KR20210104733A - 유체의 입자의 유량 및/또는 농도를 결정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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제레미 가슐랭
밥티스트 피알로
올리비에 쿠튀르
엠마누엘 뱅상
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애니티스 테크놀로지스
상뜨로 나쇼날 드 라 러쉐르쉐 샹띠피크
에꼴 슈뻬리어르 드 피지끄 에 드 쉬미 엥뒤스트리엘르 드 라 빌 드 빠리
인썸(인스티튜트 내셔날 드 라 싼테 에 드 라 리셰르셰메디칼르)
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Abstract

본 발명은 챔버(2) 내에서 흐르는 유체 입자의 유량 및/또는 농도를 결정하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 -초음파 빔과 챔버(2) 사이의 교차 영역을 통과하여 이동하는 모든 유체 성분가 제 1 변환기(61)에 의해 초음파에 노출되는 방식으로 상기 제 1 변환기(61)에 의해 주어진 주파수의 초음파 빔을 생성하는, 단계, -제 2 변환기(62)에 의해 상기 챔버(2)의 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체 성분에 의해 생성된 도플러 편이 초음파 신호를 수신하는 단계; -획득 시간 동안 상기 제 2 변환기(62)에 의해 수신된 상기 초음파 신호를 획득하는 단계; -상기 획득된 초음파 신호의 도플러 파워 스펙트럼을 획득하는 단계; -한편으로는 상기 수득된 도플러 파워 스펙트럼과 다른 한편으로는 상기 도플러 파워 스펙트럼의 모델 사이의 조정에 의해 상기 유체 입자의 유량 및/또는 농도 결정하는 단계를 포함한다.

Description

유체의 입자의 유량 및/또는 농도를 결정하기 위한 방법 및 장치
본 발명은 도플러-편이 초음파 에코(Doppler-shifted ultrasound echo)를 사용하여, 챔버 내에서 흐르는 유체 입자의 유량(flow rate) 및/또는 농도를 결정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 챔버 내에서 흐르는 유체 입자의 유량 및/또는 농도를 결정하기 위한 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명의 방법 및 장치는 임의의 이종 유체, 에멀젼, 또는 보다 일반적으로 입자를 포함하는 임의의 유체, 예를 들어 전혈, 골수, 뇌척수액과 같은 세포 현탁액, 또는 광산 슬러리 또는 진흙과 같은 미네랄 현탁액의 입자의 유량 및/또는 농도의 결정을 위해 사용될 수 있다.
표준화된 의료 장치 내에서 음향 영동 혈액 분류와 같은 새로운 유체 기술을 구현하려면 프로세스를 평가하고 제어하기 위한 비-침습적 방법이 필요하다. 이러한 방법은 유체 및 그 성분의 무결성을 손상시키지 않고 물리적 매개변수의 신뢰할 수 있는 추정을 제공하도록 선택되어야 한다. 모니터링할 매개변수 중에서 유체 흐름 속도는 특히 유체 흐름이 안정적인지 여부를 결정하는 데 특히 중요하다.
유체의 유량을 정확하고 견고하게 추정할 수 있는 몇 가지 기술이 있다. 알려진 기술의 예는 광학 또는 전자기 기술을 포함한다. 초음파 기술, 특히 도플러 효과를 기반으로 하는 기술은 비-침습적이고 저렴하며 다양한 장치에서 구현하기 쉽다는 장점이 있다.
챔버 내 고정 유체 흐름의 경우 도플러 효과 방정식에 따르면, 유체 입자의 움직임에 의해 생성되는 도플러 파워 스펙트럼(DPS)의 최대 주파수를 측정하면, 유체의 최대 속도를 간단하게 추정할 수 있다. 유체의 유량은 하겐-푸아즈이유의 방정식(Hagen-Poiseuille equation)을 통해 이 추정치로부터 계산될 수 있다.
그러나, 본질적인 스펙트럼 확장으로 인해, 도플러 파워 스펙트럼의 최대 주파수를 정확하게 추정하는 것은 오류 소스가 제한된 제어된 환경에서도 사소하지 않은 문제이다. 따라서 유량 및 유체 성분의 농도와 같은 기타 관련 매개변수의 추정은 정확하지 않다.
본 발명은 종래 기술의 결점 없이 사용 및 구현이 용이하면서도 챔버 내에서 흐르는 유체의 입자의 농도 및/또는 유량을 정확하게 결정할 수 있도록 하는 방법 및 장치를 제안함으로써 보다 구체적으로 해결하고자 하는 것이 이러한 단점이다.
이러한 목적을 위해, 일 측면에 따르면, 본 발명의 요지는 챔버 내에서 흐르는 유체의 유량 및 유체 입자의 농도를 결정하는 방법이며, 상기 방법은
초음파 빔과 챔버 사이의 교차 영역(I)을 통과하여 이동하는 모든 유체 성분이 제 1 변환기에 의해 초음파에 노출되는(insonated) 방식으로, 제 1 변환기에 의해, 상기 입자의 산란 주파수 범위에서 선택된 주어진 주파수의 초음파 빔을 생성하는 단계,
제 2 변환기에 의해 챔버의 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 유체 성분에 의해 생성된 도플러-편이 초음파 신호를 수신하는 단계;
획득 시간 동안 제 2 변환기에 의해 수신된 초음파 신호를 획득하는 단계;
획득된 초음파 신호의 도플러 파워 스펙트럼을 수득하는 단계;
상기 챔버의 초음파에 노출된 영역 내에서 유체의 유량, 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 유체의 상기 입자의 농도, 상기 유동 방향에 수직하게 취한 상기 챔버의 횡단면적, 상기 초음파 빔과 상기 유동 방향에 대해 평행하게 취한 챔버 사이의 교차의 폭의 함수로서, 한편으로 수득된 도플러 파워 스펙트럼과 다른 한편으로 도플러 파워 스펙트럼을 표현하는 모델 사이의 조정에 의해 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체의 상기 입자의 농도 및 상기 챔버 내에서 흐르는 유체의 유량을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 방법은 측정된 도플러 파워 스펙트럼(DPS)과 유체의 유량, 챔버의 횡단면적, 및 초음파 빔과 챔버 사이의 교차의 폭의 함수로서 표현되는 모델링된 DPS 사이의 조정, 또는 "맞춤(fitting)"에 의해 간단한 방식으로 유체의 유량을 결정하는 것을 가능하게 할 수 있다. 챔버의 횡단면적과 초음파 빔과 챔버 사이의 교차부 폭은 실험적으로 고정될 수 있으므로, 획득된 DPS와 모델링된 DPS 사이의 조정은 유체의 유량에 직접적인 접근을 제공한다.
