DE112010000828T5

DE112010000828T5 - Luftblasendetektor

Info

Publication number: DE112010000828T5
Application number: DE112010000828T
Authority: DE
Inventors: Mark Stringham; Roger Millis; John Foley; David Blaine
Original assignee: Zevex Inc
Current assignee: Zevex Inc NDGesDStaates Delaware Salt Us
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2030-02-06
Also published as: GB2479696B; US8646309B2; US8539812B2; US20100212407A1; GB2479696A; US20120312072A1; WO2010091314A3; CA2751519C; GB201114237D0; WO2010091314A2; US20120312073A1; DE112010000828B4; US8739601B2; CA2751519A1

Abstract

Luftblasen können durch einen Luftblasendetektor charakterisiert werden, indem ein optimaler Frequenzsatz gewählt wird und dann ein Rücksignal von einem Sensor, der diese Frequenzen empfängt, mit einer internen Referenz verglichen wird. Die Anzahl der Impulse, die die interne Referenz überschreiten, repräsentiert eine Breite und kann gezählt werden. Die gezählte Breite kann mit Blaseneigenschaften einschließlich des Volumens korreliert werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Luftblasendetektoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Luftblasendetektor und einen zugehörigen Steuerschaltungskomplex mit verbesserter Abtastung und Meldung von Luftblasen.
Hintergrund
Blasendetektoren sind zu einem wichtigen Sicherheitsmerkmal in vielen Anwendungen geworden, die industrielle und medizinische Anwendungen umfassen. Wenn zum Beispiel in medizinischen Anmeldungen über einen Infusionsschlauch Luft in den Blutstrom eingeleitet wird, kann eine Luftembolie auftreten. Die Auswirkungen einer Luftembolie können von einer kleinen oder keiner Auswirkung bis zum Tod reichen, was typischerweise von der Luftmenge abhängt, die eingeleitet wird. In der Industrie ist es häufig wünschenswert, das Vorhandensein von Luft in einem Flüssigkeitsstrom zu detektieren, um die Flüssigkeit genauer zu dosieren oder die Einleitung von Luft in ein System zu vermeiden. Daher ist es häufig nützlich, Blasen automatisch zu detektieren.
Auf dem medizinischen Gebiet ist eine Luftblasendetektion häufig wichtig. Typische Anwendungen umfassen die Dialyse, enterale Ernährung, und die intravenöse Einleitung von Flüssigkeiten. In diesen Situationen könnte die Gefahr eines Schadens umso größer sein, je größer das Luftvolumen ist.
Gegenwärtige Blasendetektoren senden Ultraschallsignale durch eine Flüssigkeit zu Detektoren und messen Amplitudenänderungen am Empfangssignal. Die optimale Ultraschallfrequenz zur Detektion unterscheidet sich häufig bei unterschiedlichen Situationen, da der besondere Detektor, die Rohrleitung oder die Flüssigkeit die Transmission der Signale beeinflussen können. Folglich tasten einige Blasendetektoren das gesamte mögliche Spektrum von Ultraschallfrequenzen bei jedem Durchgang ab, um das Versagensrisiko bei der Blasendetektion zu reduzieren. Das Abtasten des gesamten Spektrums fuhrt typischerweise dazu, dass Zeit dafür aufgewandt wird, die Abtastung auf Blasen mittels wenig optimaler Frequenzen durchzuführen. Die optimale Frequenz zur Blasendetektion kann durch den piezoelektrischen Kristallanteil, die Zusammensetzung, Konstruktionstoleranzen und dynamischen Faktoren wie die Temperatur, Rohrleitungszusammensetzung, Flüssigkeitszusammensetzung und die Kopplung zwischen dem Sensor und der Röhre beeinflusst werden.
Fehlalarme sind bei der Blasendetektion zu einem Problem geworden. Diese können durch Mikroblasen, die an einer Wand haften, Blasen, die vor einem Sensor hin und her schwingen, die Entkopplung der Rohrleitung, usw. verursacht werden, Fehlalarme können das Vertrauen in das System mindern und die Arbeitsbelastung des Personals erhöhen, und können Probleme oder Verzögerungen bei der Dosierung von Medikamenten oder dergleichen verursachen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Luftblasendetektor bereitzustellen.
Gemäß eines Aspekts der Erfindung wird ein Luftblasendetektor bereitgestellt, der einen Frequenzbereich abtastet und eine optimale Frequenz erkennt, die verwendet wird, um eine genauere Charakterisierung der Blasen in der Flüssigkeit oder des Luftvolumens zu erhalten, das durch den Detektor gegangen ist.
Gemäß eines anderen Aspekts der Erfindung wird ein Luftblasendetektor bereitgestellt, der die Länge der Zeit misst, in der ein Sensorsignal über einer Schwelle liegt, und der die Schwellenmessung verwendet, um die Luftblase zu charakterisieren, die die Signalantwort bewirkte.
Gemäß eines anderen Aspekts der Erfindung wird eine Reihe von Blasendetektoren bereitgestellt, die in Kombination verwendet werden können, um die Richtung und Geschwindigkeit der Blasen in der Flüssigkeit zu bestimmen.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in einem Luftblasendetektor verwirklicht, der in den folgenden Figuren und der zugehörigen Beschreibung gezeigt und beschrieben wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die nummerierten Zeichnungen gezeigt und beschrieben. Es zeigen:
1 ein Funktionsdiagramm eines Luftblasendetektors.
2 ein Ablaufdiagramm der optimalen Frequenzdetektion in einem Luftblasendetektor.
3 ein Ablaufdiagramm der optimalen Frequenzdetektion mit einer erhöhten Wiederholungsrate in einem Luftblasendetektor.
4 ein Ablaufdiagramm der optimalen Frequenzdetektion mit einem batteriesparenden Schlafzustand in einem Luftblasendetektor.
5 ein Ablaufdiagramm zur Neukalibrierung der optimalen Frequenzdetektion in einem Luftblasendetektor.
