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Die
Erfindung betrifft im allgemeinen die Steuerung von Durchflussgeschwindigkeiten
von Flüssigkeiten,
und insbesondere die Regelung der Durchflussgeschwindigkeit von
Flüssigkeiten
bei Systemen zur intravenösen
Verabreichung von Flüssigkeiten.
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Hintergrund der Erfindung
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Systeme
zur intravenösen
(i.v.) Verabreichung von Flüssigkeiten
werden verwendet, um Patienten Flüssigkeiten und Medikamente
mit gesteuerten Geschwindigkeiten zu verabreichen. Um die i.v.-Zuführung von
Flüssigkeiten
genauer zu regeln, wird üblicherweise
ein offenes Schleifen-Steuerungssystem verwendet. Ein in das offene
Schleifen-Steuerungssystem eingebetteter Prozessor variiert basierend
auf einem vordefinierten Algorithmus und als eine Funktion von vielfältigen Parametern,
wie beispielsweise Temperatur, Flüssigkeitstyp, und der gewünschten
Durchflussgeschwindigkeit die Geschwindigkeit einer relativ genauen
Flüssigkeitspumpe,
die verwendet wird, um eine medizinische Flüssigkeit in einen Patienten
zu infundieren. Diese prozessorgesteuerten offene-Schleife-Pumpsysteme
sind im allgemeinen teuer und komplex. Üblicherweise muss bei solchen
Systemen eine Kompensation für
Abweichungen in der Genauigkeit der Pumpen erfolgen, um eine befriedigende
Genauigkeit zu erzielen. Die Geschwindigkeit der Flüssigkeitszufuhr
wird weiterhin von der Genauigkeit der im Flüssigkeitsweg verwendeten frei
verfügbaren
(Einmal-) Komponenten beeinflusst, welcher eine medizinische Flüssigkeit zum
Patienten befördert.
Jedoch können
anfängliche Abweichungen
und mit der Zeit auftretende Variationen des Innendurchmessers und
der Materialhärte der
Flüssigkeitsleitungen
und Pumpenkomponenten, welche die Einmalkomponenten umfassen, in
einem offene Schleife-Kontrollalgorithmus
nicht ohne weiteres kompensiert werden. Als Konsequenz müssen in solchen
Systemen teurere Einmalkomponenten verwendet werden, die garantiert
die engen Toleranzvorgaben erfüllen,
um einen Verlust der Genauigkeit zu vermeiden.
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Dementsprechend
wird es einleuchten, dass es wünschenswert
wäre, ein
System zur Verabreichung medizinischer Flüssigkeiten bereitzustellen, welches
relativ geringe Kosten aufweist und von niedriger Komplexität ist. Ein
geschlossenes Schleifensystem, in dem ein gewünschter Parameter gemessen
wird, um das System zu steuern, kann die erforderliche Genauigkeit
bereitstellen. Zum Beispiel wäre
es in einem geschlossenen Schleifensystem von Vorzug, den Durchfluss
mittels eines kostengünstigen
Durchflusssensors zu messen, und eine kostengünstige Flüssigkeitszufuhrpumpe, basierend auf
der gemessenen Durchflussgeschwindigkeit, zu steuern, um eine gewünschte Durchflussgeschwindigkeit
zu erzielen. In der Vergangenheit war die Messung des Flüssigkeitsdurchflusses
in medizinischen Flüssigkeitsinfusionssystemen
im allgemeinen ausserordentlich teuer. Jedoch hat erst die Entwicklung
kostengünstiger
Durchflusssensoren die Überwachung
des Flüssigkeitsdurchflusses
zur Steuerung eines medizinischen Infusionssytems praktikabler und ökonomischer
gemacht.
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In
einem geschlossenen Schleifensystem eines medizinischen Flüssigkeitsinfusionssystems können kostengünstige Pumpen
verwendet werden, da die Genauigkeit der Pumpe nicht Ausschlag gebend
ist, um eine gewünschte
Zufuhrgeschwindigkeit zu erzielen. In ähnlicher Weise können die
Toleranzvorgaben für
die im System verwendeten Einmalkomponenten stark erweitert werden,
da die Genauigkeit dieser Komponenten keinen all zu großen Einfluss
mehr haben wird. Darüber
hinaus können
die meisten Variablen, die in zur Zeit verwendeten Algorithmen zur
Steuerung von offenen Schleifen miteinbezogen werden müssen, in
einem gesteuerten geschlossenen-Schleifen-Infusionssystem vernachlässigt werden.
Demgemäß ist die
in einem geschlossenen-Schleifen-Infusionssystem
verwendete Datenverarbeitung zur Steuerung der Prozesse relativ
einfach.
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Das
US-Patent Nr. 4,278,085 offenbart eine peristaltische Pumpe zur
Messung des Durchflusses einer Flüssigkeit durch eine intravenöse Verabreichungseinheit.