유리한 방식으로, 본 발명의 방법은 제한된 수의 단계를 가지며 구현하기가 용이하다. 특히 획득된 DPS와 모델링된 DPS 사이의 조정을 위한 방법의 계산 단계는 임의의 적절한 계산 수단의 도움으로 구현될 수 있다. 특히, 컴퓨터 또는 임의의 전자 계산 유닛일 수 있는 계산 수단은 방법에 의해 요구되는 측정을 획득하기 위한 획득 시스템에 유리하게 연결되고 획득된 측정을 기초로 하여, 방법의 계산 단계의 전부 또는 일부를 실행하기 위한 계산 수단을 포함한다. 유체 유량을 추정하기 위한 본 발명의 방법의 신뢰성은 0.1 mL/min 정도의 낮은 유량에서도 강한 것으로 입증되었다.
일 실시예에 따르면, 상기 방법은 도플러-편이 초음파 신호가 챔버(2)의 상기 초음파에 노출된 영역의 유체 성분에 의해 생성되는 반면, 상기 초음파에 노출된 영역의 유체 입자의 농도는 공지된 농도 값을 가지며, 상기 방법은 한편으로는 수득된 도플러 파워 스펙트럼과, 다른 한편으로는 도플러 파워 스펙트럼을 챔버의 초음파에 노출된 영역 내에서 유체의 유량, 초음파에 노출된 영역 내에서 유체 입자의 농도, 유동 방향에 대해 수직으로 취한 챔버의 횡단면적, 초음파 빔과 상기 유동 방향에 대해 평행하게 취한 챔버 사이의 교차부 폭의 함수로서 표현하는 모델 사이의 조정에 의해 챔버 내에서 흐르는 유체의 유량을 결정하는 단계를 포함하고, 초음파에 노출된 영역의 유체의 상기 입자의 농도가 상기 공지된 농도 값으로 고정된다.
또 다른 측면에 따르면, 본 발명의 요지는 챔버 내에서 흐르는 유체의 유량이 공지된 유량 값을 갖는 동안 챔버의 상기 초음파에 노출된 영역의 유체 성분에 의해 도플러-편이 초음파 신호가 생성되는 방법이고, 상기 방법은 한편으로는 수득된 도플러 파워 스펙트럼과, 다른 한편으로는 챔버의 초음파에 노출된 영역 내에서 유체의 유량, 초음파에 노출된 영역 내에서 유체의 상기 입자의 농도, 유동 방향에 수직으로 취한 챔버의 횡단면적, 초음파 빔과 상기 유동 방향에 대해 평행하게 취한 챔버 사이의 교차부의 폭의 함수로서 도플러 파워 스펙트럼을 표현하는 모델 사이의 조정에 의해 초음파에 노출된 영역 내에서 유체 입자의 농도를 결정하는 단계를 포함하며, 상기 챔버의 초음파에 노출된 영역 내의 유체의 유량이 상기 공지된 유량 값으로 고정된다.
이 양태에 따르면, 본 발명은 측정된 도플러 파워 스펙트럼(DPS)과, 유체의 유량, 초음파에 노출된 영역 내에서 유체의 입자의 농도, 챔버의 횡단면적 및 초음파 빔과 챔버 사이의 교차부 폭의 함수로 표현되는, 모델링된 DPS 사이의 조정 또는 "맞춤"에 의해 간단한 방식으로 유체 입자의 유량 및 농도를 결정할 수 있게 한다. 챔버의 횡단면적과 초음파 빔과 챔버 사이의 교차부 폭은 실험적으로 고정될 수 있으므로, 획득된 DPS와 모델링된 DPS 사이의 조정은 유체의 유량 및 입자 농도로의 직접적인 접근을 제공한다. 이 방법은 유리하게는 제한된 수의 단계를 가지며 적절한 계산 수단의 도움으로 용이하게 구현될 수 있다.
본 발명의 방법은, 전술한 임의의 양태에서, 0.1 mL/min만큼 낮은 유량을 결정하는데 적합하다. 특히, 낮은 유량에서 본 발명의 방법의 감도는 종래 기술로부터 공지된 방법의 감도에 비해 높다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명의 요지는:
-도플러 파워 스펙트럼의 최대 주파수를 포함하는 주파수 범위에 걸쳐 수득된 도플러 파워 스펙트럼의 적분을 계산하는 단계;
-수득된 도플러 파워 스펙트럼의 적분과 교정 함수와 같은 초음파에 노출된 영역 내의 유체의 상기 입자의 농도의 함수로서 도플러 파워 스펙트럼의 적분을 표현하는 모델 사이의 조정에 의해 초음파에 노출된 영역 내에서 유체 입자의 농도를 결정하는 단계를 포함하는 방법이다.
이 양태에 따르면, 본 발명은 도플러 파워 스펙트럼의 적분과 모델 사이의 조정 또는 "맞춤"에 의해 유체 입자의 농도를 결정할 수 있게 한다. 이 조정은 유체 입자의 농도에 직접적인 접근을 제공한다.
특정 실시예에서, 상기 방법은 유체가 혈액이고 수득된 도플러 파워 스펙트럼의 최대 주파수를 계산함으로써 적혈구의 부피 농도(H)(헤마토크릿(hematocrit))가 결정되도록 하는 것이다.
일 실시예에 따르면, 수득된 도플러 파워 스펙트럼과 모델 사이, 또는 도플러 파워 스펙트럼의 적분과 모델 사이의 조정은 최적화 알고리즘을 사용하여 실현된다. 특히, 최적화 알고리즘은 미리 정의된 기준(norm)으로 표현된 비용 함수의 최소화를 포함할 수 있다. 이러한 최적화 알고리즘은 본 발명의 맥락에서 사용하기 간단하며, 유량 및/또는 입자 농도는 비용 함수가 최소인 매개변수다.
본 발명의 방법에 대해, 전술한 임의의 양태에서, 획득된 초음파 신호의 도플러 파워 스펙트럼은 복조 방법을 사용하여 얻을 수 있다.
본 발명은 임의의 이종 유체, 에멀젼, 또는 입자를 포함하는 임의의 유체, 예를 들어 전혈, 골수 또는 뇌척수액과 같은 세포 현탁액 또는 광산 슬러리 또는 진흙과 같은 미네랄 현탁액에 대해 구현될 수 있다. 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 이러한 매개변수의 결정을 위해 광학적 방법을 사용하는 것이 불가능한 불투명 유체 입자의 유량 및/또는 농도를 결정하는데 특히 적합하다.
본 발명에 따른 방법은 챔버 내의 흐름이 모델링될 수 있는 유체의 유량 및/또는 입자의 농도를 결정하는데 특히 적합하다. 예를 들어, 본 발명의 방법은 속도 프로파일이 모델링될 수 있는 고정 유동을 갖는 유체의 유량을 결정하는 데 특히 적합하다. 보다 일반적으로, 상기 방법은 챔버 내에서 유체의 층류 흐름에 적합한다.