6 ein Ablaufdiagramm der Blasencharakterisierung durch Messung der Zeit.
7 das in spezifischere Prozesse aufgeschlüsselte Ablaufdiagramm der 6.
8 einen Vergleich zwischen einem erwarteten Signal und einem Empfangssignal.
Es wird erkannt werden, dass die Zeichnungen veranschaulichend sind und den Rahmen der Erfindung nicht begrenzen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Die gezeigten Ausführungsformen führen verschiedene Aspekte und Aufgaben der Erfindung aus. Es wird erkannt, dass es nicht möglich ist, jedes Element und jeden Aspekt der Erfindung klar in einer einzigen Figur zu zeigen, und von daher werden mehrere Figuren präsentiert, um getrennt die verschiedenen Details der Erfindung in größerer Deutlichkeit darzustellen. Entsprechend muss nicht jede Ausführungsform alle Vorteile der vorliegenden Erfindung zustande bringen.
Detaillierte Beschreibung
Die Erfindung und die beigefügten Zeichnungen werden nun unter Bezugnahme auf die darin bereitgestellten Bezugsziffern erläutert, um es einem Fachmann zu ermöglichen, die vorliegende Erfindung zu praktizieren. Die Zeichnungen und Beschreibungen sind für verschiedene Aspekte der Erfindung exemplarisch und sind nicht dazu bestimmt, den Rahmen der beigefügten Ansprüche einzuschränken.
Wenn wir uns nun 1 zuwenden, wird ein Funktionsdiagramm eines Luftblasendetektorsystems 10 gezeigt. Der Detektor 10 umfasst einen Mikrokontroller 20 und eine Sensorschaltung 30. Der Mikrokontroller 20 bestimmt den optimalen Bereich der Abtastfrequenzen für den Detektor und betreibt den Detektor unter Verwendung dieses Frequenzbereichs. Wenn der Detektor 10 betrieben wird, bestimmt der Kontroller 20 optimale Frequenzen zur Abtastung und führt Abtastungen durch, wobei er die Dauer oder Breite eines Empfangssignals aufzeichnet, das eine vorgegebene Schwelle überschreitet.
Der Kontroller 20 kann periodisch die gesamte Frequenz abtasten, um den optimalen Frequenzbereich zu aktualisieren, der zur Abtastung verwendet wird. Der Mikrokontroller 20 sendet ein Signal an die Sensorschaltung 30, das einen weiten Satz von Testfrequenzen angibt, die zur Kalibrierung erwünscht sind. Die Sensorschaltung 30 sendet ein Rücksignal an den Mikrokontroller zurück, das auf der Transmission eines Testfrequenzbereichs durch einen Sensor durch einen Flüssigkeitsweg 33 beruht. Es wird ein optimaler Satz von Betriebsfrequenzen aus den Testfrequenzen gewählt. Sobald ein optimaler Frequenzbereich gewählt ist, sendet der Mikrokontroller den optimalen Satz von Frequenzen an die Sensorschaltung 30 und überwacht das Rücksignal aus der Schaltung. Für jedes Rücksignal über einem internen Schwellenwert, wir eins zu einem Breitenzähler addiert. Beruhend auf dem Breitenzählwert während des optimalen Frequenzsatzes bestimmt der Mikrokontroller 20, wenn Blasen vorhanden sind, und charakterisiert alle Blasen im Flüssigkeitsweg 33. Sobald der optimale Frequenzsatz gesendet worden ist, wird der Breitenzähler zurückgesetzt und der optimale Frequenzsatz wird erneut gesendet oder die Kalibrierung wiederholt.
In einer Ausführungsform steuert der Mikrokontroller 20 die zur Abtastung verwendeten Frequenzen, indem er eine impulsbreitenmodulierte (PWM) Spannungsrampe 32 an die Sensorschaltung 30 sendet. Die PWM-Spannungsrampe 32 kann einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 34 anweisen, ein festgelegtes Frequenzspektrum abzutasten. Die resultierende Wellenform kann durch einen Ausgangstreiber 35 geschickt werden, um den VCO zu isolieren und die notwendige Spannung und den notwendigen Strom für den Sender 36 bereitzustellen, während die Wellenformtreue aufrechterhalten wird. Der Sender 36, typischerweise ein piezoelektrisches Element, empfängt das elektrische Wellenformsignal, und wandelt es in Energie wie Ultraschallwellen um, die durch den Flüssigkeitsweg 33 durchgelassen werden. Der Empfänger 37 detektiert die Transmission der Energie vom Sender 36 und wandelt die Transmission in ein Rücksignal um, das durch den Mikrokontroller 20 aufgenommen werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Luftblasensender 36 und der Empfänger 37 piezoelektrische Elemente, die Ultraschallsignale verwenden, um Luftblasen zu detektieren.
Innerhalb des Mikrokontrollers 20 empfängt ein Komparator 22 das Signal von der Sensorschaltung 30 und vergleicht es mit einem internen Referenzschwellenwert. Wenn das Signal die interne Referenz überschreitet, wird zum Breitenzähler ein Zählwert addiert. Nach der Abtastung des festgelegten optimalen Frequenzspektrums kann der Breitenzähler mit einem erwarteten Wert verglichen werden. Dieser Vergleich kann mit den Ergebnissen einer bekannter Blasengrößen korreliert werden. Das Ergebnis des Vergleichs kann an andere Vorrichtungen ausgegeben werden, die mit einem digitalen Ausgang 23 oder analogen Ausgang 24 verbunden sind. Von daher kann das System 10 ein Signal ausgeben, das vielmehr die Größe und Quantität der Blase anzeigt, als einfach Empfängerimpulse abzugeben.
