用於操作電動蠕動軟管泵的方法和裝置的製作方法

2023-10-04 09:53:19

專利名稱：用於操作電動蠕動軟管泵的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於操作用來在軟管線中輸送流體的電動蠕動軟管泵 的方法和裝置。本發明還涉及一種用於操作體外血液處理設備的電動蠕動 軟管泵的方法以及具有用於操作蠕動軟管泵的裝置的體外血液處理設備。
背景技術：
就體外血液處理、例如血液透析而言，待處理的血液在體外血液迴路 中流過透析器的血液室，該透析器被半透膜分成血液室和透析流體室，同 時就透析流體系統而言，透析流體流過透析流體室。體外血液迴路具有通 向血液室的動脈軟管線和離開血液室的靜脈軟管線。已知的血液透析設備 具有血液泵，其通常被設置在透析器的血液室的上遊以便確保在體外血液 迴路中具有足夠的血液流量。對血液泵有很高的技術要求。因此只有特定類型的泵才加以考慮。輸 送患者血液通過動脈和靜脈軟管線的軟管泵是已在實踐中經過反覆考驗過 的。根據它們的操作模式，軟管泵也稱做蠕動泵。該泵的工作是基於至少一個堵塞(occlusion)沿著用作泵送空間的彈性軟管線運動，從而沿著輸 送方向移動被包封的流體這一事實的。關於最常見的軟管泵設計，其調節方式是在被移動的壓縮點上完全堵 塞彈性軟管。因此，這些泵也被稱做堵塞式軟管泵。在泵的軟管中傳送血 液的移動壓縮點或堵塞可以從這個技術角度以各種方式產生。滾子泵是公知的，其中軟管4皮插在定子和轉子之間，所述定子形成彎 曲滾子路徑作為反軸承(counter-bearing),所述轉子以可轉動的方式裝 配在所述定子中並裝有滾子，從而滾子能夠沿著輸送方向在軟管上滾軋。優選，滾子彈簧支承在轉子上以便向軟管施加壓力。指狀泵(fmger pump ) 也是公知的，其中壓縮點或堵塞由沿著軟管設置的一系列活動壓頭(指頭) 產生。在 Dialysetechnik 第 4 版 ， Gesellschaft fiir angewandte Medizintechnik m.b.H & Co.KG， Friedrichsdorf, 1988中給出了對滾子泵 和指狀泵的各種設計的綜述。電動的蠕動軟管泵被用於已知的血液處理設備中，該設備不僅是用於 輸送血液的，而且還可以是用於輸送其他流體。當這種軟管泵被用在醫療 技術設備、尤其血液處理設備中時，對它們的正確操作具有很高的要求。在滾子泵的操作期間，會出現這樣的問題，即在流動阻力變大時， 不再能夠形成對軟管線的完全堵塞。反之，滾子開始從軟管線上升起。在 這種情況下，滾子泵的正確操作不再得到保證。US 5,629,871描述了 一種用於監測血液透析設備的各個子組件的功能 狀態的方法和裝置。這些組件還包括軟管泵，因此這種泵的電流或電壓得 到監測以便推斷該泵的功能狀態。可以從US 4,781,525中了解如何利用泵 電流確定輸送速度。WO 97/45150描述了一種用於確定泵的輸送壓力的方法，其中泵的電 流被求出。由於在某些環境下輸送壓力與泵電流之間會偏離線性關係，因 此提出要使用校準曲線。發明內容本發明要解決的問題是提供一種用於操作電動蠕動軟管泵、尤其是體 外血液處理設備的軟管泵的方法和裝置，其分別允許可靠地監測軟管泵的 正確操作。這個問題通過權利要求1和9的特徵得以解決。本發明的有利*是 從屬權利的主題。本發明基於這樣的認識，即隨著電動蠕動泵的移動體、例如滾子泵 的滾子完全或部分堵塞軟管線，電動泵的功耗發生變化。