高精度輸注泵的製作方法

2023-10-11 12:19:19 1

專利名稱：高精度輸注泵的製作方法
技術領域：
本發明提出了用於輸注泵的裝置，輸注泵控制器，而且描述了用於它們的控制方法。
背景技術：
輸注泵將流體、藥劑或者營養劑注入接受治療的患者的循環系統中。如果由醫務 人員以手動操作的方式用輸注泵施予流體，則會造成不切實際地昂貴或者不可靠。商用輸 注泵能在單次注射(singleinjection)中施予小到幾十納升的注射液，而且典型地能每小 時連續輸送不到100微升的注射液。這些輸送容積級別對滴注而言太小，而且輸送速率和 定時對手動注射來說不現實。輸注泵能以預定時間間隔，例如每分鐘，輸送注射液，而且能 以患者需要的重複的快速推注直至每小時預選最大數量(例如在患者自控無痛範圍內)來 輸送注射液。還能夠對輸注泵進行編程以輸送容積隨時日而變化的流體。由於這些注射泵還能產生相當大的壓力，因而它們還能皮下地(皮膚以下)或硬 膜外地(只是在中樞神經系統的表面內-常用的用於分娩的局部脊髓麻醉)注射控制量的 流體。不同種類的輸注包括但不限於連續輸注，通常根據泵的設計由20納升至100微升之間的輸注小脈衝組成，且這 些脈衝頻率取決於編程的輸注速度。間歇性輸注，其具有"高"輸注速率，且可以交替以低的可編程輸注速率以保持 插管打開。定時為可編程的。此方案常用於施予抗生素或者能夠刺激血管的其它藥物。患者自控鎮痛法(PCA)，其為按需要進行的輸注，通常用預編程的最高限度來避免 中毒。用患者能激活的壓墊或者按鈕來控制速率。這就是患者自控鎮痛法(PCA)的可選方 法。腸外營養法，通常需要類似於正常進餐時間的輸注曲線。硬膜外患者自控鎮痛法(PCEA)，其為相關術語，描述的是通過間歇性快速推注或 者輸注泵在硬膜外腔中的鎮痛藥的患者自控施予。這對癌症晚期患者最常用。儘管已開始將輸注泵用於很小容積的通常的強效藥物，但注射泵的精確度仍然成 問題。市場上可買到的注射泵的新近研究發現輸送容積存在明顯誤差。在某些情況下，常 用於校準的長期輸送量可精確到百分之幾。但已經發現在較短的時間間隔內輸送的容積和 輸送速率與設定目標存在差異達50 %之多。劑量過多或者劑量不足會對強效藥產生短期不良反應或者對劑量需求很多。而且還發現輸送容積隨溫度明顯變化。這導致限制了輸注泵 對於某些治療的應用，這些治療受到給藥劑量過多和給藥劑量不足的有害影響的限制。以 小容積輸送的極其強效的藥物並非當今注射泵技術的候選者。輸送誤差的原因有多種。許多輸注泵將一次性注射器用作增壓室。這些輸注泵使 用單次性或者一次性注射器，從而對於避免藥物的潛在交叉汙染是非常理想的。但是，這些 類型的注射器會發生改變，且用來移動注射器活塞或者柱塞給定距離以輸送給定容積所需 的力，可能隨注射器不同而不同。沒有合適反饋控制系統，這種力變化將導致輸送容積的誤 差。此外，已發現，來自目前技術的泵的輸送容積會隨著溫度的改變而發生變化。此變化的 主要因素也可能是藥物粘度隨著溫度而變化。輸送容積還可能受到對注射液的背壓或者阻 力的影響。為利用輸注泵在能夠實現皮下注射和硬膜外注射的壓力下輸送藥物的性能，需 要對輸送容積進行小心控制，尤其在生物環境中提供對於注射液的變化的背壓或者阻力的 情況下。其它尚未知道的因素也可能很重要。需要一種系統來確保精確且可再現的輸送容 積和輸送壓力(這將不是起初要輸送的容積_該壓力可隨實際部件而變化，以使得輸送容 積精確；當然，我們還可利用對力的控制來保證精確的輸送壓力)。另外，正在開發或者已經開發了新的機構來驅動(施予)注射液(和/或輸注液)。 找到了簡化機構，能利用重力和彈簧驅動泵機構來輸送需要的劑量。這些簡單系統省去了 馬達驅動和相關聯的電子設備及其大功耗。這些系統能提供新水平的可靠性和緊湊度，而 且大大降低了成本。但是，需要新的控制機構。閉環反饋控制機構在機器人技術、機械以及機器控制中是已知的。但這些控制方 法在醫療設備例如輸注泵中仍然是缺乏的。傳統的伺服馬達驅動器包括比例積分微分位置 環(PID)以及比例位置環積分和比例速度環(PIV)反饋控制方案，及其它非線性控制方案。 下文中將上述方案簡稱為"反饋控制方案"(這樣聽起來很好，如果您不這樣認為，可使 用其它術語)。需要開發這樣的反饋控制方案與馬達驅動輸注泵一同使用。另外，簡單的非 馬達驅動輸注機構需要同等有效的控制裝置。不必將已知的反饋控制方案、PID和PIV直 接應用於非馬達驅動泵系統。因而有了需要新的控制方案的需求，無論用來驅動泵的方法 是什麼方法，都能精確而可再現地輸送非常小的容積。馬達驅動注射器、彈簧驅動注射器、 重力饋給器、彈簧袋、蠕動泵及其它部件需要新的方案。控制方案必須能適應輸注泵的醫學 和生物學應用中的獨特變化來源。控制方案必須在存在溫度、粘度、背壓變化以及機構部件 中的製造變化的情況下，隨時間提供精確的輸送容積。能夠將此處提出的裝置直接用於或者進行簡單修改用於醫學領域中所使用的所 有不同輸注方法。注意，這裡提出的裝置不代表窮舉列表，而只是這裡提出的裝置的代表。 因此，本領域的技術人員通過擴展能夠獲得的裝置包括在此申請的意圖範圍內。