Die Messvorrichtung schließt
ein Mittel zur Upline-Druckerzeugung ein, wobei deren druckerzeugende
Wirkung mittels eines herkömmlichen Drucksensors
vom Röhren-Kontakttypus
gesteuert wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird ein Flüssigkeitszufuhrsystem zur Infundierung
einer medizinischen Flüssigkeit
aus einem Reservoir in einen Patienten mit einer gewünschten Geschwindigkeit
definiert. Das Flüssigkeitszufuhrsystem
schließt
eine Flüssigkeitsleitung
ein, durch welche die medizinische Flüssigkeit aus dem Reservoir
einem Patienten zugeführt
wird, und einer Durchflusssteuerung, der selektiv die Geschwindigkeit
des Durchflusses der medizinischen Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitung
steuert. Ein Prozessor ist steuerbar mit der Durchflusssteuerung
und einem Durchflusssensor verschaltet, welcher die Durchflussgeschwindigkeit
der medizinischen Flüssigkeit
durch die Flüssigkeitsleitung überwacht,
wodurch ein Ausgabesignal erzeugt wird, das diese anzeigt. Der Prozessor
reagiert auf das Ausgabesignal und betreibt die Durchflusssteuerung
in einem geschlossene Schleife-Prozess, um die gewünschte Infusionsgeschwindigkeit
der medizinischen Flüssigkeit
in den Patienten zu erzielen.
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Gemäß der Erfindung
schließt
der Durchflusssensor eine im Flüssigkeitsweg
liegende Öffnung
ein, durch welche die medizinische Flüssigkeit in der Flüssigkeitsleitung
fließt,
und die Öffnung
besitzt eine Querschnittsgröße, die
im wesentlichen geringer ist als jene der Flüssigkeitsleitung. Ein innerhalb
der Flüssigkeitsleitung
liegendes Druckfühlermodul
ist so ausgestaltet, dass es einen Druckabfall über der Öffnung erkennt wobei es ein
Signal erzeugt, das die Durchflussgeschwindigkeit anzeigt. In einer
Ausführungsform
schließt
das Druckfühlermodul
einen distalen Drucksensor und einen proximalen Drucksensor ein,
wobei der distale Drucksensor zur Überwachung eines distalen Drucks
der medizinischen Flüssigkeit
stromabwärts
der Öffnung
verwendet wird, und der proximale Drucksensor zur Überwachung
des proximalen Drucks der medizinischen Flüssigkeit stromaufwärts der Öffnung verwendet wird.
Eine Differenz zwischen dem distalen Drucksignal und dem proximalen
Drucksignal zeigt die Durchflussgeschwindigkeit der medizinischen
Flüssigkeit durch
die Flüssigkeitsleitung
an.
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In
einer weiteren Ausführungsform
schließt das
Druckfühlermodul
einen Differentialdrucksensor ein, der einen Differentialdruck über der Öffnung überwacht
und in Abhängigkeit
davon das dem Prozessor zugeführte
Signal erzeugt, das die Durchflussgeschwindigkeit der medizinischen
Flüssigkeit durch
die Flüssigkeitsleitung
anzeigt.
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Vorzugsweise
ist der Durchflusssensor innerhalb eines "Y"-Verbindungsstücks in der
Flüssigkeitsleitung
angeordnet. In einer Ausführungsform
ist der Durchflusssensor entfernbar mit dem Prozessor mittels eines
Konnektors verschaltet. In einer weiteren Ausführungsform ist der Durchflusssensor
entfernbar mit dem Prozessor verschaltet.
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In
einigen Fällen
wird es manchmal wünschenswert
sein, einen wesentlich größeren Durchfluss
einer medizinischen Flüssigkeit
bereitzustellen als durch die Öffnung
des Durchflusssensors erzielt werden kann, beispielsweise um die
Flüssigkeitsleitung
vor dem Anschluss an den Patienten zu spülen. In diesem Fall wird ein Überbrückungskanal
innerhalb des Verbindungsstücks
im allgemeinen parallel zur Öffnung
bereitgestellt. Falls eine größere Durchflussgeschwindigkeit
der medizinischen Flüssigkeit durch
die Flüssigkeitsleitung
als die angestrebte Geschwindigkeit benötigt wird, wird der Überbrückungskanal
selektiv geöffnet,
um die medizinischen Flüssigkeit
im wesentlichen an der Öffnung
vorbeizuführen.
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Eine
bevorzugte Form der Erfindung verwendet eine Pumpe für die Durchflusssteuerung,
und diese Pumpe treibt die medizinische Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitung
und in den Patienten. Alternativ dazu wird ein elektronisch gesteuertes
Ventil für die
Durchflusssteuerung verwendet, wobei die medizinische Flüssigkeit
in Folge der Gravitationskraft durch die Flüssigkeitsleitung fließt.
