Wert variieren kann.
Ein pseudozufälliger Code ist ein Code, dessen Frequenzbereich auf allen Frequenzen Energie führt. Dies ermöglicht die Erzeugung eines geeigneten Inverscodes.
Wie in 3 und 4 gezeigt wurde, ergibt die Abgabe von Fluid gemäß einem PRBS-Code eine entsprechende Druckwellenform, die mit Hilfe eines Messfühlers oder anderen Sensors überwacht werden kann, um entsprechende Drucksignale zu erzeugen. Die Drucksignale können über einen PRBS-Dekodierer dekodiert werden, um eine entsprechende „virtuelle" Wellenform zu erzeugen. Da allerdings Drucksensoren typischerweise zahlreiche Drucksignale pro Sekunde erzeugen, werden für die meisten Zeitfenster hunderte von Drucksignalen erzeugt. Ein Dekodie ren aller Drucksignale für jedes Zeitfenster ist äußerst prozessorintensiv. Durch die Mittelung ausgewählter Drucksignale jedes Zeitfensters und die Dekodierung von nur einem einzigen Mittelwert jedes Zeitfensters kann allerdings bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Genauigkeit von P₀ die nötige Dekodierleistung drastisch reduziert werden. Anstatt jedes Drucksignal eines Zeitfensters zu dekodieren, kann ein Mittelwert von einem Abschnitt des Zeitfensters ermittelt werden, und dieser Mittelwert kann zum Bestimmen eines geschätzten P₀ dekodiert werden. Der mit Drucksignalmittelung bestimmte geschätzte P₀ liegt bemerkenswert nah an dem geschätzten P₀, das durch Dekodieren jedes Drucksignals bestimmt wurde. Allerdings sind bei der Benutzung von Drucksignalmittelung die Prozessanforderungen drastisch reduziert.
8 zeigt eine Druckwellenform 120 einer bevorzugten Ausführungsform mit Drucksignalmittelung, wobei der gemittelte Abschnitt 122 des Zeitfenster die letzten 25% des „Schwanz"-Abschnitts aufweist. Dieser Mittelwert wird als Grundlinienprobe bezeichnet. Dieser Prozess minimiert die Auswirkungen von Hochfrequenz-Artefakten, verbessert die effektive Auflösung und reduziert Dekodiererschritte.
Es ist zu beachten, daß die Drucksignalmittelung nicht auf 25% oder nur auf den Schwanzabschnitt des Zeitfensters beschränkt sein muß. Andere Abschnitte und andere Prozentanteile des Drucksignals können ebenso gemittelt werden, wobei immer noch eine relativ genaue Schätzung von P₀ möglich ist. Eine genaue P₀-Schätzung kann auch unter Benutzung des Mittelwerts der Drucksignale des gesamten Zeitfensters erfolgen. Wenn der Mittelwert dann dekodiert ist, liegt das resultierende geschätzte P₀ bemerkenswert nah an dem geschätzten P₀, der bestimmt wurde, indem nur der Schwanzabschnitt des Zeitfensters gemittelt oder indem jedes Drucksignal des ganzen Zeitfensters direkt dekodiert wurde.
Zum Dekodieren wird jeder gemittelte Werte in ein Schieberegister-Array eingegeben, dessen Länge derjenigen des PRBS-Code entspricht (d. h. Länge = M). Das Schieberegister-Array umfasst einen Druckmittelwert der unmittelbar vorangegangenen M Zeitfenster. Die Druckmittelwerte werden dann dekodiert, und die dekodierten Druckwerte werden zum Bestimmen eines geschätzten P₀ benutzt.
Als zusätzlich Verbesserung der Genauigkeit der Widerstandsbestimmung können die digitalen Drucksignale, die vom A/D-Umwandler empfangen werden, vor dem Mittelungsprozess vormultipliziert werden. Viele A/D-Umwandler weisen eine Auflösung von nur etwa 0,07 Pa (0,5 mm Hg) pro Zählwert auf, was für eine genaue Messung von schwachen Widerständen bei niedrigen Flußraten unzureichend ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine zusätzlich Auflösung erreicht, indem die rohen A/D-Zählwerte vor dem Mittelungsprozess mit 256 vormultipliziert werden. Diese vormultiplizierten Werte werden dann gemittelt, und das gemit telte Ergebnis wird dann in skalierten Einheiten in den PRBS-Dekodierer eingegeben, um vergrößerte Reaktionswerte zu erzeugen.
9 illustriert ein Verfahren zum Dekodieren von Drucksignalen mit Hilfe eines PRBS-Dekodierers. Für das Dekodieren der resultierenden Drucksignale sind M² Additions- oder Subtraktionsschritte pro Widerstandsberechnung nötig, sowie M Array-Umdrehungsschritte pro Widerstandsberechnung. Bei der ersten Probe jedes Zeitfensters leitet die Motorsteuerung den gegenwärtigen Kodierungswert (0,1) an den Dekodierer weiter. Wenn der Kodierungswert über 0 liegt, gibt der Dekodierer den Wert –1 in ein M-Element-Schiebearray ein, oder den Wert +1, wenn der Kodierungswert 1 ist. Die resultierenden Arrays +1 und –1, die als Cbit-Arrays bezeichnet werden, werden zum Dekodieren benutzt. Das Cbit-Array wird bei jeder Aktivierung von RUN für alle 0 initialisiert. Da die P₀-Schätzungsauswahllogik die Benutzung von dekodierten Ausgaben ausschließt, bis nach RUN-Aktivierung M Zeitfenster vergangen sind, ist das Cbit-Array dann, wenn es benutzt werden soll, mit den korrekten Werten gefüllt.
Die dekodierte Ausgabe für ein Array der Länge M von Druckproben P kann mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:
wobei der Index i von 0 bis M – 1 läuft und der 0te Index den frühesten Dekodiererwert bezeichnet. Da das Cbit-Array nur Werte 1 und –1 enthält, kann die oben gezeigte Multiplikation durch einen logischen Test und einen Additions- oder Subtraktionsschritt ersetzt werden, je nach Wert des Cbit-Array-Elements.
9 illustriert den Dekodierungsprozess für einen einfachen M = 3-Code zum Dekodieren eines 3-Bit-Array der Druckgrundlinienprobenmittelwerte (GLPMs). Jedes Probenfeld enthält den Index des für die Verarbeitung benutzten Werts, wobei 0 die aktuelle Probe bezeichnet (oder einen nicht rotierten Codebit). Die Cbit-Array-Werte sind +1, +1 und –1 und entsprechen einem PRBS-Code von 1 1 0.