In einer Ausführungsform ist der Blasendetektor mit einer Pumpe wie einer Pumpe zur enteralen Ernährung verbunden. Der Flüssigkeitsweg 33 besteht aus einer Silikonröhre mit einer Lösung darin. Die Röhre ist zwischen dem Sender und dem Empfänger durch Reibung oder einen Klemmmechanismus eingefasst, der teilweise oder ganz um die Röhre passt, ohne sie zu beschädigen. Das Sender-/Empfängerpaar arbeitet typischerweise in einem Frequenzbereich von 1,7 MHz bis 3 MHz, mit einer (optimalen) Mittenfrequenz, die von einer spezifischen Anlage und der Umgebung abhängt. Der Frequenzbereich kann abhängig von der Gestaltung des Transducers variieren. Zum Beispiel werden viele Transducer den obigen Bereich mit einer Resonanzfrequenz von 2 MHz verwenden. Jedoch können einige Transducer eine andere Resonanzfrequenz wie 3 MHz verwenden, so dass der Abtastbereich nach oben verschoben würde, um sich der höheren Resonanzfrequenz anzupassen. Der Luftblasendetektor kann mit einer Alarmvorrichtung verbunden sein, die einer Pumpe oder dem Personal signalisiert, dass eine Blase aufgetreten ist und dass als Reaktion auf die Blase Maßnahmen ergriffen werden sollten. Der Luftblasendetektor 10 kann auch mit einer Informationssammelvorrichtung verbunden sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Blasendetektor mit einer industriellen flüssigkeitsführenden Rohrleitung oder Leitung verbunden sein und verwendet werden, um Blasen in der Flüssigkeit wie erläutert zu überwachen.
Wenn wir uns nun 2 zuwenden, wird der Prozess der Kalibrierung eines Luftblasensensors 40 gezeigt. Sobald der Luftblasensensor einen Einschaltzustand 42 oder ein Startsignal detektiert, wird ein Kalibrierungssignal 43 an den Empfänger gesendet. Das Kalibrierungssignal 43 umfasst eine Abtastung potentieller Ultraschallfrequenzen, die durch den Sensor 40 verwendet werden, um Luftblasen zu detektieren. Die Kontrollerschaltung 20 erzeugt mittels eines impulsbreitenmodulierten Signals ein Rampensignal. Das Rampensignal 32 wird an einen spannungsgesteuerten Oszillator 34 gesendet, der die Spannungsrampe in ein Schwingungssignal umwandelt. Der Ausgangstreiber 35 verstärkt das Signal und sendet das Signal an den piezoelektrischen Sender 36. Folglich sendet der Sender 36 einen weiten Bereich von Ultraschallsignalen, der den potentiellen Betriebsbereich für den Sender 36, den Empfänger 37 und das physikalische System (wie die Röhre 33 und andere physikalische Strukturen) umfasst. Die optimale Frequenz wird detektiert 44, indem die Amplitude der Empfangssignale bei unterschiedlichen Frequenzen gemessen wird und die Spitzenamplitude oder Amplituden detektiert werden, die den Resonanzfrequenzen für das System entsprechen. Die optimale Frequenz oder Frequenzen werden zur späteren Verwendung beim Betrieb des Blasendetektors gespeichert 45.
Das System 10 wählt einen verengten Frequenzbereich zur Verwendung bei der Abtastung auf Blasen, der auf den optimalen Frequenzen beruht. Typischerweise wird ein vorgegebener Frequenzbereich, der um die optimale Frequenz zentriert ist, als ein Satz von Abtastfrequenzen verwendet. Der verengte Frequenzbereich ist vorteilhaft, da er eine erhöhte Effizienz und Genauigkeit für die Blasengröße liefert, da die Abtastung mittels der Frequenzen durchgeführt wird, die den Resonanzfrequenzen des Systems entsprechen. Die Verwendung des verengten Frequenzbereichs bei der Abtastung erhöht auch die Auflösung im Zeitbereich, da für eine gegebene Abtastrate über den Frequenzbereich die Zeit zur Abtastung für einen engeren Frequenzbereich kleiner ist. Dies ermöglicht es, dass die Abtastung schneller wiederholt wird, was eine schnellere Abtastrate bereitstellt. Die gemessene Breite eines Empfangssignals über einer Schwelle liefert Informationen über die Blasengröße sowie Informationen über den Grad der Kopplung zwischen der Röhre und dem Sensor.
Die Kalibrierung der Sensoren während der Verwendung des Luftblasensensors kann es ermöglichen, dass ein schmaleres Frequenzband verwendet wird. Die Kalibrierung kann es ermöglichen, dass eine optimale Frequenz beruhend auf den Umgebungswirkungen auf die Signaltransmission gewählt wird. Die Transmissionsfrequenzantwort kann von Variablen abhängen, die die Temperatur, die Senderzuusammensetzung und Geometrie, die Empfangerzusammensetzung und Geometrie, die Flüssigkeitswegwände, die Flüssigkeit, die Blasenzusammensetzung und Ausgangsstärke umfassen. Da sich verschiedene Bedingungen wie die Temperatur oder Flüssigkeitszusammensetzung während der Verwendung der Vorrichtung 10 ändern können, wird das Detektorsystem 10 häufig betrieben, indem eine optimale Detektionsfrequenz gewählt wird, während einer vorgegebenen Zeitspanne mittels der optimalen Frequenz abgetastet wird, und dann die optimale Frequenz aktualisiert wird. Die optimale Frequenz wird aktualisiert, indem eine vollständige Abtastung des Ultraschallfrequenzbereichs für die Vorrichtung durchgeführt wird und neue optimale Frequenzen gewählt werden. Das System 10 würde diese Aktualisierung nicht durchführen, während eine Blase detektiert wird, da dies die Fähigkeit stören könnte, die optimale Frequenz zu detektieren.