本發明基於確定 泵所消耗的功率或與該功率相關的物理量，例如泵所消耗的電流，和從#皮 測物理量中確定不發生周期變化的直流分量和發生周期變化並且與該直流 分量疊加的交流分量。為了監測軟管泵的正確操作，在血液處理期間進行 監測，以確定功耗的交流分量如何相對於功耗的直流分量變大或減小。然 後基於直流分量和交流分量推斷存在軟管泵的不正確操作，尤其是當存在 直流分量的特徵時間相關變化和交流分量的時間相關變化時。在優選的實施例中，通過在預定的時間間隔內確定直流分量的時間相 關變化與交流分量的時間相關變化的相互關係來估算功耗，從而基於軟管 泵操作期間在預定時間間隔上直流分量與交流分量的時間相關變化之間的 確定關係上的時間相關變化來推斷存在軟管泵的不正確操作。本發明尤其基於這樣的認識，即交流分量與直流分量的時間相關變 化的商值是指示蠕動泵的移動體是完全堵塞軟管線還是部分堵塞軟管線的 特徵量。優選，在血液處理期間監測該商值，以便在該商值低於特定極值 時能夠推斷出完全堵塞不再存在。取決於極值的水平，能夠確定堵塞的程 度，其中如果低於這個程度則認為泵的操作不正確。有利的是，也可以定 義多個極值，其揭示堵塞消失的開始或允許只在堵塞已經至少部分消除時 得出存在故障的結論。在可選的優選實施例中，不去確定預定時間間隔上交流和直流分量上 的時間相關變化，即函數的導數或曲線的梯度，而是在軟管泵的操作期間 在預定時間間隔上計算交流分量(d/dt AAC )與直流分量(IDC )的商值(AAC /IDC)，並且將其與預定極值作比較，因此如果該商值低於預定極值，則 斷定對軟管泵的堵塞不夠。然而，也可以求出直流與交流分量的商值，因 此如果該商值超過預定極值，則斷定對軟管泵的堵塞不夠。然而，其他項也可用於估算，只要它們只在堵塞開始時引起被計算的量發生特徵變化。與泵的功糾目關的被測物理量的交流分量與泵的設計有關。交流分量 的頻率特別依賴於滾子泵的滾子數。由於轉子的頻率是已知的，因此能夠 容易地確定該交流分量。包括例如傅立葉分析在內的已知數學方法都適用 於此。根據本發明的裝置具有用於確定功耗或與功耗相關的物理量的直流分 量和交流分量的工具，和用於確定軟管泵的不正確操作的工具。根據本發 明的裝置能夠形成獨立的組件，或者成為已知血液處理設備的組成部分。根據本發明的方法和根據本發明的裝置在體外血液處理設備，例如血 液透析設備中的使用已被證實特別有利於監測設置在體外血液迴路中的血 液泵的正確操作。然而，也可以使用根據本發明的方法和裝置來監測醫療 技術設備或普通機械結構中的所有其他軟管泵的操作。


下面參見附圖更詳細地解釋本發明的實施例的實例。在附圖中圖1示出了根據本發明的體外血液處理設備，其具有根據本發明的用 於血液處理設備的軟管泵的操作的裝置；圖2示出了在透析處理期間，血液泵功耗的直流分量和交流分量隨處 理周期的變化；以及圖3a - 3b示出了在軟管線完全堵塞、堵塞開始消失時和不完全堵塞的 情況下，在滾子泵操作期間的動態壓力特性。
具體實施方式
體外血液處理設備，尤其是血液透析設備，具有透析器1，其被半透 膜2分成血液室3和透析流體室4。動脈血線5，其中結合有血液泵6，從 患者開始通向血液室3的入口，同時靜脈血線7^/ok液室的出口開始經由 滴注室8通向患者。電磁致動的關閉閥12在滴注器8的下遊祐:設置在靜脈 軟管線7中。新鮮的透析流體被準備在透析流體源12中。透析流體供應線13從透 析流體源12開始通向透析器1的透析流體室4的入口 ，同時透析流體排放 線14從透析流體室的出口開始通向排出管9。透析流體泵15被結合在透