본 발명은 또한 유체의 입자의 제 1 군의 농도 및 제 2 군의 입자의 농도를 결정하는 방법에 관한 것으로, 제 1 군의 입자 및 제 2 군의 입자는 적어도 부분적으로 겹치지 않는 산란 주파수 범위를 갖는 입자이고, 상기 방법은:
- 제 1의 주어진 주파수의 제 1 초음파 빔을 생성함으로써, 본 발명의 방법에 따라 제 1 입자 군의 농도를 결정하는, 단계;
- 제 2의 주어진 주파수의 제 2 초음파 빔을 생성함으로써, 본 발명의 방법에 따라 제 2 입자 군의 농도 또는 제 1 및 제 2 입자 군의 전체 농도를 결정하는, 단계를 포함한다.
이러한 방식으로, 초음파 빔의 주파수를 변경하여 상이한 산란 주파수를 갖는 입자 군의 농도를 결정할 수 있다. 상이한 도플러 주파수에 대한 입자 군의 감도 덕분에, 제 1 입자 군의 농도는 제 1 주파수에서 얻을 수 있으며 제 2 입자 군의 농도는 제 2 주파수에서 직접 또는 입자의 전체 농도와 제 1 입자 군의 농도 사이의 비교로부터 얻을 수 있다. 물론, 본 발명의 방법은 2개 초과의 입자 군을 포함하는 유체에 적용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 유체는 혈액이고, 제 1 군의 입자는 적혈구이고, 제 2 군의 입자는 혈소판이며, 여기서 적혈구의 부피 농도의 측정에 적합한 제 1 주파수는 적혈구 및 혈소판의 전체 부피 농도 측정에 적합한 제 2 주파수보다 낮다. 제 1 주파수와 제 2 주파수는 0 내지 100MHz 범위에 있다.
혈소판의 용적 농도는 한편으로는 적혈구 및 혈소판의 전체 용적 농도와 다른 한편으로는 적혈구의 용적 농도에서 추론할 수 있다. 본 발명은 더 낮은 초음파 주파수에서 수득된 부피 농도와 더 높은 초음파 주파수에서 수득된 부피 농도 사이의 비교에 기초하여 혈소판의 부피 농도를 결정할 수 있게 한다.
본 발명의 또 다른 요지는 프로그램이 컴퓨터에 의해 실행될 때 전술한 방법의 계산 단계를 구현하기 위한 명령을 포함하는 컴퓨터 프로그램이다.
본 발명의 또 다른 요지는 명령어가 컴퓨터에 의해 실행될 때 전술한 방법의 계산 단계를 구현하기 위한 명령을 포함하는 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체이다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명의 요지는 챔버 내에서 흐르는 유체의 유량 및 유체 입자의 농도를 결정하기 위한 측정 장치이며, 상기 측정 장치는:
- 초음파 빔과 챔버 사이의 교차 영역을 통과하여 이동하는 모든 유체 성분이 제 1 변환기에 의해 초음파에 의해 노출되는 방식으로, 상기 입자의 산란 주파수 범위에서 선택된 주어진 주파수의 초음파 빔을 생성하도록 구성된, 제 1 변환기,
- 유동 방향에 대해 도플러 각도로 배열되고 챔버의 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 유체 성분에 의해 생성된 도플러-편이 초음파 신호를 수신하도록 구성된, 제 2 변환기;
- 획득 시간 동안 상기 제 2 변환기에 의해 수신된 초음파 신호를 획득하는, 획득 모듈;
- 획득 모듈에 의해 획득된 초음파 신호의 도플러 파워 스펙트럼을 계산하고 계산된 도플러 파워 스펙트럼과 챔버의 초음파에 노출된 유체의 유량, 초음파에 노출된 영역 내에서 유체의 상기 입자의 농도, 상기 유동 방향에 대해 수직하게 취한 챔버의 횡단면적, 상기 제 1 변환기에 의해 생성된 초음파 빔과 상기 유동 방향에 대해 평행하게 취한 챔버 사이의 교차부의 폭의 함수로서 도플러 파워 스펙트럼을 표현하는 모델 사이의 조정에 의해 챔버에 흐르는 유체의 유량과 유체 입자의 농도를 결정하도록 구성된, 계산 모듈을 포함한다.
이러한 측정 장치를 사용하면 측정된 도플러 파워 스펙트럼(DPS)과 유체의 유량, 챔버의 단면적 및 초음파 빔과 챔버 사이의 교차부의 폭의 함수로서 표현되는 모델링된 DPS 사이의 조정 또는 "맞춤"에 의한 간단한 방식으로 유체의 유량을 결정할 수 있다. 챔버의 횡단면적과 초음파 빔과 챔버 사이의 교차부의 폭이 실험적으로 고정될 수 있으므로, 획득된 DPS와 모델링된 DPS 사이의 조정은 유체의 유량에 직접적인 접근을 제공한다.
다른 양태에 따르면, 측정 장치는 제 1 변환기가 제 1 주파수 및 제 1 주파수와 구별되는 제 2 주파수에서 선택적으로 초음파 빔을 생성하도록 구성되며, 제 1 및 제 2 주파수 중 적어도 하나는 두 입자 군의 산란 주파수 범위 사이의 비-중첩 부분에서 선택된다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명의 요지는 입자를 포함하는 유체의 흐름을 수용하도록 구성된 공동(cavity), 공동의 제 1 단부(end)에 적어도 1개의 입구, 공동의 제 2 단부에 적어도 2개의 출구로서, 적어도 하나의 농축물-출구 및 적어도 하나의 여과액-출구를 포함하는, 출구를 포함하는 분리 장치이고, 상기 분리 장치는 적어도 하나의 측정 장치를 더 포함한다.
비-제한적인 예로서, 이러한 분리 장치는 혈액 분류에 적용될 수 있다. 이러한 분리 장치는 특히 음향 영동 분리 장치, 원심 분리 장치, 자기 분리 장치일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치의 부분 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 4개의 측정 장치를 포함하는 음향 영동 장치의 개략도이다.
도 3은 도 1의 측정 장치의 개략적인 단면도이다.
도 4는 Vilkomerson D, Ricci S, Tortoli P.(2013)에 설명된 대로 원통형 챔버의 단면에서 유체 흐름 모델의 개략도이다. 도플러 스펙트럼에서 흐름의 최고 속도 찾기(Finding the peak velocity in a flow from its doppler spectrum). IEEE 초음파상 거래, 강유전체, 및 주파수 제어(Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control), 제60권, 제10호, 2079-2088.
도 5a 내지 도 5c는 예를 들어 도 1의 측정 장치를 사용하여 본 발명에 따른 유체 유량을 결정하는 방법의 단계에 대응하는 다이어그램이다.
도 6은 본 발명에 따라 결정된 유체 유량과 부과된 입력 유체 유량 사이의 비교를 보여주는 다이어그램이다.
도 7은 헤마토크릿(또는 적혈구의 부피 농도)의 함수로서 정규화된 도플러 파워 스펙트럼의 적분의 이론적 변화를 보여주는 다이어그램이다.