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Vorzugsweise
ist eine Benutzer-Eingabevorrichtung mit eingeschlossen, um dem
Benutzer die Eingabe der gewünschten
Durchflussgeschwindigkeit einer medizinischen Flüssigkeit durch den Flüssigkeitsströmungsweg
zu ermöglichen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
vorangegangenen Aspekte und viele der bestehenden Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden mittels Bezugnahme auf die folgende detaillierte
Beschreibung, zusammen mit den angehängten Zeichnungen deutlicher
werden, worin:
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1 ein
Aufrissprofil eines Segments der i.v.-Röhreneinheit
und einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist, die eine Querschnittsansicht eines Y-Stücks zeigt,
das mit einem Durchflusssensor versehen ist, der zur Steuerung einer Pumpe
in einem geschlossenen Schleifenprozess ein Signal erzeugt;
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2 stellt
ein Aufrissprofil eines Segments einer i.v.-Röhreneinheit, ähnlich der
von 1, dar, jedoch wird eine Ausführungsform gezeigt, die einen Connector
zum Verschalten eines Durchflusssensors mit einer Steuerungsvorrichtung
einschließt;
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3A zeigt
ein Aufrissprofil einer Ausführungsform,
die ein elektronisch gesteuertes Ventil zur Veränderung der Flüssigkeitsdurchflussgeschwindigkeit
einschließt
und die weiterhin eine Überbrückung um
einen Durchflusssensor herum in einem Y-Stück einschließt;
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3B zeigt
eine Querschnittsansicht des Durchflusssensors, wobei der Überbrückungsweg um
den Durchflusssensor herum in dem Y-Stück, gezeigt in 3A,
veranschaulicht wird;
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4 stellt
ein vergrößertes Aufrissprofil
eines Durchflusssensors dar, der proximale und distale Drucksensoren
zur Messung des proximalen und distalen Drucks über einer Öffnung aufweist;
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5 zeigt
eine Querschnittsansicht des Durchflusssensors von 4,
aufgenommen entlang der Schnittlinie 5-5 in 4;
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht des Durchflusssensors aus 4,
aufgenommen entlang der Schnittlinie 6-6 in 4;
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7 zeigt
eine Querschnittsansicht einer wiederum anderen Ausführungsform
des Y-Stücks für die vorliegende
Erfindung, die einen Überbrückungskanal
einschließt;
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8 zeigt
eine Querschnittsansicht der Ausführungsform des Y-Stücks, aufgenommen
entlang der Schnittlinie 8-8 in 7, und illustriert
den Überbrückungskanal
in seinem geöffneten
Zustand;
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9 zeigt
eine Querschnittsansicht des Y-Stücks, wie gezeigt in den 7 und 8,
wodurch die Verwendung einer Klemme illustriert wird, die einen
elektrischen Kontakt auf einer der Klemmbacken aufweist, und die
eingesetzt wird, um den Überbrückungsdurchflusskanal
zu schließen
und um einen Drucksensor in dem Y-Stück elektrisch zu verschalten;
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10 zeigt
ein Aufrissprofil eines Endstücks
einer der Klemmenbacken der in 9 gezeigten
Klemme, wodurch die darauf vorgesehenen elektrischen Kontakte und
Verbindungen illustriert werden; und
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11 stellt
ein funktionelles Blockdiagramm der Steuerung dar, wobei die darin
eingeschlossenen Komponenten illustriert werden.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Einige
verschiedene Ausführungsformen
der zur Verabreichung einer medizinischen Flüssigkeit bei einer gewünschten
Geschwindigkeit geeigneten Systeme werden in den Figuren illustriert
und weiter unten beschrieben. Eine erste solche Ausführungsform
eines Systems 10 wird in 1 gezeigt.
Das System 10 schließt
eine Flüssigkeitsleitung 12 ein, die
ausgehend von einem Reservoir (nicht in dieser FIGUR gezeigt) durch
eine peristaltische Pumpe 14 verläuft. Die peristaltische Pumpe 14 umfasst
eine Vielzahl von Walzen 18, die kreisförmig mittels eines elektrischen
Motors 16 (oder eines anderen geeigneten Antriebs) in einer,
wie durch den gebogenen Pfeil angedeuteten, Drehrichtung angetrieben
werden. Wie häufig
in solchen peristaltischen Pumpen, berühren die Walzen 18 periodisch
die Flüssigkeitsleitung 12 und
komprimieren diese, wenn die Walzen sich entlang des kreisfömigen Wegs
bewegen und drücken
dadurch aufeinanderfolgende Portionen (Boluse) einer medizinischen
Flüssigkeit
durch die Flüssigkeitsleitung
zur Infusion in einen Patienten (nicht gezeigt). Die Flüssigkeitsleitung 12 erstreckt
sich innerhalb des konkaven Teils einer gekrümmten Führung 20, gegen welche
die Walzen 18 drücken,
um die Flüssigkeitsleitung
während
des Pumpens der medizinischen Flüssigkeit
zu komprimieren. Es wird jedoch angemerkt, dass in Verbindung mit
vorliegender Erfindung auch andere Arten von Pumpen verwendet werden
können.
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Einer
der Vorteile der vorliegenden Erfindung ist, dass diese die Verwendung
einer relativ kostengünstigen
peristaltischen Pumpe oder einer anderen Art von Pumpe erlaubt,
die von relativ geringer Genauigkeit bei der Aufrechterhaltung der
gewünschten Verabreichungsgeschwindigkeit
sein kann, da die Pumpe in einem geschlossenen Schleifenprozess
direkt gesteuert wird, um die gewünschte Verabreichungsgeschwindigkeit
der medizinischen Flüssigkeit
in einen Patienten zu erzielen. Um die Geschwindigkeit, mit der
die peristaltische Pumpe 14 die medizinische Flüssigkeit
infundiert, zu steuern, wird die Geschwindigkeit des elektrischen
Motors 16 so geregelt, dass die gewünschte Geschwindigkeit für die Verabreichung
der medizinischen Flüssigkeit
durch die Pumpe erzielt wird. Weiter unten werden weitere Details
des Systems 10 beschrieben, die eine Steuerung der Pumpe
(d. h. ihren primären
Antrieb) erlauben, um die gewünschte
Durchflussgeschwindigkeit zu erzielen.
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Die
Flüssigkeitsleitung 12 ist
mit einem oberen Arm 22 eines Y-Stücks 24 verbunden.
Der Austritt des Y-Stücks
ist mit einer Flüssigkeitsleitung 28 verbunden,
welche die medizinische Flüssigkeit,
die sich durch Einwirkung der peristaltischen Pumpe 14 bewegt,
an der Stelle der Infusion in den Körper des Patienten leitet.