析流體排放線14中。血液泵6是電動的蠕動軟管泵，尤其是滾子泵，因此動脈和靜脈血線 5、 7是插入滾子泵6中的柔性軟管線。靜脈關閉閥12是電磁致動的軟管 夾。透析設備具有控制單元16，其經由控制線16、 17與血液泵6和透析 流體泵15相連。控制單元16為血液泵6和透析流體泵12的操作提供特定 的電壓或特定的電流，以使得血液以預定的血液流動速度Qb在血線5、 7 中流動，而透析流體以預定的透析流體速度Qd在透析流體線13、 14中流 動。此外，控制單元16經由控制線19來致動靜脈關閉閥12。除控制單元16之外，血液處理設備具有計算和分析單元20，其經由 數據線21與控制單元16進行通信。計算和分析單元20經由另外的數據線 22與報警單元23相連，該報警單元23發出光學和/或聲學警報。為了測量靜脈血線7中的壓力，在滴注室8處設有靜脈壓力傳感器24， 其經由數據線25與計算和分析單元20相連。透析設備還可以具有其他部件，例如平衡裝置和超過濾裝置，然而為 了更加清晰，並未示出這些裝置。在實施例的當前實例中，根據本發明的用於血液泵6的操作的裝置被 描述成體外血液處理設備的組成部分，從而能夠監測血液泵的正確操作。 然而，原則上也能夠監測所涉及的其他泵、例如置換泵的正確操作。儘管在實施例的當前實例中，用於電動蠕動軟管泵的操作的裝置淨皮描 述成與體外血液處理設備相連，但是用於軟管泵的操作的這種裝置也可以 形成獨立子組件，其可以被用在所有的用於監測軟管泵的正確操作的醫療 技術設備中。下面詳細解釋用於血液泵6的操作的裝置的操作模式。 血液泵6是滾子泵。由於滾子泵是眾所周知的，因此不需要進行詳細 的描述。圖3a-3c示出了滾子泵的操作模式的示意圖，其中僅示出了滾子 25中的一個。滾子25以可旋轉的方式裝配在未示出的轉子上。軟管線， 在當前實例中為動脈血線5，被設在滾子25與定子27之間，其中定子27 形成滾子路徑28作為反軸承。圖3a-3c示出的只是示意圖。就滾子泵而言，滾子路徑在繞裝有滾子 的轉子的弧形中延伸。滾子25以彈簧支承在轉子上的方式被預拉伸抵靠滾 子路徑28，以便滾子能夠從軟管線上升起。圖3a示出了滾子25完全堵塞軟管線的例子，圖3b示出了滾子正開始 從軟管線上升起的例子，而圖3c示出了軟管線不再^L滾子完全堵塞以致於 血液泵不再正確操作的例子。血液泵的操作的監測基於對泵的功耗的估算。該功耗可根據血液泵6 的直流電才几上的電壓與流入該電4幾的電流的乘積計算出。然而，確定與功 率相關的量值也就夠了。由於電壓可被認為是恆量，因此僅測量電機電流 就夠了。應指出原則上也可以用交流電^4區動血液泵。在體外血液處理期間，透析器中的流動阻力會變大(凝血)。這導致 血液泵6上遊和透析器1下遊的動脈血線5中的壓力升高，但這不能通過 靜脈壓力傳感器24測量到。血液泵6的功耗隨著動脈壓力變大而變大。對功耗的分析表明泵所消耗的功率或者與該功率相關的物理量既具 有不進行周期性變化的直流分量，又具有進行周期性變化的交流分量。圖2關於直流分量(DC)和交流分量(AC)示出了隨時間變化的血 液泵功耗。如果血液泵完全堵塞，那麼AC功耗的大小正比於DC功耗的大小。 在這種情況下，通過合適的定標可使這些曲線重合。然而，如果血液泵的 滾子從血液軟管段上升起從而使得泵的輸送速度變小的話，那麼這種重合 就不存在了 。在圖2中用圖表出了用血液替代品進行體外透析處理的過程。 