KR20150022230A

KR20150022230A - 점적 센서를 이용한 유량측정기와 이를 이용한 의약품 주입펌프 및 검사기

Info

Publication number: KR20150022230A
Application number: KR20130099796A
Authority: KR
Inventors: 노정훈; 양현숙
Original assignee: 부산대학교 산학협력단; 건국대학교 산학협력단
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2015-03-04

Abstract

본 발명은 점적 센서를 이용한 유량측정기와 이를 이용한 의약품 주입펌프 및 검사기에 관한 것으로서, 수액이 저장되는 유체 챔버와; 상기 유체 챔버에서 점적 챔버로 통과하는 수액 방울의 주기를 측정하는 점적 센서와; 상기 점적 센서를 통해 측정되는 점적의 주기에 따라 변화하는 방울의 용적을 보정하여 주입량을 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 점적 챔버에서 낙하되어 주입관 내에 유입되는 수액의 유속 측정기를 점적 방울의 낙하 주기만을 측정하여 경제적으로 구현할 수 있을 뿐만 아니라 이를 적용하여 보다 정밀한 의약품 주입펌프 및 의약품 주입펌프 검사기를 구현할 수 있는 효과가 있다.

Description

점적 센서를 이용한 유량측정기와 이를 이용한 의약품 주입펌프 및 검사기{Flow Meter for Infusion Pump using Drop Sensor}

본 발명은 점적 센서를 이용한 유량측정기와 이를 이용한 의약품 주입펌프 및 검사기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 의약품 주입펌프 및 그 검사기에 있어 기존의 점적 센서를 통하여 떨어지는 방울의 주기를 측정하여 정량적인 유량을 추정하면서 이를 이용할 수 있도록 한 점적 센서를 이용한 유량측정기와 이를 이용한 의약품 주입펌프 및 검사기에 관한 것이다.

의료용의 수액주입펌프(infusion pump)는 환자에 대한 수액의 주입량을 제어하는 의료기기이다.

그리고 수액의 주입량을 정확하게 조절하기 위하여 전기적 혹은 기계적으로 구동되는 피스톤 펌프나 롤러펌프 혹은 연동 펌프 등을 사용하기도 하고, 적절한 압력을 인가한 상태에서 액체를 가는 관을 통해 일정하게 흐르게 만들기도 한다. 대 개의 장비는 주입관이 막히거나 공기방울이 들어가거나 하는 오동작을 검출하고 경보하는 기능을 가지고 있다.

이렇게 주입한 수액의 유량 및 주입 속도의 제어와 관련된 기술이 특허등록 제0706954호 및 공개특허 제2007-0120215호에 제안된 바 있다.

이하에서 종래기술로서 특허등록 제0706954호 및 공개특허 제2007-0120215호에 개시된 자동 유량 조절 장치 및 점적주사주입속도측정기를 간략히 설명한다.

도 1은 특허등록 제0706954호(이하 '종래기술 1'이라 함)에서 자동 유량 조절 장치 개략도이다. 도 1에서 보는 바와 같이 종래기술 1의 자동 유량 조절 장치는 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 낙하시간을 감지하도록 발광부(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.

그러나 종래기술 1에 의한 자동 유량 조절 장치는 정맥 주사시 링거액이 환자 혈관 속으로 주입되는 속도를 모니터링하여 주입 속도를 자동으로 제어하나, 실제 주입량을 제어하는 것이 아니라 점적 속도를 일정하게 유지하여 주입속도를 일정하게 하는 것이다. 또한 실제 유량을 표시함에 있어서는 수액 종류에 따라 지정된 점적 방울당의 부피를 곱하여 표시하는 것으로, 점적 주기에 따라 변화하는 방울당의 부피를 반영하지 못하여, 유량 표시에 있어 심지어 30% 이상의 오차가 발생하기도 한다.