Es wird jedoch angemerkt, dass in der vorliegenden Erfindung die
peristaltische Pumpe 14 (oder jede andere kostengünstige Pumpe)
entweder proximal oder distal zum Y-Stück angeordnet sein kann. Die
medizinische Flüssigkeit
fließt
durch eine Öffnung 23,
die innerhalb des Y-Stücks
ausgebildet ist, um die Flüssigkeitsleitung 28 zu
erreichen.
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Ein
Durchfluss-Sensormodul 36 ist innerhalb eines oberen Arms 26 des
Y-Stücks 24 angeordnet und
reicht in den unteren Teil des Y-Stücks hinein. Das Durchfluss-Sensormodul 36 schließt einen
Festkörper-Durchflusssensor 30 ein,
der einen proximalen Drucksensor 32 und einen distalen
Drucksensor 34 umfasst. Der proximale und distale Drucksensor sind
an entgegengesetzten Seiten einer Verengung oder einer Öffnung (genauer
gezeigt in 5) angeordnet. Durch die Überwachung
des proximalen und distalen Drucks an gegenüberliegenden Seiten der Verengung
oder der Öffnung
mit bekannter Querschnittsgröße bestimmt
der Durchflusssensor 30 die Durchflussgeschwindigkeit einer
medizinischen Flüssigkeit
durch das Y-Stück 24 und
somit durch den Flüssigkeitsweg
in den Patienten. Das Durchfluss-Sensormodul 36 wird innerhalb
des Y-Stücks 24 mittels
eines Flansches 38 gehalten, der abdichtend eine Lippe 40 einspannt,
die auf dem oberen Ende des Arms 26 ausgebildet ist.
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Ein
Kabel 42 leitet das durch den Durchflusssensor 30 erzeugte
Signal an eine Steuereinrichtung 44. Die Steuereinrichtung 44 schließt eine
Anzeige 46 ein, auf der entweder das Volumen oder die Infusionsgeschwindigkeit
der medizinischen Flüssigkeit angezeigt
wird. Weitere Details der Steuervorrichtung werden weiter unten
im Zusammenhang mit 11 beschrieben. Die Benutzer-Eingabevorrichtung
der Steuereinrichtung 44 schließt einen Schalter 48 ein,
der zwischen der Anzeige der Verabreichungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit
in ml/Stunde und dem zu infundierenden Volumen (VTBI) in ml umschaltet.
Weiterhin sind auf der Steuereinrichtung Start- und Stopp-Knöpfe 50 und 52 vorgesehen,
ein Knopf 54 zum Stummschalten des Alarmsignals, wie es
beispielsweise bei Flüssigkeitsmangel
auftreten würde
oder falls eine Luftblase in der Flüssigkeitsleitung detektiert
wird, und die Knöpfe 55 und 57,
um es dem Benutzer zu erlauben, die für das gewünschte VTBI und die gewünschte Flüssigkeitsverabreichungsgeschwindigkeit
eingestellten angezeigten Werte zu erhöhen, respektive zu vermindern.
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Es
sollte darauf hingewiesen werden, dass das Durchfluss-Sensormodul innerhalb
anderer Elemente der Flüssigkeitsleitung
außer
dem Y-Stück
angeordnet sein kann. Zum Beispiel kann ein Teil der Flüssigkeitsleitung
einfach ein Durchfluss-Überwachungsmodul
einschließen,
das ausreichend kostengünstig
ist, um nach der Verwendung bei einem einzelnen Patienten verworfen
zu werden. Es werden hierin einige unterschiedliche Techniken zur
elektrischen Verbindung des Durchfluss-Sensormoduls mit der Steuervorrichtung 44 oder
einem Äquivalent
davon gezeigt.
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Die
Steuervorrichtung 44 reagiert auf die proximalen Drucksignale
und distalen Drucksignale, die vom Druckfühlermodul 30 empfangen
werden, und leitet daraus ein Durchflusssignal ab, das mit diesem Differential
korrespondiert, und das erkannte Druckdifferential auf gegenüberliegenden
Seiten der Verengung oder der Öffnung
entspricht der Durchflussgeschwindigkeit einer medizinischen Flüssigkeit durch
das Y-Stück 24 in
den Patienten. Basierend auf der beobachteten Durchflussgeschwindigkeit
der medizinischen Flüssigkeit,
die ein Rückkopplungssignal
umfasst, implementiert die Steuereinrichtung 44 einen geschlossenen-Schleifen-Steuerungsvorgang,
mittels Veränderung
der Geschwindigkeit des Motors 16, und somit der Geschwindigkeit
der peristaltischen Pumpe 14, um die gewünschte Durchflussgeschwindigkeit
einer zu infundierenden medizinischen Flüssigkeit zu erzielen. Falls
die beobachtete Durchflussgeschwindigkeit die gewünschte Durchflussgeschwindigkeit
einer medizinischen Flüssigkeit überschreitet,
bremst die Steuervorrichtung 44 den Motor 16,
der die peristaltische Pumpe 14 antreibt, ausreichend herab,
um die gewünschte
Infusionsgeschwindigkeit zu erzielen. Umgekehrt, falls die beobachtete
Durchflussgeschwindigkeit geringer als die gewünschte Durchflussgeschwindigkeit
einer medizinischen Flüssigkeit
ist, zwingt die Steuereinrichtung den Motor zur Beschleunigung,
wodurch sich die Geschwindigkeit mit der die peristaltische Pumpe 14 die medizinische
Flüssigkeit
infundiert erhöht,
wodurch wiederum die gewünschte
Geschwindigkeit erzielt wird.