도 8은 챔버 내에서 흐르는 혈액의 헤마토크릿(또는 적혈구의 부피 농도)을 결정하는 방법의 단계를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따라 결정된 헤마토크릿(또는 적혈구의 부피 농도)과 제어 장치에 의해 측정된 헤마토크릿 사이의 비교를 보여주는 도면이다.
도 10은 헤마토크릿 %의 함수로 Hz 단위의 도플러 최대 주파수를 보여주는 그래프이다.
다음의 상세한 설명은 도면과 함께 읽을 때 더 잘 이해될 것이다. 예시의 목적으로, 장치가 바람직한 실시예에 도시되어 있다. 그러나, 적용은 도시된 정확한 배열, 구조, 특징, 실시예, 및 양태로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 도면은 일정한 비율로 그려진 것이 아니며, 청구 범위의 범위를 묘사된 실시예로 제한하려는 것이 아니다. 따라서, 첨부된 청구 범위에 언급된 특징 뒤에 참조 부호가 오는 경우, 그러한 부호는 청구 범위의 명료성을 향상시키기 위한 목적으로만 포함되며 청구 범위를 제한하지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 측정 장치(1)의 일 예는 도 1에 부분적으로 도시되어 있다. 측정 장치(1)는 튜브(3)의 일부에 의해 형성된 챔버(2)를 포함하며, 챔버는 유체가 예를 들면, 도 1의 화살표(F)에 의해 표시된 방향으로, 챔버(2)를 통하여 유동할 수 있도록 유체 공급원에 연결된다. 비-제한적인 예로서, 챔버(2)에 흐르는 유체는 혈액이다.
측정 장치(1)는 또한 열린 창(5)을 갖는 베이스(4)를 포함한다. 튜브(3)는 베이스(4)를 따라 통과하고 챔버(2)가 창(5)을 향하도록 위치하도록 고정된다. 측정 장치(1)는 프로브(6)를 더 포함하고, 상기 프로브는 유체 흐름의 방향(F)에 대한 도플러 각도(θ)로 베이스(4)에 고정된 제 1 변환기(61) 및 제 2 변환기(62)(도 3에 개략적으로 도시됨)를 포함한다.
방출 변환기인 제 1 변환기(61)는 생성기 모듈에 연결되고 챔버(2)와 초음파 빔 사이의 교차 영역(I)(도 3에 도시됨)을 통과하여 이동하는 모든 유체 성분이 초음파에 노출되는 방식으로 주어진 주파수의 초음파 빔을 생성하도록 구성된다. 선택 사항인 도 1에 표시된 창(5)은 초음파 빔의 원치 않는 반사(거짓 에코(false echoes))를 줄일 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 변환기(61)는 제 1 주파수 및 제 1 주파수와 구별되는 제 2 주파수에서 선택적으로 초음파 빔을 생성하도록 구성되며, 제 1 및 제 2 주파수 중 적어도 하나는 2개의 군의 유체 입자의 산란 주파수 범위들 사이의 비-중첩 부분에서 선택된다. 제 1 주파수와 제 2 주파수는 일반적으로 0 내지 100MHz 범위이다.
수신 변환기인 제 2 변환기(62)는 제 2 변환기가 수신한 초음파 신호를 획득하기 위한 획득 모듈(미도시)에 연결된다. 측정 장치(1)는 도면에 도시되지 않은 계산 모듈을 더 포함한다. 상기 계산 모듈은 제 2 변환기(62)에 연결된 획득 모듈에 의해 획득된 초음파 신호의 도플러 파워 스펙트럼(DPS)을 계산하도록 구성된다.
계산 모듈은 계산된 도플러 파워 스펙트럼(DPS)과 챔버(2)의 초음파에 노출된 영역의 유체의 유량, 챔버(2)의 횡단면적(2R), 및 제 1 변환기(61))에 의해 생성된 초음파 빔과 챔버(2) 사이의 교차부(I)의 폭(A)의 함수로서 도플러 파워 스펙트럼을 표현하는 모델 사이의 조정에 의해 챔버 내에서 흐르는 유체의 유량을 결정하도록 구성된다.
대안적으로, 계산 모듈은 계산된 도플러 파워 스펙트럼(DPS)과 챔버(2)의 초음파에 노출하는 영역 내에서 유체의 유량, 유체의 상기 입자의 농도, 챔버(2)의 횡단면적(2R), 및 제 1 변환기(61) 및 제 2 변환기(2)에 의해 생성된 초음파 빔 사이의 교차부의 폭(A)의 함수로서 도플러 파워 스펙트럼을 표현하는 모델 사이의 조정에 의해 유체의 주어진 입자의 군의 농도 및 챔버(2) 내에서 흐르는 유체의 유량을 결정하도록 구성될 수 있다.
물론, 다른 실시예에서, 챔버(2)는 다른 형상을 가질 수 있으며, 예를 들어 챔버는 원형 단면 대신 직사각형 단면을 가질 수 있다.
도 2는 음향 영동 장치(10)의 입구(12) 및 3개의 출구(13, 14)에서 각각 유체의 유량 및 입자 농도를 측정하기 위한 4개의 측정 장치(1)를 포함하는 음향 영동 장치(10)를 도시한다. 음향 영동 장치(10)는 일 단부가 입구(12)에 그리고 타단부가 농축물-출구로 불리는 중앙 출구(13) 및 여과액-출구로 불리는 2개의 주변 출구(14)에 연결되는 채널(11)을 포함한다.
채널(11)은 입구(12)와 출구(13, 14) 사이의 채널(11) 내에서 음향파를 생성하기 위한 적어도 하나의 음향파 발생기(15)와 연결되어, 채널(11)에서 입구(12)로부터 출구(13, 14)를 향하여 흐르는 유체 입자의 음향 분리를 유도한다. 특히, 채널(11)을 흐르는 혈액의 경우, 다른 혈액 입자들, 특히 혈소판이 중앙 농축물-출구(13) 및 두 개의 주변 여과액-출구(14)에서 동일하게 분포하는 경향이 있는 반면, 중앙 농축물-출구(13)를 향하는 적혈구의 이동을 유도할 수 있다.
음향 영동 장치(10)의 각각의 입구(12) 및 출구(13, 14)에 배열된 측정 장치(1)는 예를 들어, 분리 공정을 모니터링하도록, 상이한 위치에서 유체의 입자의 농도 및 유량을 결정할 수 있게 한다. 측정 장치(1)의 수 및 위치가 도 2에 예시된 것과 다를 수 있음이 이해된다. 특히, 도 2의 실시예에서 음향 영동 장치(10)가 4개의 측정 장치(1)를 포함한다면, 다른 실시예에서 측정 장치(1)의 수는 상이할 수 있으며, 예를 들어, 3개의 측정장치가 입구(12), 중앙 농축물-출구(13), 및 주변 여과액-출구(14)들 중 하나에만 각각 배열될 수 있다. 물론, 표현된 음향 영동 장치(10)의 구조는 단지 예시를 위한 것이며 본 발명의 다른 실시예에서 상이할 수 있다.