發明內容
本發明的一個實施例包括輸注泵的系統架構設計，而且描述了該設計的多個示 例。該系統架構實現了對於各種輸注泵物理設計的閉環反饋控制。該系統架構實現了在劑 量容積和劑量速率的範圍內的精確而準確的給藥。在一個實施例中，該架構與低成本重力 饋給輸注系統一同使用。在另一實施例中，該架構被示出為應用於彈簧驅動輸注系統。在又 一實施例中，該系統架構為伺服馬達驅動泵提供精確控制。在一個實施例中，泵為注射泵。
本發明的其它實施例包括能容易地附接於傳統靜脈內輸注系統的集成傳感器機 構和控制器。提供用於重力饋給靜脈內輸注系統的集成液滴計數器和控制器。另一實施 例包括共同提供控制機構的控制器和致動器，該控制機構通過擠壓或者釋放輸注機構的出 口管來控制流量。在一個實施例中，控制器接收來自液滴計數器的流量信號。另一實施例 中，控制器接收來自編碼器的流量信號，該編碼器被結合在注射器柱塞中或附接於注射器 柱塞，用以檢測和測量移動。在優選實施例中，控制機構包括電磁致動鉗。另一實施例中， 利用例如偏置凸輪機構的其它機構來擠壓該管。在另一實施例中，彈簧驅動注射器包括用於劑量的容積和速率的反饋機構，而且 還包括控制器，該控制器通過使用上述反饋控制方案來確保準確而精確的輸送速率。該注 射器實現了一種給藥，其中，較高背壓可免除重力饋給系統的使用。在一個實施例中，反饋 系統包括結合在注射器柱塞中的磁性傳感器。在另一實施例中，傳感器為與電感線圈偶聯 的磁柱塞，從而測量柱塞的位置和移動速度，並因此而測量輸送容積和速率。按照上述方法 在閉環反饋系統中使用所測量的容積和速率。在另一實施例中，電感線圈和磁柱塞也用於 通過將電流施加給同軸電感線圈來控制輸送速度。在另一實施例中，電感線圈結合在注射 器的針筒內。在另一實施例中，電感線圈以偏置方式安裝。另一實施例中，用於驅動電感線 圈的電流被用作泵的下遊壓力的量度。其它實施例包括用來確定柱塞位置的電容性編碼 器、光學編碼器及其它磁性編碼器。本發明的其它實施例提供馬達驅動注射泵。另一實施例中提供了線性馬達驅動 泵。在另一實施例中，提供了絲杆驅動注射泵。用於注射器柱塞位置的位置傳感器以及用 於流量、氣泡和壓力的光學傳感器及其它傳感器的組合，被包括在用於輸送容積和輸送速 率的閉環控制系統中。在另一實施例中，傳感器還提供了一種用於故障，例如堵塞、洩漏或 者管斷開的故障安全系統。在另一實施例中，驅動機構為外部彈簧機構。可將「現成」的注射器安裝到該機構 內用以提供泵系統。在另一實施例中，外部彈簧驅動機構還包括用以檢測和測量注射器柱 塞的移動的傳感器。在另一實施例中，外部彈簧驅動機構還包括控制器和致動器，該控制器 和致動器用以提供對來自注射器的液流的閉環反饋控制。在一個實施例中，該致動器為電 磁驅動機構，該電磁驅動機構通過擠壓附接於注射器輸出針的柔性管來提供流量控制，並 藉此可控地限制流量。


圖1是系統架構實施例的框圖。
圖2是集成了流量傳感器和控制單元實施例的示圖。
圖3是集成了流量傳感器和控制單元實施例的細節剖面圖。
圖4是示出了使用多個流量傳感器和控制單元的實施例的示圖。
圖5是彈簧驅動注射器實施例的示圖。
圖6示出了結合鐵磁柱塞和電感線圈的實施例的剖面和更詳盡視圖。
圖7示出了結合鐵磁柱塞和電感線圈的實施例的細節剖面圖。
圖8示出了具有以偏置方式安裝的電感線圈的注射器實施例。
圖9示出了絲杆驅動注射器實施例。
圖10示出了線性馬達驅動實施例。圖11示出了具有固定絲杆的絲杆和移動馬達實施例。圖12示出了外部彈簧驅動機構的多個視圖。
具體實施例方式對來自輸注系統的液流的控制為本發明的關鍵特徵。系統架構實施例提供了用於 輸注泵系統的閉環反饋控制的裝置的要點。所示出的結構可適用於簡單的低成本重力驅動 系統以及伺服馬達驅動系統。一般而言，該架構適用於所有輸注泵的準確控制，其中，利用 偏置力(例如馬達、彈簧、重力等等)來形成液流，而且提供反饋裝置作為實際流速的量度。 示出了多個注射系統的物理實施例。該控制架構適用於所有的泵實施例，而且實際上可調 整適用於其它醫療設備，參見下面的論述。該架構為模塊化和可調整的。該架構由提供對 流量的準確而精確的閉環控制的實時控制器組成。以下論述中的術語"偏置機構"表示 用於實現輸注的流體泵送致動的所有可能方法，非限制性示例包括重力、偏置彈簧、線性馬 達、滾珠絲槓、電感線圈、螺線管以及音圈致動器。類似地，術語"反饋"表示獲得對實際流 量的反饋的所有方法，非限制性示例包括光學編碼器、磁性編碼器、電容式編碼器、電感式 編碼器和用於計數液滴的貫通束傳感器以及能轉換成流量的壓差測量。實時控制器閉合在 致動信號與反饋信號之間的迴路，以獲得準確和精確的流量。該系統還能調節隨意指定的 流量曲線。實時控制器的另一實施例包括輸入和輸出(10)，該輸入和輸出本質上都可以是 數字和模擬的。