JP2024006960A - 臨床点滴注入加熱及び流量監視システム - Google Patents

臨床点滴注入加熱及び流量監視システム Download PDF

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Abstract

【課題】臨床点滴注入加熱及び流量監視システムを提供する。【解決手段】動的加熱モジュールと、輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュールと、調節可能な流量モジュールと、アラーム及び自動閉鎖モジュールと、携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュールと、制御可能な共有モジュール及びマイクロ制御モジュールで構成されるシステムである。流体力学、熱伝導、信号及びシステム原理に基づいて、円管定常流中の動的熱拡散方程式のＦｏｕｒｉｅｒＳｅｒｉｅｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎに基づいてチューブ内の横断面上の平均流速を確定する方法を提供する。動的加熱、赤外線温度感知、自動制御等の関連原理、方法、及び技術を利用して輸液速度の監視、自動加温、及びチューブ内の薬液が空であるかどうかを監視し、輸液チューブを自動的に閉止して血液の逆流を防止する等の機能を実現する。専用アプリで携帯電話に接続し、監視した輸液の状態を表示する。【選択図】図１

Description

本発明は、臨床点滴注入加熱及び流量監視システムに関し、より詳しくは、臨床医学技術分野に属し、流体力学、熱伝導、信号及びシステム、動的加熱、赤外線温度感知、自動制御等に関連する原理、方法、及び技術に基づいて点滴輸液を加温し、流速を監視するシステムに関する。
臨床治療において、点滴の輸液は最も常用する静脈内投与方法であり、往々にして看護師が輸液過程を注意深く観察する必要があり、例えば、１組の薬液を投与し終わってから、交換して投薬を継続する場合、輸液の速度が適切かどうか、事故で輸液が停止して輸液チューブ内に血液が逆流していないか等を観察する必要があった。また、冬季に寒冷になる地域では、輸液温度が低下して患者が不快に感じることもあった。
輸液チューブ上に狭着可能な小型装置及びシステムがあれば、輸液速度や、輸液チューブ内の薬液が空であるかどうかを監視し、輸液チューブを自動的に閉止して血液の逆流を防止することができ、自動的に液体を加熱すると共に適合する温度で恒温にし、輸液状態を看護師の携帯電話に適時送信して事前に警告し、看護師の利便性を高めることができる。
現在、市場には多くの輸液監視設備が登場している。曾キン氏等（参照文献：曾キン、梁希瑤、周瑩、液位に基づいて監視するスマート輸液警報システム設計及び応用［Ｊ］．医薬職業教育及び現代の看護、２０２２，５（０３）：２６２－２６６．）によるものは、赤外線によりチューブが発生する電位の変化を受信することで患者の輸液瓶中の指定する液位の高さを監視し、３色の警告及びブザーの警報を採用し、且つワイヤレスネットワークにより患者の輸液情報を医療従事者に即時フィードバックする。
によるものは、赤外線を利用してチューブ（赤外線送受信モジュール）の点滴の滴定状況を判断し、輸液過程で異常が発生した場合、音と光警報器により医療従事者に知らせると共に弾性ブロックを利用して点滴チューブを挟む。
以上の既存の設備の多くは赤外線を使用して輸液チューブ内の薬液が空であるかどうかを監視し、音と光で警報を発するか、ブルートゥース（登録商標）方式で携帯電話に接続して警報を発し、且つ自動閉止機能を有している。しかしながら、従来の設備には自動加温機能がないのみならず、輸液の速度監視機能もなく、患者及び看護師が輸液終了時間を予測できなかった。このため、輸液の速度監視及び自動加温機能を有し、輸液チューブ内の薬液が空であるかどうかを監視し、輸液チューブを自動的に閉止して血液の逆流を防止する機能を有する新設備が必要であった。また、上記設備は５Ｇネットワーク、ブルートゥース、及びＷＩＦＩ（登録商標）等の方式により携帯電話に接続し、専用アプリを研究開発して監視した輸液の状態を表示する。
輸液チューブの流速検知機能について、液体中に微粒子がないため、コストが高騰する原因となっており、よくあるドップラー超音波流量測定技術、ドップラーレーザー流量検知技術、及び電磁誘導流量測定技術等では上記設備の要求を満たせなかった。本発明は、まず、流体力学、熱伝導、信号、及びシステムの原理に基づいて、円管定常流中の動的熱拡散方程式のフーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）Ｓｅｒｉｅｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎに基づいてチューブ内の横断面上の平均流速を確定する方法を提供する。次に、動的加熱、赤外線温度測定、自動制御等の関連原理、方法、及び技術を利用して点滴注入加温及び流速監視システムを設計し、輸液の速度の監視、自動加温、及びチューブ内の薬液が空であるかどうかの監視、及び輸液チューブを自動的に閉止して血液の逆流を防止する等の機能を実現し、且つ５Ｇネットワーク、ブルートゥース、及びＷＩＦＩ等の方式により携帯電話に接続し、専用クライアント端を研究開発して監視した輸液の状態を表示する。
そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に至った。
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものである。上記課題解決のため、本発明は、流体力学、熱伝導、信号及びシステム、動的加熱、赤外線温度の測定、自動制御等の関連する原理、方法、及び技術に基づいて点滴注入加温及び流速監視システムを提供することを主目的とする。
上記システムは、まず、流体力学、熱伝導、信号及びシステムの原理に基づいて、円管定常流中的動の熱拡散方程式のフーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）級数解に基づいてチューブ内の横断面上の平均流速を確定する方法を提供する。次に、動的加熱、赤外線温度測定、自動制御等の関連する原理、方法、及び技術を利用して輸液速度の監視、自動加温、及びチューブ内の薬液が空であるかどうかの監視、輸液チューブを自動的に閉止して血液の逆流を防止する等の機能を実現する。最後に、専用クライアント端を研究開発し、５Ｇネットワーク、ブルートゥース、及びＷＩＦＩ等の方式により携帯電話に接続することで監視した輸液の状態を表示する。
上記目的を達成するための本発明の諸態様は、以下のとおりである。
本発明のある態様の臨床点滴注入加熱及び流量監視システムは、動的加熱モジュールと、輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュールと、調節可能な流量モジュールと、アラーム及び自動閉鎖モジュールと、携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュールと、制御可能な共有モジュール及びマイクロ制御モジュールと、を含んで構成されている。
上記動的加熱モジュールは加熱源及びその駆動回路を備えている。２つの上記加熱源は輸液チューブの両側にそれぞれ固定され、上記駆動回路により上記加熱源に向けてパルス電流を入力することで上記加熱源を駆動して熱を発生させ、熱伝導方式で上記輸液チューブ内にある液体を加熱することで薬液の迅速な昇温を実現し、上記加熱源の駆動信号は周期的パルス電流Ｆ（ｔ）であり、上記輸液チューブの加熱点箇所で上記輸液チューブ内の薬液に熱量Ｑ０（ｔ）を周期的に入力する。
上記輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュールは、温度センサーを備えている。
測定原理及び分析方法は、上記輸液チューブ内外の半径はそれぞれＲｉ及びＲｏである（共に特性長Ｌより遥かに小さい）。チューブ壁の材料の密度ｐｗ、比熱容量ｃｗ、及び熱伝導係数ｋｗは全て定数である。点滴液体の密度ｐｆ、比熱容量ｃｆ、及び熱伝導係数ｋｆも定数である。上記動的加熱モジュールが上記輸液チューブの加熱点箇所で上記輸液チューブ内の薬液に周期的に入力する熱量はＱ０（ｔ）であり、上記輸液チューブのＡ点箇所に伝導される熱量はＱＡ（ｔ）である。柱座標系を構成し、上記輸液チューブの長さ方向はｚ軸であり、半径方向はｒ軸であり、角度方向はθ軸であり、Ａ点を座標の原点ｚ＝０として設け、熱量ＱＡ（ｔ）がチューブ壁及びチューブ内の液体中に伝導する際にチューブ内で発生する温度はＴ（ｚ，ｔ）の動的波形であり、熱拡散方程式を満たし、
Figure 2024006960000003
上記輸液チューブのA点箇所の熱量をＱＡ（ｔ）として設ける場合、Ａ箇所の平均温度はＴＡ（ｔ）であり、式（１）の境界条件は下記式を満たし、
Figure 2024006960000004
フーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）級数展開及び変数分離を利用し、式（１）、（１１ａ）、及び（１１ｂ）に基づいて解を求めた周波数領域の伝導関数Ｈ（ｊω，ｚ）は下記の通りであり、
Figure 2024006960000005
上記式中において、ＴＡ（ｊω）はA箇所の平均温度であり、ＴＡ（ｊω）は円周率ωに対応する調和成分であり、ＴＢ（ｊω，ｚ）は任意のｚ箇所の平均温度であり、Ｔｚ（ｚ，ｔ）は円周率ωに対応する調和成分であり、
距離Ｌを置いたＡ点及びＢ点にサーモパイル赤外線温度センサーをそれぞれ配置し、ＴＡ（ｔ）及びＴＢ（Ｌ，ｔ）を同期で測定して周波数領域の伝導関数Ｈ（ｊω，Ｌ）の幅-周波数曲線及び位相-周波数曲線を取得し、式（１２）に基づいて、最小二乗法を採用して伝導関数Ｈ（ｊω，Ｌ）の幅-周波数曲線及び位相-周波数曲線をそれぞれあてはめてＵを求め、更に式（２）に基づいてチューブ内の液体が流動する平均流速Ｖを獲得し、
上記調節可能な流量モジュールは凹溝を有するストッパー及びステップモーターを含む。上記輸液チューブは凹溝を有する上記バッフルと上記ステップモーターとの間に位置し、上記ステップモーターの昇降長さｄは上記輸液チューブの管路の横断面積Ｓ（ｄ）を調節可能であり、流速を更に調節する。上記調節可能な流量モジュール、上記輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール、及び上記マイクロ制御モジュールが結合されてフィードバックシステムが形成され、精確な速度調整を実現する。
上記アラーム及び自動閉鎖モジュールは、薬液が空である際に自動的に警報を発するアクティブブザーを含む。