Wenn wir uns nun 3 zuwenden, wird die Kalibrierung und Verwendung des Luftblasensensors 10 ist gezeigt. Der Luftblasensensor wird kalibriert, wie vorher erläutert, indem die Antwort auf eine vollständige Frequenzsignalabtastung gemessen wird, und dann die optimalen Frequenzen verwendet werden, um die Frequenzabtastung einzuengen, um ein kürzeres Detektionssignal zu senden, wie durch den Kasten 46 angezeigt. Das Signal wird im Kasten 47 schneller empfangen und interpretiert, da die kleinere Frequenzabtastung weniger Zeit benötigt und es ermöglicht, dass die Datensammlung und Verarbeitung schneller vollendet wird. Da die Frequenzabtastung verengt wird, kann die Abtastung weniger Zeit brauchen und der Detektionssignalsendeschritt im Kasten 46 und der Empfangssignalinterpretationsschritt im Kasten 47 können schneller vollendet werden. Da diese Schritte schneller vollendet werden, kann der Luftblasendetektor eine Blasenbewegung mit einer höheren Reaktionsrate detektieren, die genaue Messungen bei höheren Durchflussgeschwindigkeiten im Flüssigkeitsweg als herkömmliche Sensoren ermöglicht.
Das Ausgangssignal aus dem Empfänger 37 wird durch Vergleich mit einem Schwellenwert im Komparator 22 verarbeitet. Der verwendete Schwellenwert kann während der Kalibrierung der zur Abtastung verwendeten Signalfrequenzen bestimmt werden. Wie erläutert, wird ein verengter Abtastfrequenzbereich bestimmt, indem die Empfingersignalfrequenzen mit den größten Werten gewählt werden (d. h. die Eigen- oder Resonanzfrequenzen) und ein vorgegebener Frequenzbereich um diese Frequenzen genutzt wird. Wenn dieser Test durchgeführt wird, können Grundlinienwerte für den Frequenzbereich aufgezeichnet und als Schwellenwerte verwendet werden. Die Signale vom Empfänger 37 werden mit den Schwellenwerten verglichen, um eine Blase zu detektieren. Es ist hierin erläutert worden, dass eine Blase ein Signal über dem Schwellenwert erzeugt. Es wird erkannt werden, dass abhängig davon, wie das Empfängerelement 37 referenziert wird und wie das Signal zum Komparator 22 durchgelassen wird, eine Blase ein Signal erzeugen kann, das entweder über oder unter dem Schwellenwert liegt. Folglich wird der Ausdruck, über einem Referenzwert' als eine bequeme Art verwendet, um Signale zu bezeichnen, die vom Referenzwert abweichen.
Im Gebrauch wird die Abweichung vom Referenzsignal überwacht, und wenn die Abweichung einen vorgegebenen Wert überschreitet, wird festgestellt, daß eine Blase vorhanden ist. Der Komparator stellt fest, wenn eine Blase vorhanden ist, indem er die Signale detektiert, die eine zulässige Abweichung vom Referenzwert überschreiten. Der in 1 gezeigte Zeitgeber 21 kann sowohl die Abtastung und den Betrieb der Rampen- und Signalerzeugungsschaltungen als auch die Funktion des Komparators steuern. Der Zeitgeber 21 kann außerdem die Funktion des Zählers übernehmen, der die Zeitbreite des Blasensignals zählt. Das heißt, für jede Zeiteinheit, in der das Empfängersignal den Referenzwert überschreitet und eine Blase anzeigt, addiert der Zähler einen Zählwert zur Zählwertsumme. Die Zählwertsumme zeigt die Gesamtgröße der Blase an und wird folglich verwendet, um die Blase zu charakterisieren. Wenn die Blase vorüber ist und das Empfängersignal auf den Schwellenwert zurückkehrt, wird der Zähler zurückgesetzt.
Wenn wir uns nun 4 zuwenden, wird ein Verfahren zur Verwendung des Luftblasendetektorsystems 10 gezeigt, die zu einem verminderten Stromverbrauch führen kann. Der Luftblasensensor wird wie oben erläutert kalibriert. Die optimalen Frequenzen werden verwendet, um die Frequenzabtastung einzuengen, die zur Detektion von Blasen verwendet wird, was zu einem Detektionssignal mit einer kürzeren Dauer führt, wie im Kasten 46 zu sehen ist. Das Signal wird empfangen und verarbeitet, wie im Kasten 47 angezeigt. Anstatt sofort das nächste Detektionssignal 46 zu senden, kann der Luftblasendetektor in einen Abschaltzustand oder Schlafzustand eintreten, wie im Kasten 48 zu sehen ist. Da der Detektor 10 unter Verwendung eines schmalen Bands optimaler Abtastfrequenzen arbeitet, kann die Zeit, eine einzelne Abtastung zu vollenden, Mikrosekunden betragen. Die Zeitdauer, wo eine Blase zwischen dem Sender 36 und dem Empfänger 37 vorhanden sein kann, kann jedoch Bruchteile einer Sekunde betragen. Folglich kann der Detektor einen Abtastzyklus in einigen Millisekunden oder weniger vollenden, sich für einhundert Millisekunden abschalten, und dann den nächsten Abtastzyklus ausführen. Der Abschaltzustand kann während der inaktiven Zykluszeit weniger Strom benötigen, was zu einer effizienteren Nutzung des Stroms und sogar verminderte Stromanforderungen führen kann.
Der verminderte Stromverbrauch ist in Situationen nützlich, die Batteriestrom oder eine Empfindlichkeit gegenüber der durchgelassenen Energie benötigen. Da der optimale Frequenzsatz lediglich eine Auswahl von Frequenzen der insgesamt möglichen Frequenzen ist, kann der Luftblasendetektor nur periodische Transmissionen bewirken, die durch die Durchflussgeschwindigkeit innerhalb des Flüssigkeitswegs benötigt werden. Folglich wird die Batterieentleerung reduziert.