此IO使得能對醫院裡的其它醫療設備添加限位開關、安全開關、患者輸入 部、接口、閉環或者開環，並允許基於此進行輸注策略的編程以及系統性能的優化。在一個 實施例中，控制器基於選定的參數和來自流量、壓力或其他參數的傳感器的反饋，使用基於 馬達的偏置機構的PID或者PIV控制來實現目標輸注。一個實施例包括固定偏置機構的閉 環控制。示例性固定偏置機構包括重力和彈簧。彈簧包括彈簧驅動注射器柱塞以及彈簧， 該彈簧用於壓縮供應袋，從而將壓力引入系統中來驅動流體流動。另一實施例使用彈性供 應袋，該彈性供應袋利用製造該袋的材料的彈性將流體擠出。在另一實施例中，使用橡膠帶 或者橡膠環、或者其它彈性材料的帶或環來提供偏置機構。在另一實施例中，偏置機構包括 擠壓上述袋的彈簧加載輥。另一實施例包括在實時控制器與外部設備之間的通信接口，該通信接口可以是有 線或無線的。外部設備的非限制性示例包括用於與控制器通信以報告輸注參數和設定輸注 參數的蜂窩電話、PDA、膝上型計算機、臺式計算機以及示教盒。這些外部設備能用於泵的編 程、關鍵參數的數據記錄、監視以及如果需要在泵送操作中提供外部幹涉。注意，通信接口 可能駐留在實時控制器上或者如果特別需要可位於獨立控制器上。該通信接口還能用於將 泵集成到醫院管理系統、企業資源規劃系統以及客戶關係管理系統等等中。注意，如此能將 所提出的控制架構應用於任何醫療設備。也因此，該控制架構也代表了用於醫療設備的通 用控制器。另一實施例包括用於重力饋給靜脈內系統的傳感器和控制器。能將該傳感器-控 制器附接於傳統系統而無需修改。該傳感器_控制器由貫通束髮射器_接收器組成，該貫 通束髮射器-接收器相對於儲液器和用以壓縮連接管作為流量調節裝置的裝置而安裝。在 優選實施例中，用以壓縮該管的裝置為螺線管。在其它實施例中，用以壓縮管的裝置的非限制性示例包括馬達、氣動裝置、液壓裝置以及蠕動裝置。本部分中的以下描述內容將局限於 螺線管而不喪失一般性，應理解的是，本部分中的以下論述也適用於所述的其它致動裝置。 螺線管和傳感器為閉環控制系統的部分。還提供了多個泵送實施例。在第一實施例中，彈簧驅動注射器使用用於夾緊從注 射器伸出的管的機構。注射器針筒的凸緣與用以確定注射器柱塞位置的傳感器裝置匹配。 在一個實施例中，該傳感器裝置包括嵌入柱塞本體中的磁鐵以及附接於注射器針筒組件的 閱讀器。該傳感器裝置提供柱塞相對於注射器針筒的位置的測量結果，且因此提供已輸送 的容積和輸送速率。在具有壓緊從注射器伸出的管從而控制流量的裝置的閉環控制系統中 使用這種測量。由於用於注射器的偏置機構為彈簧，因此，閉環系統解決彈簧隨柱塞更進一 步進入針筒而釋放造成的彈簧力的變化。將彈簧的尺寸選擇為，使得在柱塞的任意位置處， 都具有足夠的偏置壓力來實現系統可能需要的最大流速。注射泵的另一實施例包括鐵磁件，其附接於彈簧驅動注射泵上的柱塞。該鐵磁件 封裝在電感線圈內。鐵磁體移動通過電感線圈，提供了用於磁鐵的位置和移動的傳感器裝 置，且因此，提供了隨著附接的柱塞移動到注射器針筒內的流體輸送。隨後，該傳感器被偶 聯到用以壓緊從注射器伸出管的裝置和用以提供閉環控制系統的控制器。另一實施例將電 感線圈結合到注射器針筒內，從而提供更緊湊的系統。在另一實施例中，電流施加給電感線 圈，從而在注射器柱塞上為閉環控制提供附加的控制力。另一實施例將鐵磁體和電感線圈 連接至注射器柱塞，但使它們定位為偏離注射器柱塞和注射器針筒的軸線。在其它的實施例中，反饋致動裝置包括用於控制出流的致動裝置，所述用於控制 出流的致動裝置包括經由可變孔、流量閥、針閥等等的流量調節，而非壓縮管的螺線管。在 其它實施例中，用來提供偏壓來泵送流體的偏置機構包括其它裝置，包括但不限於拉簧、電 磁裝置、磁性裝置、氣動裝置、液壓裝置以及彈性裝置。在另一實施例中，通過電容性裝置來感測在注射器中的柱塞位置和移動。該柱塞 嵌有良好的電介質材料，或者其本身可由良好的電介質材料製成。將一對平行電極定位為 使得柱塞含有電介質材料的某區段始終位於該平行電極之間，從而電極由上述柱塞區段進 行局部阻擋。隨著柱塞移動，電極之間的電介質量發生改變。通過測量電極間的電容，來測 量柱塞的位置和速度。在另一實施例中，柱塞位置和移動由光學裝置確定。示例性光學裝 置包括由光柵(grating)組成安裝在柱塞上的編碼帶，且光學讀取磁頭可安裝在針筒凸緣 上，從而允許實時測量位置和速度。在其它實施例中，注射器利用傳統伺服馬達和相關聯的控制裝置來驅動。這些機 構可以是附接於滾珠絲槓或者絲杆的旋轉馬達。在這些情況下，旋轉編碼器可附接於馬達 以用於馬達運動的閉環控制。這些馬達也可是線性驅動馬達。另外，可結合與其它實施例 相關聯的傳感器。這些傳感器包括用於容積測量的液滴計數器以及用於注射器柱塞位置的 線性位置檢測器。將傳感器的組合結合到反饋機構中，以用於精確而準確的容積輸送。該 馬達還以間接壓力測量的形式提供附加反饋。