上記携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュールは、ブルートゥースモジュール、携帯電話、またはコンピュータクライアント端末を含み、上記携帯電話またはコンピュータクライアント端末設備のブルートゥースモジュールは上記ブルートゥースモジュールとペアリングし、両者はシリアル通信方式を採用してヒューマンコンピュータインタラクションを実現する。
上記制御可能な共有モジュールは、ユーザーがクライアント端でＩＤの共有及び獲得を実現するために用いられている。
上記マイクロ制御モジュールは上記動的加熱モジュール、上記輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール、上記調節可能な流量モジュール、上記アラーム及び自動閉鎖モジュール、及び上記携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュールにそれぞれ接続され、上記マイクロ制御モジュールの機能として、
Ａ．ユーザーが上記クライアント端により上記マイクロ制御モジュールに加熱温度、液体流速に関連する設定命令を伝送し、上記マイクロ制御モジュールは命令に基づいて各モジュールの動作を制御し、上記マイクロ制御モジュールは監視した温度、流速、及び警報情報を上記クライアント端に即時伝送して表示することと、
Ｂ．上記マイクロ制御モジュールにはＲＡＷ型キーが保存され、ユーザーは上記クライアント端の携帯電話またはコンピュータにより上記制御可能な共有モジュールを利用して装置ＩＤを入力した後、上記クライアント端が装置が送信するキーを獲得すると共に解析し、解析完了後に上記ブルートゥースモジュールにより上記マイクロ制御モジュールに送信し、上記マイクロ制御モジュールは上記解析キーとＲＡＷ型キーとが一致しているかどうかを判断し、一致している場合は上記携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュールにフィードバックして装置の使用権を獲得することと、
Ｃ．上記マイクロ制御モジュールは上記輸液チューブ内の平均流速Ｖに基づいて警報が必要であるかどうかを判断し、上記マイクロ制御モジュールが瓶内の薬液が空であると判断した場合、上記アクティブブザーが警報を発するように制御し、同時に上記ステップモーターをストッパーの凹溝底部まで上昇するように駆動し、自動閉鎖の作動を実現することと、を含む。
さらに、上記携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュールはシステムの速度測定、恒温加熱、速度制御の３種類の動作モードを設定し、３種類のモードは同時に動作しても独立して動作してもよく、
（１）速度測定モード及び／または速度制御モードで動作する場合、上記マイクロ制御モジュールが上記輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュールが取得したチューブ内の液体が流動する平均流速Ｖに基づいて、瓶内の薬液が空であるかどうかを判断し、
（２）恒温加熱モードで動作する場合、上記動的加熱モジュールが駆動信号によりパルス電流を重ね合わせて速度を測定し、上記輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュールが速度測定を行うと共に結果を上記マイクロ制御モジュールに伝送し、瓶内の薬液が空であるかどうかを判断し、
（３）動作モードが未選択の場合、上記マイクロ制御モジュールが内部のタイマーにより上記動的加熱モジュール及び上記輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュールを定時に起動し、上記輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュールは計算結果を上記マイクロ制御モジュールに伝送して瓶内の薬液が空であるかどうかを判断する。
さらに、上記加熱源はマイクロセラミックヒーターであり、上記駆動回路は金属酸化膜半導体電界効果トランジスタで構成されている。
このように、本発明によれば、次のような効果がある。
１．薬液を人体の体温まで自動的に加熱し、薬液の温度と体温との差が大きすぎて患者が不快に感じる状況を回避する。
２．クライアント端を利用して輸液の速度を即時監視し、異常を発見した場合、警報を発すると共に自動的に閉鎖し、患者の安全を確保する。
３．医療従事者が患者のバイタルサインに基づいてクライアント端により輸液の速度を調節し、動作効率を高める。
４．構造が簡単であり、軽量であり、輸液チューブに直接挟持する。
５．コストが低く、精度が高く、操作が便利であり、共有設備として製造可能であり、スマート医療を普及させる。
本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。