도 2는 공개특허 제2007-0120215호(이하 '종래기술 2'라 함)에서 점적주사주입속도측정기의 회로구성을 도시한 블록도이다. 도 2에서 보는 바와 같이 종래기술의 점적주사주입속도측정기는, 베터리 전원공급수단(30)과, 전원을 공급하거나 차단 수단인 전원스위치(22)와, 점적방울 당 무게 및 부피를 알기위해 입력하는 점적방울개수 입력수단(23)과, 일정한 유량만큼 점적방울 개수를 입력하는 카운트 점적 방울 개수 입력수단(24)과, 일정한 유량이 주입되는 동안 소요되는 시간을 측정하는 시간측정수단(26)과, 상기 측정 시간을 입력받아 유속을 연산하고 저장하며, 상기 연산된 측정값을 표시신호로 변환하여 출력하는 중앙처리부(32)와, 상기 중앙처리부(32)의 표시신호를 입력받아 이를 표시하는 표시수단(33)과, 외형을 이루는 본체(25)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

그러나 종래기술 2에 의한 점적주사주입속도측정기는 점적주사를 맞거나 수혈을 받을 때 수액 또는 수혈하는 혈액의 주입속도를 측정하나 이 역시 유량을 표시함에 있어 수액 종류에 따라 단위 부피(1 ml)당의 점적 방울 수를 사용자의 판단에 따라 수액세트나 수액팩에 표시된 정보를 참조하여 수동으로 입력하여 조정하도록 되어 있어, 점적 속도에 따라 달라지는 점적 방울당의 부피를 반영하지 못하여 실제 유량을 정확하게 표시하지 못한다.

대한민국 등록특허공보 제10-0706954호 대한민국 공개특허공보 제2007-0120215호

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 점적 챔버에서 낙하되어 주입관 내에 유입되는 수액 방울의 낙하 주기에 따라 변화하는 점적 방울 크기를 추산하여 정확하게 의약품주입펌프 검사기를 구현할 수 있게 한 점적 센서를 이용한 유량측정기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 상기 점적 센서를 이용한 유량측정기를 이용한 의약품 주입펌프 및 검사기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 수액이 저장되는 유체 챔버와; 상기 유체 챔버에서 점적 챔버로 통과하는 수액 방울의 주기를 측정하는 점적 센서와; 상기 점적 센서를 통해 측정되는 점적의 주기에 따라 변화하는 방울의 용적을 보정하여 주입량을 계산하는 것을 특징으로 한다.

또한 특정 상태의 점적 방울의 용적을 실제로 측정할 수 있도록 점적수 보정기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 점적 센서는 점적 챔버의 전체 폭을 고르게 조사하는 적외선 발광다이오드와 상기 적외선 발광다이오드에서 조사되는 광을 수광하는 광센서로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 제 1 또는 3항 중 어느 한 항의 점적 센서를 이용한 유량측정기를 이용하여 설정한 주입률이 되도록 플로우 클램프를 조절하여 수액을 주입하는 것을 특징으로 한다.

또한 제 1 또는 3항 중 어느 한 항의 점적 센서를 이용한 유량측정기와; 상기 점적 센서를 통과한 수액의 흐름을 분석하는 흐름 분석기와; 상기 점적 센서를 통과한 수액에 대해 광량의 변화에 따른 부피를 측정하는 점적 볼륨 측정기; 및 상기 점적 볼륨 측정기를 통과한 수액을 유체 볼륨 평가를 위해 공급하는 의약품 주입펌프를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 상기 점적 센서, 흐름 분석기 및 점적 볼륨 측정기의 정보에 의한 검사 정보를 출력하는 유량계 시스템을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 상기 유량계 시스템은 상기 점적 센서의 신호처리부와; 상기 신호처리부의 신호를 분석하여 수액의 유량을 계산하는 마이크로프로세서 모듈과; 상기 수액 온도 및 보정값과 시작과 표시모드를 입력하는 입력 모듈; 및 상기 수액 정보를 표시해 주는 표시 모듈;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 점적 챔버에서 낙하되어 주입관 내에 유입되는 수액의 유속 측정기를 점적 방울의 낙하 주기만을 측정하여 경제적으로 구현할 수 있을 뿐만 아니라 이를 적용하여 보다 정밀한 의약품 주입펌프 및 의약품 주입펌프 검사기를 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술 1에 의한 자동 유량 조절 장치 개략도.
도 2는 종래기술 2에 의한 점적주사주입속도측정기의 회로구성을 도시한 블록도.
도 3은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기의 계략도.
도 4는 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 관에 매달리는 액체방울을 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 점적 센서의 개념도.
도 6은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 낙하거리에 따라 물방울의 속도를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 방울이 형성되고 점적관으로부터 분리되어 낙하하는 동적인 과정을 나타낸 이미지.
도 8은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 물방울의 직경에 따른 진동수의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 센서의 위치에 따른 광 투과 신호로서 점적 챔버에서 낙하하는 동안의 방울의 진동상태를 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 점적 속도에 따른 물방울의 부피에 대한 상관관계를 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 점적 센서 신호 상태 및 펄스 발생기 회로를 나타낸 회로도.
도 12는 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 점적 센서 기반 유량계의 개요도.
도 13은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서의 물 표면 장력 데이터와 2차 적합 곡선을 나타낸 그래프.
도 14는 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 주입률을 달리하면서 100mL의 메스플라스크를 채우기까지 점적시간을 측정한 그래프.
도 15는 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 측정한 점적 주기 대비 방울 용적을 나타낸 그래프.
도 16은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 유량에 따른 방울크기의 차이를 나타낸 이미지.
도 17은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 유량에 따른 방울크기의 차이를 점적속도의 축으로 다시 표현한 그래프.
도 18은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 측정점과 점 사이의 차이의 표준 편차와 방울과 방울의 주기의 편차를 나타낸 그래프.
도 19는 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 점적 주기에 따른 진동 현상과 이것이 측정 표준편차에 영향을 끼치는 상태를 나타낸 그래프.
도 20은 점적관 입구 근처를 통과하는 광량을 측정한 신호로서 방울이 분리하여 낙하한 직후는 방울의 부피가 작아져서 100 Hz 정도의 높은 진동이 발생하고 수액이 유입됨에 따라 방울이 커지면서 대략 20 Hz 정도까지 진동이 낮아지는 현상을 관찰한 그래프.
도 21은 점적관 입구에서 유속이 증가함에 따라 물줄기를 이루면서 방울의 크기가 줄어드는 것을 관찰한 사진.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부"라는 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수도 있다.