9a zeigt die Anordnung des Cbit-Arrays und des GLPM-Arrays innerhalb der Schieberegister Cbit und GLPM. Immer wenn ein Zeitfenster beendet ist, ersetzt der Kodierer das am weitesten rechts angeordnete (aktuelle – mit 0 indizierte) Element von Cbit mit seinem aktuellen Wert (1 oder –1). Zuvor im Cbit enthaltene Werte werden nach links verschoben, und der älteste (am weitesten links angeordnete) wird verworfen. Bei der Beendigung jedes Zeitfensters produziert der Grundlinienprobenmittler ebenso einen GLPM-Wert, der in dem am weitesten rechts angeordneten (aktuellen – mit 0 indizierten) Element von GLPM angeordnet wird. Zuvor enthaltene Werte im GLPM-Array werden nach links verschoben, und der älteste (d. h. der am weitesten links angeordnete) wird verworfen.
Nach dem Laden und Verschieben der Arrays findet die eigentliche Dekodierung des GLPM-Array statt. Wie in 9a gezeigt, wird das Produkt jedes entsprechenden Elements der zwei Schieberegister gebildet. Dann wird die Summe dieser Produkte ermittelt. Dieses Ergebnis ergibt die früheste „virtueller Druckimpuls"-Reaktion, die als Element 0 im Zeitliniengraphen zur Rechten des Registers indiziert und als Decode(0) notiert wird.
Bezug nehmend auf 9b werden die Elemente von Cbit rotiert, so daß das neueste Element an die zuvor vom ältesten belegte Stelle bewegt wird, und alle anderen Elemente (einschließlich des ältesten Elements) werden um ein Register nach rechts verschoben. All diese Schritte werden vorzugsweise mit der Unterstützung eines vorläufigen Halteregisters (nicht dargestellt) oder einer äquivalenten Funktion eines Mikroprozessors durchgeführt, damit keine Datenelemente verloren gehen.
Wiederum werden die entsprechenden Produkte für jedes Schieberegister gebildet, und die Summe der Produkte wird berechnet. Dies ergibt das nächstfrüheste „virtueller Druckimpuls"-Reaktionselement, welches als Element 1 im Zeitliniengraphen zur Rechten des Registers indiziert und als Decode(1) notiert wird.
Der Schritt der Rotation der Elemente, der Multiplikation der entsprechenden Elemente und der Summierung des Produkts wird für die verbleibenden Cbit-Elemente wiederholt, was in dem 3-Element-Array aus 9 nur ein zusätzliches Element ist. Wie in 9c gezeigt, wird das resultierende Element als Element 2 im Zeitliniengraphen zur Rechten des Registers indiziert und als Decode(2) notiert.
Das oben beschriebene Dekodierungsverfahren ist allgemein als „Zirkularkonvolution" bekannt und ist auf dem Gebiet der Signalverarbeitung allgemein bekannt.
Ein weiteres Beispiel zur PRBS-Dekodierung ist in Tabelle C dargestellt. In dem gezeigten Beispiel wird ein PRBS-Code von 1 1 1 0 1 0 0, der zum Erzeugen eines Flusses in einer Leitung benutzt wurde, zum Dekodieren eines Arrays gemessener Drucksignale benutzt, der im gezeigten Beispiel (4 5 6 4 5 4 3) ist. Für die erste Reihe, d. h. die Spalte A, sind die Binärwerte (1 1 1 0 1 0 0) durch Pluszeichen (+) oder Minuszeichen (–) ersetzt, wobei das Pluszeichen (+) die 1-Werte und das Minuszeichen (–) die 0-Werte ersetzt, was zu der Serie (+ + + – + – –) führt. Für jede folgende Reihe (d. h. die Reihen B bis G) wird die resultierende Reihe von +/–Zeichen jeweils um eine Stelle nach rechts verschoben (wobei das +/–Zeichen der am weitesten rechts angeordneten Spalte in die am weitesten links angeordnete Spalte übergeht).
TABELLE C
Die resultierenden +/–Zeichen der Reihen A bis G werden dann auf die zu dekodierenden Druckwerte angewandt, und die resultierenden Werte werden für jede Reihe (A bis G) addiert. Bei Anwendung auf einen Array von sieben Druckmittelwerte (4, 5, 6, 4, 5, 4, 3) ergibt sich für Reihe A (+4, +5, +6, –4, +5, –4, –3), was bei Addition den Wert +9 ergibt. Für Reihe B ergibt sich (–4, +5, +6, +4, –5, +4, –3), was addiert einen Wert von +7 ergibt. Reihe C ergibt (–4, –5, +6, +4, +5, –4, +3), was addiert einen Wert von +5 ergibt. Die Reihen D bis G ergibt jeweils die Werte 3, 3, 3 und 1. Das dekodierte Array, das die dekodierte Wellenform anzeigt, ist dementsprechend (9 7 5 3 3 3 1). (Es ist zu beachten, daß die in Tabelle C gezeigten tatsächlichen Druckmittelwerte nicht auf tatsächlichen Messungen beruhen, sondern Beispielzahlen sind, die nur zu illustrativen Zwecken benutzt werden.)
Nachdem die Drucksignale dekodiert wurden, können sie zum Bestimmen des geschätzten P₀ benutzt werden. Zum Schätzen von P₀ können verschiedene Verfahren benutzt werden, wobei das bevorzugte Verfahren je nach der vom Nutzer gewählten Flußrate, der Zeit seit dem Einschalten, den Werten der dekodierten Druckreaktion und vorherigen Widerstandsschätzungen variiert. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verfahren zum Bestimmen von P₀ als eine Funktion von verschiedenen Parametern, wie in Tabelle D gezeigt, ausgewählt. Im folgenden sollen verschiedene Verfahren zum Bestimmen des geschätzten P₀ beschrieben werden. Die Auswahllogik für ein bestimmtes Verfahren zum Bestimmen von P₀ ist in Tabelle D dargestellt.
Bei vom Nutzer gewählten Flußraten von 1,39 × 10^–10 m³/Sek. (0,5 ml/h) oder darunter steht normalerweise in jedem Zeitfenster so viel Zeit zur Verfügung, daß der überwachte Druck auf P₀ absinken kann. Allerdings können Druckschwankungen und Sensoranomalien kurzzeitig ansteigende Messwerte oder andere Widersprüche des überwachten Drucks erzeugen. Um die Auswirkung solcher Widersprüche des überwachten Drucks zu reduzieren, wird der geschätzte P₀-Wert als Mittelwert des letzten Abschnitts bestimmt, wie z. B. der letzten 25% der Druckmesswerte des Zeitfensters. Es erfolgt keine pseudozufällige Kodierung oder Dekodierung. Die Bestimmung von P₀ für niedrige Flußraten wie z. B. Flußraten von 1,39 × 10^–10 m³/Sek.
(0,5 ml/h) oder weniger soll im folgenden unter Bezugnahme auf 14 und 15 genauer erläutert werden.