Es kann eine Verbindung zwischen dem Luftblasendetektor und einer Pumpe vorhanden sind, die den Durchfluss innerhalb des Flüssigkeitswegs antreibt. Die Wiederholungsrate des Luftblasendetektors wird durch die Pumpe beeinflusst oder gesteuert. Folglich kann die Pumpe das Detektorsystem 10 so betreiben, dass wenn die Durchflussgeschwindigkeit zunimmt, die Abtastwiederholungsrate ebenfalls zunehmen kann. Wenn der Durchfluss abnimmt, kann der Luftblasendetektor mit einer langsameren Abtastwiederholungsrate arbeiten.
Wenn wir uns nun 5 zuwenden, wird gezeigt, wie das System 10 arbeiten kann, um den Luftblasensensor periodisch zu kalibrieren. Die anfängliche Kalibrierung und Detektion laufen ab, wie oben erwähnt. Nachdem das Empfangssignal im Kasten 47 interpretiert worden ist, bestimmt der Luftblasendetektor im Kasten 49, wann eine Neukalibrierung erforderlich ist. Diese Neukalibrierung wird durch eine vorgegebene Zeitspanne, Änderungen, die in der Umgebung wahrgenommen werden, eine Verschlechterung des Empfangssignals oder eine externe Anforderung von einem Anwender bestimmt. Die Neukalibrierung kann es dem Luftblasendetektor ermöglichen, sich Änderungen der Umgebungsbedingungen anzupassen, während er seine gesteigerte Leistung beibehält.
Wenn wir uns nun 6 zuwenden, wird der Prozess der Detektion einer Luftblase 50 durch den Luftblasendetektor gezeigt. Der Luftblasendetektor beginnt mit dem Rücksetzen seines Zustands im Kasten 51, um sich auf einen neuen Satz von Messungen vorzubereiten. Wenn im Kasten 52 eine Messung vorgenommen wird, wird die Messung im Kasten 53 mit einer internen Referenz verglichen. Der Luftblasendetektor speichert diese Informationen, ob jeder Vergleich die interne Referenz überschreitet. Wenn ausreichend Messungen vorgenommen worden sind, wird der Luftblasendetektor die Messungen verwenden, um im Kasten 55 jede detektierte Blase zu charakterisieren und die Ergebnisse im Kasten 56 auszugeben. Das System kann Langzeitänderungen im Empfangssignal verfolgen und folglich die zur Detektion von Blasen verwendete Signalschwelle einstellen oder den zur Detektion von Blasen verwendeten Frequenzbereich neu kalibrieren. Die Kurzzeitänderungen im Empfangssignal werden verwendet, um Blasen zu detektieren.
Ein Vorteil der Speicherung von Informationen, die die Tatsache betreffen, ob ein Satz von Messungen eine interne Referenz überschreitet, ist eine verminderte Empfindlichkeit auf Umgebungseinwirkungen, die Änderungen der Amplitude bewirken. Anstatt eine potentiell verrauschte Signalamplitude zu messen, wird die Häufigkeit aufgezeichnet, mit der das Signal einen voreingestellten Standard überschreitet. Diese Messung der Dauer oder Breitenmessung ist mit der Blasengröße korreliert. Unter Verwendung der Volumenberechnung wird das Volumen einer Reihe von Blasen für eine Gesamtvolumenmessung miteinander addiert. Der Mikrokontroller kann dann abhängig von der Anwendung eine Grenze für die Blasengröße, das Gesamtluftvolumen, das Volumen innerhalb einer Zeitspanne oder für eine Kombination setzen.
Die Ausgabe des Luftblasendetektors ist digital, analog, besteht aus Daten oder irgendeiner Kombination davon. Der Mikrokontroller kann einen PWM-Treiber oder Digital-Analogwandler verwenden, um ein analoges Spannungs- oder Stromausgangssignal zu erzeugen. Die analoge Ausgabe könnte zu einem Wirtssystem die verschiedenen Blasengrößen übertragen, die durch den Sensor detektierbar sind. Die digitale Ausgabe kann ähnliche oder vollständigere Daten zu einem Wirtssystem mittels der unterschiedlichsten Protokollen übertragen, die SPI, I2C oder andere umfassen.
Wenn wir uns nun 7 zuwenden, wird der Prozess der 6 in spezifischere Prozesse aufgeschlüsselt gezeigt. Derselbe Prozess des Zurücksetzens des Zustands im Kasten 51, das Vornehmen einer Messung im Kasten 52, das Vergleichen der Messung im Kasten 53, das Bestimmen im Kasten 54, wenn die Messungen vollendet sind, und das Charakterisieren der Blase im Kasten 55 werden mit mehreren Einzelschritten gezeigt.
Indem sein Zustand im Kasten 51 zurückgesetzt wird, kann sich der Luftblasendetektor darauf vorbereiten, neue Messungen vorzunehmen. In einer Ausführungsform wird das Zurücksetzen des Zustands im Kasten 51 zusammen mit der Bestimmung der internen Schwelle im Kasten 62 durchgeführt, was zu einem Rücksignal führen kann, das als eine Blase in der Breitenmessung gezählt wird. Die Einstellung der abzutastenden Frequenzen wird zurückgesetzt, um im Kasten 63 mit der niedrigen Frequenz zu beginnen. Der Breitenzähler kann ebenfalls im Kasten 64 zurückgesetzt werden.
Kleine Blasen werden beruhend auf der Breite eines Empfangssignals auf einem Schwellensignalpegel detektiert. Langzeitänderungen der Breite des Signals auf dem Schwellenpegel werden verwendet, um die Blasengrößenschätzung einzustellen. Um mit der Summation für große Blasen zu beginnen, die zu mehreren Empfangssignalen mit einem Signalpegel über der Schwelle führen würden, könnte die anfängliche Signalbreite als ein Auslöser dienen, um die Summation mehrere Empfangssignale miteinander zu beginnen, um die Größe einer großen Blase zu bestimmen.
