专利名称：用于检测管路中的气体体积的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及监控管路中的流体而不直接接触流体，更具体地说，涉及非干涉 地监控流体性质的变化，包括空气或其他气体的存在。
背景技术：
在许多医疗和工业应用中，为了确保处理的一致性或确保安全，对流体的连续的 管路中(in-line)的监控通常是必需的。例如，管路中的流体压力对于处理可能是关键性 的。此外，可能需要监控流体内的空气或其他气体的存在或流体内的污染物的存在。在医疗场合，管路中的气体的检测系统用于防止气体无意中注入病人的血流中。 虽然很小的气泡可能对病人没有负面影响，但是大气泡能够引起空气栓塞，导致疼痛或死 亡。用于气体的管路中检测的方法通常包括通过被监控的流体管路的超声波或光传输。声 音或光通过流体和气体的不同传输特性可以用来形成在流体管路的液体中存在气泡的指 示。来自这种传感器的简单可识别的信号干扰可以用来触发报警和/或阻挡注入。这种系 统要求流体和相关的导管对于被传输的能量基本是可穿透的。在一个示范性的实施例中，兆赫(MHz)范围内的超声波能量耦联在被测试的导管 的一侧上，而接收器设置在相对侧上。当导管中存在气泡时，能量从发射侧到接收侧衰减。 当导管中存在流体时，在接收器中接收的能量大大增加。这种能量或信号强度因此可以用 作指示器，以确定导管中是否存在气体。此外，如果流体速率是已知的，则能够确定气泡尺 寸并且可以设置阈值，以当气泡超过预定的限度时给出指示，因而触发报警。但是，气泡经常不以与流体相同的速率移动，使气泡被认为比它实际的大，产生虚 假的或令人厌烦的报警。这可以由附着在导管侧上的“泰勒(Taylor)”型气泡或“香槟”型 气泡引起，引起足够的衰减从而产生报警。此外，超声波或光学的管路中气体检测器通常不 能确定气泡的确切尺寸并且被配置成仅仅指示大于预定尺寸气泡的存在。能够检测流体内的诸如气体的夹杂物的其他设备包括光学系统。但是，与这种光 学系统一起使用的图像处理使这种选择过于昂贵。
发明内容
需要一种管路中流体监控系统和方法，这种系统和方法不涉及流体与传感器直接 接触，但是对于流体组成中的各种变化(包括空气或其他气体的存在)具有较高的灵敏度， 并且能够提供气泡尺寸的指示。在医疗系统中，需要一种可靠地并且精确地检测并量化管 路中气体或其他夹杂物的存在，同时相对廉价并且能够与廉价的一次性使用的流体管路一 起使用的设备和方法。当前公开的实施例涉及解决上面所述的现有技术中存在的一个或多个问题，并且 提供附加的特征，这些附加的特征当通过连同附图一起参考下面的详细描述时容易变得很 明白。一个或更多个优选实施例涉及用于不直接接触流体的监控管道中的流体的方法。提供对流体性质的检测，包括空气或其他气体的存在以及对流体成分中的变化的指示。该 方法包括使流体通过流体管路，其中该流体管路至少部分地被第一电容器围绕，并且在该 第一电容器处检测该流体管路的电容。该方法还包括将在第一电容器处检测到的电容与参 考电容进行比较并且根据在第一电容器处检测到的电容与参考电容的比较确定流体管路 中是否存在气体。一个或更多个优选实施例可以包括用于监控流体管路中的流体的设备。该设备 包括第一电容器和与该第一电容器连通的处理器。该第一电容器包括第一板和第二板，该 第一板和第二板被流体管路分开并且设置在流体管路的相对侧上，使得移动通过该管路的 流体在第一板和第二板之间通过。第一电容器被配置成检测流体管路的电容。处理器被配 置成将在第一电容器处检测到的电容与参考电容进行比较，以确定流体管路中的流体的组 成。一个或更多个优选实施例提供用于确定流体管路中气泡流动速率的方法。该方法 包括使流体通过流体管路，其中该流体管路至少部分的被第一电容器和第二电容器围绕， 确定在第一电容器处的电容低于第一阈值的第一时间，并且确定第二电容器处的电容低于 第一阈值的第二时间。该第一和第二电容器沿着流体管路相互间隔开，以形成电容监控距 离。该方法还包括从确定的第二时间减去确定的第一时间，以得到气泡移动时间并且根据 气泡移动时间和电容监控距离确定气泡流动速率。一个或更多个优选实施例提供确定流体管路中的气泡尺寸的方法。该方法包括提 供至少部分地围绕流体管路的第一电容器，并且具有用于流体在其内流动的孔径，以及通 过当电容低于阈值时测量在第一电容器处的电容而检测在流体管路中的气泡的存在。该方 法还包括部分地根据流体管路孔径使在第一电容器处测量的电容与气泡体积相关联。正如通过下面的描述和附图将变得很明显的，通过精确地确定流体管路中的气泡 尺寸和/或气泡流动速率，产生的虚假或令人厌烦的报警数目可以被最小化。而且，当由于 有问题的气泡尺寸或气泡流动速率产生报警时，可以清除流体管路，以确保病人不接收潜 在危险的流体。当然，本发明不限于前面所述的实施例，并且在浏览下文提出的附图简要说明、具 体实施方式和权利要求之后其他实施例特征将变得很明白，或者通过本发明的实践可以学 到。