유량의 결정
다음에서, 측정 장치(1)의 챔버(2) 내에서 흐르는 유체에 대한 유량 결정 방법의 비-제한적인 실시예가 설명된다. 이 예는 단지 예시를 위해 제공되며 어떠한 경우에도 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 고려되지 않아야 한다.
이 실시예에 따른 방법은:
- 초음파 빔과 챔버(2) 사이의 교차 영역을 통과하여 이동하는 모든 유체 성분이 초음파에 노출되는 방식으로, 제 1 변환기(61)에 의해 주어진 주파수의 초음파 빔을 생성하는, 단계;
- 제 2 변환기(62)에 의해 챔버(2)의 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 유체 성분에 의해 생성된 도플러 편이 초음파 신호를 수신하는, 단계;
- 획득 시간 동안 제 2 변환기(62)에 의해 수신된 초음파 신호를 획득하는, 단계;
- 획득된 초음파 신호의 도플러 파워 스펙트럼(DPS)을 획득하는, 단계;
- 한편으로는 수득된 도플러 파워 스펙트럼(DPS)과 다른 한편으로는 상기 챔버(2)의 초음파에 노출된 영역 내에서 유체의 유량, 챔버(2)의 횡단면적, 및 초음파 빔과 챔버(2) 사이의 교차부의 폭의 함수로서 상기 도플러 파워 스펙트럼을 표현하는 모델 사이의 조정에 의해 챔버(2) 내에서 흐르는 유체의 유량을 결정하는, 단계를 포함한다.
● 조정 모델
아래에 설명된 이론적 모델은 Vilkomerson 등의 논문 "도플러 스펙트럼에서 흐름의 최고 속도 찾기(Finding the peak velocity in a flow from its doppler spectrum)"(IEEE 초음파상 거래, 강유전체, 및 주파수 제어(Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control), 제60권, 제10호, 2079-2088).
도 3은 도 1의 측정 장치(1)의 개략적인 단면도이다. 챔버(2)는 반경(R)을 갖는 튜브(3)의 일부이다. 이 경우, 유체, 예를 들어, 혈액이 챔버(2)를 통해 지시된 방향(F)으로 흐를 때, 그것은 모델링될 수 있는 포물선 흐름 프로파일을 가지고 있다고 가정한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 챔버(2)의 유체 흐름을 인덱스(m)의 M개의 동심 쉘(shell)(또는 원)로 나누는 것이 제안되며, 그 중심은 튜브의 중심과 일치한다. 각각의 쉘은 인덱스(m)의 쉘에서 흐름의 속도인 속도(
Figure pct00001
)과 연관된다. 이 경우 최대 속도(
Figure pct00002
)은 튜브의 중심에 해당하는 인덱스 M-1의 쉘에 대한 것인 반면, 튜브의 가장자리에 해당하는 인덱스 0의 쉘의 속도
Figure pct00003
은 0이다.
초음파 빔과 튜브 사이의 교차 존에서, 이론적인 도플러 스펙트럼은, 다음 매개변수의 함수로서, 인덱스 m(m이 0,..., M-1)의 쉘의 각각의 스펙트럼에 대한 기여도의 합으로 모델링될 수 있다:
Figure pct00004
m : 인덱스 m의 쉘에서 산란체(확산 입자)의 밀도. 이 밀도는 산란체의 농도와 직접 관련이 있다. 유량 측정의 경우, 이 매개변수는 1과 같다고 가정한다.
A: 초음파 빔과 튜브 사이의 교차부의 폭.
Figure pct00005
: 디퓨저가 인덱스(m)의 쉘을 위해 초음파 빔에서 소모하는 시간. 이러한 시간(
Figure pct00006
은 속도(
Figure pct00007
)과 A에 의존한다:
Figure pct00008
fm: 초음파 도플러 효과의 방정식을 사용하여 계산되는 속도(
Figure pct00009
)에 해당하는 도플러 주파수:
Figure pct00010
여기서
Figure pct00011
는 초음파 방출 주파수, c는 흐름의 음속, θ는 도플러 각도이다.
Figure pct00012
: 도플러 신호의 획득 시간.
N: 도플러 신호에 대한 샘플 수.
Fs: 샘플링 주파수.
R: 튜브의 반경. 모델에 명시적으로 나타나지는 않지만 그럼에도 불구하고 속도를 유량에 연관시키는 데 그 지식이 필요하기 때문에 필수적이다.
또한, 쉘은 한계 속도(
Figure pct00013
)을 정의하여 쉘과 연관된 흐름 속도에 따라 2개의 군으로 나뉜다. 따라서, 2개의 군의 쉘이 정의된다.
- 느린 쉘, 도플러 스펙트럼으로의 이 군의 하나의 쉘의 기여는:
Figure pct00014
이고,
- 빠른 쉘, 이 군의 한 쉘의 도플러 스펙트럼으로의 기여는:
Figure pct00015
이다.
여기서,
Figure pct00016
및 P는 스펙트럼 기여도를 계산하는 함수이다.
결과적으로 전체 도플러 스펙트럼은 기여도의 합이며 다음과 같이 표현된다:
Figure pct00017
여기서
Figure pct00018
는 마지막 "느린(slow)" 쉘이고 M-1은 전체 스펙트럼 수이다.
● 유량 추정
위에서 볼 수 있듯이, M개의 동심 쉘은 각각 속도(
Figure pct00019
)과 연관되어 있으므로 M 속도(
Figure pct00020
)의 이산화된 속도 프로파일이 얻어진다.
벡터(
Figure pct00021
)의 2개의 연속 값 사이의 차이에 해당하는 이러한 속도 이산화의 해상도(
Figure pct00022
)는 최대 속도(
Figure pct00023
)와 동심 쉘의 수(M)에 간접적으로 의존한다. 쉘의 고정된 수에 대해, 최대 속도(
Figure pct00024
)가 높을수록 속도 해상도가 높아진다.
이는 다음 공식으로 볼 수 있다(반올림(round up)은 "다음 정수로 반올림(round to the next integer)"을 의미 함):
Figure pct00025
이제 해상도(
Figure pct00026
)가 계산되어야 한다.
모델링된 도플러 파워 스펙트럼의 각각의 주파수(
Figure pct00027
)는 도플러 방정식을 통해 속도(
Figure pct00028
)에 해당한다:
Figure pct00029
모델링된 도플러 파워 스펙트럼 자체에는 주파수 분해능(
Figure pct00030
)이 있다. 이 주파수 분해능은 실험용 도플러 파워 스펙트럼의 주파수 분해능과 같으며, 이는 획득 시간(
Figure pct00031
)의 역과 동일하므로
Figure pct00032
이다.