이하 도면을 참고하여 본 발명에 의한 점적 센서를 이용한 유량측정기와 이를 이용한 의약품 주입펌프 및 검사기에 대한 실시 예의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기의 계략도이고, 도 4는 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 관에 매달리는 액체방울을 나타낸 개략도이며, 도 5는 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 점적 센서의 개념도이고, 도 6은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 낙하거리에 따라 물방울의 속도를 나타낸 그래프이며, 도 7은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 방울이 형성되고 점적관으로부터 분리되어 낙하하는 동적인 과정을 나타낸 이미지이고, 도 8은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 물방울의 직경에 따른 진동수의 상관관계를 나타낸 그래프이며, 도 9는 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 센서의 위치에 따른 광 투과 신호로서 점적 챔버에서 낙하하는 동안의 방울의 진동상태를 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 점적 속도에 따른 물방울의 부피에 대한 상관관계를 나타낸 그래프이며, 도 11은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 점적 센서 신호 상태 및 펄스 발생기 회로를 나타낸 회로도이며, 도 12는 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 점적 센서 기반 유량계의 개요도이고, 도 13은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서의 물 표면 장력 데이터와 2차 적합 곡선을 나타낸 그래프이며, 도 14는 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 주입률을 달리하면서 100mL의 메스플라스크를 채우기까지 점적시간을 측정한 그래프이고, 도 15는 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 측정한 점적 주기 대비 방울 용적을 나타낸 그래프이며, 도 16은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 유량에 따른 방울크기의 차이를 나타낸 이미지이고, 도 17은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 유량에 따른 방울크기의 차이를 점적속도의 축으로 다시 표현한 그래프이며, 도 18은 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 측정점과 점 사이의 차이의 표준 편차와 방울과 방울의 주기의 편차를 나타낸 그래프이고, 도 19는 본 발명에 의한 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기에서 점적 주기에 따른 진동 현상과 이것이 측정 표준편차에 영향을 끼치는 상태를 나타낸 그래프이며, 도 20은 점적관 근처에서 투과하는 광량이 방울의 낙하시점 전후로 변화하는 것을 측정한 것으로 파형에 있어 큰 주기는 방울의 낙하 사건이고, 작은 진동은 물방울의 진동을 나타내는 것으로 방울 분리 직후 점적관에 맺힌 물방울은 빠른 진동수를 보이다가 물의 공급으로 물방울의 크기가 증가하면 진동 주기가 줄어드는 것을 볼 수 있다. 도 21은 수액의 주입률에 따라 점적구에서 맺히는 방울의 모양을 측정한 것이다.

