KR100664643B1 - 정맥 주사용 링거액 주입 속도 모니터링 및 자동 조절 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정맥 주사시 링거액이 환자 혈관 속으로 주입되는 속도를 모니터링하여 주입 속도를 자동적으로 조절하기 위한 의료 장치에 관한 것으로, 점적 챔버(drip chamber)의 투명한 외벽에 광센서(optical sensor)를 부착하여 챔버 속에서 자유 낙하하는 방울들의 낙하 시간 간격을 측정한 후, 측정된 시간 간격이 미리 셋팅된 시간 간격 보다 크거나 작을 시 경보 신호를 보내 줌과 동시에 모터를 구동하여 튜브의 단면적을 조절하는 방법에 의해 주입 속도를 자동으로 조절하는 제어 알고리즘에 관한 것이다.

정맥 주사, 링거액, 광센서, 점적챔버, 유량 모니터링, 자동 유량 조절

Description

정맥 주사용 링거액 주입 속도 모니터링 및 자동 조절 장치 {Device for Monitoring and Automatically Controlling Flow Rate of Ringer`s Solution for Intravenous Infusion}

도1 방울 통과시 수광부 측정 전압의 시간에 따른 변화

도2 본 발명에서 제안하는 자동 유량 조절 장치 개략도

도3 마이크로프로세서 관련 회로부 개략도

도4 발광 다이오드와 수광 센서로 구성된 광센서 회로도

도5 자동 유량 조절 장치 외양을 나타낸 간략도이다.

♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명♣

1: 발광부 2: 수광부

15: 하단 점적챔버 16: 마이컴

18: 튜브누름장치 74: 링거액 수용부

75: 상단 점적챔버

본 발명은 광센서를 이용하여 중력식 링거액 주사 장치의 점적 챔버에서 낙 하하는 방울의 낙하 주파수 또는 낙하 주기를 측정하기 위한 기술에 관한 것으로, 점적 챔버의 외벽에 광센서의 발광부(light source)와 수광부(light receiver)를 설치한 후, 방울이 발광부와 수광부 사이를 통과할 때 수광부로 들어가는 빛의 양이 적어지는 성질을 이용하여 방울들의 낙하 시간 간격을 모니터링하고 동시에 모터를 이용하여 튜브의 단면적을 조절하여 링거액 주입 속도를 자동으로 조절하는 장치에 관한 것이다.

본 발명에서 제안하는 기술에 관련된 발명은 1964년 Darling(미국특허 제3163176)에 의해 처음으로 제안되었다. Darling은 점적챔버에서 낙하하는 방울의 주파수(drop frequency, 단위 시간 동안 낙하한 물방울의 개수, 연속해서 낙하하는 방울들의 낙하 시간 간격의 역수)를 측정하기 위하여, 챔버의 외부에 광 발생기(light source)와 광전지(photocell)를 부착하는 발명을 처음으로 제안하였으며, 만약 측정된 주파수가 기 설정된 기준 주파수와 오차가 있을 경우, 모터(motor)로 캠을 회전시키는 방법에 의해 튜브의 단면적을 조절하는 튜브 누름 장치(tube-clamping device)에 관한 발명도 제안하였다.

하지만, 종래기술에 따른 유량 조절장치 중 수동 유량 조절장치는 환자 또는 환자 보호자가 정맥 주사 수액의 주입 상태를 수시로 체크하고, 경우에 따라서는 주입 속도를 직접 조절해야 되는 불편함이 있다.

또한, 종래기술에 따른 자동 유량 조절 장치는 링거액이 모두 소진되었을 때, 그 시기를 알려줄 수 없어 공기가 혈관 속으로 주입될 수 있는 우려가 있다.

또한 종래기술에 따른 자동유량조절장치는 정맥 주사 주입 상태에 있는 환자 가 이동 할 시, 바늘이 꼽혀 있는 팔의 높이 변화 또는 링거액 병의 높이 변화에 의해 주입 속도가 바뀌게 되거나 심할 경우 혈관 속의 혈액이 역류하는 현상이 발생되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 환자 또는 환자 보호자가 정맥 주사 수액의 주입 상태를 수시로 체크하고, 경우에 따라서는 주입 속도를 직접 조절할 필요가 없는 정맥 주사용 링거액 주입 속도 모니터링 및 자동 조절 장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 링거액이 모두 소진되었을 때, 그 시기를 알려줄 수 있는 정맥 주사용 링거액 주입 속도 모니터링 및 자동 조절 장치를 제공함에 있다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 정맥 주사 주입 상태에 있는 환자가 이동 할 시, 바늘이 꼽혀 있는 팔의 높이 변화 또는 링거액 병의 높이 변화에 의해 주입 속도가 바뀌게 되거나 심할 경우 혈관 속의 혈액이 역류하는 현상이 발생되지 않는 정맥 주사용 링거액 주입 속도 모니터링 및 자동 조절 장치를 제공함에 있다.