Die interne Schwelle kann als eine Barriere gegen Rauschen dienen. Wenn die interne Schwelle zu niedrig ist, kann das Rauschen bewirken, dass eine kleine Signalamplitude als eine Blase gezählt wird, wobei eine falsche Breite erzeugt wird. Wenn die interne Schwelle zu hoch ist, kann das Rücksignal entsprechend keine ausreichende Amplitude aufweisen, um die interne Schwelle zu überschreiten, und es kann sein, dass Blasen nicht gezählt werden. Daher wird eine interne Schwelle über dem Rauschen jedoch kleiner als die Rücksignalamplitude gewählt, um diese Probleme zu vermeiden.
Nach denn Zurücksetzen des Zustands im Kasten 51, kann der Luftblasendetektor im Kasten 52 Messungen vornehmen. In einer Ausführungsform kann der Luftblasendetektor im Kasten 65 eine Welle durch den Flüssigkeitsweg übertragen. Die Welle wird im Kasten 66 detektiert und wird gesendet, um mit einer internen Schwelle im Kasten 67 verglichen zu werden.
Das Sender-/Empfängerpaar kann sich abhängig vom Flüssigkeitsweg etwas unterscheiden, und ist typischerweise ein Ultraschallsender und -empfänger, wie ein Paar piezoelektrischer Elemente. Die spezifische Wahl der Technologie kann von der Fähigkeit des gewählten Sensorpaars abhängen, unterschiedliche Teile des Flüssigkeitswegs zu durchdringen. Solche Überlegungen können die Flüssigkeitswegswände, die Flüssigkeit selbst und die Blasen darin umfassen.
Nachdem Messungen vorgenommen worden sind, wie im Kasten 52 zu sehen ist, kann der Luftblasendetektor die Messungen im Kasten 53 vergleichen. In einer Ausführungsform werden die Messungen im Kasten 67 mit einer internen Schwelle verglichen. Der Luftblasendetektor kann im Kasten 68 berechnen, ob das Rücksignal die interne Schwelle überschreitet. Wenn das Rücksignal die Schwelle nicht überschreitet, wird im Kasten 69 eins zum Breitenzähler addiert, und dann kann die Verarbeitung im Kasten 70 weitergehen. Wenn das Rücksignal die Schwelle nicht überschreitet, kann sich die Verarbeitung zum Kasten 70 bewegen.
Nachdem die Messungen im Kasten 53 verglichen worden sind, kann der Luftblasendetektor im Kasten 54 entscheiden, ob die Messungen beendet sind. Wenn im Kasten 70 entschieden wird, dass Messungen nicht beendet sind, kann sich der Luftblasendetektor im Kasten 71 zur nächsten Frequenz bewegen und dann zum Kasten 65 zurückkehren, um die nächste Welle zu senden. Wenn der Testzyklus beendet ist, wird sich der Luftblasendetektor zum Kasten 55 bewegen, um die aus den Messungen gesammelten Informationen zu verwenden.
Die Entscheidung darüber, den Testzyklus im Kasten 70 zu beenden, kann das Ende einer Frequenzabtastung, einen detektierten Fehler im System oder ausreichend Daten umfassen, um die Blase zu charakterisieren. In einer Ausführungsform kann der Luftblasendetektor ein Frequenzspektrum wiederholt abtasten. Der Testzyklus ist vollendet, wenn das Frequenzspektrum abgetastet worden ist. In einer anderen Ausführungsform kann ein detektierter Fehler im System bewirken, dass der Testzyklus beendet und dann zurückgesetzt wird. In einigen Systemen ist dieses Warten auf das Zurücksetzen erforderlich, da in bestimmten Intervallen eine Ausgabe erwartet wird. Ein unmittelbares Zurücksetzen kann nicht möglich sein, da eine Laufzeitüberwachung ein unerwünschtes Zurücksetzen des ganzen Systems infolge eines verpassten Ausgabezeitpunkts verursachen kann. In einer anderen Ausführungsform können ausreichend Daten vorhanden sein, um eine Blase zu charakterisieren, wie ein vollständiger Verschluss des Flüssigkeitswegs durch die Blase, und es ist keine vollständige Abtastung erforderlich.
Nachdem die Entscheidung im Kasten 54 ergibt, dass der Zyklus beendet ist, kann der Luftblasendetektor die Blase im Kasten 55 charakterisieren. Das Empfangssignal ist proportional zum Breitenzähler. Folglich kann die Breitenmessung Informationen enthalten, die die Signalstärke betreffen. In einer Ausführungsform ist die Breite umso größer, je stärker das Empfangssignal ist. Wenn sich eine Blase durch den Sensor bewegt, kann die Signalstärke abnehmen, was sich auch in einer Abnahme der Breite manifestieren kann. Eine Blasengröße ist mit einer Breite korreliert, ganz wie ein vorhandener Sensor die Amplitude mit der Blasengröße korreliert.
In einer Ausführungsform ist der Luftblasendetektor mit einer intravenösen Infusionsleitung in Reihe geschaltet. Die Röhre ist zwischen dem Sender und dem Empfänger durch Reibung oder einen Klemmmechanismus eingefasst, der teilweise oder ganz um die Röhre passt, ohne sie zu beschädigen. Das Sender-/Empfängerpaar kann auf einer akustischen Frequenz von 1,7 MHz bis 3 MHz arbeiten. Wenn sich eine Blase durch den Sensor bewegt, kann die Signalstärke abnehmen, was bewirkt, dass die gemessene Breite abnimmt. Sollte die gemessene Breite ausreichend abnehmen, wird eine Alarmvorrichtung von dem Problem alarmiert.
Während die oben beschriebenen Prozesse in dieser Beschreibung zur Verständniserleichterung linear erscheinen, werden die tatsächlichen Schritte parallel durchgeführt. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform die Charakterisierung der Blase parallel mit der nächsten Detektion von Blasen arbeiten, die in den Kästen 51–54 zu sehen ist. Dies wird eine weitere Steigerung der Wiederholungsrate ermöglichen. Folglich können die beschriebenen Prozesse parallel mit den beschriebenen Prozessen oder mit anderen Prozessen ablaufen, die in dieser Offenbarung nicht enthalten sind.