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In 2 wird
ein System 10' veranschaulicht,
das in den meisten Aspekten dem System 10 ähnlich ist.
Jedoch schließt
in System 10' ein
Kabel 42' ein
Multi-Kontakt-Verbindungsstück 70 zur
elektrischen Verschaltung mit dem Durchflusssensor 30 ein,
das ein Segment des Durchfluss-Fühlermoduls 36' umfasst, in
dem der Durchflusssensor mittels interner Leitungen 78 mit
dem Verbindungsstück 70 verschaltet
ist. Das Kabel 42' und
das Verbindungsstück 70 sind
nicht zum einmaligen Gebrauch bestimmt und können vom Durchflusssensor 30 und dem
Y-Stück 24 abgekoppelt
werden. In allen anderen Aspekten ist System 10' identisch mit
und schließt äquivalente
Elemente der in 1 gezeigten Ausführungsform
ein.
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Das
Verbindungsstück 70 schließt eine
Anzahl leitender Kontaktstifte 72 ein, die in korrespondierende Öffnungen 74 eingeführt werden,
die auf einer Seite des oberen Arms des Y-Stücks
ausgebildet sind. Die Kontaktstifte 72 stellen einen elektrischen Kontakt
mit der korrespondierenden weiblichen Buchse 76 her, die
mittels interner Leitungen 78, die durch das Innere des
Durchfluss-Fühlermoduls 36' laufen, mit
dem Durchflusssensor 30 verschaltet ist. Die durch den
Durchflusssensor 30 aufgenommenen distalen und proximalen
Drucksignale werden durch die Leitung 78 und das Kabel 42' an die Steuereinrichtung 44 weitergeleitet
zur Verwendung bei der Steuerung der peristaltischen Pumpe 14 (oder
einer anderen Vorrichtung zur Veränderung der Durchflussgeschwindigkeit
einer medizinischen Flüssigkeit,
wie hierin beschrieben), um die gewünschte Durchflussgeschwindigkeit
einer medizinischen Flüssigkeit
in einen Patienten zu erzielen.
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Die 3A und 3B veranschaulichen weitere
Details eines Systems 10'', umfassend
wiederum eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In System 10'' zeigen
sich einige Unterschiede im Vergleich zu den vorangehenden zwei Ausführungsformen.
Beispielsweise wird ein elektronisch gesteuertes Ventil 80 verwendet,
um die Durchflussgeschwindigkeit einer medizinischen Flüssigkeit 85 aus einem
Reservoir 83 zu verändern,
das auf einem wesentlich höheren
Höhenniveau
als der Körper des
Patienten (nicht gezeigt) angebracht ist. Die dadurch erzeugte Druckhöhe reicht
aus, um die medizinische Flüssigkeit
mit einer höheren
als der angestrebten Geschwindigkeit zu infundieren. Jedoch moduliert
das elektronisch gesteuerte Ventil 80 die Durchflussgeschwindigkeit
der medizinischen Flüssigkeit 85 aus
dem Reservoir 83, um die gewünschte Geschwindigkeit zu erzielen.
Eine Steuervorrichtung 44 sieht ein Steuersignal vor, das
mittels eines Kabels 82 zum elektronisch gesteuerten Ventil 80 geleitet
wird. Das Steuersignal zwingt das elektronisch gesteuerte Ventil,
den Durchfluss der medizinischen Flüssigkeit so einzustellen, dass
die gewünschte
Infusionsgeschwindigkeit erzielt wird. Der gesteuerte Durchfluss
einer medizinischen Flüssigkeit 85 fließt durch
die Flüssigkeitsleitung 12 in
ein Y-Stück 24', welches einen
eingebetteten Differentialdrucksensor 98 zur Überwachung
der Durchflussgeschwindigkeit des medizinischen Flüssigkeitsdurchflusses
durch das Y-Stück
einschließt.
Der Differentialdrucksensor 98 überwacht den Unterschied zwischen
einem Druck an einem distalen Punkt 102 und einem proximalen
Punkt 100, wodurch ein dem Differentialdruck entsprechendes
Signal erzeugt wird, das der Durchflussgeschwindigkeit einer medizinischen
Flüssigkeit durch
eine Verengung oder eine Öffnung
entspricht, die zwischen den Punkten, an denen der distale und proximale
Druck gemessen wird, angeordnet ist. Weitere Details des Differentialdrucksensors
und eines Fühlers 92 werden
in 3B gezeigt. Das Leistungssignal und das für den Differentialdruck
stehende Signal werden mittels einer Leitung 84, die sich zwischen
der Steuervorrichtung 44' und
dem Fühler 92 erstreckt, übertragen,
wobei diese eine Vielzahl von auseinanderliegenden Kontakten 86 besitzt,
die so ausgestaltet sind und eine entsprechende Größe haben,
dass sie mit den korrespondierenden Kontakten („pads", Kontaktflecken) eines Differentialdrucksensors 98 Kontakt
nehmen, wenn der Fühler
in einer Leitkerbe 94, die in der Seite des Y-Stücks benachbart
zum Differentialdrucksensor 98 ausgebildet ist, eingeführt wird,
wodurch das dem Durchfluss entsprechende Signal aus dem Differentialdrucksensor an
die Steuervorrichtung 44' geleitet
wird.