도2에서 보여지듯이 본 발명은 링거액을 수용하는 링거액 수용부(74)와, 링거액 수용부(74)와 연통되어 인체에 링거액을 공급하는 튜브와, 튜브의 일영역에 부착되어 링거액을 저장할 수 있는 하단 점적챔버(15)와, 하단 점적챔버(15)의 상부영역에 설치되어 링거액 방울의 낙하시간을감지하도록발광부(1)와 수광부(2)를 갖는 광센서와, 하단 점적챔버(15)에 대하여 상기 튜브의 하부영역에 부착되어 링거액의 유량을 조절하는 튜브누름장치(18)와, 링거액 방울의 낙하 시간으로부터 상기 링거액의 유량을 계산하고, 계산된 링거액의 유량으로부터 상기 유량조절부재를 작동시키는 마이컴(16)으로 구성된다.

하단 점적 챔버(15)와 모터에 의해 구동되는 튜브 누름 장치(18)는 외부 빛이 침투되지 않도록 불투명한 상자(76) 속에 밀폐되어 있다. 튜브 누름 장치(18)는 모터 축의 고속 회전 운동을 저속 직선 운동으로 변환하기 위한 감속기어박스(71), 나사(72), 고정 너트(73) 등으로 구성되어 있다.

본 발명에서는 두 개의 점적 챔버(15 75)가 사용되며, 상단 점적 챔버(75)는 방울의 낙하 상태를 사용자가 볼 수 있게끔 해주며, 하단의 점적 챔버(15)는 외부 빛 간섭에 의해 수광부(2)의 센싱 능력의 저하를 막기 위해 불투명한 상자 속에 들어가 있다.

본 발명에서 새로이 제한 하고자 하는 몇 가지 기술 중에서 점적 챔버를 통과하는 방울의 낙하 시간 간격 측정 알고리즘에 대하여 먼저 기술하고자 한다. 도2에서 점적 챔버 속을 자유 낙하하는 방울(3)이 광센서 발광부(1)와 수광부(2) 사이를 통과하게 되면 수광부에 도달하는 링거액(4)의 양이 감소하므로 광센서 수광부의 측정 전압(5)은 도1에서와 같이 일정 수준 이하로 낮아지게 된다. 따라서 방울이 통과하지 않을 경우의 기준 전압(6)을 기록하고 기준 전압 보다 낮은 값(예를 들면 0.1 볼트(V) 낮은 값)으로 임계 전압(7)을 설정하게 되면 방울이 통과할 때 마다 측정 전압이 임계값 보다 낮아지는 시간 t₁₁(8)과 임계값 보다 높아지는 시간 t₁₂(9)를 마이크로프로세서(16)를 이용하여 측정할 수 있게 된다. 이 두 시간의 평균값이 첫 번째 방울의 낙하 시간 T₂(10)가 된다. 두 번째 방울의 낙하 시간 T₂(13)도 t₂₁ (11)과 t₂₂(12)를 이용하여 같은 방법으로 구할 수 있게 된다. 따라서 dT_n = T_n+1 - T_n (n=1,2,3, ...)이 방울들의 낙하시간 간격이 되며 이 낙하 시간 간격을 모터(17)로 조절하는 방법에 의해 링거액의 주입 속도를 제어하는 알고리즘을 개발하는 것이 본 발명에서 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제이다.

더 나아가 일정 시간 동안 주입된 정맥 주사액의 양은 일정 시간 동안 낙하한 방울의 개수에 낙하한 방울의 체적을 곱하는 방법에 의해 근사적으로 구해질 수 있을 것이다. 이를 위해 기준 전압이 임계 전압 보다 낮아지는 회수를 측정하는 방법에 의해 낙하 방울 개수를 구하는 알고리즘 개발이 본 발명에서 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제이다.

한편 장시간 링거액을 투여할 시 점적 챔버 속에서 낙하한 액체 방울(도2의 14)이 챔버 하단에 고인 액체(15)의 수면과 충돌하면서 발생한 작은 기포가 점적 챔버의 내벽에 들어 붙게 되어 점적 챔버의 투명도가 낮아지는 현상이 발생하게 된다. 결과적으로 발광부에서 수광부 쪽으로 전달되는 빛의 양이 줄어들게 되어 기준 전압(6)이 점점 더 낮아지게 된다. 따라서 기준 전압은 실시간으로 측정하는 것이 필요하며 200Hz 샘플링 속도(초당 200번 전압 측정)을 기준으로 할 때 t₁₂ (9)에서 1/20 초 지난 다음에 1/10초 동안 측정한 전압들의 평균값을 기준 전압으로 사용하는 알고리즘 개발이 본 발명에서 이루고자 하는 세 번째 과제이다.