이 주파수 분해능은 도플러 방정식을 사용하여 속도 분해능(
Figure pct00033
)로 변환할 수 있다:
Figure pct00034
최대 속도는 입구에 부과된 유량에 따라 다르다:
Figure pct00035
여기서 R은 튜브의 반경이고
Figure pct00036
은 최대 속도이다.
위와 같은 방식으로, 방정식은 도플러 공식을 사용하여 모델링된 도플러 파워 스펙트럼(DPS)의 최대 주파수 함수로 표현될 수 있다:
Figure pct00037
후자의 방정식은 입력에 설정된 체적 유량과 도플러 파워 스펙트럼의 최대 주파수 간의 관계를 나타낸다. 이 관계를 통해 실험 DPS를 모델링된 DPS와 비교하여 유량을 추정할 수 있다.
이 비교는 다른 방식으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 모델링된 DPS에는 획득된 DPS가 조립될 수 있다. 또 다른 방법은 실험적으로 획득된 DPS를 위에서 논의한 모델을 사용하여 계산된 이론적 DPS 세트와 비교하는 것이다. 도 5a 및 도 5b는 이러한 비교를 보여준다. 도 5a의 획득된 DPS는 도 5b의 이론적 DPS의 데이터베이스와 비교된다.
해당 이론적 DPS를 찾기 위해, 적절한 방법으로 맞춤을 최적화할 수 있다.
유리한 실시예에 따르면, 최적화는 비용 함수를 최소화하는 최적화 알고리즘을 사용한다. 특히 유량(Q)는 다음에 해당하는 값으로 결정될 수 있다:
Figure pct00038
여기서
Figure pct00039
는 획득된 DPS이고
Figure pct00040
는 유량 Q의 함수인 이론적 DPS이다. 도 5c는 도 5a의 획득된 DPS와 도 5b의 이론적 DPS에서 수득된 비용 함수의 최소화를 보여준다.
Figure pct00041
에 해당하는 값은 0.6 mL/min이며, 이는 본 발명에 따라 결정된 유량(Q)의 값이다.
이러한 최소값의 결정은 바람직하게는 최적화 알고리즘을 구현하는 계산 수단을 사용하여 수행된다.
또 다른 실시예에 따르면 비용 함수의 최소화는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00042
여기서 S는 획득된 DPS이고
Figure pct00043
는 유량(Q), 초음파 빔과 챔버(튜브) 교차부의 폭(A) 및 챔버의 반경(R)의 함수인 이론적 DPS이다.
실제로, 유량 Q의 추정에 더하여, 본 발명에 따른 방법 및 장치는 또한 매개변수 A 및 R의 추정을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 매개변수 A 및 R의 가능한 변동을 고려하는 것이 가능하여, 측정 방법 및 장치를 매우 정밀하게 교정할 수 있다.
● 실험 예
테스트를 위해, 8% 헤마토크릿으로 희석된 사람의 전혈 샘플을 도 1의 측정 장치(1)의 챔버(2)에 주입된다. 주사기 펌프에 의해 챔버(2)의 입력에 유량이 부과된다. 그런 다음 입력 유량은 0.1 mL/min의 스텝(step)에 의해 0.5 mL/min에서 1.5 mL/min까지 다양한다. 각각의 입력 유량 값에 대해, 프로브(6)의 제 1 변환기(61)에 의해 초음파 빔이 생성되고, 프로브의 제 2 변환기(62)에 의해 도플러 편이 초음파 신호가 수집된다. 각 입력 유량에 대해 10초씩 10회 획득이 이루어진다.
시스템의 고정 매개변수는 다음과 같다:
산란체 밀도: 모든 m 값에 대해
Figure pct00044
신호 주파수:
Figure pct00045
획득 시간:
Figure pct00046
샘플 수:
Figure pct00047
샘플링 주파수:
Figure pct00048
혈액 속 음속:
Figure pct00049
　
도플러 각도:
Figure pct00050
　
매개변수
Figure pct00051
,
Figure pct00052
Figure pct00053
은 모델에서 암시적으로 계산되지만 3개 모두 이전 매개변수의 조합이므로 추가 정보를 제공하지 않는다.
마지막으로 매개변수 A(초음파에 노출된 영역 폭(m)); R(튜브 반경(m)), 및 Q(유량(mL/min))는 위에서 설명한 계산 모듈의 알고리즘을 사용하여 결정된다.
도 6은 위에서 설명한 방법에 따라 추정된 유량과 주사기 펌프에 의해 부과된 유량의 비교를 보여준다. 10개의 획득된 유량 값이 평균화되었다.
주사기 펌프의 유량과 예상 유량 사이에 발견된 평균 차이는 1.3%이다.
또한, 튜브(3)의 반경(R)에 대해 3.9x10-4m의 평균 값 및 (튜브 제작자는 3.8x10-4m의 값을 나타냄) 빔의 폭(A)에 대해 4x10-3m의 평균 값이 결정되었다.
표시되지 않은 다른 예에서는, 동일한 혈액 샘플에서 동일한 입력 유량 값에 대해 획득 시간이 방법의 정확도를 크게 변경하지 않고 약 2초로 단축되었다.
산란체 농도의 결정(Determination of scatterers concentration)
● 원리
유량을 제공하는 것 외에도, 도플러 파워 스펙트럼(DPS)은 유체 흐름 내 확산 입자(산란체)의 농도에 대한 정보도 제공한다. 실제로 도플러 파워 스펙트럼에 존재하는 전체 에너지의 양은 유체 흐름에 존재하는 산란체의 수에 직접적으로 의존한다. 이 의존성을 수학적으로 표현하기 위해, 최대 주파수 fmax(fmax는 도플러 스펙트럼의 최대 주파수보다 높음)로 구분된 주파수 대역에서 도플러 파워 스펙트럼의 적분을 사용한다. 이 적분을 사용하면 도플러 파워 스펙트럼에 존재하는 모든 에너지가 잘 정량화된다.
따라서 산란체의 수에 대한 DPS 적분의 종속성 법칙을 결정함으로써 DPS의 적분을 교정 함수와 비교하여 산란체의 농도를 추출할 수 있다.
도 7은 혈액의 경우 그러한 결정의 설명적인 예를 보여준다. 적혈구의 용적 농도를 지칭하기 위해 "헤마토크릿"이라는 용어를 사용하는 것은 상식이다. 보다 정확하게는, 헤마토크릿(H)은 혈액 내 적혈구의 부피 분율로 정의된다. 헤마토크릿(H)와 DPS의 통합 IDPS 사이의 관계는 도 7에 표시된 프로파일을 가지고 있다. 이 이론적 관계는 방법을 설명하기 위해서만 여기에서 사용된다.
도 7에서 볼 수 있듯이, 헤마토크릿(H)의 0% 내지 10% 범위에서, 적분 IDPS의 진화는 선형이므로 이 범위에서 다음과 같이 표현할 수 있다:
Figure pct00054
여기서 "α"는 H의 함수로서 변동(IDPS)을 측정하여 실험적으로 결정할 수 있는 상수이다. 이 결정은 교정이다. 또한, 실험 장치의 치수와 매개변수가 변하지 않는다는 가설에서는 IDPS 측정을 통해 H를 결정할 수 있다.