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Weiter
werden in den 3A und 3B Details
einer Überbrückungspassage 104 gezeigt, die
allgemein parallel zum Flüssigkeitsweg
durch die Verengung oder Öffnung
innerhalb des Drucksensors 98 verläuft, und zum Empfang des von
diesem erzeugten Signals korrespondierend zum Differentialdruck
zwischen den proximalen und distalen Enden dient. Normalerweise
verbleibt die Passage 104 verschlossen, wenn das Y-Stück 24' zur Kontrolle
des Durchflusses der medizinischen Flüssigkeit 85 zu einem
Patienten verwendet wird und wird nur in dem Fall geöffnet, in
dem eine wesentlich größere Durchflussgeschwindigkeit
benötigt
wird, beispielsweise um die Flüssigkeitsleitung
zu spülen
oder um die Flüssigkeitsleitung
vorzuspülen,
bevor sie an den Patienten angeschlossen wird. 3A und 3B zeigen
die geöffnete Überbrückungspassage 104,
jedoch zeigt 3A weiterhin eine gestrichelte
Linie, die zeigt, wie das Elastomermaterial, d. h. ein Polymer eines
anderen Kunststoffs, umfassend das Y-Stück 24 mit einer geeigneten
Klemme (nicht gezeigt) komprimiert wird, welche den Fühler 92 mittels der
Führungskerbe 94 in
Position hält,
wodurch die Kontakte 96 mit den korrespondierenden Kontakten des
Differentialdrucksensors elektrisch verbunden werden. Die Klemme
verschließt
somit die Überbrückungspassage 104,
wenn das Y-Stück
zur Kontrolle der Durchflussgeschwindigkeit der medizinischen Flüssigkeit
in einen Patienten verwendet wird.
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In
jeder der bevorzugten Ausführungsformen,
einschließlich
der in 3A und 3B gezeigten,
können
die Drucksensoren oder Differentialdrucksensoren in Form eines Kondensators
hergestellt sein, mit einer (beschichteten) Elektrode gekoppelt
an ein Substrat und einer gegenüberliegenden überlagerten
(Deck-)Elektrode, die in geschlossenem Verhältnis (isoliert) über der
Elektrode auf dem Substrat angebracht ist, so dass ein Vakuum zwischen
den zwei Elektroden vorliegt, wodurch sich der absolute Druck messen
lässt.
In einem Differentialdrucksensor 98 würde eine Öffnung vorgesehen werden, um
den Raum zwischen den beiden Elektroden (Platten) mit einem, von
der Öffnung
oder Verengung aus betrachteten, zu dieser distal liegenden Punkt
zu verbinden, während
die Deck-Elektrode, die oberhalb der beschichteten Elektrode liegt,
dem proximal zur Öffnung
oder Verengung herrschenden Druck der medizinischen Flüssigkeit
ausgesetzt ist. Alternativ dazu können für die zwei Drucksensoren im
Durchflusssensor 30 und für den Differentialdrucksensor 98 piezoelektrische
Drucksensoren verwendet werden.
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Weitere
Details des Durchflusssensors 30 werden in den 4–6 veranschaulicht.
Wie insbesondere aus den 5 und 6 hervorgeht, schließt der Durchflusssensor 30 ein,
auf gegenüberliegenden
Seiten eines Silikontrennstücks 126 angeordnetes,
Paar Glasplatten 124 ein, das den Flüssigkeitsweg durch den Durchflusssensor
festlegt. Darüber
hinausgehend bildet das Silikontrennstück 126 eine Verengung
oder Öffnung 128,
die den proximalen Drucksensor 32 vom distalen Drucksensor 34 trennt,
wie in 4 gezeigt. Die wesentlich kleinere Querschnittsgrößenfläche der
Verengung oder Öffnung
innerhalb des Durchflusssensors 30 wird in 5 gezeigt,
im Gegensatz zur viel größeren Fläche einer
Flüssigkeitspassage 130 an
gegenüberliegenden
Seiten der Verengung. Die Drucksensoren 32 und 34 werden
mittels herkömmlicher
lithographischer Techniken, wie sie oftmals zur Herstellung integrierter
Schaltungen verwendet werden, auf der größeren Glasplatte des Glasplattenpaars 124 hergestellt.
Darüber
hinausgehend ist der proximale Drucksensor 32 mittels der
Leitungen 112 und 116 mit den Kontaktflächen 110 und 114 auf
der größeren Glasplatte
der Glasplatten 124 verschaltet, wobei Kontaktfläche 114 einen
gemeinsamen Anschlusspunkt für
den proximalen und gleichzeitig den distalen Druckwandler darstellt.
Dementsprechend ist der distale Druckwandler 34 mittels
der Leitungen 118 und 122 an die Kontaktflächen 114 und 120 verschaltet, die
auch auf der exponierten Seite der größeren Glasplatte des Glasplattenpaars 124 angeordnet sind.