本発明の一実施例に係るシステムを示す概略構成図である。１は動的加熱モジュール、２は輸液チューブ内の平均流量測定及び分析モジュール、３は調整可能な流量モジュール、４はアラーム及び自動閉鎖モジュール、５は携帯電話とリモート監視モジュール、コンピュータ、６は制御可能な共有モジュール、７はマイクロ制御モジュールを示す。 輸液チューブの幾何学的構造と円筒座標系を示す概略図である。 調整可能な流量モジュールの構造を示す概略図である。 数値シミュレーション距離Ｌが３３ｍｍの２つのサーモパイル赤外線温度センサーの位置で測定された平均温度波形ＴＡ（ｔ）とＴＢ（Ｌ,ｔ）である。 距離Ｌが３３ｍｍの２つのサーモパイル赤外線温度センサ間の伝達関数振幅―周波数曲線（実線はフィッティング値、点は数値シミュレーション値）である。 距離Ｌが３３ｍｍの２つのサーモパイル赤外線温度センサー間の位相―周波数曲線（ｃ）（実線はフィッティング値、点は数値シミュレーション値）である。 測定距離Ｌが３３ｍｍの２つのサーモパイル赤外線温度センサーの位置で測定された平均温度波形ＴＡ（ｔ）及びＴＢ（Ｌ,ｔ）である。 距離 Ｌが３３ｍｍの２つのサーモパイル赤外線温度センサー間の伝達関数の振幅―周波数曲線（実線はフィッティング値、点は測定値）である。 距離 Ｌが３３ｍｍの２つのサーモパイル赤外線温度センサー間の伝達関数の位相―周波数曲線（実線はフィッティング値、点は測定値）である。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、記述した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
まず、適宜添付図１を参照しながら、本発明係る臨床点滴注入加熱及び流量監視システムをさらに詳しく説明する。
本発明に係る臨床点滴注入加熱及び流量監視システムは、動的加熱モジュール１、輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール２、調節可能な流量モジュール３、アラーム及び自動閉鎖モジュール４、携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュール５、制御可能な共有モジュール６とマイクロ制御モジュール７を含んで構成される。以下、それぞれについて説明する。
＜動的加熱モジュール１＞
加熱源及びその駆動回路を備えている。２つの加熱源は輸液チューブの両側にそれぞれ固定され、駆動回路により加熱源に向けてパルス電流を入力することで加熱源を駆動して熱を発生させ、熱伝導方式により輸液チューブ内の液体を加熱することで、薬液の迅速な昇温を実現している。加熱源の駆動信号は周期的パルス電流Ｆ（ｔ）であり、輸液チューブの加熱点箇所で輸液チューブ内の薬液に熱量Ｑ０（ｔ）を周期的に入力する。
＜輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール２＞
温度センサーを備えている。測定原理及び分析方法は次の通りである。図２に示す如く、輸液チューブ内外の半径はそれぞれＲｉ及びＲＯである（共に特性長Ｌより遥かに小さい）。チューブ壁の材料の密度ｐｗ、比熱容量ｃｗ、及び熱伝導係数ｋｗは全て定数である。点滴液体の密度ｐｆ、比熱容量ｃｆ、及び熱伝導係数ｋｆも全て定数である。動的加熱モジュール１は輸液チューブの加熱点の箇所で輸液チューブ内の薬液に周期的に入力する熱量はＱｏ（ｔ）であり、輸液チューブのＡ点箇所に伝導される熱量はＱＡ（ｔ）である。図２に示すような柱座標系を構成し、輸液チューブの長さ方向はｚ軸であり、半径方向はｒ軸であり、角度方向はθ軸であり、Ａ点を座標の原点ｚ＝０として設け、熱量ＱＡ（ｔ）がチューブ壁及びチューブ内の液体中に伝導する際にチューブ内で発生する温度はＴ（ｚ，ｔ）の動的波形であり、熱拡散方程式を満たし、
図１に示す如く、輸液チューブのＡ点箇所の熱量をＱＡ（ｔ）として設ける場合、Ａ箇所の平均温度はＴＡ（ｔ）であり、式（１）の境界条件は下記式を満たす。
Figure 2024006960000007
フーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）級数展開及び変数分離を利用し、式（１）、（１１ａ）、及び（１１ｂ）に基づいて解を求めた周波数領域の伝導関数Ｈ（ｊω，ｚ）は下記の通りである。
Figure 2024006960000008
上記式中において、ＴＡ（ｊω）はＡ箇所の平均温度であり、ＴＡ（ｊω）は円周率ωに対応する調和成分であり、ＴＢ（ｊω，ｚ）は任意のｚ箇所の平均温度であり、Ｔｚ（ｚ，ｔ）は円周率ωに対応する調和成分である。
距離Lを置いたＡ点及びＢ点にサーモパイル赤外線温度センサーをそれぞれ配置し、ＴＡ（ｔ）及びＴＢ（Ｌ，ｔ）を同期で測定して周波数領域の伝導関数Ｈ（ｊω，Ｌ）の幅-周波数曲線及び位相-周波数曲線を取得し、式（１２）に基づいて、最小二乗法を採用して伝導関数Ｈ（ｊω，Ｌ）の幅-周波数曲線及び位相-周波数曲線をそれぞれあてはめてＵを求め、更に式（２）に基づいてチューブ内の液体が流動する平均流速Vを獲得する。
＜調節可能な流量モジュール３＞
凹溝を有するストッパー及びステップモーターを備えている。輸液チューブは凹溝を有するストッパーとステップモーターとの間に位置し、ステップモーターの昇降長さｄは輸液チューブの管路の横断面積Ｓ（ｄ）を調節可能であり、流速を更に調節する。調節可能な流量モジュール３、輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール２、及びマイクロ制御モジュール７が結合されてフィードバックシステムが形成され、精確な速度調整を実現している。
＜アラーム及び自動閉鎖モジュール４＞