먼저, 본원발명의 특징인 점적 센서를 이용한 유량측정기는 수액이 저장되는 유체 챔버(110)와 상기 유체 챔버(110)에서 점적 챔버(120)로 통과하는 수액 방울의 주기를 측정하는 점적 센서(130)와, 점적수 보정기로(150) 등으로 구성된다.

유체 챔버(fluid chamber: 110)는 수액이 저장되는 공간으로 소정의 크기를 가지고 형성되고 본원발명에서는 공지된 유체 챔버 중 상황과 목적에 따라 선택적으로 적용되고 별도의 설명은 생략하기로 한다.

점적 챔버(drip chamber: 120)는 유체 챔버(110)와 수액 튜브를 통해 연결되어 통하며, 내부로 연결된 점적관에서 유체의 방울을 시각적으로 확인할 수 있는 구조로 되어 있고, 후술할 점적 센서(130)가 장착된다.

점적 센서(drop sensor: 130)는 유체 챔버(110)에서 점적 챔버(120)로 수액이 방울로 낙하할 때 방울 낙하의 주기를 측정할 수 있도록, 예를 들어 수액방울의 그림자로 생기는 광량의 변화를 측정하도록 상기 점적 챔버(120)에 장착된다. (도 5 참조)

그리고 본원발명에서 상기 점적 센서(130)는 적외선 발광다이오드와 광센서를 포함하여 구성된다. 즉, 적외선 발광다이오드는 점적 챔버(120)의 전체 폭을 고르게 조사하는 기능을 하고, 상기 광센서는 상기 적외선 발광다이오드에서 조사되는 광을 수광하게 된다.

이때, 시스템 구현에 사용한 점적 센서(130)는 후술할 의약품 주입펌프(160)에 옵션으로 제공하는 이중안전 유량감시용으로 사용하는 제품을 사용할 수도 있다. 즉, 적외선 발광다이오드로 점적 챔버의 전체 폭을 고르게 조사하고, 아울러 형광등 조명과 같은 가시광선 외란광을 막기 위하여 적외선 필터를 거쳐 점적 챔버 폭만큼의 크기를 가진 광센서로 수광한다. 기타 다른 방식으로 압전소자 등을 사용하여 점적을 검출하는 원리를 포함할 수 있다. 바람직하기로는 기존의 점적 챔버는 감염등을 고려한 것이므로 그 외관을 훼손하지 않고 측정하는 것이 필요하므로 가시광에 근접한 광원을 사용하여 측정하는 것이 바람직한 것이다.

점적수 보정기(drop volume calibrator: 150)는 미리 알고 있는 정량의 수액을 점적 센서(130)를 통과하게 하여 방울당의 체적을 산정하는 장치로서 점적 챔버(120)에서 3-way cock을 통해 배수되도록 배관한다.

여기서 상기 점적수 보정기(150)는 유속을 달리하여 유속 혹은 점적 주기 대비 점적 방울의 체적을 측정할 때도 사용하고, 유속 대비 점적방울 데이터는 해당 용액에 있어 점적 주기를 측정하여 유량을 추정하는 데이터로 사용하게 된다.

다음으로 본원발명의 또 다른 특징인 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기(100)는, 점적 센서(130), 신호처리부(140), 점적수 보정기(150) 및 유량계 시스템(170) 을 포함한다. 이는 기존 수액챔버(110)와 그 내용물을 인체에 연결하는 도관시스템인 수액세트에 부수적으로 포함된 점적 쳄버(120)에 간단하게 부착할 수 있도록 되어 있다.

특히, 수액의 물방울이 지나면 굴절 때문에 투과 광량이 감소하므로 광량의 레벨을 기준으로 방울을 검출할 수 있다. 그러나 간혹 도 7에서 보듯이 물방울이 점적관에서 분리될 때 작은 방울이 형성될 수도 있어 이런 방울을 검출할 정도로 민감해서는 안되며, 점적 챔버(120) 바닥에서 튀는 방울에도 반응하지 않도록 설계하여야 한다.

신호처리기(signal conditioner: 140)는 점적 센서(130)를 통과한 수액 방울의 주기를 정확히 측정하도록 상기한 신호의 처리를 수행한다.