물론, 이 방법은 비선형 함수로 일반화할 수 있다. 필요한 조건은 교정이 오류없이 함수의 근사치를 허용할 수 있을 만큼 충분히 정확해야 한다는 것이다.
● 농도의 추정(Estimation of the concentration)
원리는 앞서 설명한 도플러 스펙트럼의 적분과 관련된다는 점을 제외하면 유량 측정과 동일하다. 비교는 이론적 DSP의 적분과 이론적 DSP를 유체 입자의 농도(혈액의 경우 헤마토크릿)에 연결하는 교정에 의해 결정된 함수 사이에서 이루어진다.
교정 단계는 다음과 같다:
- k개의 DPS 획득의 수는 전체 k개의 DSP 도플러를 제공하는 헤마토크릿(Hn) 값에서 이루어지고(k는 1과 같거나 더 크다);
- k개의 실험 DPS를 평균화한 다음 위에서 설명한 유량을 결정하는 방법을 사용하여 평균 DPS에 해당하는 이론적 스펙트럼을 결정하고;
- 이론적 스펙트럼의 적분은 이론적 적분
Figure pct00055
의 교정 값으로 선택되고;
- 분산을 최소화하기 위해 이전 단계를 충분한 횟수만큼 반복한다. 그런 다음 일련의 이론적 적분을 얻고, 평균을 내어 최종 값(
Figure pct00056
)을 얻고;
- 이 교정은 연속 교정 함수(
Figure pct00057
)를 외삽하기 위해 여러 헤마토크릿 값(H n )에 대해 수행된다.
마지막으로, 헤마토크릿(H)의 측정은 다음과 같이 되도록 H값을 찾는 것으로 구성된다:
Figure pct00058
여기서 Ith는 실험용 도플러 DPS 및 IC 교정 함수로 조정된 이론적 DPS의 적분이다.
혈액의 경우 여기에 교정이 제공되지만 다른 유체에도 동일한 방법이 적용될 수 있다.
● 실험 예
먼저, 2, 4.1, 5.8, 7.4, 9.8, 11.3, 13.3, 15.2, 17.8의 헤마토크릿 값에 대해 측정이 수행되었다.
값은 %(적혈구에서 채취한 혈액량의 %)로 표현되며 표준으로 사용되는 Pentra ABX(헤마토크릿 측정 장치)로 측정으로부터 파생된다.
나머지 매개변수는 위에서 설명한 유량 측정의 예와 동일하다.
둘째, 위에서 언급한 각각의 헤마토크릿 값에 대해 10초씩 20회 획득(k=20)하여 보정이 수행되었다. 이론적 스펙트럼의 적분은 각각의 헤마토크릿에 대해 20회 획득에 대해 평균화되었다.
입구에서 설정한 유량은 1.5 mL/min이었고 흐름 측정 방법에 의해 실험 스펙트럼으로 조정된 이론적 스펙트럼에 대해 교정이 수행되었다.
도 8은 교정 결과를 보여준다. 평균 IDPS 값은 이산 범위로 표시된다. 연속 곡선은 헤마토크릿(H)을 추정하기 위해 최소화(
Figure pct00059
)를 수행하는 데 사용되는 교정에서 외삽된 함수이다.
도 9는 최소화를 통해 결정된 부피 농도(헤마토크릿)의 결과를 Pentra ABX 장치로 측정된 기준 값과 비교한 결과를 보여준다. 알 수 있는 바와 같이, 0 내지 10% 범위에서, 본 발명의 방법에 의해 결정된 헤마토크릿은 기준 값에 가깝다.
그러나 10% 이상에서는 헤마토크릿 측정이 부정확해진다. 이것은 도 8의 교정 곡선에서 설명할 수 있으며, 여기서 10% 초과에서는 한편으로는 표준 편차가 높아지고 다른 한편으로는 교정 관계가 포화됨을 알 수 있다.
이 문제는 측정 시스템의 매개변수(분해능 및 동적 범위, 주파수, 획득 시간, 방출된 전압...)를 최적화하고 보다 엄격한 교정을 수행하여 극복할 수 있다.
10% 미만의 측정은 더 정확하며 정확한 측정 범위는 10% 초과로 확장될 수 있다.
그럼에도 불구하고, 이 측정은 이미 대상 부피 농도 범위에 대해 교정이 올바르게 수행되는 한 부피 농도의 정확한 측정이 가능하다는 것을 보여주는 방법의 우수한 개념 증명이다.
도 10은 Hz 단위의 최대 도플러 주파수와 헤마토크릿 백분율 간의 관계를 보여준다. 상기 백분율은 4개의 상이한 혈액 주머니에서 평가되었으며, 각각의 주머니는 도 10의 마커 유형에 해당하며 그려진 선은 4개의 혈액 주머니에서 외삽된 관계이다.
이 관계를 기반으로 Hz 단위의 최대 도플러 주파수에서 헤마토크릿 백분율을 도출할 수 있다.