Eine andere Gruppe von Techniken zum Bestimmen von P₀, die nützlich beim Einsatz pseudozufälliger Kodierung und Dekodierung ist, wird als Dreipunktblockmittelung bezeichnet. Die Dreipunktblockmittelung ist ein Verfahren, bei dem die Druckproben, die vom Dekodierer ausgegeben werden und eine Anzahl von M Proben bilden (d. h. eine Länge von M) in drei Probenblöcke eingeteilt werden, wobei der Mittelwert jedes der drei Probenblöcke errechnet wird. Die resultierenden Blockmittelwerte werden dann zum Bestimmen des geschätzten P₀ benutzt.
Natürlich ist M nicht immer gleichmäßig durch drei teilbar. Wenn M nicht gleichmäßig durch drei teilbar ist, ist doch M – 1 stets durch drei teilbar. Wenn also M nicht gleichmäßig durch drei teilbar ist, wird die letzte Probe der dekodierten Ausgabe verworfen, so daß eine verbleibende Anzahl von Proben zurückbleibt, die gleichmäßig in drei Blöcke einteilbar ist.
In 10 ist ein Mittelwert von jedem Block einer Ausgabe dekodierter Proben 128 gezeigt, wobei M = 15 ist. Die resultierenden Mittelwerte sind wie folgt definiert: TABELLE D

A₀: = Mittel des ersten Probenblocks,
A₁: = Mittel des zweiten Probenblocks,
A₂: = Mittel des dritten Probenblocks.

Zwischenwerte (d. h. die Differenzen zwischen benachbarten Mittelwerten) sind wie folgt: D1 = A0 – A1 D2 = A1 – A2
Durch Benutzen aller oder Teile der oben genannten Werte, d. h. A₀, A₁, A₂, D₁, und D₂ kann P₀ bestimmt werden. Verschiedene Techniken zum Benutzen von A₀, A₁, A₂, D₁ und D₂ zum Bestimmen des geschätzten P₀ werden im folgenden beschrieben. Welche Technik benutzt werden soll, hängt von den jeweiligen Parametern wie Pumpenkennlinie, Flußrate, NSAD-Status usw. ab. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Technik zum Bestimmen von P₀ mit Hilfe der in Tabelle D gezeigten Parameter gewählt.
Formeln zum Bestimmen des geschätzten P₀, welche die Dreipunktblockmittelung benutzen, sind die folgenden:

P₀: = A₂
P₀: = Mittelwert von A₁ und A₂

Ein anderes Verfahren zum Bestimmen von P₀ ohne Benutzung der Dreipunktblockmittelung umfasst die Mittelung allein des Schwanzabschnitts der Drucksignale jedes Zeitfensters. Diese Schwanzmittelwerte werden nicht dekodiert. Stattdessen werden die Schwanzmittelwerte selbst gemittelt, wodurch sich ein einziger Mittelwert ergibt. Der Mittelwert wird dann als geschätzter Wert P₀ benutzt. Dieses Verfahren ist im allgemeinen bei Bedingungen effektiv, bei denen niedrige Widerstände erwartet werden können, beispielsweise wenn die letzte vorangehende Messung der Ausgabe des Median-Filters einen niedrigen Widerstandswert angezeigt hat.
Wie oben gezeigt, steht eine Vielzahl von Verfahren zum Schätzen von P₀ zur Verfügung. Die Eignung bestimmter Verfahren hängt von verschiedenen Bedingungen ab, wie z. B. Flußrate, eingestellte Kompleanz usw. Das Ermitteln des optimalen Verfahrens kann extensive Prüfungen der jeweiligen Ausrüstung nötig machen. Tabelle D zeigt verschiedene bevorzugte Verfahren zum Schätzen von P₀, wobei das bevorzugte Verfahren eine Funktion einer gewählten Flußrate, eines NSAD-Faktors (d. h. der Stabilität des dekodierten Signals), des berechneten Widerstands und der Zeit, während der das System bereits in Betrieb ist, bildet.
Bei großen Veränderungen der Grundlinie oder der Impedanz (aufgrund von Faktoren wie Störgeräusch, großer Offset-Veränderungen oder harter Verstopfungen) kann die dekodierte Ausgabe instabil werden. Um unter diesen Bedingungen schwere Fehlberechnungen des Widerstands zu vermeiden, muß ein alternatives Schätzungsverfahren gewählt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform einer Auswahllogik zum Schätzen von P₀ wie die in Tabelle D gezeigte macht ein Verfahren zum Bestimmen der Stabilität des dekodierten Signals nötig. Dies wird durch das Berechnen eines Parameters „geschätztes Störgeräusch" erreicht, der als Normalisierte Summe Absolut Delta (NSAD) bezeichnet wird. NSAD wird als die Summe des absoluten Wertes der Differenz D₁ und D₂ dividiert durch das Produkt der Codelänge (M) und der Anzahl der Überschritte pro Zeitfenster (zum Normalisieren der verschiedenen Codes und Antriebsmuster) definiert. NSAD ist also durch die folgende Formel definiert:
NSAD wird mit einem Grenzwert NSAD_tresh verglichen, der selbst von der gewählten Flußrate abhängt. Bevorzugte Ausführungsformen von Werten von NSAD_tresh für verschiedene gewählte Flußraten sind in Tabelle E dargestellt. Falls NSAD größer ist als NSAD_tresh, wird eine „true"-Kondition in den Auswahllogikprozess für das Bestimmungsverfahren von P₀ eingegeben, wie in Tabelle D gezeigt.
TABELLE E
Wenn die Fluidwiderstände sehr niedrig sind, werden die Differenzwerte D₁ und D₂ sehr klein. Wenn P₀ mit Hilfe der Formel mit dem Wert (D₂ – D₁) als Nenner bestimmt wird, kann die Differenz D₂ – D₁ nahe Null liegen. Wenn diese Differenz (d. h. D₂ – D₁) als Nenner einer Gleichung zum Bestimmen von P₀ benutzt wird, wie z. B. der Gleichung 8 oben, kann eine große und instabile Schätzung P₀ resultieren. Um Situationen zu identifizieren, die ein instabiles Resultat ergeben könnten, wird der NSAD-Wert mit einem NSAD-Tiefstgrenzwert NSAD_mintresh verglichen, der in einer bevorzugten Ausführungsform 0,25 mm Hg (0,035 Pa)/(M·Überschritte pro Zeitfenster ist, wobei das logische Ergebnis für den Auswahlprozessor für das Bestimmungsverfahren von P₀ benutzt wird, wie in Tabelle D dargestellt.