신호처리의 내용을 살펴보면, 예를 들면, 광학식 센서의 경우 방울의 크기와 형태에 따라 투과광의 차이가 발생하게 된다. 그러나 대체적으로 투과광의 감소의 비율은 센서 총 수광 면적대비 방울의 단면적이라고 말할 수 있다. 물방울의 형태에 따라, 도 9에 도시된 바와 같이, 센서를 통과할 때 거의 두 개의 피크를 보일 수도 있고, 작은 방울에 의한 작은 피크가 검출될 수도 있다. 이런 점을 고려하여 방울을 검출하는 문턱치를 정하게 된다. 사용한 점적 센서인 TE 971의 경우 일반적인 점적관의 방울이 지날 때 약 20% 정도의 투과광이 감소한다. 또한 방울의 크기는 50% 정도까지 변화할 수 있다. 그러므로 평균 투과광 수준에서 90% 정도를 문턱으로 설정하여 방울이 지나가는 것을 검출하도록 하였다.

또한, 방울의 모양이나 센서의 위치에 따라 검출 파형의 모양과 주기가 달라지는 것을 고려하여 20 ms의 폭을 가지는 단안정 발진기(monostable multivibrator) 회로를 부가하여 한 방울의 신호가 두 개의 펄스를 만드는 경우 무시하도록 설계하였다. (도 10 참조). 결론적으로 표준적인 방울의 크기에서 +/- 50% 정도의 크기의 방울이 점적하는 사건에 대해 정확히 검출하도록 신호를 처리하도록 한다.

유량계 시스템(170)은 점적 센서(130), 신호 처리부(140) 및 점적수 보정기(150)의 정보에 의한 검사 정보를 출력하는 기능을 하며, 마이크로프로세서 모듈(172), 통신 인터페이스, 입력 모듈(173), LED 램프 모듈 및 표시 모듈(174) 등을 포함한다.

마이크로프로세서 모듈(172)은 상기 신호처리부(140)의 신호를 분석하여 수액의 유량을 계산하도록 프로그램을 내장하고, 통신 인터페이스는 컴퓨터 등과 같은 외부 출력장치(도면에 미도시)와 접속하는 RS-232C 등과 같은 통신 인터페이스이고, 입력 모듈(173)은 측정의 시작과 종료, 수액 온도 및 보정값과 표시 모드 등을 입력하는 키패드 등이 적용되고, LED 램프 모듈은 보조적으로 점적 시 표시를 시각적으로 출력하고, 표시 모듈(174)은 여러 가지 측정 정보를 표시해 주는 표시 모듈이다.

의약품 주입펌프(infusion pump: 160)는 본 발명의 유량 측정기를 수액주입펌프의 검사기로 사용할 때 연결하는 구성이며, 주입펌프에서 표시하는 유량과 총용적이 유량측정기와 비교함으로써 검사가 이루어진다.

플로우 클램프(flow clamp: 180)는 의약품 주입펌프(160)의 검사기의 기능을 할 때 검사기를 지난 수액 튜브 단에 설치되어 의약품 주입펌프의 막힘 검출 기능의 평가에 사용한다.

다음으로 상기와 같이 구성되는 점적 센서를 이용한 유량측정기와 이를 이용한 의약품 주입펌프 및 검사기의 실시 예를 참조로 설명하면 다음과 같다

○ 점적 센서를 이용한 유량 계측

액체의 방울수는 부피를 측정하는 하나의 단위로 사용되기도 한다. 수액과 같은 액체는, 일반적으로 친수성의 고체에 대해 부착력을 가지면서 아울러 자체의 표면장력과 기타의 외력으로 인한 에너지가 최소가 되는 방향으로 형태를 만들게 되므로, 주사바늘이나 수액세트의 점적관에서 보듯이 방울을 만들게 된다. 방울의 크기는 액체의 표면장력으로 관에 부착되는 힘과 물방울의 무게가 일치하는 점까지 커지다가 결국은 떨어지게 된다. 이때 방울의 크기 혹은 무게는 대략 관의 직경에 의해 결정된다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이 관에 매달리는 액체방울의 무게를 m 이라고 하고 중력가속도를 g, 관의 직경을 d, 수평면과 관에서 액체면이 이루는 각도를 α 그리고 액체의 표면장력을 라고 하면, 하기식 1에 의해 주어진다.