驅動馬達所需要的電流負載為用於流體輸送 的背壓的指示器。負載測量還可包括在閉環控制內。在另一實施例中，驅動馬達上的負載 被用作堵塞或者洩漏或者破裂管的故障安全指示器。系統架構圖1描繪了系統架構的框圖。該架構適用於並包括與至少一個輸注泵系統相連的系統101、彈簧驅動注射泵102以及馬達驅動注射泵103。在 另一實施例中，該系統架構可應用於受益於閉環反饋控制的其它醫院系統104。非限制性 示例包括使用多軸類型的控制器的醫療機器人的控制，其中來自身體的反饋例如血壓必須 達到某個值的系統控制，以及控制器利用此反饋來控制系統從而使得壓力達到並保持在目 標值。類似的系統可將心率用作反饋傳感器。該系統還包括接口軟體105，該接口軟體105 為控制器108提供控制算法，並向用戶106、107提供通信接口。在實時控制器與外部設備 之間的通信接口可以是有線或無線的。外部設備的非限制性示例包括用於與控制器通信而 報告輸注參數和設定輸注參數的蜂窩電話、PDA、膝上型計算機、臺式計算機以及示教盒。這 些外部設備能夠用於泵的編程、關鍵參數的數據記錄、監視以及如果需要在泵送操作中提 供外部幹涉。注意，通信接口可駐留於實時控制器上，或者如果特別需要可駐留於獨立控制 器上。該通信接口還能夠用於將泵集成到醫院管理系統、企業資源規劃系統以及客戶關係 管理系統中。控制器108是硬體元件，在馬達驅動注射系統的情況下提供驅動信號至偏置機構 110，以及提供控制信號至致動裝置112用以控制各部件(features)例如軟管夾緊裝置或 者其它裝置來調節流量。偏置機構表示用於實現輸注的流體泵送致動的所有可能方法，非 限制性示例包括重力、偏置彈簧、線性馬達、滾珠絲槓、電感線圈、螺線管以及音圈致動器。 反饋裝置111將有關流量、壓力及其它系統自控響應的信號提供給控制器。反饋表示獲得 對實際流量的反饋的所有方法，非限制性示例包括光學編碼器、磁性編碼器、用於計數液滴 的貫通束傳感器以及壓力轉換器。在另一實施例中，反饋還可以是例如驅動馬達以獲得注 射器柱塞的選定移動速率所需要的負載的響應的間接量度。通過位置傳感器，例如連接至 注射器柱塞的磁性傳感器、光學傳感器、電容性傳感器或其它傳感器，來提供注射器柱塞的 移動速度。運動控制器還包括I/O接口 109，該I/O接口 109用於與外部報警系統或者其它 外部輸入裝置例如患者監視設備一起使用。該IO使得能對醫院裡的其它醫療設備添加限 位開關、安全開關、患者輸入部、接口(閉環或者開環)，並允許基於此進行輸注策略的編程 以及系統性能的優化。在另一實施例中，編碼器反饋誤差被用作輸注液體所需要的力的推算量度。然後， 在閉環控制系統中一同使用該推算出的力和流量。編碼器反饋誤差由等式1給出。ε (χ) = X-X0等式(1)其中，ε為編碼器位置的誤差，X為實際的編碼器位置，而Xtl為目標編碼器位置。 目標值Xtl為時間的函數。輸注程序為單位時間輸送一容積的注射液或者時間段內輸送總 容積的注射液的程序。輸注程序還可包括在進行輸注的總時間內輸注速率的編程變化。位 置X和Xtl與保留在注射器中的容積成正比，而且兩者之差為要輸送的容積。在單參數閉環 系統中，周期性地測量X，計算誤差ε (X)，並調節致動器電位以最小化誤差。誤差ε (x)也 與對輸注液的阻力或者輸注流體所需的力成比例。在另一實施例中，還在輸注程序中對誤 差ε (x)進行編程，從而沿著選定的軌線控制輸送壓力和容積。在一個實施例中，接口軟體 對控制器進行編程，以基於選定的參數和來自流量、壓力或其他參數的反饋，使用基於馬達 的偏置機構的PID或者PIV控制來實現目標輸注。另一實施例包括固定偏置機構的閉環控 制。示例性的固定偏置機構包括重力和彈簧。彈簧包括彈簧驅動注射器柱塞以及彈簧，該 彈簧用於壓縮供應袋，從而將壓力弓I入系統來驅動流體流動。
傳感器-控制器現在參照圖2，另一實施例包括用於靜脈內輸注系統的組合傳感器和控制器209。 能夠將該傳感器_控制器209附接於傳統系統而無需修改。該傳感器_控制器有序地安置 在供應裝置201與連接至患者的管208之間。該傳感器-控制器包括貫通束髮射器_接 收器204，該貫通束髮射器-接收器相對於儲液器203安裝；以及用以壓縮連接管並作為流 量調節裝置的裝置207。在優選實施例中，用以壓縮該管的裝置為螺線管。在其它實施例 中，用以致動螺線管和壓縮該管的裝置為馬達、氣動裝置以及液壓裝置。在其它實施例中， 用以壓縮該管的裝置包括由上述任何致動裝置驅動的機構或者傳動裝置(例如輥、連杆、 齒輪等等)，當然也可使用螺線管。該傳感器-控制器還包括集成的電子控制裝置206。該 傳感器-控制器還可以選擇性包括用以測量腔203中的液位的裝置205。傳感器-控制器 的流出量等於利用液滴傳感器測量的流量減去累積在傳感器_控制器內由液位傳感器測 量的容積。本部分中的以下論述將不失普遍性地局限於螺線管，應理解的是，本部分中的以 下論述也適用於所述的其它致動裝置。螺線管和傳感器為閉環控制系統的部分。