Wenn der Widerstand relativ niedrig ist, benutzt das stabilste Verfahren zum Schätzen von P₀ einen direkten Mittelwert der M zur Verfügung stehenden Grundlinienprobenmittelwerte (GLPM) als geschätzten P₀-Wert ohne Dekodierung der Druckmittelwerte. Diese Technik wird benutzt, wenn die Ausgabe des Widerstandsschätzungsfilters niedriger liegt als der Widerstandsgrenzwert R_tresh, der in einer bevorzugten Ausführungsform 600 Fluidohm beträgt.
Nach einem Zeitabschnitt ohne Fluss wie z. B. unmittelbar nach dem Systemstart ist die Ausgabe des PRBS-Dekodierers unvollständig und ungenau, bis wenigstens M Zeitfenster seit dem Systemstart vergangen sind. Auf diese Weise sind im System nicht genügend Daten vorhanden, um einen geschätzten Wert P₀ zu berechnen. Wenn seit Systemstart weniger als M Zeitfenster vorü bergegangen sind, müssen andere Verfahren zum Wählen des P₀-Schätzwertes benutzt werden. Zwei dieser Verfahren sind in Tabelle D gezeigt. In einer Ausführungsform für gewählte Flußraten zwischen 1,67 × 10^–10 bis 139 × 10^–10 m³/Sek. (0,6 bis 50 ml/h) ist der benutzte P₀-Wert der Druck, der in der Leitung unmittelbar vor Beginn des Pumpbetriebs gemessen wurde (d. h. unmittelbar vor Systemstart). Bei Raten von 1,39 × 10^–10 m³/Sek. (0,6 ml/h) oder darunter wird der Grundlinienprobenmittelwert für das einzelne Zeitfenster allein benutzt, in Kombination mit dem speziellen Modus „niedrige Flußrate" der Widerstandsberechnung, der an späterer Stelle unter Bezugnahme auf 14 genauer beschrieben werden soll.
Störende Signale und andere vorübergehende Anomalien können gelegentlich zu einem ungenauen geschätzten P₀ für manche Zeitfenster führen. Wie in 11 gezeigt, kann die Auswirkung solcher ungenauen P₀-Schätzungen durch Benutzung eines Median-Filters reduziert und manchmal beseitigt werden. Der Median-Filter umfasst einen Array zum Speichern der jüngsten P₀-Werte. In einer bevorzugten Ausführungsform, die in Tabelle F dargestellt ist, hat der P₀-Filterarray eine Größe M, so daß es die P₀-Werte für eine Codelänge speichert.
TABELLE F
Der in 11 dargestellte Median-Filterprozess umfasst ein Array der Länge 7. Das Array speichert die jüngsten 7 Werte. Das relative Alter der einzelnen Datenelemente wird in einer verlinkten Liste verwaltet, dargestellt unter (A), welche das relative Alter vom ältesten bis zum jüngsten zeigt.
Die Datenelemente werden in einem Array verwaltet und, wie dargestellt unter (B), von klein bis groß geordnet. Wenn ein neuer Wert hinzukommt, wie der unter (C) gezeigte Wert „11", wird der älteste Wert verworfen, was in dem unter (D) gezeigten Beispiel der Wert „ 25" ist. Der neue Wert nimmt den Platz des verworfenen alten Wertes ein. Es ist zu beachten, daß bei dem gezeigten Beispiel das Array vor dem Betrieb mit dem Wert „ 25" in jeder Arrayspalte vorgeladen wur de. Vor der Einführung des jüngsten Wertes (d. h. „11") wurden dem Array nur vier neue Werte („9", „12", „18" und „43") hinzugefügt.
Das Array mit dem neu hinzugefügten Wert („11") wird beispielsweise durch eine übliche Blasensortierung eingeordnet, um alle Werte in eine Reihenfolge vom kleinsten bis zum größten Wert zu bringen, wie unter (E) gezeigt. Das resultierende geordnete Array, unter (F) dargestellt, weist alle Elemente vom kleinsten bis zum größten auf. Der zentrale Werte, der im dargestellten Beispiel „18" ist, ist der neue Median-Filterwert, wie unter (G) gezeigt.
Es ist zu beachten, daß die Filterung auch mit Hilfe eines anderen Verfahrens stattfinden kann, wie z. B. einer einfachen Mittelung des aktuellen P₀-Werts mit anderen neueren P₀-Werten. Die Median-Filterung weist allerdings gegenüber anderen Mittelungsverfahren gewisse Vorteile auf, insbesondere im Beseitigen der Auswirkungen extremer Werte wie „43", der in dem in 11 gezeigten Beispiel auftritt.
Ein anderes Verfahren zum Verbessern der Genauigkeit von P₀ und der Widerstandsberechnung umfasst die Benutzung des BIC-Codes, der benutzt wird, um die Auswirkung von umdrehungssynchronen Störgeräuschquellen zu reduzieren. Umdrehungssynchrone Störgeräuschquellen sind Anomalien des Drucksignals, die in vorhersehbarer Weise innerhalb bestimmter Überschritte auftreten.
Schwankungen des Flussvolumens Qss zwischen den Überschritten können von kleinen Schwankungen bis zu Situationen variieren, in denen ein Überschritt tatsächlich einen negativen Fluss hervorbringt. Obwohl Überschritte so gewählt sind, daß sie annähernd gleiche Fluidvolumina ergeben, wie in 12a gezeigt, variiert die Fluidabgabe zwischen den Überschritten im Laufe der Zeit, was von verschiedenen Systemparametern wie dem Ausgangsdruck abhängt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Überschritte aufgrund von Pumpenkennlinien voreingestellt und werden nicht dynamisch angepasst, um zeitlich variierende Änderungen des Fluidvolumens auszugleichen. Unter bestimmten Umständen allerdings, wie z. B. dann, wenn der Ausgangsdruck groß ist, können die Volumina, die von verschiedenen Überschritten abgegeben werden, stark variieren, und zwar sogar soweit, daß einer oder mehrere Überschritte negative Fluidvolumina abgeben. Während beispielsweise eine Pumpe, die mit einem relativ geringen Ausgangsdruck arbeitet, im wesentlichen gleich bleibende Fluidvolumina abgeben kann, wie in 12a gezeigt, kann dieselbe Pumpe, wenn sie mit einem höheren Ausgangsdruck arbeitet, variierende Fluidvolumina abgeben, wie z. B. die in 12b gezeigten.
Obwohl die meisten Überschritte entweder keine oder nur eine sehr geringer Veränderung erfahren, können für einen oder mehr Überschritte Variationen des Abgabevolumens auftreten. Bei der hypothetischen Pumpe mit 200 Schritten und 32 Überschritten, die als Beispiel von den 12a und 12b benutzt wird, können bei Überschritt 29 (SS₂₉) Abgabevolumina Qss₂₉ von einem kleinen positiven Abgabevolumen Qss₂₉ bei geringem Ausgangsdruck (12a) bis hin zu einem großen negativen Abgabevolumen Qss₂₉ bei höherem Ausgangsdruck (12b) auftreten. Solche zeitlich und druckvariablen Änderungen, d. h. „Artefakte" in den in Überschritten abgegebenen Volumina können Probleme bei der genauen Bestimmung des Gleichgewichtsdrucks P₀ und des Widerstands R verursachen.