마지막으로, 다양한 실시예들이 설명되고 예시되었지만, 상세한 설명은 여기에 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다. 특허 청구 범위에 의해 정의된 개시 내용의 진정한 사상 및 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 실시예에 대한 다양한 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (14)

  1. 챔버(2) 내에서 흐르는 유체의 유량(flow rate) 및 상기 유체의 입자의 농도를 결정하는 방법으로서,
    - 초음파 빔과 상기 챔버(2) 사이의 교차 영역(I)을 통과하여 이동하는 모든 유체 성분이 제 1 변환기(61)에 의해 초음파에 노출되는(insonated) 방식으로, 상기 제 1 변환기(61)에 의해, 상기 입자의 산란 주파수 범위에서 선택된 주어진 주파수의 초음파 빔을 생성하는, 단계,
    - 제 2 변환기(62)에 의해 상기 챔버(2)의 상기 초음파에 의해 노출된 영역 내에서 상기 유체 성분에 의해 생성된 도플러-편이(Doppler-shifted) 초음파 신호를 수신하는, 단계;
    - 획득 시간 동안 상기 제 2 변환기(62)에 의해 수신된 상기 초음파 신호를 획득하는, 단계;
    - 상기 획득된 초음파 신호의 도플러 파워 스펙트럼을 수득하는, 단계;
    - 한편으로는 상기 수득된 도플러 파워 스펙트럼과, 다른 한편으로는 상기 챔버의 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체의 유량, 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체의 입자의 농도, 유동 방향에 수직으로 취한 상기 챔버의 횡단면적, 상기 유동 방향에 대해 평행하게 취한 상기 초음파 빔과 상기 챔버 사이의 교차부의 폭의 함수로서 상기 도플러 파워 스펙트럼을 표현하는 모델 사이의 조정에 의해 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체의 입자의 농도 및 상기 챔버(2) 내에서 흐르는 상기 유체의 유량을 결정하는, 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도플러-편이 초음파 신호는 상기 챔버(2)의 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체 성분에 의해 생성되는 반면 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체의 입자의 농도가 공지된 농도 값을 가지며,
    상기 방법은, 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체의 입자의 농도가 상기 공지된 농도 값으로 고정된 채로, 한편으로는 상기 수득된 도플러 파워 스펙트럼과, 다른 한편으로는 상기 챔버의 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체의 유량, 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체 입자의 농도, 상기 유동 방향에 수직으로 취한 챔버의 횡단면적, 상기 초음파 빔과 상기 유동 방향에 대해 평행하게 취한 상기 챔버 사이의 교차부의 폭의 함수로서 도플러 파워 스펙트럼을 표현하는 모델 사이의 조정에 의해 상기 챔버(2) 내에서 흐르는 상기 유체의 유량을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도플러-편이 초음파 신호는 상기 챔버(2)의 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체 성분에 의해 생성되는 반면 상기 챔버(2) 내에서 흐르는 상기 유체의 유량은 공지된 유량 값을 가지며, 그리고
    상기 방법은, 상기 챔버의 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체의 유량이 상기 공지된 유량 값으로 고정되 채로, 한편으로는 수득된 도플러 파워 스펙트럼과, 다른 한편으로는 상기 챔버의 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체의 유량, 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체 입자의 농도, 상기 유동 방향에 수직으로 취한 상기 챔버의 횡단면적, 상기 초음파 빔과 상기 유동 방향에 대해 평행하게 취한 상기 챔버 사이의 교차부의 폭의 함수로서 도플러 파워 스펙트럼을 표현하는 모델 사이의 조정에 의해 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 유체의 상기 입자의 농도를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    - 상기 도플러 파워 스펙트럼의 최대 주파수를 포함하는 주파수 범위에 걸쳐 수득된 도플러 파워 스펙트럼의 적분을 계산하는, 단계; 및
    - 상기 수득된 도플러 파워 스펙트럼의 적분과, 교정 함수와 같은 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체의 입자의 농도의 함수로서 상기 도플러 파워 스펙트럼의 적분을 표현하는 모델 사이의 조정에 의해 상기 초음파에 노출된 영역내에서 상기 유체의 입자의 농도를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 유체는 혈액이고, 상기 수득된 도플러 파워 스펙트럼의 최대 주파수를 계산함으로써 적혈구의 부피 농도가 결정되는, 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정은 최적화 알고리즘, 특히 미리 정의된 기준(norm)으로 표현된 비용 함수의 최소화를 포함하는 최적화 알고리즘을 사용하여 실현되는, 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 획득된 초음파 신호의 도플러 파워 스펙트럼은 복조(demodulation) 방법을 사용하여 수득되는, 방법.
  8. 유체의 제 1 입자 군의 농도 및 제 2 입자 군의 농도를 결정하는 방법으로서,
    상기 제 1 군의 입자 및 상기 제 2 군의 입자는 적어도 부분적으로 겹치지 않는 산란 주파수 범위를 갖는 입자이고,
    상기 방법은:
    - 제 1 주어진 주파수의 제 1 초음파 빔을 생성함으로써, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 상기 제 1 입자 군의 농도를 결정하는 단계;
    - 제 2 주어진 주파수의 제 2 초음파 빔을 생성함으로써, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 상기 제 2 입자 군의 농도 또는 상기 제 1 및 제 2 입자 군의 전체 농도를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유체는 혈액이고, 상기 제 1 군의 입자는 적혈구이고, 상기 제 2 군의 입자는 혈소판이고, 상기 적혈구의 농도의 결정에 적합한 상기 제 1 주파수가 적혈구 및 혈소판의 전체 농도의 결정에 적합한 제 2 주파수보다 낮은, 방법.
  10. 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 프로그램이 컴퓨터에 의해 실행될 때 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 방법의 계산 단계의 구현을 위한 명령을 포함하는, 컴퓨터 프로그램.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법의 계산 단계를 구현하기 위한 명령이 컴퓨터에 의해 실행될 때 상기 명령을 포함하는, 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium).
  12. 챔버 내에서 흐르는 유체의 유량 및/또는 상기 유체의 입자의 농도를 결정하기 위한 측정 장치(1)로서,
    - 초음파 빔과 챔버(2) 사이의 교차 영역을 통과하여 이동하는 모든 유체 성분이 상기 제 1 변환기(61)에 의해 초음파에 노출되는 방식으로, 상기 입자의 산란 주파수 범위에서 선택된 주어진 주파수의 초음파 빔을 생성하도록 구성된, 제 1 변환기(61),
    - 유동 방향에 대해 도플러 각도로 배열되고 상기 챔버(2)의 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체 성분에 의해 생성된 도플러 편이 초음파 신호를 수신하도록 구성된, 제 2 변환기(62);
    - 획득 시간 동안 상기 제 2 변환기에 의해 수신된 상기 초음파 신호를 획득하기 위한, 획득 모듈;
    - 상기 획득 모듈에 의해 획득된 초음파 신호의 도플러 파워 스펙트럼을 계산하고 상기 계산된 도플러 파워 스펙트럼과, 상기 챔버의 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체의 유량, 상기 초음파에 노출된 영역 내에서 상기 유체의 입자의 농도, 상기 유동 방향에 수직으로 취한 챔버의 횡단면적, 상기 제 1 변환기에 생성된 상기 초음파 빔과 상기 유동 방향에 대해 평행하게 취한 상기 챔버 사이의 교차부의 폭의 함수로서 상기 도플러 파워 스펙트럼을 표현하는 모델 사이의 조정에 의해 상기 유체의 입자의 농도 및 상기 챔버(2) 내에서 흐르는 상기 유체의 유량을 결정하도록 구성되는, 계산 모듈을 포함하는, 측정 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 변환기(61)는 제 1 주파수 및 상기 제 1 주파수와 구별되는 제 2 주파수에서 선택적으로 초음파 빔을 생성하도록 구성되고, 상기 제 1 및 제 2 주파수 중 적어도 하나가 2개의 입자 군의 산란 주파수 범위 사이의 겹치지 않는 부분에서 선택되는, 측정 장치.
  14. 분리 장치로서,
    - 입자를 포함하는 유체의 흐름을 수용하도록 구성된 공동(cavity; 11),
    - 상기 공동의 제 1 단부(end)에 있는 적어도 하나의 입구(12),
    - 적어도 하나의 농축물-출구(13) 및 적어도 하나의 여과액-출구(14)를 포함하는, 상기 공동의 제 2 단부에 있는 적어도 2개의 출구(13, 14)를 포함하고,
    상기 분리 장치(10)는 제 13 항에 따른 적어도 하나의 측정 장치(1)를 더 포함하는, 분리 장치.
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