通过与附图一起参考下面的详细描述，这里描述的实施例的前述各方面将变得更 加明白，其中图1是根据一些公开的实施例的电容器组件的示意图。图2是根据一些公开的实施例的流体监控系统的示意图。图3是根据一些公开的实施例的流体监控系统的示意图。图4是示出根据一些公开的实施例用于计算参考电容的方法的流程图。图5是示出根据一些公开的实施例用于确定流体管路中气体存在的方法的流程 图。图6是示出根据一些公开的实施例用于确定流体管路中的气泡流动速率的方法的流程图。图7是示出根据一些公开的实施例的流体监控系统的示意图。图8是示出根据一些公开的实施例在流体监控系统中所用的电路的示意图。
具体实施例方式现在详细参考当前公开的实施例，其例子示于附图中，其中相同的附图标记全部 是指同样的元件。正如这里所用的，介电常数是指材料抵抗在其内形成电场能力的量度 (measure)。此外，当描述当前公开的实施例时介电常数和相对电容率将互换地使用。图1示出由多个电容器10构成的电容器组件50的一个例子的示意图。但是应当 指出，公开的实施例不限于在该电容组件50内任何具体数目的电容器。每个电容器10由设置在同一个平面内的两个有源板(active plate) IOa和IOb 构成。每个电容器的电容由下面的等式确定C = Q/V(等式 1)其中C是电容，Q是储存在每个板上的电荷量，而V是出现在两个板之间的电位差 或电压。电容以法拉第(F)为单位给出。虽然这个电容等式通常用于相互平行的两个板，但是这个电容等式也可以用作处 于同一平面中的两个板的粗略的近似。另一个电容等式也可以用作用于确定图1中的电容 器10的电容的近似，例如C ^ ε A/d(等式 2)其中C是电容，ε是两个平行板之间的材料的电容率，A是每个板的面积，d是两 个板之间的距离。仍然参考图1，当具有高介电常数的物体15在板10a、IOb之间和/或在板10a、IOb 之上形成干扰时，电容器10的电容增加。如图1所示，物体15可以是包括流体路径40的 流体。在这里高介电常数定义为在室温下大于或等于50。将图1的构思应用于在线流体监控系统，流体路径40位于板10a、10b附近。流体 路径40包含在流体管路20内，并且流体管路20优选与板10a、IOb直接接触。当诸如流体 的物体15填充或流过流体管路20时，非常稳定的电容被由电路25确定的电容器组件50 检测。该稳定的电容叫做参考电容。在一个实施例中，电路25经由诸如有线或无线连接的 装置与板 10a、IOb 连通(communication) 35。当诸如流体的物体15不流过流体管路时，电容的减少被电容器组件50检测。类 似地，当气泡30出现在流体管路中的检测位置时，所得到的电容的减少由电容器组件50检 测。现在参考图7，在这个例子中，第一电容器110构成流体监控系统700。第一电容 器Iio包括第一板130和第二板140。第一板130具有长度Ll (未示出)和高度Hl (未示 出)。第二板140具有长度L2(未示出)和高度H2(未示出)。在一些实施例中，第二板 140的长度L2小于第一板130的长度Li。如图7所示，电容器110围绕流体管路160，使得当流体移动通过流体管路160时 流体经过电容器110。换句话说，流体在板130和140之间通过。流体管路160通常包括导 管162，导管162具有在导管162内的直径为B的孔，使得流体在其中流动。导管162优选用诸如聚合物或共混聚合物的柔性材料制造。用于导管162的合适的材料包括但不限于， 硅酮、尼龙、聚乙烯、聚氯乙稀(PVC)、聚氨酯和其他已知的外科制管材料。在示范性的实施 例中，导管162用PVC制造。在一些实施例中，电容器110与包括处理器170和存储器175(见图8)的电路132 连通152。电路132还可以包括用于时间标记的时钟195。电容器110和电路132之间的 连通152可以通过任意合适的装置实现，例如包括有线和无线连接。简要地参考图8，图8示出电路132。在电路132中，处理器170可以包括比较器 180、减法器185、除法器190等。在一个实施例中，处理器170包括与通常在算数逻辑单元 (ALU)中采用的那些部件一致的部件。在一些实施例中，电路132进行用于流体监控系统 700的所有计算，这将在下面描述。而且，在一些实施例中，电路132与报警器800连通810。 在另一些实施例中，报警器800与电路132是一体的。正如容易理解的，电容等式(1)和(2)应用于电容器110。但是，由于在电容器110 的板130和140之间存在多个物体，用于等式O)的电容率ε的计算多少有点复杂。艮口， 这些物体包括导管162的第一壁；在导管162内流动的流体；以及导管162的第二壁。如上所述，当描述本实施例时，介电常数和相对电容率互换地使用。正如所知道 的，空气具有大约1的介电常数。