Synchrone Störgeräuschquellen sind in ihrer Art normalerweise vorhersagbar. Die von umdrehungssynchronen Störgeräuschquellen verursachten Probleme bei der Bestimmung von P₀ und R können größtenteils durch die Paarung eines „geräuschvollen" Überschritts (wie des Überschritts SS₂₉ mit negativem Volumen aus 12b) mit einem bestimmten PRBS-Codeschritt beseitigt werden. Dies wird mit Hilfe des binären Initialisierungscodes („BIC") erreicht, der benutzt wird, um den Initialwert des Schieberegisters festzustellen und auf diese Weise die Beziehung zwischen dem Code und der physikalischen Rotation des Pumpmechanismus bestimmt. Der BIC-Phasenwert entspricht typischerweise dem Motor/Rotationsmonitor, der abgestimmt ist, den Überschritt 0 (SS₀) zu initialisieren. Die korrekte Phasierung des Codes im Verhältnis zum Mechanismus trägt dazu bei, die von Artefakten verursachten Fehler bei der Schätzung von P₀ zu minimieren. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der BIC empirisch für bestimmte Pumpen und Flußraten bestimmt, abhängig von den synchronen Störgeräuschquellen des jeweiligen Systems. Für die 200-Schritt-Pumpe IVAC Signature Edition Pump (Modelle 7100 und 7200) sind die bevorzugten BICs in der zuvor gezeigten Tabelle B dargestellt.
Um die Zeit zu maximieren, die dem Druck zum Abfallen zur Verfügung steht, während gleichzeitig Zeitfenster in einer angemessenen Größe gehalten werden, ist es im allgemeinen wünschenswert, das Fluid innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne abzugeben, beispielsweise am Anfang eines Zeitfensters. Eine solche Abgabe geschieht vorzugsweise durch die Abgabe von einem oder mehreren Überschrittvolumina (Qss) mit Hilfe einer einzigen Beschleunigungs/Verzögerungswellenform. Beispielsweise zeigt 13a vier Überschritte, die als eine einzige Beschleunigungs/Verzögerungswellenform 130 abgegeben werden. Die Benutzung von Beschleunigungs/Verzögerungswellenformen ist genau in WO 9 711 064.2 beschrieben.
Wenn allerdings mehr als ein Überschritt innerhalb eines Zeitfensters stattfindet, oder wenn ein einzelner Überschritt die Abgabe einer beträchtlichen Menge Fluid umfasst, kann die Abgabe einer solchen Menge Fluid in einer einzigen Beschleunigungs/Verzögerungswellenform 130a, wie in 13a gezeigt, zu unerwünscht hohen momentanen Flußraten führen, die einen „sympathischen Fluss" von der primären Flussquelle während der sekundären Abgabe erzeugen können.
Die Benutzung einer einzigen Beschleunigungs/Verzögerungswellenform kann außerdem unerwünscht hohe momentane Pumpgeschwindigkeiten verursachen.
Um momentane Pumpen- und Fluidinjektionsgeschwindigkeiten zu verringern, kann die Fluidabgabe „getrillert" werden. Das Trillern umfasst das Aufbrechen einer einzelnen Wellenform in mehrere kleinere Wellenformen 130b, wie in 13b gezeigt, wobei jede kleine Wellenform vorzugsweise einer Beschleunigungs/Verzögerungswellenform folgt. Bei der in 13b gezeigten Ausführungsform werden vier Überschrittvolumina (4 Qss), die als einzelne Boluswellenform 130a in 13a abgegeben wurden, in vier separaten Wellenformen 130b abgegeben, wobei jede kleine Wellenform 130b ein Überschrittvolumen (Qss) Fluid abgibt. Die einzelnen Wellenformen 130b sind vorzugsweise unmittelbar zueinander benachbart beabstandet, so daß die Fluidabgabe innerhalb einer kurzen Zeitspanne erfolgt, wobei das verbleibende Zeitfenster ein Abfallen des Drucks zur genaueren Bestimmung von P₀ zulässt.
Zusätzlich zu einem genauen P₀-Wert ist zum Bestimmen des Widerstands außerdem die Bestimmung der Summe der Drucksignale (d. h. der Druckproben) für jedes Zeitfenster nötig. Zum Summieren der Drucksignale müssen die Signale jedoch nicht dekodiert werden – deshalb werden die undekodierten oder „rohen" Signale für den Summierungsprozess benutzt. Während jedes Zeitfensters wird die Summe aller oder eines wesentlichen Anteils der Druckproben, die während dieses Zeitfensters gesammelt wurden, verrechnet. Der Summenwert für das Zeitfenster wird als ein Element in ein Array der Länge M eingegeben, das als Zeitfenstersummenarray (TimeSlotSumArray – TSSA) bezeichnet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Summe des TSSA (d. h. die Summe aller Druckproben der letzten M Zeitfenster) aktualisiert und zum Berechnen des Widerstands benutzt.
14 zeigt ein Beispiel-TSSA mit einer Länge von 7, die der PRBS-Codelänge (M) von 7 entspricht, das benutzt wird, um eine Drucksumme für eine entsprechende undekodierte Druckwellenform 132 zu bestimmen. Jedes Zeitfenster weist mehrere undekodierte Druckproben 134 auf, welche die Druckwellenform definieren. Jedes Element 136 des TSSA wird zum Speichern der Summe der undekodierten Druckproben 134 eines bestimmten Zeitfensters benutzt. Alle Elemente des TSSA werden dann addiert, um eine Drucksumme 138 zu bestimmen.
Es ist zu beachten, daß das TSSA vorzugsweise benutzt wird, um eine gleitende oder laufende Gesamtsumme der Drucksummen der letzten Zeitfenster zu halten. Mit anderen Worten, das TSSA wird jedes Mal dann aktualisiert, wenn Drucksignale von einem neuen Zeitfenster empfangen werden, wobei die Daten des „ältesten" Zeitfensters von den neuen Daten ersetzt werden. Wenn die Drucksumme und P₀ bekannt sind, kann der Widerstand wie folgt berechnet werden:
wobei:

R: = Widerstand in Fluidohm,
P: = Druck in mm Hg und 277,77 eine Umwandlung von mm Hg Sek/Mikroliter in Fluidohm ist (d. h. mm Hg Stunde/Liter).