薬液が空である際に自動的に警報を発するアクティブブザーを備えている。
＜携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュール５＞
ブルートゥースモジュール、携帯電話、またはコンピュータクライアント端末を含む。携帯電話またはコンピュータクライアント端末設備のブルートゥースモジュールはブルートゥースモジュールとペアリングし、両者はシリアル通信方式を採用してヒューマンコンピュータインタラクションを実現している。
＜制御可能な共有モジュール６＞
ユーザーがクライアント端でＩＤの共有及び獲得を実現するために用いられている。
＜マイクロ制御モジュール７＞
動的加熱モジュール１、輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール２、調節可能な流量モジュール３、アラーム及び自動閉鎖モジュール４、及び携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュール５にそれぞれ接続されている。マイクロ制御モジュール７は以下の機能を更に含む。
Ａ．ユーザーがクライアント端によりマイクロ制御モジュール７に加熱温度、液体流速に関連する設定命令を伝導し、マイクロ制御モジュール７は命令に基づいて各モジュールの動作を制御し、マイクロ制御モジュール７は監視した温度、流速、警報情報をクライアント端に即時伝送して表示する。
Ｂ．マイクロ制御モジュール７にはＲＡＷ型キーが保存されている。ユーザーはクライアント端の携帯電話またはコンピュータにより制御可能な共有モジュール６を利用して装置ＩＤを入力した後、クライアント端が装置が送信するキーを獲得すると共に解析し、解析完了後にブルートゥースモジュールによりマイクロ制御モジュール７に送信する。マイクロ制御モジュール７は上記解析キーとＲＡＷ型キーとが一致しているかどうかを判断し、一致している場合は携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュール５にフィードバックして装置の使用権を獲得する。
Ｃ．マイクロ制御モジュール７は輸液チューブ内の平均流速Ｖに基づいて警報が必要であるかどうかを判断する。マイクロ制御モジュール７が瓶内の薬液が空であると判断した場合、アクティブブザーが警報を発するように制御し、同時にステップモーターをストッパーの凹溝底部まで上昇するように駆動し、自動閉鎖の作動を実現する。
さらに、携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュール５はシステムの速度測定、恒温加熱、速度制御の３種類の動作モードを設定し、３種類のモードは同時に動作しても独立して動作してもよい。
（１）速度測定モード及び／または速度制御モードで動作する場合、マイクロ制御モジュール７が輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール２が取得したチューブ内の液体が流動する平均流速Ｖに基づいて、瓶内の薬液が空であるかどうかを判断する。
（２）恒温加熱モードで動作する場合、動的加熱モジュール１が駆動信号によりパルス電流を重ね合わせて速度を測定し、輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール２が速度測定を行うと共に結果をマイクロ制御モジュール７に伝送し、瓶内の薬液が空であるかどうかを判断する。
（３）動作モードが未選択の場合、マイクロ制御モジュール７が内部タイマーにより動的加熱モジュール１及び輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール２を定時に起動し、輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール２が計算結果をマイクロ制御モジュール７に伝送して瓶内の薬液が空であるかどうかを判断する。
さらに、加熱源はマイクロセラミックヒーターであり、駆動回路は金属酸化膜半導体電界効果トランジスタで構成されている。
以下の実施形態は本発明について更に説明するためのものであり、これにより本発明の保護範囲を制限するものではない。
（１）本発明のマイクロ制御モジュール７はＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６最小システム版を採用し、各モジュールの制御及び計算分析を完遂する。動的加熱モジュール１のマイクロセラミックヒーターの大きさは１０ｍｍ×１０ｍｍであり、輸液チューブに貼付するのに適合している。輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール２はＸＧＺＴ２６３サーモパイル赤外線温度センサーを採用し、体温付近での反応が速く、コストが低く、精度が高いという利点を有している。輸液チューブの完全な閉鎖を実現するために、調節可能な流量モジュール３の凹溝ストッパーが輸液チューブの内壁にきつく貼着し、ステップモーターの上端も凹溝形状に設計されている。アラーム及び自動閉鎖モジュール４はアクティブブザーを採用し、マイクロ制御モジュール７がトリガー信号をアクティブブザーに伝送することで警報を実現している。携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュール５のブルートゥースモジュールは低消費電力チップＣＨ９１４０を採用し、１００ｍ以内の距離での伝送を実現し、クライアント端はＱｔソフトウェアを使用して製作している。