따라서, 점적관의 직경을 조절하여 방울당의 부피를 조절할 수 있다. 의료용 점적관은 10, 15, 20 drops/mL 가 되도록 설계되어 있고, 60 방울로 1 mL 가 되는 마이크로드립 점적관도 있다. 우리나라의 수액세트의 점적관은 약학에서 한 방울의 크기를 0.05 mL로 정의함에 따라 2009년 11월 이후로 20 drops/mL로 만들도록 지정하고, 현장에서 점적관의 분당 방울수를 측정하여 주입량을 산정하도록 하고 있다. 이 방울을 계수하기 위하여 병원에서 흔히 사용하는 점적 센서는 주로 광을 사용하여 수액방울의 그림자로 생기는 광량의 변화를 측정하는 광학식 장치이다. 물과 같이 투명한 액체라고 해도 물방울은 렌즈와 같은 역할을 하여 투과하는 빛을 크게 굴절시켜 분산시키기 때문에, 집속한 광을 지나는 물방울의 뒤쪽에는 그림자가 생겨 투과광량이 줄어들게 되는 것을 감지하여 측정을 한다.

그러나 방울의 크기는 관의 직경이 일정하다 하더라도 액체의 표면장력과 방울에 가해지는 중력 등의 외력에 의해 달라지게 된다. 그러므로 단순히 방울 수 만으로 부피를 산정하는 것은 주의를 요한다.

액체의 표면장력은 온도나 포함된 불순물에 의해 달라진다. 물의 경우 25?에서 72 mN/m 정도의 표면장력이 50℃가 되면 약 5.5% 줄어든 68 mN/m 정도가 된다.[도13] 또한 계면활성제가 포함된 경우는 표준적인 경우의 10~20% 정도까지 낮아지게 된다.

물방울의 형성 과정의 동적인 상태에 대한 이해도 필요하다. [수학식 1]에서 추정되는 방울의 크기는 정적인 상태의 무게인데, 그 순간에 방울의 분리가 발생하기는 하지만, 분리된 방울의 무게가 식에 의해 결정되는 크기와 동일하지는 않다. 또한 분리 시점까지 추가로 주입되는 수액으로 방울의 크기가 증가하는 경향을 가진다[도 10]. 또한, 수액 방울의 주기와 물방울의 진동 모드가 일치하는 경우 특별한 공진현상이 발생하여 방울의 크기가 급격하게 변화할 수도 있다. 수액방울은 표면장력이라는 복귀력이 존재하여 진동을 하게 되고, 고유진동모드는 구면조화함수로 표현된다. 물방울의 공명 진동수 f 는 표면장력과 반지름의 함수로서 다음과 같이 수학식 2에 의해 주어진다.

여기서 l=0인 경우는 방사상의 진동이고, l=1은 경우는 병진운동에 해당하므로, 물방울의 경우 실제로 진동하는 최저 진동수는 l=2인 경우이다. 직경이 4.5~5.5mm 정도되는 물방울의 경우는 16~22Hz 정도의 진동수를 가진다. (도 8 참조) 20Hz 에 해당하는 초당 20방울의 주입률은 대략 3600 mL/h에 해당하는데, 이 속도 부근에서는 공진관련 현상이 발생하게 된다. 다행히 점적 챔버(120)의 수액방울은 형성과정에서 그 크기가 계속 변하므로 공진 주파수도 계속 변하여 낮은 점적 속도에서는 체배 주파수를 포함하여 주기적인 진동이 발생할 가능성이 낮고, 높은 주입속도가 되면 점적관으로부터 물줄기가 형성되어 나오면서 방울의 크기가 더욱 작아지고 공진주파수는 더욱 높아지게 된다[도23]. 실제로 점적 주입구 근처에서의 투과광을 측정해 보면 방울이 형성되기 시작하는 초기에는 약 100Hz 정도의 진동이 관찰되는데, 이 주기가 방울이 커짐에 따라 점점 느려지다가 방울이 떨어지기 직전에는 대략 20Hz 정도의 진동을 하고 있는 것을 볼 수 있었다.[도 22]

따라서, 일반적인 의약품 주입펌프(160)의 동작범위에서는 주입에 따르는 방울의 공진현상은 발생하지 않는다고 볼 수 있다. 그렇지만, 초당 12방울 정도까지는 균일한 주기를 가지는 방울이 그보다 더 빠른 주기에서는 갑자기 불규칙해지는 것이 관찰되었다. 따라서 이 이상의 주입속도에 대해서는 점적방식의 유량계의 적용에 있어 각별한 주의가 필요해 보인다.