PVC具有大约3的介电常数。水是温度敏感的并且在室温 下具有大约80的介电常数。由于电容器110的板之间的多个物体，为了计算由每个物体引起的精确的电容， 每个物体被系统处理为包括分开的子电容器。术语子电容器和子电容在这里用来区别来自 单个物体的电容和由电容器110测量的来自多个物体的组合电容。因此，导管162的第一 壁对应于第一子电容器Cl，在导管162内流动的流体对应于第二子电容器C2，并且导管162 的第二壁对应于第三子电容器C3。还参考图7，板130和140之间的多个物体被处理为彼此串联。因此，子电容器Cl、 C2、C3被处理为彼此串联。正如所知道的，串联的电容器的电容根据下面的等式计算1/C = !/C1+!/^+. . . +1/Cn(等式 3)其中C是总电容，Cn是单个电容器的电容，并且η是电容器的总数。用于倒电容的等式也是有用的，倒电容是电容的倒数，并且以拉法(Γ1)的单位给 出σ1 = C^Vr12+- · · +C^1n(等式 4)因此C1 = Cl1A ε !+(12/Α ε 2+d3/A ε 3(等式 5)为了计算，假设导管162的尺寸如下外径4mm，内径2. 76mm,由于考虑到具有两个 壁，壁厚大约0. 62mm。此外，所用的介电常数是PVC的介电常数。在确定每个子电容器C1、C2、C3的电容时，为了示范性的计算将采用电容器110的 面积。在示范性的实施例中，板140的尺寸假定如下H2是2mm，L2是8. 5mm。因此，板140 的面积是17X10_6m2。为了简化起见，板130也假定具有和板140相同的面积。由于电容器 的电容决定于围绕流体管路的板130和140的共有长度，因此这种简化是合理的。因此，板 130和140的边缘效应将被忽略。表1列出示范性实施例中所用的参数
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表 权利要求
1.一种用于监控流体管路中的流体的设备，包括第一电容器，所述第一电容器包括第一板和第二板，所述第一板和第二板被所述流体 管路分开并且被定位在所述流体管路的相对侧上，使得移动通过所述流体管路的流体在所 述第一板和第二板之间通过；与所述第一电容器连通的处理器；其中所述第一电容器被配置成检测所述流体管路的电容，并且其中所述处理器被配置 成将在所述第一电容器处检测到的电容与参考电容进行比较，以确定所述流体管路中的流 体的组成。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述参考电容是大于约300fF的电容。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述参考电容是大于约350fF的电容。
4.根据权利要求1所述的设备，还包括与所述第一电容器连通的电容数字转换器。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述电容数字转换器被配置成检测10-18法拉第 量级的电容。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述处理器还被配置成当在所述第一电容器处检 测到的电容降到低于阈值时，部分地基于所述流体管路孔径将所述在所述第一电容器处检 测到的电容关联气体体积，从而确定气泡尺寸。
7.根据权利要求1所述的设备，还包括第二电容器，所述第二电容器包括第一板和第三板，所述第一板和第三板被所述流体 管路分开并且被定位在所述流体管路的相对侧上，以使得移动通过所述流体管路的流体在 所述第一板和第三板之间通过；其中所述第二电容器被配置成检测所述流体管路的电容，并且其中所述处理器被配置 成将在所述第二电容器处检测到的电容与参考电容进行比较，以确定所述流体管路中的流 体的组成。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述处理器还被配置成从在一个电容器处检测到 的电容减去在另一个电容器处检测到的电容，以得到差分电容。
9.根据权利要求7所述的设备，还包括与所述第一电容器和所述第二电容器连通的电容数字转换器。
10.根据权利要求7所述的设备，其中所述第二板和所述第三板彼此分开大于8mm的距1 。
11.根据权利要求7所述的设备，其中所述处理器还被配置成当在所述第一电容器处 检测到的电容降到低于第一阈值时，将所述在所述第一电容器处检测到的电容关联第一时 间，其中所述处理器被配置成当在所述第二电容器处检测到的电容降到低于第一阈值时， 将所述在所述第二电容器处检测到的电容关联第二时间，并且其中所述处理器被配置成部 分地基于所述流体管路孔径以及所述第一电容器降到低于所述第一阈值的所述第一时间 和所述第二电容器降到低于所述第一阈值的所述第二时间之间的时间差确定气泡的尺寸。