도3은 마이크로프로세서에 의한 유량 제어 방식을 보여주는 개략도이다. 마이크로프로세서(16)는 적외선 센서(IR sensor)의 발광 다이오드(1)와 직류 모터(17)를 구동시키기 위하여 각각에 대하여 적절한 주파수를 가진 펄스(pulse)를 적외선 센서 회로부(21)와 직류 모터 회로부(22) 쪽으로 내보내준다. 적외선 센서 회로부(21) 쪽으로 입력되는 펄스는 일정 주기 마다 발광부를 작동시키며 이렇게 펄스 구동을 하는 이유는 전류소모를 줄임과 동시에 수광 센서(2)가 포화 상태(saturation)가 되는 것을 방지하기 위함이다. 또한 모터 쪽으로 펄스 형태의 전압을 인가하는 이유(모터를 펄스 구동하는 이유)는 모터의 회전이 아주 미소하게 일어나게끔 하여 가능한 한 튜브의 단면적으로 조금씩 조절하기 위함이다.

도4는 점적챔버(15)에 장착된 광센서가 물방울을 감지하기 위한 회로도이다. 광 소스(발광 다이오드)와 수광 센서 모두를 작동시키기 위해 기본 5 볼트(31) 전압을 사용한다. 발광 다이오드(1)는 눈에 보이지 않는 적외선을 일정 주파수로 발생시키며 가변 저항(32)은 발광 다이오드(1)에서 발생하는 적외선의 강도를 조절하는 역할을, 트랜지스터(33)는 마이크로프로세서에서 생성된 펄스 형태의 전기 신호를 증폭시켜 주는 역할을 한다. 수광 센서(2)는 감지된 적외선을 전기 신호로 변환하여 주며 고역 통과 필터(34, high pass filter)는 수광 센서에 감지된 전기 신호 중 일정 주파수 이상의 신호만을 걸러 내는 역할을 수행한다. 이는 직류 성분의 태양 빛이나 60Hz 주파수를 갖는 형광등 빛등에 의해 발생하는 노이즈 성분을 제거하기 위함이다. 본 발명에서 사용하고 있는 고역 통과 필터(34)에서는 47k의 레지스터(35, register)와 0.01uF의 콘덴서(36)가 이용되었으며, 결과적으로 컷 오프 주파수(cut-off frequency) 계산식에 의해 약 339Hz의 이하의 주파수를 갖는 전기 신호가 제거되도록 설계되었다. 또한 750k의 레지스터(39, register)와 0.01uF의 콘덴서(40)를 사용하는 저역 통과 필터(38, low pass filter)는 컷 오프 주파수 계산식에 의해 22Hz 이상의 주파수를 가진 빛을 차단하는 역할을 한다. 마지막으로 OP 앰프(41)는 고역 통과 필터(34)를 통과한 전기 신호를 증폭시켜주는 역할을 한다.

도5은 링거액 자동 유량 조절 장치의 외양을 보여 준다. 이 장치에 설치되어 있는 여러 가지 LED, 버턴, 다이얼 등에 대한 설명은 다음과 같다.

LCD(51): 수액 제어 장치가 어떻게 작동되고 있는지를 보여주는 표시장치이다. 수액종류, 현재 진행되고 있는 유량, 진행 경과 시간, 남은 시간 등을 보여준다.

정상 LED(52): 수액 제어 장치가 작동 상태(on)인지 정지 상태(off)인지를 표시해준다.

고장 LED(53): 수액 제어 장치의 고장 유무를 표시해준다.

배터리 LED(54): 수액 제어 장치의 충전 배터리 상태를 표시해준다. 배터리 충전 또는 교체 시기가 되면 점멸 신호(빛과 소리)를 발생시킨다.

경보음 스피커(55): 내부에 소형 스피커가 연결되어 있어서 수액제어 장치의 고장 및 작동 상태 등에 대한 정보를 소리로써 알려준다.

수액 종류 선택 다이얼(56): 수액종류에 따라 방울의 용적이 달라지므로 이를 결정해준다. 방울의 용적과 낙하 방울 수를 곱하는 방법에 의해 투여된 수액의 량이 대 략적으로 계산된다. (예) A: 포도당, B: 아미노산, C: 혈액 등.

낙하 주기 선택 다이얼(57): 몇 초당 한 방울의 방울을 낙하시킬 지를 결정해준다. 이 다이얼과 유량 선택 다이얼(57) 중 하나 만을 사용자가 설정하도록 한다.

유량 선택 다이얼(58): 시간당 얼마만큼의 양을 주사할지를 선택해준다.

시작 버턴(59): 수액 제어 장치를 시작시켜준다.