在這種處理期間，血液替代品因過度超濾而變稠至4吏透析器凝血的程度， 從而使得透析器中的流動阻力不斷變大，直至阻力因動態壓力增加而超過 泵的滾子的回覆力，並且堵塞開始消失。雖然電機的平均功耗因軟管段中 的高流動阻力而變大，但是由於泵的滾子的行程減小了，所以電機功耗的 調製寬度變小。圖3a-3c表明AC功耗的振幅隨著堵塞的消失而減小，而DC功耗 隨著堵塞的消失而變大。根據本發明的血液處理設備的操作如下為了準備透析處理，控制單元16設定血液流動速度Qb的數值，該數 值非常小以致於通過透析器時的流動阻力可以忽略不計。於是，透析器1 上遊的動脈血線5中的壓力對應靜脈壓力傳感器24測出的壓力。現在測量 泵6的電流。所測出的泵電流Ipi對應於壓力Pven。(公式1) I(P=Pven(Qb 0))= Ipl然後，控制單元16關閉靜脈關閉閥12以及透析流體供應線和排;^文線 13、 14中的其他閥門(為了更加清晰，未示出這些閥門)，從而使得血液 泵6現在對抗滾子的回覆力在特定位置所產生的壓力。就實際用到的滾子 泵而言，這種壓力從4支術上講和才艮據標準處於約1.6-1.8bar之間。因此， 血液泵的電流消耗對應於1.6-1.8bar的壓力。(公式2 ) I(P=P。CC)= Ip2可以根據功耗與透析器上遊壓力p (I)之間的線性關係，從電流消耗I中 確定該壓力 (公式3 )formula see original document page 11公式3中給出的這些量對於計算和分析單元20來說是可得到的。在以最小 的輸送速度操作血液泵6的同時，其中電流Ip!被測量或由控制單元16預 先設定，用靜脈壓力傳感器24測出靜脈壓力Pven。設定動脈血線6中的壓 力P。"為處於1.6與1.8bar之間的值，其與泵的類型有關。在血液處理期間，根據公式3由計算和分析單元20連續計算動脈血線
5中的動樂>壓力。此外，在血液處理期間，計算和分析單元20從功耗或與功耗相關的物 理量中，尤其從泵電流中連續地確定直流分量(DC功耗)和交流分量(AC 功耗)。從轉子頻率與滾子數的乘積中得到的頻率構成交流分量的基礎。 只要血液泵完全堵塞軟管線，那麼AC功耗AAc的振幅的時間相關變化與 DC功耗lDc上的時間相關變化的商值為恆量，即振幅調製Aac與平均直流 消耗IDC值的的梯度彼此之間成線性關係。 (公式4 )其中，以T作為關於滾子數標準化的血液泵的周期，0作為相位的標準化， 即調製量AAc與積分區間中用到的三角函數Sin(x)之間的相移量，下列公 式成立 (公式5 )(公式6)formula see original document page 12如果公式4中給出的比值不再是恆量而是開始趨向於零，則血液泵的堵塞 變小，即血液泵的滾子從軟管段上升起。當該比值為負數時，尤其如此。 (公式7 )formula see original document page 13在堵塞完全消除的情形下，下列公式成立: formula see original document page 13
在處理期間，計算和分析單元20根據公式4連續計算AC功耗AAC 的時間相關變化與DC功耗Ioc的時間相關變化的商值。計算和分析單元 20具有微處理器，其用於執行必要的計算操作，尤其用於形成差分。計算和分析單元20將所確定的商值與預定極值作比較。在所確定的商 值大於第一預定極值，即該商值為恆量(公式4)的情況下，認為血液泵6 完全堵塞動脈血線5 (圖3a)。然而，如果低於第一預定極值，那麼計算 和分析單元20產生第一警報信號，以使得報警單元23發出第一光學和/ 或聲學警報，其發出信號通知血液泵的滾子正開始從軟管線上升起(圖 3b)。