Es ist entscheidend, daß der Wert von ΣProbensumme_j identisch ist mit der Gesamtzahl der Druckproben, die zu ΣTimeSlotSumArray_j beitragen.
Für jedes Zeitfenster erfolgt eine neue Widerstandsschätzung. Störsignale und andere vorübergehende Anomalien zwischen den Zeitfenstern können jedoch zu Ungenauigkeiten der berechneten Widerstandswerte führen. Um die Auswirkung dieser Anomalien zu verringern, kann der berechnete Widerstandswert mit einem Median-Filter behandelt werden. Also wird jede neue Widerstandsschätzung in ein Widerstand-Median-Filterarray eingegeben. Der Widerstand-Median-Filter arbeitet ähnlich wie der P₀-Median-Filter und produziert einen gefilterten Widerstandswert, der im allgemeinen eine genaue Schätzung des Fluidwiderstands im System ist. Wie im Fall des P₀-Median-Filters bestimmt der Median-Filter den Mittelwert der Widerstandsschätzungen im Array, wobei dieser Mittelwert zum gefilterten Widerstandswert wird. Die Länge des Widerstand-Median-Filters hängt von der Rate ab, wobei die Werte für eine bevorzugte Ausführungsform in Tabelle G dargestellt sind. Die Arrayelemente des Filters sind vorzugsweise anfangs auf 0 gesetzt, um Einschaltstöße zu minimieren. Wenn die vom Nutzer gewählte Rate ohne Anhalten des Fluidinjektionssystems geändert wird, werden alle Filterarrayelemente zunächst auf den jüngsten gefilterten Widerstandswert gesetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der gefilterte Widerstandswert auf dem Anzeige- und dem Alarmverarbeitungssystem angezeigt.
TABELLE G
Zusätzlich zum Bestimmen des Widerstands kann das System außerdem andere Flussparameter bestimmen, einschließlich Kompleanz, Systemimpedanz usw. Beispielsweise kann das System benutzt werden, um eine Zeitkonstante TC (die dem Widerstand mal Kompleanz entspricht) anhand der folgenden Formel zu bestimmen:
Die obige Formel kann auf diese diskrete Formel reduziert werden:
wobei:

k: = Indexspanne
ΔT: = Zeitfensterintervall (d. h. Zeitfensterlänge)
M: = Anzahl der Proben
P(k): = M Proben vom Dekodierer und
P₀: = geschätzter Gleichgewichtsdruck ist.

Anhand der oben beschriebenen Bestimmung von TC in Kombination mit dem separat bestimmten Widerstand (wie z. B. dem gefilterten Widerstandswert) kann die Systemkompleanz leicht bestimmt werden. Da TC = Kompleanz mal Widerstand, kann die Kompleanz einfach als TC durch R berechnet werden.
Ein zusätzlicher Vorteil der Benutzung eines pseudozufälligen Codes ist die Möglichkeit der Unterscheidung von Drucksignalen, die von anderen Geräuschquellen verursacht werden, sogar von Drucksignalen, die von anderen Pumpen verursacht werden, die am selben Fluidinfusionssystem arbeiten. In der in 15 dargestellten Ausführungsform umfasst ein Infusionssystem oder Aufbau 150 zwei Fluidinfusionssegmente 152a, 152b, wovon jedes eine separate Fluidquelle 22a, 22b, separate Prozessoren 30a, 30b, separate Pumpenmotoren 14a, 1b und separate Pumpmechanismen 16a, 16b aufweist, welche auf separate Fluidleitungen 12a und 12b wirken. Die separaten Fluidleitungen 12a und 12b leiten in eine gemeinsame Fluidleitung 12c zur Infusion in einen Patienten 24 über eine gemeinsame Kanüle 26 ein. Auf diese Weise bilden die Fluidleitungen der zwei Systeme prinzipiell eine gemeinsame Fluidleitung. So verursacht ein von Pumpmechanismus 16a induzierter Fluidfluss entsprechende Druckreaktionen, die nicht nur vom Druck sensor 34a in Leitung 12a, sondern auch vom Drucksensor 34b in Leitung 12b erfasst werden. Ebenso verursacht ein von Pumpmechanismus 16b induzierter Fluidfluss entsprechende Druckreaktionen, die nicht nur vom Drucksensor 34b in Leitung 12b, sondern auch vom Drucksensor 34a in Leitung 12a erfasst werden. Ohne geeignete Filterung kann eine solche Drucküberschneidung die Genauigkeit der Messungen von Widerstand und anderen Parametern beeinträchtigen. Pseudozufälliges Kodieren und Dekodieren filtert wesenhaft diese Überschneidungen heraus und ermöglicht so für jedes separate Infusionssegment 152a, 152b eine genaue Bestimmung des Flusswiderstands. Beispielsweise arbeitet Infusionssegment 152a vorzugsweise mit einem pseudozufälligen Code, der ein resultierendes Flussmuster erzeugt, welches sich von dem Flussmuster unterscheidet, das von Infusionssegment 152b induziert wird. Durch das Dekodieren der resultierenden Druckreaktion gemäß dem pseudozufälligen Code filtert der Prozessor 30a des Infusionssegments 152a wesenhaft einen großen Teil der Überschneidungen heraus, die von Infusionssegment 152b verursacht werden. Auf diese Weise kann der Widerstand mit relativ hoher Genauigkeit bestimmt werden. Die Genauigkeit kann weiter erhöht werden, indem die in 11 gezeigte Median-Filtertechnik angewandt wird. Auf diese Weise können die einzelnen Prozessoren 30a, 30b der Infusionssegmente 152a, 152b individuell den Widerstand bestimmen, indem sie die erfassten Drucksignale mit Hilfe des pseudozufälligen Codes filtern, der von dem jeweiligen Prozessor 30a, 30b zum Erzeugen des Fluidflusses mit dem jeweiligen Pumpmechanismus 16a, 16b benutzt wird.