在另一實施例中，流體從供應裝置201進入傳感器-控制器，該供應裝置201為下 述容器中的任何一種彈簧加載容器；其中流體受壓的容器；氣動加載容器；其中流體經由 諸如滾珠絲槓、或絲杆、或齒條、和傳動齒輪或者輥的機構排出的容器；以及其中流體利用 磁性裝置、電磁裝置等等排出的容器。該容器基本上可經由包括上述容器的任意一種的廣 泛多種裝置而排出流體。圖3描繪了傳感器_控制器209的部件的細節剖面圖。管301連接至供應裝置。 來自袋子的流體以液滴形式經由孔309進入儲液器302。傳感器-控制器如下所述地自動 調節流體的流量。每當流體液滴進入儲液器時，該液滴截斷來自光發射器304去往光接收 器305的光束。示例性光發射器包括發光二極體，而示例性光接收器包括光電二極體。在 液滴的前緣(液滴的第一緣)截斷傳感器光束時，接收器305處的信號下降到低值，而在液 滴的後緣脫離傳感器光束時，接收器305處的信號恢復到高值。下文將接收器處的信號的 上述變化稱作脈衝。通過測量脈衝頻率而測得的液滴頻率對應於容積流速(亦即，該容積 流速為液滴頻率乘以每個液滴的容積)。在一個實施例中，系統利用脈衝寬度補償液滴容積 的變化。每個脈衝的時間寬度表示每個液滴的容積，而且例如用於但不限於計算每個液滴 的容積；補償例如由於粘度或者溫度造成的液滴尺寸的變化。在另一實施例中，能夠將傳感 器光束設計為在液滴截斷通過的位置處很寬，以便即使儲液器的軸線與垂直軸線相差很大 (亦即即便儲液器未保持完全垂直)，設備也能精確工作。注意，利用發射器和接收器處的 光學器件(optics)來調整光束的寬度。在另一實施例中，使用多個發射器和接收器，以便 由每個液滴來截斷多個光束。這樣也提供了冗餘。在另一實施例中，替代單獨的發射器和 接收器，能夠使用在相同頭部具有發射器和接收器的反射傳感器。在此情況下，發射器和接 收器均容納在頭部304內，而反射器位於相對的頭部305處。在另一實施例中，也可在此處 提出的設備中使用諸如超聲裝置的直接流量測量法，諸如層流流量計的傳統流量測量法等 等。在另一實施例中，接收器信號本質上可以是模擬信號，從而當液滴截斷光束時接收器信 號的強度變化可用於精確重構液滴形狀，從而實現更精確地測量流量。在又一實施例中，使 用諸如高速CCD照相機的顯影系統連同閃光燈來獲取液滴照片，並通過適當的圖像處理來 計算容積。
在另一實施例中，提供可以是單個傳感器或者多個傳感器陣列的輔助傳感器306， 用於測量累積在儲液器302中的流體的液位及其變化。這能通過測量儲液器中的任意累積 物來提供流量測量的額外精確度和確認。如果由於某種原因，在輸入期間(input from)產 生一些液流累積，則此傳感器能夠與液滴的頻率和尺寸一同用於精確計算流速，並將該傳 感器用作反饋控制系統的部分。傳感器-控制器的實施例還包括螺線管307，該螺線管307能夠被致動用以擠壓或 者釋放伸出管303，從而控制流量。傳感器和致動器利用集成電子器件308來控制。利用閉環控制算法來實現流量控制，其中，使用標稱液滴容積將流量設定點計算 為液滴速率或頻率。液滴計數和液滴尺寸均進行測量。基於實際液滴容積的測量結果來調 節標稱液滴容積，以及計算流速並將該流速與設定點作比較。螺線管307根據脈衝頻率壓 縮或者釋放管303，以達到所需的流速。在另一實施例中，所述的液滴傳感器-控制器與泵(例如蠕動泵及其它泵)內使 用的馬達集成，從而提供精確的閉環蠕動泵。類似地，能夠將液滴傳感器與其它形式的輸注 裝置(例如隔膜泵、波紋管、彈性袋等等)集成，以形成精確的閉環輸注泵。在另一實施例中，液滴傳感器獨自、貫通束以及選擇性地累積傳感器用作普通袋 (regular bag)靜脈內輸注系統的輔助。在調節通常使用的輥時，取代使用手錶和計數液滴 的是，醫師使用顯示液滴頻率的顯示器並手動調節輥位置，從而將液滴頻率並由此將流速 調節為目標值。在另一實施例中，入口孔309為可變孔。該第二可變孔的目的是，改變進入儲液器 的液滴的尺寸。為了獲得高度精確的流速，可以使用此方法最小化每個液滴的容積，從而最 大化每單位流量的液滴數目，實現系統的更高解析度，這又實現更好的精確度。如圖4所示，另一實施例與能輸注大容量(每小時輸注1升或更多)的輸注泵一 同使用。實現大容積輸注的很常用解決方法通過如下來實現使用更大直徑的管和在至儲 液器的入口處使用更大孔。這導致更大的液滴尺寸，並因此降低了解析度。此外，還存在關 於管直徑和孔徑在至儲液器的入口處不再形成液滴之前能夠有多大的物理限制。上述液滴 傳感器-控制器可用於精確輸注大容積利用T形接頭402將來自供應裝置401的管路由 到兩個傳感器_控制器403、404，並利用另一 T形接頭405將從液滴計數器流出的液流匯流 成一股。由此，圖4所示的配置允許雙流(doubling of the f low)，且不會影響系統的分辨 率和系統的精確度。解決途徑並不僅僅局限於兩個液滴計數器。