Obwohl die Leitungen 112, 116, 118 und 122 zur Vereinfachung
der Zeichnungen als diskrete Kabel dargestellt sind, können diese "Kabel" vorzugsweise Leiterbahnen
umfassen, die auf die größere der Glasplatten
des Glasplattenpaars 124 aufgetragen sind unter Verwendung
herkömmlicher
photolithographischer Techniken, die auch angewendet werden, um
die Kontaktflächen 110, 114 und 120 zu
erzeugen. Es versteht sich, dass zur Erzeugung des proximalen, distalen
oder Differentialdrucksensors andere geeignete Materialien verwendet
werden können, wobei
eine ähnliche,
wie oben offenbarte, Konfiguration zur Anwendung kommen kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Verengung oder Öffnung 128 innerhalb
des Drucksensors 30 und innerhalb des Differentialdrucksensors 98 wesentlich
kleiner im Sinne der Querschnittsgrößenfläche, als die des Flüssigkeitswegs 130,
gleichermaßen
am distalen und proximalen Ende der Öffnung oder Verengung. Dem
Fachmann wird einleuchten, dass die für die Öffnung und die Flüssigkeitswege
verwendeten Abmessungen leicht verändert werden können, solange
die durch die Öffnung erzeugte
Verengung wesentlich geringer ausfällt als die Querschnittsflächen der
proximalen und distalen Flüssigkeitspassagen
der gegenüberliegenden
Seiten der Öffnung,
so dass ein ausreichend großer
Differentialdruck als Ergebnis des Druckabfalls einer medizinischen
Flüssigkeit,
die durch die Verengung oder die Öffnung fließt, beobachtet werden kann,
um eine genaue Steuerung der Pumpe oder eines elektronisch gesteuerten
Ventils, das die Durchflussgeschwindigkeit der medizinischen Flüssigkeit
regelt, zu ermöglichen.
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Eine
weitere Ausführungsform
eines Y-Stücks 24'' wird in den 7–9 veranschaulicht.
Das Y-Stück 24'' schließt weiterhin die Überbrückungspassage 104 ein,
jedoch auch den Durchflusssensor 30 mit zwei getrennten
Druckfühlern
anstelle eines Differentialdrucksensors 98. Um den Druchflusssensor 30 zu
verschalten, ist eine, wie in 9 gezeigte,
Klemme 139 vorgesehen. Eine Reihe von drei, voneinander
getrennten elektrischen Kontakten 141 ist an einem Ende
der Klemmbacke 140 der Klemme 139 vorgesehen,
und die Entfernung der Kontakte 141 zueinander und deren
Anordnung korrespondieren mit der Entfernung zwischen den Kontaktflächen 110, 114 und 120 des
Durchflusssensors 30. Somit kann jeder der elektrischen
Kontakte 141 leicht eine elektrische Verbindung mit einer jeweils
anderen Kontaktfläche
eingehen. An jeden der Kontakte 141 ist jeweils eine andere
der Vielzahl von Leitungen 42' verschaltet. Die Leitungen 42' führen zur
Steuervorrichtung 44 und übermitteln die vom proximalen
und distalen Drucksensor des Durchflusssensors 30 erzeugten
Signale an die Steuervorrichtung.
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Um
sicherzustellen, dass die Kontakte 141 die Kontaktflächen (pads) 110, 114 und 120 auf
dem Durchflusssensor 30 genau berühren und Kontakt aufnehmen,
schließt
die Klemme 139 weiterhin eine Klemmbacke 142 ein,
die so ausgeformt ist, dass sie innerhalb einer Führungskerbe 134,
die an der Seite des Y-Stücks 124'' vorgesehen ist, passt, wobei diese
benachbart zum Durchflusssensor 30 angeordnet ist, jedoch
gegenüber
der Vertiefung 132. Die Klemmbacke 140 greift
somit in die Vertiefung 132, wodurch die Kontakte 141 in
elektrisch leitende Verbindung mit den Kontaktflächen 110, 114 und 120 kommen.
Alternativ dazu kann die Führungsfunktion durch
Vorsehen der Führungsgeometrie
der Klemmbacke 142 und der Führungskerbe 23 auf
der Klemme 140 und der Vertiefung 132 erzielt
werden. Darüber
hinausgehend umfasst die Klemme 139 Griffe 136 und
eine Torsionsfeder 138, die darin eingebettet ist und um
ein Lager 146 verläuft,
das die Griffe miteinander verbindet. Die Torsionsfeder 138 sieht
eine Ausgleichskraft vor, ausreichend, um das elastomere Material,
umfassend das Y-Stück 24'', so zu komprimieren, dass die Überbrückungspassage 104,
wie in 9 gezeigt, geschlossen wird.
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Es
versteht sich, dass andere Techniken verwendet werden können, um
einen Fühler
vorzusehen, der für
die Herstellung eines elektrischen Kontakts mit den Kontaktflächen 110, 114 und 120 des Drucksensors 30 ausgebildet
ist, und dass solch ein Fühler
oder ein Taster mittels einer separaten Klemme in Position gehalten
werden kann, die die Überbrückungspassage 104 schließt. Wie
oben angeführt,
fließt,
falls die Überbrückungspassage 104 geschlossen
ist, Flüssigkeit
durch den Flüssigkeitsweg und
die Öffnung
oder Verengung innerhalb des Durchflusssensors 30, wodurch
vom Durchflusssensor ein Signal erzeugt wird, das der Durchflussgeschwindigkeit
der medizinischen Flüssigkeit
entspricht, wobei dieses Signal von der Steuervorrichtung herangezogen
wird, um die Geschwindigkeit, mit der die medizinische Flüssigkeit
in den Patienten infundiert wird, zu bestimmen. Dieses Rückkopplungssignal
wird von der Steuervorrichtung verwendet, um eine gewünschte Infusionsgeschwindigkeit zu
erzielen und um die Gesamtmenge der in den Patienten infundierten
Flüssigkeit
zu überwachen,
damit ein gewünschter
VTBI erzielt werden kann.