15 zeigt beide Infusionssegmente 152a, 152b mit prozessorgesteuerten Infusionsmechanismen. In einer Ausführungsform kontrolliert jeder Prozessor 30a, 30b den Fluidfluss gemäß einem pseudozufälligen Code. Dies verbessert seine Fähigkeit, Überschneidungen von dem gegenüber angeordneten Infusionssegment herauszufiltern. Wenn allerdings beide Prozessoren 30a, 34b denselben pseudozufälligen Code benutzen würden, würde die Fähigkeit des Kodierungs/Dekodierungsprozesses zum Herausfiltern der Überschneidungen reduziert. Zusätzlich gibt es bestimmte Paarungen von pseudozufälligen Codes, die dann, wenn sie in einem separaten Infusionssegment benutzt werden (wie z. B. 152a, 152b) die Fähigkeit des Kodierungs/Dekodierungsprozesses zum Herausfiltern der Überschneidungen verbessern oder reduzieren können. Aus diesem Grund kooperieren in einer weiteren Ausführungsform die Prozessoren 30a, 30b, um sicherzustellen, daß jedes Infusionssegment 152a, 152b Fluid gemäß einem anderen pseudozufälligen Code infundiert als das jeweils andere Infusionssegment. Die Prozessoren können außerdem kooperieren, indem sie pseudozufällige Codes wählen, welche die Prozessorfähigkeit zum Herausfiltern von Überschneidungen verbessern, die von dem anderen Infusionssegment verursacht werden. Beispielsweise können die Prozessoren 30a, 30b absichtsvoll ver schiedene Octal-Codes wählen, die PRBS-Codes erzeugen, welche die Fähigkeit der Prozessoren 30a, 30b zum Herausfiltern von Überschneidungen anhand des Kodierungs/Dekodierungsprozesses verbessern. In einer anderen Ausführungsform können die separaten Infusionssegmente 152a, 152b von einem einzigen Prozessor gesteuert werden, um die pseudozufällige Kodierung zu koordinieren, die zum Antrieb jedes Pumpmechanismus 16a, 16b benutzt wird.
Bei der in 15 dargestellten Ausführungsform umfassen beide Infusionssegmente 152a, 152b einen Prozessor 30a, 30b, der die Fluidinfusion kontrolliert. Der Widerstand kann jedoch auch dann bestimmt werden, wenn nur eins der Infusionssegmente einen Prozessor umfasst, der die Fluidinfusion gemäß einem pseudozufällgen Code kontrolliert. Wenn beispielsweise Infusionssegment 152a eine übliche Infusionsvorrichtung wäre, die nicht gemäß einem pseudozufälligen Code arbeitet, könnte das Infusionssegment 152b trotzdem einen Widerstand bestimmen, solange der Prozessor 30b pseudozufälliges Kodieren und Dekodieren benutzt.
Der von einem bestimmten Prozessor (wie z. B. 30b) benutzte Drucksensor muß nicht notwendigerweise in der unmittelbar benachbarten Fluidleitung (wie z. B. Leitung 12b) angeordnet sein. Da die Druckreaktionen oft im gesamten Fluidinfusionssystem ähnlich sind, kann der Drucksensor nahezu überall im Infusionssystem angeordnet sein, sofern er dem Pumpmechanismus 16a, 16b nachgeordnet ist. Beispielsweise kann der Drucksensor in der gemeinsamen Leitung 12c angeordnet sein, wie durch Sensor 34c dargestellt. Auf diese Weise könnte Prozessor 30b die von Sensor 34c bereitgestellten Drucksignale empfangen, diese Signale summieren und dekodieren und den Widerstand sowie andere Parameter des Systems genau bestimmen.
Während 15 zwei Fluidinfusionssegmente 152a, 152b, kann pseudozufälliges Kodieren (wie z. B. PRBS-Kodieren) auch auf Infusionssysteme mit drei oder mehr Fluidinfusionssegmenten angewandt werden. Obwohl jedes zusätzliche Infusionssegment dem System zusätzliches „Geräusch" oder Überschneiden zufügt, kann der pseudozufällige Kodierungs/Dekodierungsprozess einen Großteil der Überschneidungen eliminieren.
Das oben beschriebene System und Verfahren für mittlere Flußraten, wobei für die erfasste Druckreaktion pseudozufälliges Kodieren und Dekodieren benutzt wird, ist im Bestimmen von Fluidwiderständen und anderen Parametern über eine breite Spanne von Flußraten effektiv. Bei sehr niedrigen Flußraten allerdings ist der erzeugte Druck ziemlich niedrig. So können relativ kleine Fehler der P₀-Bestimmung relativ große Fehler im berechneten Widerstand verursachen. Bei äußerst niedrigen Raten wie z. B. 1,39 × 10^–10 m³/Sek. (0,5 ml/h) können durch mechanische Kopplung verursachte Fehler und thermische Drift des Druckmessfühlers signifikante Fehler in einer PRBS-kodierten Ausgabe erzeugen, was zu großen Fehlern des berechneten Widerstands führt. Aus diesem Grund ist ein alternatives Mittel zum Berechnen des Widerstands wünschenswert.
vorübergehende Druckanomalien, wie z. B. solche, die von Bewegungen des Patienten verursacht werden, daran zu hindern, den vorbestimmten Gleichgewichtsdruck zu verzerren. Bei der in 16 gezeigten Ausführungsform wird der Zeitfenster-Schwanzmittelwert (ZSM) für jedes Zeitfenster als Mittelwert der erfassten Drücke der letzten 25% des Zeitfensters bestimmt.
Erneut Bezug nehmend auf 15, wird der ZSM berechnet 54 und in Kombination mit der vollen Summe der Drücke des gesamten Zeitfensters zum Berechnen 50 des Fluidwiderstands benutzt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Widerstand mit Hilfe der folgenden Formel bestimmt:
wobei:

R: = Widerstand in Fluidohm,
P: = Druck im mm Hg und 277,77 eine Umwandlung von mm Hg Sek./Mikroliter in Fluidohm (d. h., mm Hg Stunde/Liter) ist.

Diese Technik zum Bestimmen des Fluidwiderstands ist im allgemeinen beim Entdecken weicher Verstopfungen und anderer Anomalien im Fluidabgabesystem genau. Im Fall einer harten flussabwärts angeordneten Verstopfung würden der ZSM sowie andere Druckprobenwerte eines Zeitfensters jedoch um die Gesamtdruckmenge angehoben, die von Pumpe in ihrem Versuch erzeugt wird, den Überschritt Fluidvolumen in das verstopfte Fluidabgabesystem hinein zu verdrängen. So ist die Druckwellenform benachbarter Zeitfenster oft im wesentlichen gleich, wobei sie allerdings angehoben ist. Dies wird in 16 gezeigt, wo der abschnitt der Druckwellenform im ersten Zeitfenster (d. h. TS_a-1) im wesentlichen mit den Druckwellenformen des zweiten und dritten Zeitfensters (d. h. TS_a und TS_a+1) übereinstimmt, nur daß die Wellenform in jedem Zeitfenster leicht gegenüber dem vorherigen Zeitfenster angehoben ist. Die Benutzung allein des ZSM könnte also das Entdecken der Verstopfung verhindern.