在另一實施例中，多個傳 感器_控制器用於增大系統的最大流速，而不損害解析度和精確度。在另一實施例中，使用單個致動器以擠壓下遊T形接頭405下遊的管，該單個致動 器未示出，代替用於從儲液器伸出的每個管的各個致動器。在這種情況下，對在每個儲液器 處測得的流量求和，並將其用作總流量，且致動器用於擠壓伸出管以控制總流量。在另一實施例中，圖3的單個儲液器302與多個孔和液滴傳感器進行裝配。這將 對應於經由多個孔309進入一個儲液器本體302的多股液流。參照圖4，這將對應於所有傳 感器和管保持如圖所示且兩個儲液器被合併成包含所示兩個儲液器的一個儲液器的情況。彈簧偏壓注射泵圖5和圖6示出了另一實施例。閉環輸注泵由帶有集成的傳感器的彈簧偏置注射 器和流量控制裝置組成。輸注泵包括彈簧偏置注射器，該彈簧偏置注射器包括注射器針筒501和柱塞502。柱塞終止於注射器襯墊503中，從而在柱塞與注射器針筒之間形成液密密 封。該注射器由彈簧504驅動或偏置。注射器針筒內容納的流體經由可壓縮管507和輸送 管或者針509被排出注射器。一系列磁鐵505嵌在注射器的柱塞內。注射器針筒的凸緣安 裝有讀取磁頭506。可壓縮管507附接於注射器尖端，而螺線管508或者類似致動器用於壓 縮該管，從而控制流量。如下所述地操作泵。將壓縮彈簧504的尺寸製成為利用對應於完全開放的可壓 縮管孔507的完全開放孔，提供該泵可以使用的任何應用所需要的最大流量。通過當嵌入 的磁鐵經過讀取磁頭506時測量在讀取磁頭506處獲得的信號，來獲取用於測量流速和輸 注液體容積的柱塞502的速度和位置。根據用於處理信號的電子器件的種類，上述信號本 質上為正弦電壓或電流信號。此正弦信號為柱塞位置的非常精確的指示器。還要注意，如 在常用的正-餘弦編碼器和電感式編碼器的情況下，還可對此正弦信號進行插值以實現進 一步的精確度。通過利用螺線管508壓縮附接於注射器尖端的可壓縮管507，來調節流量。 螺線管致動信號和來自帶有磁鐵的柱塞的位置和速度反饋形成用以給出極好控制和精確 度的閉環系統。彈簧偏壓注射泵和鐵磁傳感器圖6和圖7所示的另一實施例包括彈簧加載注射器，該注射器的尖端附接有可壓 縮管，這與已論述的實施例相同。具有注射器本體604以及終止於柱塞上的襯墊606的柱 塞605的注射器採用彈簧偏置機構607來驅動柱塞，並經由柔性管609和針610將流體從 注射器排出。這裡，還利用安裝於注射器尖端的電磁致動器608壓縮附接於注射器尖端的 可壓縮管609，來調節經過注射器的流量。但是，取代具有嵌入磁鐵的柱塞，在這種情況下， 通過附接在這裡稱為"磁柱塞"的鐵磁件602來檢測柱塞的位置。磁柱塞與電感線圈603 同軸安裝，該電感線圈603容納在針筒604的伸出部601內或者附接於針筒的部分內，如圖 6和圖7所示。通過測量電感線圈603的電感來測量表示輸注流體容積和容積流速的注射 器柱塞605的位置和速度，該電感線圈603的電感隨線圈中磁柱塞602的位置而變化。如 在其他實施例的情況下，發送至螺線管的致動信號以及來自電感線圈而對應於線圈電感的 信號形成了閉環反饋系統，從而實現極其精確而準確的流體輸送。在另一實施例中，除用作位置反饋以外，磁柱塞602還能用於通過施加適量的電 流(用於測量電感的之外)來增大或減小偏置彈簧壓力。這實現了進一步的流量調節/控 制(由螺線管致動提供的除外)。在另一實施例中，磁柱塞還裝配有永磁體612。在未示出的另一實施例中，不在注射器上的部分內安裝電感線圈，取而代之的是， 將電感線圈直接安裝在注射器針筒上，且注射器的柱塞本身就是鐵磁件。在圖8所示的另一實施例中，以偏置方式安裝電感線圈。注射器包括注射器本體 801、柱塞和襯墊804，且彈簧偏置機構803具有柱塞802，該柱塞連接至在電感線圈810內 部行進的磁柱塞808，且該電感線圈與注射器本體並肩保持在第二本體809內。該實施例還 包括位於注射器出口處的柔性管806，該柔性管806饋給針807或者其它適合管，以將流體 輸送到患者體內。流量由能夾緊柔性管806而減小流量的電磁致動器805控制。在另一實施例中，除用作位置反饋，磁柱塞808還能用於通過施加適量的電流(用 於測量電感的之外)來增大或減小偏壓彈簧壓力。這實現了進一步的流量調節/控制(由 螺線管致動提供的除外)。