Während die beschriebenen spezifischen Ausführungsformen eine einzige Abtastung von Frequenzen verwenden können, um das Vorhandensein einer Blase zu bestimmen, werden mehrere Abtastungen der Frequenzen verwendet, um eine Blase oder einen Satz von Blasen zu charakterisieren. Die Breite wird in mehreren Zählern gespeichert, die verwendet werden, um eine endgültige Bestimmung des Blasenvolumens durchzuführen. In einer Ausführungsform werden die Breitenzähler auf einer rotierenden Grundlage verwendet, um die Effekte des Rauschens auszumitteln.
In einer anderen Ausführungsform sind mehrere Sensoren am Flüssigkeitsweg angebracht, die es ermöglichen, dass der Luftblasendetektor die Blasenflussrichtung, Geschwindigkeit und Durchflussgeschwindigkeit detektiert. Die unterschiedlichen Sensoren sind stromaufwärts/stromabwärts voneinander angeordnet, und können folglich die Blase detektieren, wenn sie durch die Rohrleitung strömt. Die von mehreren Sensoren gesammelten Informationen können außerdem Alarme von Mikroblasen, die an einer Wand kleben, klebrigen Blasen und Blasen verhindern, die vor einem Sensor hin und her schwingen. Da in diesen Fällen nur ein Sensor die Blase (mindestens während einer Zeitspanne, bevor sich die Blase schließlich bewegt) detektieren würde, würde das System diese als eine einzelne Blase und nicht als viele unterschiedliche Blasen erkennen, was Fehlalarme infolge eines unkorrekt hohen Blasenzählwerts verhindert. Der Alarm wird durch eine Blase ausgelöst, die durch einen Sensor charakterisiert worden ist und dann durch einen anderen abgetastet wird. Häufig sollten Blasen oder dergleichen, die sich nicht durch die Röhre zum Patienten bewegen, den Alarm nicht auslösen oder den Flüssigkeitsfluss stoppen. In dem Fall, dass die Blase beginnt, sich zum Patienten zu bewegen, würde die Blase gezählt.
In einer anderen Ausführungsform kann der Luftblasensensor mit einer externen Vorrichtung kommunizieren, die die Durchflussgeschwindigkeit der Flüssigkeit misst oder kennt. Der Luftblasensensor kann seine Wiederholungsrate gemäß Informationen einstellen, die durch die externe Vorrichtung gegeben werden. Solche externe Vorrichtungen können eine Pumpe, einen Durchflusssensor oder eine manuelle Eingabe umfassen. Diese Kommunikation kann auch Alarme von der Entkopplung der Rohrleitung verhindern, die durch die externe Vorrichtung abgetastet wird.
Wenn wir uns nun 8 zuwenden, wird ein Referenzsignal 82 gezeigt, das mit einem Empfangssignal 83 verglichen wird. Der Luftblasendetektor kann das Empfangssignal durch die Anzahl der Zählimpulse messen, die die Spannungsreferenzschwelle 84 überschreiten, die er während einer Frequenzabtastung misst. Die Messung kann für eine bekannte Blasengröße, einen Rohrleitungssatz und Belastungsbedingungen zu einer Breite 85 des Empfangssignals bezüglich der internen Spannungsreferenzeinstellung 84 und des Referenzsignals 82 führen. Die Hüllkurve 86 des Empfangssignals kann dann proportional zum Referenzsignal 82 sein. Diese Proportionalität kann zur Breitenmessung führen, die Informationen enthält, die die Signalstärke oder Blasengröße betreffen.
Es kann auch erkannt werden, dass die anfängliche Auswahl der optimalen Frequenzen Vorteile für die Charakterisierung der Blase liefern kann. Als Ergebnis der Frequenzauswahl und Wiederholungsrate werden Blasen durch den Breitenzähler genauer gemessen. Tatsächlich kann ein Vorteil infolge einer erhöhten Geschwindigkeit der Messungen ein körnigeres Volumenergebnis umfassen.
Das bezüglich 8 gezeigte und erläuterte Signal kann auch verwendet werden, um festzustellen, wenn eine Röhre richtig in den Sensor, und folglich in die Pumpe oder Vorrichtung geladen ist. Die Empfangssignalamplitude befindet sich auf einem niedrigen Pegel, wenn keine Rohrleitung in den Sensor geladen ist, auf einem hohen Pegel, wenn eine flüssigkeitsgefüllte Rohrleitung in den Sensor geladen ist, und auf einem Zwischenpegel (typischerweise nahe des niedrigen Signalpegels, jedoch von ihm unterscheidbar) für eine Rohrleitung, die in den Sensor geladen ist, die jedoch eine Blase aufweist, die in ihr vorhanden ist.
Es wird folglich ein verbesserter Luftblasendetektor offenbart. Es wird erkannt werden, dass zahlreiche Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Ansprüche zu verlassen.

Claims

Blasendetektionssystem, umfassend: einen Flüssigkeitsweg; einen piezoelektrischen Sender und einen piezoelektrischen Empfänger, die benachbart zum Flüssigkeitsweg zur Detektion von Blasen darin angeordnet sind; einen Steuerschaltkreis zum Betreiben des Senders und Empfängers, umfassend: eine Schaltung zur Erzeugung einer Weitbereichsfrequenzabtastung im Sender; eine Schaltung zur Analyse der Empfängerausgabe und Bestimmung einer Resonanzfrequenz für den piezoelektrischen Sender und Empfänger und den Flüssigkeitsweg; einen Speicher zur Speicherung der Resonanzfrequenz; und eine Schaltung zum Betreiben des Senders in einem reduzierten Frequenzbereich im Bereich der Resonanzfrequenz, um dadurch Blasen im Flüssigkeitsweg zu detektieren.