리셋 버턴(60): 수액 제어 장치를 초기화 시킨다.

튜브 열기 버턴(61): 고장 발생 등과 같은 유사시에 밸브를 완전히 열어주는 버턴이다. 이 버턴이 눌러진 상태에서는 기존의 수동 유량 조절 장치에 의해 유량이 조절되게 된다.

튜브 닫기 버턴(62): 고장 발생 등과 같은 유사시에 튜브를 완전히 닫아주는 버턴이다.

전원 버턴(63): 수액 조절 장치의 전원을 on/off 한다.

밀폐 상자(76): 광센서가 부착된 점적 챔버(15), 튜브 누름장치(18), 제어회로부 등을 감싸고 있는 상자

본 발명에서 제안하는 자동 유량 조절 장치는 지금까지 널리 사용되고 있는 수동 유량 조절 장치가 가지고 있는 단점인 환자 또는 환자 보호자가 정맥 주사 수액의 주입 상태를 수시로 체크하고, 경우에 따라서는 주입 속도를 직접 조절해야 되는 불편함을 해결할 수 있을 것이다. 더 나아가 자동 유량 조절 장치는 링거액이 모두 소진되었을 때, 그 시기를 알려줌과 동시에 공기가 혈관 속으로 주입되지 않도록 튜브를 완전히 차단하는 기능을 가지고 있기 때문에, 링거액 소진을 걱정하는 환자 또는 환자 보호자의 불안감을 해소할 수 있을 것이다.

또한 본 발명은 정맥 주사 주입 상태에 있는 환자가 이동 할 시, 바늘이 꼽혀 있는 팔의 높이 변화 또는 링거액 병의 높이 변화에 의해 주입 속도가 바뀌게 되거나 심할 경우 혈관 속의 혈액이 역류하는 현상을 방지하는 역할을 할 것으로 예상된다.

Claims (5)

1. 인체에 링거액을 주입하는 링거액 주입장치에 있어서,

   링거액을 수용하는 링거액 수용부와;

   상기 링거액 수용부와 연통되어 인체에 링거액을 공급하는 튜브와;

   상기 튜브의 일영역에 부착되어 링거액을 저장할 수 있는 하단 점적챔버와;

   상기 하단 점적챔버의 상부영역에 설치되어 링거액 방울의 낙하시간을 감지하도록 발광부와 수광부를 갖는 광센서와;

   상기 하단 점적챔버에 대하여 상기 튜브의 하부영역에 부착되어 링거액의 유량을 조절하는 튜브누름장치와;

   상기 링거액 방울의 낙하 시간으로부터 상기 링거액의 유량을 계산하고, 계산된 링거액의 유량으로부터 상기 튜브누름장치를 작동시키는 마이컴을 포함하며,

   상기 마이컴은 일정 시간 동안 상기 수광센서의 측정전압이 임계전압 보다 낮아지는 순간의 개수로부터 일정 시간 동안 떨어진 방울의 개수를 계산하거나, 일정 시간 동안 상기 수광센서의 측정전압이 임계전압 보다 높아지는 순간의 개수로부터 일정 시간 동안 떨어진 방울의 개수를 계산하며,

   상기 마이컴은 포도당, 아미노산, 혈액 등과 같은 여러가지 종류의 수액들 각각에 대한 방울 용적의 평균이 입력되며, 일정 시간 동안 떨어진 방울의 개수와 방울의 용적을 곱하는 방법에 의해 투여된 수액의 량을 계산하고, 상기 계산된 수액량이 설정된 투액량이 되었을 때 상기 유량조절부재가 링거액의 주입을 막도록 제어하는 것을 특징으로 하는 정맥 주사용 링거액 주입 속도 모니터링 및 자동 조절 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 마이컴은 장시간 링거액을 투여할 때 상기 하단 점적 챔버의 투명도 변화로 인해 수광센서의 기준 전압이 점진적으로 떨어지는 현상을 방지하도록 링거액 방울이 낙하할 때 마다 기준 전압을 실시간으로 측정하는 것을 특징으로 하는 정맥 주사용 링거액 주입 속도 모니터링 및 자동 조절 장치.
3. 제1항에 있어서,

   오랜 시간이 지날 동안 배터리 교체가 이루어지지 않아 유량 조절 장치의 정상 구동이 불가능하게 되는 것을 방지하기 위하여 상기 튜브누름장치는 구동모터에 의해 구동되고, 상기 구동모터의 배터리의 잔량이 정해진 기준량 보다 적어 졌을 경우 소리나 빛 등의 경보 신호를 발생하고, 남은 배터리 잔량을 이용하여 모터를 구동하여 튜브를 완전히 닫아주는 것을 특징으로 하는 정맥 주사용 링거액 주입 속도 모니터링 및 자동 조절 장치.
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