如果低於另一第二極值，其比第一極值小，那麼計算和分析單元產 生第二警才艮信號，以4吏得報警裝置發出第二警報，其發出信號通知血液泵 不再完全堵塞軟管線(圖3c)。軟管泵的操作於是不再正確，因為由於透 析器1中的流動阻力變大，動脈血線5中的壓力已經超過了預定極值。 在一個可選實施例中，不將商值與極值進行比較，而是以下列方式從 邏輯上將預定時間間隔上功耗的直流分量和交流分量的時間相關變化聯繫 在一起，即，測量這些量的增量(梯度)。如果功耗的直流分量和交流分量都增加，那麼得出的結論是動脈壓力 正在變大。如果只有功耗的直流分量增加而功耗的交流分量保持不變，那 麼得出的結論是血液泵的堵塞正開始變小。如果隨著功耗的直流分量變大， 功耗的交流分量開始變小，那麼得出的結論是血液泵的滾子已經從軟管線 上升起。在泵的滾子升起之後功耗直流分量和交流分量都保持不變的情況下，計算和分析單元20確定血液泵6此時不再進行輸送。原則上，也能夠將這兩種評估過程相互聯繫起來，從而既考慮超出或低於預定極值的事實，又考慮功耗的直流和交流分量的邏輯AND聯繫。 也可以只監測直流分量和交流分量的商值。從圖2中可以看到，只要泵正以非堵塞的方式操作，該商值在一定範圍內是保持不變的。然而，曲線形狀後來出現偏差導致商值發生變化(變小)，這作為故障被檢測到。
權利要求
1. 一種用於操作電動蠕動軟管泵的方法，所述電動蠕動軟管泵用於在軟管線中輸送流體，其中在泵的操作期間，確定泵所消耗的功率或與該功率相關的物理量，其特徵在於從被測物理量中確定不發生周期變化的直流分量和發生周期變化並且疊加在該直流分量上的交流分量，從而在軟管泵的操作期間，基於該直流分量和交流分量推斷存在軟管泵的不正確操作。
2. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於在軟管泵的操作期間， 在預定時間間隔上，確定直流分量的時間相關變化(d/dtIDC)與交流分量 的時間相關變化(d/dt AAC)的相互關係，從而在軟管泵的操作期間，基 於在預定時間間隔上直流分量的時間相關變化與交流分量的時間相關變化 之間的確定關係中的時間相關變化，來推斷存在軟管泵的不正確操作。
3. 如權利要求2所述的方法，其特徵在於在預定時間間隔上計算 交流分量的時間相關變化(d/dt AAC )與直流分量的時間相關變化(d/dt IDc ) 的商值(d AAC/dIDC)，並將其與預定極值作比較，從而，如果該商值低 於預定極值，則推斷對軟管泵的堵塞不夠。
4. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於在預定時間間隔上計算 交流分量(AAC)與直流分量(IDC)的商值(AAC/IDC)，並將其與預定極 值作比較，從而，如果該商值低於預定極值，則推斷對軟管泵的堵塞不夠。
5. 如權利要求1-4中任一項所述的方法，其特徵在於所述軟管 泵是堵塞式的滾子泵，其中，軟管線被插在定子和轉子之間，所述定子形 成滾子路徑作為反軸承，所述轉子裝有以可旋轉的方式裝配的滾子。
6. 如權利要求1-5中任一項所述的方法，其特徵在於從與功率 相關的物理量中確定軟管泵下遊的壓力。
7. 如權利要求1-6中任一項所述的方法，其特徵在於體外血液 處理設備的電動蠕動軟管泵被操作。
8. 如權利要求1-7中任一項所述的方法，其特徵在於所述蠕動 軟管泵被設置在動脈軟管線上，該動脈軟管線通向血液處理單元，從所述 血液處理單元引出靜脈軟管線，其中，所述動脈軟管線和靜Jl^t管線與該 血液處理單元一起形成體外血液迴路。