System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: eine Komparatorschaltung zum Vergleichen des Empfängersignals während der Detektion von Blasen in Bezug auf eine Signalschwelle, um festzustellen, ob Blasen vorhanden sind.
System nach Anspruch 2, wobei die Komparatorschaltung die Zeitspanne bestimmt, während derer ein Signal die Signalschwelle überschreitet, und die Blasengröße beruhend auf der Zeitspanne bestimmt.
System nach Anspruch 1, wobei die Schaltung zur Erzeugung einer Weitbereichsfrequenzabtastung im Sender eine Spannungsrampenerzeugungsschaltung und eine spannungsgesteuerte Frequenzerzeugungsschaltung aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei der Flüssigkeitsweg eine Röhre zur Zuführung einer Flüssigkeit aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die Schaltung zur Analyse der Empfängerausgabe und Bestimmung einer Resonanzfrequenz für den piezoelektrischen Sender und Empfänger und den Flüssigkeitsweg eine Komparatorschaltung aufweist.
Blasendetektionssystem, umfassend: einen Flüssigkeitsweg; einen piezoelektrischen Sensor, gekoppelt mit dem Flüssigkeitsweg und ausgelegt zur Detektion von Blasen in dem Flüssigkeitsweg; eine interne Empfängersignalreferenz; und eine Komparatorschaltung, die konfiguriert ist, Blasen zu detektieren und die Blasengröße innerhalb des Flüssigkeitswegs zu bestimmen, indem die Zeitdauer bestimmt wird, in der ein Ausgangssignal des Sensors die interne Referenz überschreitet.
System nach Anspruch 7, weiterhin umfassend: eine Eingangssignalquelle, die zur Abtastung eines Weitbereichsultraschallsignals durch den Sensor konfiguriert ist; eine Schaltung zur Analyse des Empfangssignals aus dem Weitbereichsultraschallsignal, um dadurch eine Eigenfrequenz zum Betrieb des Sensors zu bestimmen; eine Schaltung zur Speicherung der Eigenfrequenz, eine Schaltung zum Betreiben des Sensors auf einer Schmalbereichsultraschallfrequenz, die die Eigenfrequenz umgibt.
System nach Anspruch 7, wobei das Ausgangssignal aus Impulsen besteht und die Komparatorschaltung konfiguriert ist, die Blasengröße durch Zählen der Anzahl der Impulse des Ausgangssignals des Sensors zu bestimmen, die die interne Referenz überschreiten.
Verfahren zur Detektion von Blasen, umfassend: Senden eines Ultraschallsignals durch einen Flüssigkeitsweg mit Hilfe eines Ultraschallgebers; Anzeigen eines detektierten Signals durch einen Ultraschallempfänger; Auswählen einer internen Empfängersignalreferenz; Bestimmen der Zeitdauer während der das detektierte Signal die interne Referenz überschreitet; und Berechnen der Blasengröße beruhend auf der Zeitdauer während der das detektierte Signal die interne Referenz überschreitet. 11 Verfahren zur Detektion von Blasen in einem Flüssigkeitsweg, umfassend: Senden eines weiten Frequenzbereichs von Ultraschallsignalen durch einen Flüssigkeitsweg; Empfangen des weiten Bereichs von Ultraschallsignalen nach der Transmission durch den Flüssigkeitsweg; Bestimmen einer Eigenfrequenz für den Flüssigkeitsweg beruhend auf der Stärke der empfangenen Weitbereichssignale; Speichern der Eigenfrequenz; Senden eines schmalen Frequenzbereichs von Ultraschallsignalen, der die Eigenfrequenz umgibt, durch den Flüssigkeitsweg, um Blasen zu detektieren; und Empfangen des schmalen Bereichs von Ultraschallsignalen, um Blasen zu detektieren.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin umfassend: während einer Zeitspanne wiederholtes Senden des schmalen Bereichs von Ultraschallsignalen durch den Flüssigkeitsweg, um Blasen zu detektieren; und Senden eines weiten Frequenzbereichs von Ultraschallsignalen durch einen Flüssigkeitsweg; Empfangen des weiten Bereichs von Ultraschallsignalen nach der Transmission durch den Flüssigkeitsweg; Bestimmen einer neuen Eigenfrequenz für den Flüssigkeitsweg beruhend auf der Stärke der empfangenen Weitbereichssignale; Speichern der neuen Eigenfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verfahren aufweist; Speichern eines internen Schwellenempfangssignalpegels; Vergleichen der empfangenen Schmalbereichsultraschallsignale mit der Schwelle, um festzustellen, wenn die Empfangssignale die Schwelle überschreiten, um dadurch das Vorhandensein einer Blase zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen der Zeitdauer, wenn die empfangenen Signale die Schwelle überschreiten, und Berechnen der Blasengröße beruhend auf der Zeitdauer.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die empfangenen Signale getrennte Signalimpulse sind, und wobei das Verfahren das Zählen der Häufigkeit umfasst, mit der die Signalimpulse die Schwelle überschreiten, um dadurch die Blasengröße zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verfahren umfasst: während einer Zeitspanne, wiederholtes Senden des schmalen Frequenzbereichs von Ultraschallsignalen, der die Eigenfrequenz umgibt, durch den Flüssigkeitsweg; Empfangen der Schmalbereichsultraschallsignale, um Blasen zu detektieren; Senden eines weiten Frequenzbereichs von Ultraschallsignalen durch einen Flüssigkeitsweg nach einem vorgegeben Ereignis; Empfangen der Weitbereichsultraschallsignale nach der Transmission durch den Flüssigkeitsweg; Bestimmen einer neuen Eigenfrequenz für den Flüssigkeitsweg beruhend auf der Stärke der empfangenen Weitbereichssignale; und Speichern der neuen Eigenfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das vorgegebene Ereignis eine Änderung der physikalischen Bedingungen im Flüssigkeitsweg ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das vorgegebene Ereignis der Ablauf einer festgelegten Zeitspanne ist.