（２）装置の外ケースを製作し、中間部には輸液チューブを載置するための円形スロットを有している。２つのマイクロセラミックヒーターを輸液チューブの上流位置の両側に配置する。次に、輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュールを、輸液チューブ内の薬液の流動方向に沿って、マイクロセラミックヒーターから２０ｍｍの距離を置いた箇所の輸液チューブのＡ点に１つ目のサーモパイル赤外線温度センサーを配置し、更に後に３３ｍｍの距離を置いた輸液チューブのＢ点箇所に２つ目のサーモパイル赤外線温度センサーを配置する。外ケースの末端は凹溝のストッパー箇所に固定されているステップモーターに正対している。
（３）クライアント端を開き、クライアント端は登録インターフェースと、データ表示インターフェースと、操作インターフェースと、を含む。クライアント端設備が備えているブルートゥースモジュールと装置内部のブルートゥースモジュールとをペアリングし、登録インターフェースで装置ＩＤを入力し、クライアント端は装置が送信するキーを獲得すると共に解析し、解析完了後にブルートゥースモジュールにより装置のマイクロ制御モジュール７に送信してＲＡＷ型キーと比較し、一致していれば装置の操作を継続し、操作インターフェースにジャンプし、速度測定、恒温加熱、速度制御の３種類の動作モードの中から１つまたは複数を選択する。
（４）恒温加熱モードを選択した場合、インターフェースで加熱温度を設定した後（高温により薬物が変質するのを避けるため、最高設定温度は３７℃を超えない）、マイクロ制御モジュール７が動的加熱モジュール１に１ＫＨｚのＰＷＭ駆動信号を伝送し、駆動回路はこれを対応するパルス電流に変換し、マイクロセラミックヒーターを発熱させる。輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール２のＢ点箇所にあるサーモパイル赤外線温度センサーが温度情報を測定し、マイクロ制御モジュール７にフィードバックし、設定値と比較し、ＰＩＤアルゴリズムによりＰＷＭ駆動信号のデューティ比を調節し、フィードバック制御を形成し、精確な速度調整を実現する。最後に、マイクロ制御モジュール７が加熱温度をクライアント端の表示インターフェースに伝送する。
（５）速度測定モードを選択した場合、マイクロ制御モジュール７は動的加熱モジュール１に０．０２Ｈｚ、３０％のデューティ比の速度測定駆動信号を重ね合わせ、駆動回路が対応するパルス電流に変換し、マイクロセラミックヒーターが速度測定熱量を発生させる。輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール２が流動中の薬液の温度を測定し、分析して計算し、チューブ内の平均流速Ｖを獲得し、上記流速は携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュール５によりクライアント端に伝送して即時表示する。
（６）速度制御モードを選択した場合、まず、クライアント端により希望する流速を設定し、マイクロ制御モジュール７が速度測定モードを調整し、チューブ内の平均流速Ｖを獲得する。マイクロ制御モジュール７が平均流速Ｖと設定値とを比較し、ＰＩＤアルゴリズムを使用して調節可能な流量モジュール３のステップモーターを駆動し、昇降長さｄを調節し、フィードバック制御を形成し、精確な速度調整を行う。
（７）マイクロ制御モジュール７が内部タイマーを使用し、２分毎に１回流速の監視を行い、先に動作モードで速度測定モードを増加し、輸液瓶内の薬液の状況を判断するために用いる。異常を発見した場合、マイクロ制御モジュール７がアラーム及び自動閉鎖モジュール４のアクティブブザーに駆動信号を伝送すると共に警報を発し、ステップモーターを自動閉鎖するように駆動する。
（８）輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール２の具体的な実施について、使用する医療用輸液チューブ内外の半径はそれぞれ１．５ｍｍ及び２ｍｍである。チューブ壁の材料の密度ｐｗ＝１３９０ｋｇｍ－３であり、比熱容量ｃｗ＝１０５０ｊｋｇ－１Ｋ－１であり、熱伝導係数ｋｗ＝０．１７Ｗｍ－１Ｋ－１である。点滴液体の密度ｐｆ＝１０００ｋｇｍ－３であり、比熱容量ｃｆ＝４２００ｊｋｇ－１Ｋ－１であり、熱伝導係数ｋｆ＝０．５９Ｗｍ－１Ｋ－１である。制御システムが上位コンピュータの速度測定命令を獲得した後、マイクロセラミックヒーターがパルス信号Ｆ（ｔ）により駆動され、輸液チューブの加熱点箇所に向けて熱量Ｑ（ｔ）を周期的に入力し、熱量Ｑ（ｔ）がチューブ壁及びチューブ内の液体中で伝導され、周期的な波形が安定した後に距離Ｌ＝３３ｍｍを置いたＡ点及びＢ点にあるサーモパイル赤外線温度センサーが同期で測定し、収集した平均温度ＴＡ（ｔ）及びＴＢ（Ｌ，ｔ）を記録し、フーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）級数展開及び変数分離により、式（１）、（１１ａ）、及び（１１ｂ）に基づいて周波数領域の伝導関数Ｈ（ｊω，ｚ）の解を求める。モジュールの２つのサーモパイル赤外線温度センサーの精確な距離Lは既に分かっているため、式（２）によりチューブ内の液体が流動する平均流速Vを獲得可能である。