12.一种用于确定流体管路中是否存在气体的方法，包括使流体通过所述流体管路，其中所述流体管路至少部分地被第一电容器围绕；在所述第一电容器处检测所述流体管路的电容；将在所述第一电容器处检测到的电容与参考电容进行比较；并且基于在所述第一电容 器处检测到的电容与所述参考电容的比较确定所述流体管路中是否存在气体。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括 如果检测到的电容低于阈值，则触发报警。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述流体管路至少部分地被第二电容器围绕。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括 在所述第二电容器处检测所述流体管路的电容；将在所述第二电容器处检测到的电容与参考电容进行比较；以及 基于在所述第二电容器处检测到的电容与所述参考电容的比较确定所述流体管路中 是否存在气体。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括从在一个电容器处检测到的电容减去在另一个电容器处检测到的电容，以得到差分电容。
17.一种用于确定在流体管路中的气泡流动速率的方法，包括使流体通过流体管路，其中所述流体管路至少部分地被第一电容器和第二电容器围 绕，并且其中所述第一和第二电容器沿着所述流体管路被相互间隔开，以形成电容监控距 1 ；确定所述第一电容器处的电容降到低于第一阈值的第一时间； 确定所述第二电容器处的电容降到低于所述第一阈值的第二时间； 从确定的所述第二时间减去确定的所述第一时间，以得到气泡移动时间；以及 部分地基于所述气泡移动时间和所述电容监控距离确定气泡流动速率。
18.根据权利要求17所述的方法，其中确定气泡流动速率包括 用所述电容监控距离除以所述气泡移动时间，以得到气泡流动速率。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一阈值是参考电容。
20.根据权利要求19所述的方法，其中确定在所述第一电容器处的电容降到低于所述 第一阈值的第一时间包括在所述第一电容器处检测所述流体管路的电容； 将在所述第一电容器处检测到的电容与所述参考电容进行比较； 其中如果在所述第一电容器处检测到的电容降到低于所述参考电容，则记录检测到所 述被检测到的电容的时间。
21.根据权利要求20所述的方法，其中确定在所述第二电容器处的电容降到低于所述 第一阈值的第二时间包括在所述第二电容器处检测所述流体管路的电容； 将在所述第二电容器处检测到的电容与所述参考电容进行比较； 其中如果在所述第二电容器处检测到的电容低于所述参考电容，则记录检测到所述被 检测到的电容的时间。
22.一种用于确定在流体管路中的气泡尺寸的方法，包括提供至少部分地围绕所述流体管路且具有用于流体在内部流动的孔径的第一电容器；通过当所述第一电容器处的电容降到低于阈值时测量所述第一电容器处的电容而检 测在所述流体管路中气泡的存在；以及部分地基于所述流体管路孔径使在所述第一电容器处测量的电容关联气体体积。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括提供至少部分地围绕所述流体管路的第二电容器，其中所述第一和第二电容器沿着所 述流体管路被彼此间隔开，以形成电容监控距离；以及通过当所述第二电容器处的电容降到低于阈值时测量所述第二电容器处的电容而检 测在所述流体管路中气泡的持续存在。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括从在所述第一电容器处测量的电容减去在所述第二电容器处测量的电容，以得到差分 电容；以及部分地基于所述流体管路孔径使所述差分电容关联气体体积。
25.根据权利要求M所述的方法，其中所述气泡的长度小于所述电容监控距离。
全文摘要
本发明公开一种用于监控流体管路中的流体的方法和设备。该设备包括第一电容器和与该第一电容器连通的处理器。该第一电容器被配置成检测在该第一电容器处的流体管路的电容。该处理器被配置成将在第一电容器检测到的电容与参考电容进行比较，以确定在第一电容器处流体管路中的流体的组成。在一些实施例中该设备还包括第二电容器。该第二电容器被配置成检测在该第二电容器处的流体管路的电容。该处理器被配置成将在第二电容器检测到的电容与参考电容进行比较，以确定在第二电容器处流体管路中的流体的组成。
文档编号G01N27/22GK102066882SQ200980122792
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月18日 优先权日2008年6月19日
发明者H·布朗 申请人:康尔福盛303有限公司