- 점적 주기와 방울의 평균 부피

주기에 따른 방울의 평균 부피를 측정하기 위해 점적 주기가 일정하게 하여 100cc에 해당하는 방울수, 혹은 1000방울에 해당하는 부피를 측정하여 점적 속도에 따른 물방울의 부피에 대한 기초 자료를 구하였고, 그 결과는 도 10에 정리되었다. 10 gtt 미만의 낮은 주입률에서 0.05mL 로 거의 일정한 방울의 부피는 주입속도가 증가함에 따라 크게 상승하여 400 gtt 정도의 점적 속도에서 최고값을 가지면서 약 125%까지 부피가 증가하였다. 그 이후로 급격한 감소를 보여 600 gtt 에서는 75% 정도로 부피가 감소하였다.

한편, 일정한 유량을 공급할 경우 방울의 주기는 대단히 일정하였다. 주기의 변화폭은 방울 주기와 관계없이 대략 3 ~ 4ms 정도이며[도 18], 이는 방울 검출 회로의 검출 오차와 앞 절에서 논의한 여러 가지 진동의 효과에 의한 것으로 생각된다. 그러나, 긴 주기의 방울 다음으로는 대체로 동일한 정도로 짧은 주기의 방울이 나타나는 경향이 있어, 주입속도나 온도 등이 일정하게 주어진 환경에서는 방울의 형성 주기와 방울의 체적 사이에는 매우 정교한 상관관계가 있다고 간주할 수 있다.

○ 점적센서 기반 유량 측정기 시스템

도 12는 본 발명에서의 점적센서 기반 유량측정시스템의 개요도이다. 일례로서, 예를 들면 마이크로프로세서는 내부에 아날로그 비교기와 ADC(analog to digital converter) 및 타이머 기능이 있는 소형 마이크로프로세서(ATmega32, Atmel corp. USA)를 채용할 수 있다. 우선 방울 검출 회로에서 발생하는 펄스의 주기를 검출하기 위해 방울 검출 회로에서 발생하는 펄스의 상승 신호를 기준으로 타이머 카운터의 값을 기록하는 방식으로 펄스 주기를 산정하였다. 두 개의 아날로그 값을 비교한 출력을 마이크로프로세서의 input capture 단으로 입력하였다. 클럭 주파수는 1㎲ 단위로 계수하고, 결과를 flexible numeric display(FND)로 표시함과 동시에 PC로 전송하여 기록할 수 있도록 하였다. 통신은 직렬통신을 사용하였고, 19200 baud rate로 방울계수 및 이전 방울계수 시점으로부터의 경과시간, 즉 방울 주기를 PC로 송신하고, PC로 부터는 동작에 관한 명령을 수신한다.

점적 주기에 따른 방울의 부피를 내장한 공식, 혹은 측정의 개시때 점적수 보정기(150)를 사용하여 측정한 방울의 부피를 바탕으로 한 공식을 사용하여 매 방울마다 용적을 계산하여 총 용적을 산출하고, 총 시간을 바탕으로 유량을 산출한다. 방울의 용적을 계산할 때는 온도의 변화를 참조하고, 필요에 따라 외부에서 방울 용적의 오차를 보정할 수 있는 점적수 보정기(150)을 활용한다. 또한, 수액 방울의 무게는 식 (1)에 의해 표면장력의 크기에 비례한다고 볼 수 있으므로, 온도에 따른 표면장력을 계산하여 비례적으로 설정할 수 있다. 수액주입펌프 검사기에서는 사용하는 수액의 종류를 정할 수 있으므로, 주사용수 급의 증류수를 사용한다고 하면, 물에 대한 알려진 표면장력 데이터를 사용할 수 있다. 물의 표면장력 측정 데이터로부터 2 차식으로 근사한 온도 t ℃에서의 표면장력은 하기 수학식 3에 의해 설정할 수 있다. (도 13 참조)

상온 T에서 측정한 실험식으로부터 결정된 방울용적을 V(P)라고 하면 실제 방울 용적 V는 하기 수학식 4에 의해 계산될 수 있다.

여기서 보정치 cal은 -0.5 ~ 0.5 사이로 정할 수 있도록 하였다. 온도에 의한 효과는 5℃에 1% 정도이다. 물방울의 크기는 점적관의 상태에 따라 오차가 있을 수 있으므로 이에 대한 보정치나 공식을 지정할 수 있도록 하였다.