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11 veranschaulicht
interne funktionelle Komponenten der Steuervorrichtungen 44/44'. Der Durchflusssensor 30 oder
Differentialdrucksensor 98 ist mit einer geeigneten Drucksensormessschaltung 154 verbunden,
die einen, mit einem Analog-Digital-(A-D)-Umwandler (Konverter) 152 verschalteten Ausgang
aufweist. Der A-D-Umwandler 152 wandelt die analogen Signale,
die durch die Druckmessschaltung erzeugt werden, in ein digitales
Signal um, das an eine Mikrosteuergerät 150 eingespeist
wird. Als zusätzliche
Alternative dazu kann das Mikrosteuergerät 150 einen eigenen
A-D-Umwandler einschließen,
wodurch der A-D-Umwandler 152 entfallen kann.
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Das
Mikrosteuergerät 150 ist
an einen Speicher 156 (kann jedoch auch einen internen
Speicher einschließen)
angeschlossen, der gleichzeitig einen Random-Access-Speicher (RAM)
und einen Read-Only-Speicher (ROM) enthält, wobei beide nicht getrennt
gezeigt sind. Innerhalb des Speichers 156 gespeicherte
Maschinenbefehle werden herangezogen, wenn diese vom Mikrosteuergerät 150 abgerufen
werden, um Kontrollfunktionen zu implementieren. Eine Tastatur 158,
umfassend die Druckknöpfe
der Benutzereingabevorrichtung der Steuervorrichtungen 44/44', erlaubt es
dem Benutzer, die Funktionen des Mikrosteuergeräts zu beeinflussen. Das Mikrosteuergerät betreibt
eine Anzeige 46, welche die Werte der durch den Benutzer
mittels der Tastatur 158 ausgewählten Parameter anzeigt. Wahlweise
ist eine Kommunikationsverbindung im Radiofrequenzbereich (RF) 160 vorgesehen,
die es dem Mikrosteuergerät 150 erlaubt,
mit externen Geräten (nicht
gezeigt) mittels RF-Transmission zu kommunizieren. Die Kommunikation
mit solchen externen Geräten
ist wahrscheinlich bidirektional, wodurch die Eingabe gewünschter
Parameter mittels eines externen Geräts, anstelle der Tastatur 158 erreicht
werden kann. Eine Stromquelle 162 sieht die geeigneten Spannungsniveaus
für jede
der die Steuervorrichtung 44 oder die Steuervorrichtung 44' umfassenden Komponenten
vor.
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Das
Mikrosteuergerät 150 erzeugt
ein Ausgangssignal, das einem Digital-Analog-(D-A)-Umwandler 164 zugeführt wird.
Der D-A-Umwandler wandelt
das digitale Signal der Mikrosteuereinheit 150 in ein korrespondierendes
analoges Signal um, das einer Motorsteuerung 166 zugeführt wird.
Es sollte weiterhin darauf hingewiesen werden, dass das Mikrosteuergerät 150 darüber hinaus
einen internen D-A-Umwandler einschließen kann, wodurch der D-A-Umwandler 164 entfallen
kann. Weiterhin ist vorgesehen, dass eine Motorsteuerung 166 verwendet werden
kann, die auf digitale Signale reagiert, wodurch der D-A-Umwandler
entfallen kann. Als Alternative dazu kann das von dem Mikrosteuergerät stammende
digitale Signal oder das analoge Signal des D-A-Umwandlers 164 verwendet
werden, um das elektrisch gesteuerte Ventil zu steuern, falls ein elektrisch
gesteuertes Ventil 80 anstelle einer peristaltischen Pumpe 40 verwendet
wird, um den Durchfluss einer medizinischen Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitung
zum Patienten zu verändern.
Falls die peristaltische Pumpe 14 verwendet wird, leitet
die Motorsteuerung 166 das Antriebssignal zum elektrischen
Motor, der die Pumpe antreibt, um die Geschwindigkeit, mit der die
medizinische Flüssigkeit
in den Patienten infundiert wird, zu verändern.
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Durch
die Überwachung
der Durchflussgeschwindigkeit einer medizinischen Flüssigkeit
unter Verwendung eines Durchflusssensors 30 oder eines Differentialdrucksensors 98 wird
ein Rückkopplungssignal
erzeugt (d. h. ein der momentanen Durchflussgeschwindigkeit der
medizinischen Flüssigkeit
entsprechendes, aus dem Y-Stück
abgeleitetes Signal). Das Mikrosteuergerät 150 verwendet das
Rückkopplungssignal,
um die peristaltische Pumpe 14 oder ein elektrisch gesteuertes
Ventil 80 zu steuern, um so die gewünschte Geschwindigkeit zu erzielen,
die vom Benutzer vorgewählt
wurde.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit der bevorzugten Ausführungsform und
Abwandlungen daraus beschrieben wurde, wird es dem Fachmann einleuchten,
dass die innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche liegende Erfindung vielfältige andere
Abwandlungen erfahren kann. Dementsprechend ist es nicht beabsichtigt, dass
der Schutzumfang in irgendeiner Art und Weise durch die oben angeführte Beschreibung
eingeschränkt
wird, sondern dass dieser sich vollständig nur in Bezugnahme auf
die folgenden Ansprüche
ergibt.