9. 一種用於操作電動蠕動軟管泵的裝置，所述電動蠕動軟管泵用於 在軟管線中輸送流體，所述裝置具有用於確定在泵操作期間泵所消耗的功 率或與該功率相關的物理量的工具(16， 20)，該裝置的特徵在於該裝 置具有用於從^皮測物理量中確定不發生周期變化的直流分量和發生周期變化 的交流分量的工具(16， 20);以及用於確定軟管泵的不正確操作的工具(16, 20)，其被設計成在軟管 泵操作期間基於直流分量和交流分量推斷存在軟管泵的不正確操作。
10. 如權利要求9所述的裝置，其特徵在於用於確定軟管泵的不正 確操作的工具(16， 20)被設計成，確定在軟管泵操作期間在預定時間間 隔上的直流分量的時間相關變化(d/dt IDC)與交流分量的時間相關變化(d/dt AAC)的相互關係，從而基於在軟管泵操作期間在預定時間間隔上 的直流分量的時間相關變化與交流分量的時間相關變化之間的確定關係中 的時間相關變化，來推斷存在軟管泵的不正確操作。
11. 如權利要求10所述的裝置，其特徵在於用於確定軟管泵的不 正確操作的工具(16， 20),皮設計成，在軟管泵操作期間在預定時間間隔 上計算交流分量的時間相關變化(d/dt AAC)與直流分量的時間相關變化(d/dtIDC)的商值(dAAC/dIDC)，並且將其與預定極值作比較，從而， 如果該商值低於預定極值，則推斷對軟管泵的堵塞不夠。
12. 如權利要求9所述的裝置，其特徵在於用於確定軟管泵的不正 確操作的工具(16， 20)被i殳計成，在軟管泵操作期間在預定時間間隔上 計算交流分量(AAC)與直流分量(IDC)的商值(AAC/IDC)，並將其與預 定極值作比較，從而，如果該商值低於預定極值，則推斷對軟管泵的堵塞 不夠。
13. 如權利要求9-l2中任一項所述的裝置，其特徵在於所述軟管 泵是堵塞式的滾子泵(6)，其中，軟管線被設置在定子和轉子之間，所述 定子形成滾子路徑作為反軸承，所述轉子裝有以可旋轉的方式裝配的滾子。
14. 如權利要求9-13中任一項所述的裝置，其特徵在於該裝置具 有用於確定軟管泵的下遊壓力的工具(13)，該工具被設計成從與功率相 關的物理量中確定軟管泵下遊的壓力。
15. —種具有電動蠕動軟管泵(6)的血液處理設備，其特徵在於 該血液處理設備具有如權利要求9-14中任一項所述的用於操作該蠕動軟 管泵(6)的裝置。
16. 如權利要求15所述的血液處理設備，其特徵在於該血液處理 設備具有血液處理單元(1),動脈軟管線(5)通向該血液處理單元(1) 並且從所述血液處理單元(1)引出靜脈軟管線(7)，其中，所述電動蠕 動軟管泵(6)被設置在所述動脈軟管線(5)中。
全文摘要
本發明涉及一種用於操作電動蠕動軟管泵、尤其是用於在醫療技術裝置、尤其體外血液處理裝置中輸送流體的軟管泵的方法和裝置。為了監測軟管泵的正常操作，監測該泵的功耗或與該功耗相關的物理變量，尤其是泵的流量。根據本發明，該泵的流量包括疊加在發生周期變化的交流分量上的不發生周期變化的直流分量。為了監測該軟管泵的正常操作，監測與該功耗的直流分量相關的功耗交流分量在血液處理期間是否變大和/或減小。
文檔編號F04B43/12GK101400894SQ200780008513
公開日2009年4月1日 申請日期2007年3月1日 優先權日2006年3月11日
發明者P·克佩爾施密特 申請人:弗雷澤紐斯醫療保健德國有限公司