速度測定方法の有効性を検証するために、本発明は以下の数値シミュレーション及び実験測定の２種類の方式をそれぞれ採用して検証を行った。
（一）数値シミュレーション方式:輸液チューブ内の平均流速を２．１２ｍｍ／ｓと仮定し、式（１）、（１１ａ）、及び（１１ｂ）に基づいて数値シミュレーションを行った平均温度はＴＡ（ｔ）及びＴＢ（Ｌ，ｔ）であり（図４参照）、伝導関数幅-周波数曲線（図５参照）及び位相-周波数曲線を更に獲得する（図６参照）。最小二乗法を採用して幅－周波数曲線をあてはめて（図５参照）得られたチューブ内の液体が流動する平均流速Ｖは２．１４ｍｍ／ｓであり（実際の値２．１２ｍｍ／ｓとの誤差は０．９４％である）、位相－周波数曲線をあてはめて（図６参照）得られたチューブ内の液体が流動する平均流速Ｖは２．０８ｍｍ／ｓである（実際の値２．１２ｍｍ／ｓとの誤差は１．８７％である）。
（二）実験検証方式:実測した平均温度ＴＡ（ｔ）及びＢ（Ｌ，ｔ）は（図７参照）に示す如く、伝導関数の幅-周波数曲線（図８参照）及び位相-周波数曲線を更に獲得する（図９参照）。２つの温度センサーの感度が異なる設計により、幅-周波数曲線（図８参照）と実際の値との間に大きな誤差が生じるため、最小二乗法を採用して位相-周波数曲線をあてはめると（図９参照）、最終的に得られるチューブ内を液体する流動の平均流速Ｖが５．２４ｍｍ／ｓとなる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
１ 動的加熱モジュール
２ 輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール
３ 調節可能な流量モジュール
４ アラーム及び自動閉鎖モジュール
５ 携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュール
６ 制御可能な共有モジュール
７ マイクロ制御モジュール

Claims (3)

  1. 動的加熱モジュールと、輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュールと、調節可能な流量モジュールと、アラームと、自動閉鎖モジュールと、携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュールと、制御可能な共有モジュールと、マイクロ制御モジュールと、を備えている臨床点滴注入加熱及び流量監視システムであって、
    上記動的加熱モジュールは、加熱源及びその駆動回路を含み、２つの上記加熱源は輸液チューブの両側にそれぞれ固定され、上記駆動回路により上記加熱源に向けてパルス電流を入力することで上記加熱源を駆動して熱を発生させ、熱伝導方式で上記輸液チューブ内にある液体を加熱することで薬液の迅速な昇温を実現し、上記加熱源の駆動信号は周期的パルス電流Ｆ（ｔ）であり、上記輸液チューブの加熱点箇所で上記輸液チューブ内の薬液に熱量Ｑ０（ｔ）を周期的に入力し、
    上記輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュールは、温度センサーを含み、測定原理及び分析方法は、上記輸液チューブ内外の半径はそれぞれＲｉ及びＲｏであり、共に特性長Ｌより遥かに小さく、チューブ壁の材料の密度ｐｗ、比熱容量ｃｗ、及び熱伝導係数ｋｗは全て定数であり、点滴液体の密度ｐｆ、比熱容量ｃｆ、及び熱伝導係数ｋｆも定数であり、上記動的加熱モジュールが上記輸液チューブの加熱点箇所で上記輸液チューブ内の薬液に周期的に入力する熱量はＱｏ（ｔ）であり、上記輸液チューブのＡ点箇所に伝導される熱量はＱＡ（ｔ）であり、柱座標系を構成し、上記輸液チューブの長さ方向はｚ軸であり、半径方向はｒ軸であり、角度方向はθ軸であり、Ａ点を座標の原点ｚ＝０として設け、熱量ＱＡ（ｔ）が上記チューブ壁及びチューブ内の液体中に伝導する際にチューブ内で発生する温度はＴ（ｚ，ｔ）の動的波形であり、熱拡散方程式を満たし、
    Figure 2024006960000009
    上記輸液チューブのＡ点箇所の熱量をＱＡ（ｔ）として設ける場合、Ａ箇所の平均温度はＴＡ（ｔ）であり、式（１）の境界条件は下記式を満たし、
    Figure 2024006960000010
    フーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）級数展開及び変数分離を利用し、式（１）、（１１ａ）、及び（１１ｂ）に基づいて解を求めた周波数領域の伝導関数Ｈ（ｊω，ｚ）は下記の通りであり、
    Figure 2024006960000011
    上記式中において、ＴＡ（ｊω）はＡ箇所の平均温度であり、ＴＡ（ｊω）は円周率ωに対応する調和成分であり、ＴＢ（ｊω，ｚ）は任意のz箇所の平均温度であり、Ｔｚ（ｚ，ｔ）は円周率ωに対応する調和成分であり、
    距離Ｌを置いたＡ点及びＢ点にサーモパイル赤外線温度センサーをそれぞれ配置し、ＴＡ（ｔ）及びＴＢ（Ｌ，ｔ）を同期で測定して周波数領域の伝導関数Ｈ（ｊω，Ｌ）の幅-周波数曲線及び位相-周波数曲線を取得し、式（１２）に基づいて、最小二乗法を採用して伝導関数Ｈ（ｊω，Ｌ）の幅－周波数曲線及び位相－周波数曲線をそれぞれあてはめてＵを求め、更に式（２）に基づいてチューブ内の液体が流動する平均流速Ｖを獲得し、