Um dieses Problem zu lösen, wird ein Schwellenwert festgelegt, mit dessen Hilfe relativ große Veränderungen der Druckwerte zwischen benachbarten Zeitfenstern entdeckt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Schwellenwert oder Anstiegsgrenzwert durch Addieren eines gewählten Wertes des vorherigen Zeitfensters zum ZSM (d. h. zu P₀). Wenn der ZSM eines Zeitfensters den Anstiegsgrenzwert überschreitet (d. h. den ZSM des vorherigen Zeitfensters um mehr als den gewählten Wert überschreitet), kann dies auf eine harte Verstopfung hinweisen. Diese Technik ermöglicht eine genaue Entdeckung harter Verstopfungen, während eine langsame Strömung überwacht wird (d. h. Druckveränderungen von weniger als 1 mm Hg/h, die aufgrund sehr langsamer Prozesse auftreten wie z. B. allmählicher Einschluss von Feuchtigkeit, Aushärten von Klebeverbindungen, Wanderung implantierter Ionen in der Siliziumstruktur usw.). Die Technik vermeidet außerdem Fehler aufgrund von Mechanismuskopplungen.
Bei der in 16 gezeigten Ausführungsform ist der gewählte Wert, der zum dem vorherigen Zeitfenster-Schwanzmittelwert addiert wird, um den Anstiegsgrenzwert festzulegen, 2 mm Hg. Ein Druckanstieg zwischen benachbarten Zeitfenstern aufgrund einer harten Verstopfung ist im allgemeinen viel höher als 2 mm Hg, während die Größe von Druckfehler von Überschritt zu Überschritt aufgrund von mechanischen Kopplungen und ähnlichen Faktoren typischerweise unter 2 mm Hg liegt. Deshalb vergleich das System den ZSM eines Zeitfensters mit dem ZSM des vorherigen Zeitfensters. Wenn ein Anstieg von 2 mm Hg oder mehr des ZSM des im Verhältnis zum aktuellen Zeitfensters unmittelbar vorangegangenen Zeitfensters vorliegt, wird der aktuelle P₀-Wert auf den vorherigen ZSM + 2 mm Hg begrenzt. Da harte Verstopfungen zu einem wesentlich höheren Druckanstieg führen, müsste der resultierende Widerstand, der von dieser begrenzten P₀-Schätzung berechnet wird, sehr hoch sein, was auf eine harte Verstopfung hinweist.
Zur beispielhaften Verdeutlichung ist ZSM_a von Zeitfenster TS_a in 16 nur um 0,5 mm Hg höher als ZSM_a-1 von Zeitfenster TS_a-1. Ein solcher Anstieg kann aufgrund verschiedener Fehlerfaktoren vorliegen und weist nicht notwendigerweise auf eine harte Verstopfung hin. Allerdings ist ZSM_a+1 von Zeitfenster TS_a+1 um 2,5 mm Hg höher als ZSM_a von Zeitfenster TS_a. Da ZSM_a+1 mehr als 2 mm Hg höher als ZSM_a ist, wurde der Anstiegsgrenzwert überschritten. Wenn wie in 15 gezeigt, die Anstiegsgrenzwertprüfung 146 bestimmt, daß eine zu große Differenz zwischen den benachbarten ZSM-Werten vorliegt, wird der aktuelle P₀-Wert auf den vorherigen ZSM + 2 mm Hg begrenzt. Wenn der begrenzte P₀-Wert zum Bestimmen des Widerstands benutzt wird, wird sich höchstwahrscheinlich ein hoher Widerstandswert ergeben, und das System wird einen Verstopfungsalarm auslösen.

Claims

Medizinisches Fluidabgabesystem, welches eine Fluidleitung und eine Infusionspumpe (14a, 16a, 30) umfasst, die auf die Fluidleitung (12) einwirken kann, um die Fluidströmung durch die Leitung zu steuern, wobei die Infusionspumpe eine Drehwelle aufweist, die an einen Schrittmotor (14) mit mehreren Motorschritten pro Umlauf gekoppelt ist, wobei die Art der Pumpe so ist, dass das Fluidvolumen variiert, welches entlang der Leitung durch die Pumpe pro Motorschritt abgegeben wird, wobei das Abgabesystem einen Motorpositionssensor (32), welcher die Position des Motors (14) und der Pumpe (16) bestimmt, eine Druckmesseinrichtung (34, 36), welche einen Drucksensor (34) umfasst, der an die Leitung gekoppelt ist, um den Druck in der Leitung zu erfassen, und einen Prozessor (30) umfasst, der eingerichtet ist, Drucksignale von dem Drucksensor zu empfangen, wobei der Positionssensor (32) eingerichtet ist, ein Positionssignal an den Prozessor zu liefern, der Prozessor eingerichtet ist, einen pseudozufälligen Code auszugeben, welcher „1"- und „0"- Elemente aufweist, und die Pumpe zu steuern, um eine Strömung in einem Strömungsvariationsmuster entsprechend dem pseudozufälligen Code zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor konfiguriert ist, den Pumpenmotor so zu steuern, dass dieser sich in Überschritten bewegt, wobei jeder Überschritt eine Gruppe dieser Motorschritte umfasst, so dass jeder Überschritt bewirkt, dass ein Überschrittfluidvolumen durch die Leitung strömt, wobei jedes Überschrittvolumen im wesentlichen gleich den anderen Überschrittvolumina ist, wobei der Prozessor konfiguriert ist, jedem Element des pseudozufälligen Codes ein Zeitfenster zuzuordnen, und zu bewirken, dass der Pumpenmotor während jedes Zeitfensters, das einem „1"- Element des Codes zugeordnet ist, eine Anzahl von Überschritten durchläuft, wobei die Anzahl von der gewählten Flussrate oder anderen Systemparametern abhängig ist, und zu bewirken, dass der Pumpenmotor während jedes Zeitfensters, das einem „0"- Element des Codes zugeordnet ist, keine Überschritte durchläuft, wobei der Prozessor des weiteren konfiguriert ist, zu bewirken, dass die Pumpe das Fluid, welches während jedes Zeitfensters abgegeben wird, das einem „1 "- Element zugeordnet ist, in Form von mehreren dicht beabstandeten Strömungswellenformen am Anfang des Zeitfensters abgibt, und wobei der Prozessor (30) eingerichtet ist, gemittelte Druckwerte (54) für wenigstens einige der Drucksignale zu bestimmen, und die gemittelten Druckwerte entsprechend dem pseudozufälligen Code (64) zu dekodieren, und die dekodierten gemittelten Druckwerte zu verarbeiten, um einen Strömungsparameter zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, wobei der Prozessor konfiguriert ist, zu bewirken, dass die Pumpe jede der dicht beabstandeten Strömungswellenformen als eine Beschleunigungs-/Verzögerungswellenform abgibt.
System nach Anspruch 2, wobei der Prozessor konfiguriert ist, zu bewirken, dass die Pumpe vier von solchen dicht beabstandeten Strömungswellenformen am Anfang eines jeden Zeitfensters abgibt, welches einem „1"- Element des Codes zugeordnet ist, wobei jede dieser Wellenformen ein Überschrittvolumen umfasst.