在另一實施例中，磁柱塞還裝配有永磁體。在另一實施例中，驅動電感線圈所需的電流可用於監視泵的下遊管的壓力變化。所述系統架構還用於提供對於馬達驅動注射器的閉環反饋控制。具有絲杆組件的 旋轉馬達驅動注射器和線性馬達驅動注射器均可使用。在圖9所示的實施例中，利用支架 919將注射器安裝到滾珠絲槓和導向組件911上。注射器的柱塞906通過旋轉馬達915的 旋轉相對於針筒904驅動，該旋轉馬達能夠是AC伺服馬達、DC伺服馬達和步進馬達等等。 馬達安裝有實現對馬達的閉環控制的旋轉式編碼器914。這又實現了對柱塞移動的精確控 制，並實現了精確注射。為實現更精確的閉環控制，可將編碼器安裝在支架912上，且滾珠 絲槓和線性導向件安裝在該支架上，而編碼器讀取磁頭918安裝在柱塞所附接的該(可移 動的)支架上。在優選實施例中，通常將滾珠絲槓的螺距選定為大於10mm，以便能驅動滾珠絲槓 返回。此配置使得馬達對滾珠絲槓的輸出處的載荷變化更敏感。這允許通過記錄馬達的隨 動誤差(following error)變化來檢測注射器針筒的壓力變化。通過比較馬達的實際位置 和指令位置來確定隨動誤差。在另一實施例中，如果應用的壓力要求批准(mandate)，則對 滾珠絲槓使用小於IOmm的螺距。線性馬達驅動注射泵在另一實施例中，線性馬達被用作偏 置機構。圖10示出了線性馬達驅動注射泵的 平面圖1004、等視軸圖1001、俯視圖1003以及正視圖1002。線性馬達包含包括永磁體的 滑架1006以及安裝在固定裝置1010中的固定定子1011。在線圈內適當饋給電流使得滑 架1006移動。為獲得硬度、穩定性和精確度，還如圖示使用線性導向件1009對滑架進行導 向。注射器柱塞1012附接於滑架1006。通過相對於線性馬達定子1011固定地安裝編碼 器1007，來提供注射器位置、速度和加速度的實時反饋。編碼器讀取磁頭1008相對於滑架 1006固定，且因此而固定至注射器柱塞。此編碼器配置實現了流量的極其精確的閉環控制。 編碼器能夠是各種類型的編碼器，非限制性示例包括光學傳感器編碼讀取磁頭以及光學編 碼帶，以及磁性傳感器、電感式傳感器和電容式傳感器與磁性編碼器、電感式編碼器和電容 式傳感器的類似組合。在另一實施例中，針筒內的壓力的特徵在於監視線性馬達的隨動誤差，該隨動誤 差為線性馬達的指令位置和實際位置之間的差。在其它實施例中，編碼器和讀取磁頭的位置改變。在未示出的一個實施例中，編碼 器直接安裝在注射器柱塞上，該注射器柱塞為移動部件。在另一實施例中，編碼器直接安裝 在柱塞上，而讀取磁頭安裝在馬達定子上的固定位置。在另一實施例中，讀取磁頭安裝在固 定的注射器針筒上。利用已描述的類似反饋控制系統來實現線性馬達改型。不同點就在於偏置機構在 這種情況下為線性馬達。因此，該偏置機構是可控制的。先前由可變孔提供的控制，代替為 由線性馬達來提供。但注意，線性馬達具有在雙向上驅動柱塞的能力，而壓縮彈簧當然只能 實現一個方向上的偏置力。在未示出的另一實施例中，音圈致動器用於偏置機構而非線性馬達。移動部件為 線圈，且固定部件具有磁鐵。在其它實施例中，磁鐵為定子的部分，而線圈被集成到滑架中。
絲杆注射泵圖11示出了另一實施例。通過相對於固定裝置1107將注射器針筒1104夾在固 定位置，而將注射器1101安裝至固定裝置。注射器柱塞1102還被鉗位1112至可移動裝置 1103，該可移動裝置附接於馬達1110。馬達的轉子1111嚙合絲杆1108，以使得馬達的旋轉 來驅動馬達，且因此而相對於注射器針筒驅動注射器柱塞，從而將流體從注射器排出。馬達 附接於在導向件1114內行駛的活動滑架1113，從而獲得以最小誤差精確移動注射器柱塞 的能力。利用讀取磁頭1115來檢測馬達的位置，且因此而檢測注射器柱塞的位置，該讀取 磁頭1115經由支架1116附接於保持注射器柱塞的同一支架。讀取磁頭感測相對於移動馬 達和注射器而固定在位置上的磁鐵1109。在另一實施例中，位置讀取磁頭1115和磁鐵1109 由其它位置感測裝置替代。此類裝置的非限制性示例包括光學器件、磁器件、感應器件以及 電容性器件。外部彈簧驅動注射泵在另一實施例中，偏置機構為結合到安裝固定裝置中的彈簧，以使得標準的成品 注射器可與彈簧偏置機構一同使用。參照圖12，注射器1201安裝在固定裝置1211內，從而 注射器的針筒1202相對於固定裝置固定。注射器的柱塞1203安裝至可相對於固定裝置移 動的支架1205，並由彈簧偏置機構1207驅動。柔性管1204附接於注射器的出口，而致動 裝置1206附接在柔性管周圍，以使得在致動器激活時能可控地擠壓柔性管，從而控制來自 注射器的液流。位置傳感器裝置1208也附接於可移動支架1205，該位置傳感器裝置能通 過感測位置傳感器相對於編碼帶1210的位置來感測可移動支架的位置，且因此而感測固 定裝置內的注射器柱塞的位置。此類位置傳感器裝置和編碼帶的非限制性示例包括光學器 件、磁器件、電感性器件以及電容性器件。通過感測注射器柱塞的位置，並使得測得的位置 與輸注控制器程序中編碼的指令位置之間的誤差最小，來實現來自注射器的流量的閉環控 制。通過打開致動器1206來增大流量，並通過關閉致動器1206來減小流量，其中，關閉裝 置擠壓在柔性管1204上。總結描述了一種用於輸注器件的閉環控制的系統架構。該架構提供用以控制來自輸注 器件的流量的裝置以及在某些實施例中提供控制輸送壓力的裝置。描述了使用該閉環控制 架構的各種輸注系統。在某些實施例中，閉環控制可適用於當今常用的輸注裝置，例如重力 饋給靜脈內輸注系統。其它實施例描述了輸注泵系統，這些輸注泵系統使用彈簧、彈性體、 旋轉馬達和線性馬達的偏置機構或驅動機構。本領域的技術人員將了解，在不背離本發明 的保護範圍和精神的前提下，可對優選實施例進行各種修改和改型。因此，應理解的是，除 這裡具體描述的內容以外，可在所附權利要求的保護範圍內實踐本發明。