    上記調節可能な流量モジュールは、凹溝を有するバッフル及びステップモーターを含み、上記輸液チューブは凹溝を有する上記バッフルと上記ステップモーターとの間に位置し、上記ステップモーターの昇降長さｄは上記輸液チューブの管路の横断面積Ｓ（ｄ）を調節可能であり、流速を更に調節し、上記調節可能な流量モジュール、上記輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール、及び上記マイクロ制御モジュールが結合されてフィードバックシステムが形成され、精確な速度調整を実現し、
    上記アラーム及び自動閉鎖モジュールは、薬液が空である際に自動的に警報を発するアクティブブザーを含み、
    上記携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュールは、ブルートゥース（登録商標）モジュール、携帯電話、またはコンピュータクライアント端末を含み、上記携帯電話またはコンピュータクライアント端末設備のブルートゥースモジュールは上記ブルートゥースモジュールとペアリングし、両者はシリアル通信方式を採用してヒューマンコンピュータインタラクションを実現し、
    上記制御可能な共有モジュールは、ユーザーがクライアント端でＩＤの共有及び獲得を実現するために用いられ、
    上記マイクロ制御モジュールは上記動的加熱モジュール、上記輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュール、上記調節可能な流量モジュール、上記アラーム及び自動閉鎖モジュール、及び上記携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュールにそれぞれ接続され、上記マイクロ制御モジュールの機能として、
    ユーザーが上記クライアント端により上記マイクロ制御モジュールに加熱温度、液体流速に関連する設定命令を伝送し、上記マイクロ制御モジュールは命令に基づいて各モジュールの動作を制御し、上記マイクロ制御モジュールは監視した温度、流速、及び警報情報を上記クライアント端に即時伝送して表示することと、
    上記マイクロ制御モジュールにはＲＡＷ型キーが保存され、ユーザーは上記クライアント端の携帯電話またはコンピュータにより上記制御可能な共有モジュールを利用して装置ＩＤを入力した後、上記クライアント端が、装置が送信するキーを獲得すると共に解析し、解析完了後に上記ブルートゥースモジュールにより上記マイクロ制御モジュールに送信し、上記マイクロ制御モジュールは上記解析キーとＲＡＷ型キーとが一致しているかどうかを判断し、一致している場合は上記携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュールにフィードバックして装置の使用権を獲得することと、
    上記マイクロ制御モジュールは上記輸液チューブ内の平均流速Ｖに基づいて警報が必要であるかどうかを判断し、上記マイクロ制御モジュールが瓶内の薬液が空であると判断した場合、上記アクティブブザーが警報を発するように制御し、同時に上記ステップモーターをストッパーの凹溝底部まで上昇するように駆動し、自動閉鎖の作動を実現することと、を含むことを特徴とする、
    臨床点滴注入加熱及び流量監視システム。
  2. 上記携帯電話とコンピュータ端末の遠隔監視モジュールはシステムの速度測定、恒温加熱、速度制御の３種類の動作モードを設定し、３種類のモードは同時に動作しても独立して動作してもよく、
    上記速度測定モード及び／または上記速度制御モードで動作する場合、上記マイクロ制御モジュールが上記輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュールが取得したチューブ内の液体が流動する平均流速Ｖに基づいて、瓶内の薬液が空であるかどうかを判断し、
    上記恒温加熱モードで動作する場合、上記動的加熱モジュールが駆動信号によりパルス電流を重ね合わせて速度を測定し、上記輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュールが速度測定を行うと共に結果を上記マイクロ制御モジュールに伝送し、瓶内の薬液が空であるかどうかを判断し、
    動作モードが未選択の場合、上記マイクロ制御モジュールが内部のタイマーにより上記動的加熱モジュール及び上記輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュールを定時に起動し、上記輸液チューブ内の平均流速測定及び解析モジュールは計算結果を上記マイクロ制御モジュールに伝送して瓶内の薬液が空であるかどうかを判断することを特徴とする請求項１に記載の臨床点滴注入加熱及び流量監視システム。
  3. 上記加熱源はマイクロセラミックヒーターであり、上記駆動回路は金属酸化膜半導体電界効果トランジスタで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の臨床点滴注入加熱及び流量監視システム。
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