○ 점적 주기와 방울의 평균 용적관계 공식의 도출

주입률을 달리하면서 100mL의 메스플라스크를 채우기까지 점적시간을 측정하여 평균한 값으로 측정한 점적 주기 대비 방울 용적은 도 15와 같다. 평형상태의 방울 용적에 비해 주기가 짧아질수록 방울의 용적이 상당히 증가하여 0.13초 정도에는 25% 정도까지 용적이 증가하였다가 급격히 줄어드는 경향을 보인다. 실제로 사진으로 관찰하여도 빠른 속도에서 방울의 크기가 매우 작아짐을 볼 수 있다. (도 16 참조) 이것을 점적속도의 축으로 다시 표현하면 도 17과 같이 되고, 간단한 다항식으로도 잘 맞는 근사식을 구할 수 있었다.

○ 점적 주기의 순시 변화

방울마다 산포를 추정하기 위하여 수액 세트의 유량조절기를 조절하여 점적속도를 대략 2.5 s로 설정한 다음 측정하여 보았다. 500점 정도 측정하는 동안 점적주기는 2.5 s에서 2.6 s로 증가하였고, 방울 방울간의 산포도 보였다. 전체적인 증가는 유량조절기가 이완되는 것과, 수액의 수위가 낮아지는 요인 때문인데, 유량조절기의 이완의 효과가 큰 것으로 보인다. 측정점과 점 사이의 차이의 표준 편차는 2.79ms로서 방울과 방울의 주기의 편차는 0.1% 정도로 대단히 규칙적임을 발견할 수 있었다. (도 18 참조)

주입 속도에 따른 측정을 해 보면 특정 주입률에 대해 일정하지만, 표준편차가 주기적인 등락을 보이는 경향이 있다. 점적은 순시적인 변화없이 매우 안정된 경우도 있지만 점적 주기가 빨라질수록 진동하는 현상이 나타나고, 이것이 측정 표준편차에 영향을 끼치는 것으로 보인다. (도 19 참조)

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기
110: 유체 챔버
120: 점적 챔버
130: 점적 센서
140: 흐름 분석기
150: 점적 볼륨 측정기
160: 의약품 주입펌프
170: 유량계 시스템
180: 플로우 클램프

Claims

수액이 저장되는 유체 챔버와;
상기 유체 챔버에서 점적 챔버로 통과하는 수액 방울의 주기를 측정하는 점적 센서와;
상기 점적 센서를 통해 측정되는 점적의 주기에 따라 변화하는 방울의 용적을 보정하여 주입량을 계산하는 것을 특징으로 하는 점적 센서를 이용한 유량측정기.
제 1항에 있어서,
특정 상태의 점적 방울의 용적을 실제로 측정할 수 있도록 점적수 보정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 점적 센서를 이용한 유량측정기.
제 1항에 있어서,
상기 점적 센서는 점적 챔버의 전체 폭을 고르게 조사하는 적외선 발광다이오드와 상기 적외선 발광다이오드에서 조사되는 광을 수광하는 광센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 점적 센서를 이용한 유량측정기.
제 1 또는 3항 중 어느 한 항의 점적 센서를 이용한 유량측정기를 이용하여 설정한 주입률이 되도록 플로우 클램프를 조절하여 수액을 주입하는 것을 특징으로 하는 점적 센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프.
수액이 저장되는 유체 챔버와;
상기 유체 챔버에서 점적 챔버로 통과하는 수액 방울의 주기를 측정하는 점적 센서와;
상기 점적 센서를 통과한 수액의 흐름을 분석하는 흐름 분석기와;
상기 점적 센서를 통과한 수액에 대해 광량의 변화에 따른 부피를 측정하는 점적 볼륨 측정기; 및
상기 점적 볼륨 측정기를 통과한 수액을 유체 볼륨 평가를 위해 공급하는 의약품 주입펌프를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기.
제 5항에 있어서,
상기 점적 센서, 흐름 분석기 및 점적 볼륨 측정기의 정보에 의한 검사 정보를 출력하는 유량계 시스템을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기.
제 6항에 있어서, 상기 유량계 시스템은,
상기 점적 센서의 신호처리부와;
상기 신호처리부의 신호를 분석하여 수액의 유량을 계산하는 마이크로프로세서 모듈과;
상기 수액 온도 및 보정값과 시작과 표시모드를 입력하는 입력 모듈; 및
상기 수액 정보를 표시해 주는 표시 모듈;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 점적센서를 이용한 유량측정기를 구비하는 의약품 주입펌프 검사기.