1權利要求
一種用於輸送流體的輸注泵，包括a)注射器，具有柱塞、針筒和出口，b)偏置裝置，用以將力施加給所述柱塞，從而致使所述柱塞相對於所述針筒移動，c)感測裝置，用以確定所述柱塞相對於所述針筒的位置，d)用以限制來自所述注射器的出口的流體的流量的裝置，以及e)控制器裝置，用以基於來自所述感測裝置的反饋來控制用以限制流量的裝置。
2.根據權利要求1所述的輸注泵，其中所述偏置裝置包括彈簧。
3.根據權利要求1所述的輸注泵，其中所述感測裝置包括沿著所述柱塞的縱向軸安裝 在所述柱塞內的多個磁鐵和附接於所述針筒的磁性傳感器。
4.根據權利要求1所述的輸注泵，其中，用以限制流量的所述裝置包括致動器，所述致 動器擠壓附接於所述注射器出口的可壓縮管。
5.根據權利要求2所述的輸注泵，其中所述彈簧結合在所述注射器的針筒內。
6.根據權利要求1所述的輸注泵，其中所述偏置裝置包括結合在所述注射器的針筒 內的彈簧，所述感測裝置包括所述柱塞內的多個磁鐵以及附接於所述針筒的磁性傳感器， 且用以限制流量的所述裝置包括致動器，所述致動器擠壓附接於所述注射器出口的可壓縮 管。
7.根據權利要求1所述的輸注泵，其中所述感測裝置包括附接於所述柱塞的鐵磁圓柱 體以及環繞所述鐵磁圓柱體的線圈，從而所述柱塞的移動致使所述鐵磁圓柱體在所述線圈 內的位置發生變化，並藉此改變所述線圈的電感。
8.根據權利要求7所述的輸注泵，其中，將電流可控地施加給所述線圈，以控制所述柱 塞在所述針筒內的移動速率。
9.根據權利要求2所述的輸注泵，其中所述感測裝置包括附接於所述柱塞的鐵磁圓柱 體以及環繞所述鐵磁圓柱體的線圈，從而所述柱塞的移動致使所述鐵磁圓柱體在所述線圈 內的位置發生變化，並藉此改變所述線圈的電感。
10.根據權利要求9所述的輸注泵，其中，將電流可控地施加給所述線圈，以控制所述 柱塞在所述針筒內的移動速率。
11.一種用於輸送流體的輸注泵包括a)注射器，具有柱塞、針筒和出口，b)偏置裝置，用以將力施加給所述柱塞，從而致使所述柱塞相對於所述針筒移動，藉此 在所述針筒內產生壓力，c)感測裝置，用以確定所述柱塞相對於所述針筒的位置，以及d)控制器裝置，用以基於來自所述感測裝置的反饋來控制所述偏置裝置，e)所述偏置裝置具有隨動誤差，將所述誤差定義為所述偏置裝置的指令位置與實際位 置之間的差。
12.根據權利要求11所述的輸注泵，其中所述偏置裝置包括附接於所述柱塞的旋轉馬 達、滾珠絲槓以及線性導向件，從而所述馬達的轉動使得所述柱塞相對於所述針筒移動。
13.根據權利要求12所述的輸注泵，還包括用以確定所述馬達的旋轉位置的位置的旋 轉式編碼器。
14.根據權利要求11所述的輸注泵，其中，用以確定所述柱塞相對於所述針筒的位置的裝置包括沿著縱向軸相對於所述針筒固定安裝的多個磁鐵以及附接於所述柱塞的磁性 傳感器，從而所述柱塞相對於所述針筒的移動使得所述磁性傳感器相對於所述磁鐵移動。
15.根據權利要求11所述的輸注泵，其中，用以確定所述柱塞相對於所述針筒的位置 的裝置包括沿著縱向軸相對於所述針筒固定安裝的線性光學編碼帶以及附接於所述柱塞 的光學傳感器，從而所述柱塞相對於所述針筒的移動使得所述光學傳感器相對於所述光學 編碼帶移動。
16.根據權利要求11所述的輸注泵，其中所述偏置裝置包括附接於所述柱塞的線性馬 達，從而所述馬達的動作使得所述柱塞相對於所述針筒移動。
17.根據權利要求11所述的輸注泵，其中所述偏置裝置包括附接於所述柱塞的線性馬 達，從而所述馬達的動作使得所述柱塞相對於所述針筒移動。
18.根據權利要求11所述的輸注泵，其中所述偏置裝置包括相對於所述針筒固定的絲 杆以及可移動地嚙合所述絲杆的旋轉馬達，所述旋轉馬達附接於所述柱塞，從而所述馬達 的旋轉動作使得所述柱塞相對於所述針筒移動。
19.根據權利要求11所述的輸注泵，其中用所述偏置裝置的隨動誤差來估算所述針筒 內的壓力。
全文摘要
描述了一種用於輸注器件的閉環控制的系統架構。所述架構提供了用以控制來自輸注器件的流量的裝置以及在某些實施例中提供控制輸送壓力的裝置。描述了使用所述閉環控制架構的各種輸注系統。在某些實施例中，所述閉環控制可適用於當今常用的輸注裝置，例如重力饋給靜脈內輸注系統。其它實施例描述了輸注泵系統，所述輸注泵系統使用彈簧、彈性體、旋轉馬達和線性馬達的偏壓機構或驅動機構。
文檔編號A61M5/145GK101951975SQ200880115088
公開日2011年1月19日 申請日期2008年9月17日 優先權日2007年9月17日
發明者伊凡·麥爾尼科, 斯瓦米納坦·巴拉克裡希南, 薩蒂什·桑達爾 申請人:薩蒂什·桑達爾;斯瓦米納坦·巴拉克裡希南;伊凡·麥爾尼科