一种血液净化用微小气泡动态监测方法和装置与流程

1.本发明涉及血液净化设备技术领域，具体而言，涉及一种血液净化用微小气泡动态监测方法和装置。


背景技术：

2.血液净化设备是一种将患者血液引出体外，并除去血液中某些致病物质，净化血液，达到治疗疾病目的的设备。目前，在血液净化设备中，患者的血液从体内流出经由管路构成的体外循环回到体内；在体外循环过程中，血液循环回路有可能混入空气，并经静脉血管流入人体，这将危及患者生命安全，引发重大医疗事故。因此，对管路中混入空气和气泡的情况进行监测显得尤为重要。目前，通常采用超声波式的空气监测器来实时、连续、可靠地监测血液体外循环的静脉回流段是否有气泡的存在。
3.现有技术中，通常采用向管路发送超声波，再检测穿过管路后超声波信号的幅值，来判断气泡大小，对气泡持续时间进行积分，从而实现为微小气泡报警。如申请号为cn200520010559.9的发明专利，公开了一种血液净化设备的超声空气监测器，由超声波发射电路、超声换能器、超声波接收电路及动态电平甄别电路组成，采用单片机作为超声波发射电路的发射源，保证了超声波发射频率的稳定性；采用动态电平甄别电路，故对除泡器在声传感器上夹持的位置不敏感，只有在确定气泡状态下才报警，排除了误报，保证了检测过程的稳定性和可靠性。但现有的检测方法和装置无法识别管路内液体是流动还是静止的，无法甄别液体静止时产生的微小气泡，导致即使液体静止时产生气泡仍然出现错误报警，从而影响设备的正常使用。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在无法识别管路内液体是流动还是静止的，无法甄别液体静止时产生的微小气泡，导致即使液体静止时产生气泡仍然出现错误报警的技术问题之一。
5.为此，本发明第一方面提供了一种血液净化用微小气泡动态监测方法。
6.本发明第二方面提供了一种血液净化用微小气泡动态监测装置。
7.本发明提供了一种血液净化用微小气泡动态监测方法，血液净化过程中患者的血液从体内流出经由管路构成的体外循环回到体内，包括以下步骤：
8.s1、测量超声波信号穿过管路后的幅值和频率；
9.s2、根据s1中测量的频率，利用频差法计算管路内液体流速；
10.s3、根据s1中测量的幅值，判断管路内是否存在气泡，若不存在气泡，则返回s1；若存在气泡，则根据气泡的体积对气泡进行分类，当气泡体积超过限定值时，判定为大气泡，并进行下一步；当气泡体积低于限定值时，判定为小气泡，则返回s1；
11.s4、当管路内液体流速大于零且管路内存在大气泡时，发出警报；和/或，对管路内液体流速大于零时产生的小气泡的数量进行累计，当管路内液体流速大于零时产生的小气
泡的数量达到设定的上限时，发出警报。
12.根据本发明上述技术方案的一种血液净化用微小气泡动态监测方法，还可以具有以下附加技术特征：
13.在上述技术方案中，步骤s1中测量超声波信号穿过管路后的频率的方法如下：
14.在血液管路一侧设置第一超声波检测单元，另一侧设置第二超声波检测单元；
15.驱动第一超声波检测单元或第二超声波检测单元发出超声波脉冲信号，超声波信号经过血液管路后被第二超声波检测单元或第一超声波检测单元接收，对接收端的超声波信号进行放大、整形和鉴别后触发发送端继续发送下一个脉冲信号，若干次循环后得到一个脉冲序列，测量脉冲序列的频率作为超声波信号穿过管路后的频率。
16.在上述技术方案中，步骤s2中利用频差法计算管路内液体流速的方法如下：
[0017]v液
＝(f
up-f
down
)*l/(2*cosθ)；
[0018]
其中，v
液
为管路内液体流速；f
up
为上行测量频率，即第一超声波检测单元发出超声波脉冲信号，第二超声波检测单元接收超声波脉冲信号时所形成脉冲序列的频率；f
down
为下行测量频率，即第二超声波检测单元发出超声波脉冲信号，第一超声波检测单元接收超声波脉冲信号时所形成脉冲序列的频率；l为超声波脉冲信号在液体介质中从发送端到接收端传播的距离；θ为第一超声波检测单元与第二超声波检测单元之间的连线和管路液体流动方向的夹角。
[0019]
在上述技术方案中，s3中，第一超声波检测单元发出超声波脉冲信号，超声波脉冲信号经过管路后被第二超声检测单元接收，成为待测信号，利用待测信号的幅值偏移量判断血液内是否存在气泡，存在气泡时，将待测信号的电平与设定的固定电平相比较，从而判断产生的气泡为大气泡或小气泡。
[0020]
在上述技术方案中，s4中，对管路内体积超出最低限值的小气泡的数量进行累计。
[0021]
本发明还提供了一种血液净化用微小气泡动态监测装置，包括：
[0022]
超声波检测模块，用于测量超声波信号穿过管路后的幅值和频率，包括第一超声检测单元和第二超声检测单元，所述第一超声检测单元和第二超声检测单元分别位于管路的两侧，且两者之间传递有超声波信号；
[0023]
液体流速测试模块，与超声波检测模块相连，用于通过频差法计算管路内的液体流速；
[0024]
波形整形模块，与超声波检测模块相连，用于对超声波检测模块测试过程中产生的超声波信号进行放大和整形；
[0025]
比较模块，与波形整形模块相连，根据波形整形模块的输出信号，判断管路内是否存在气泡，并将气泡的体积与限定值进行比较，气泡体积高于限定值时为大气泡，气泡体积低于限定值时为小气泡；
[0026]
控制模块，分别与液体流速测试模块和比较模块相连，用于接收液体流速测试模块和比较模块传递的信号，以完成液体流速的计算和气泡大小的判定，并根据液体流速和气泡大小判断管路内是否存在影响患者安全的气泡；
[0027]
报警输出模块，与控制模块相连，当管路内存在影响患者安全的气泡时发出警告。
[0028]
根据本发明上述技术方案的一种血液净化用微小气泡动态监测方法，还可以具有以下附加技术特征：
[0029]
在上述技术方案中，所述比较模块包括：
[0030]
大气泡比较单元，与波形整形模块相连，用于将波形整形模块的输出信号与设定的固定电平比较，根据比较结果输出表示是否为大气泡的电平信号；
[0031]
小气泡比较单元，与波形整形模块相连，用于将波形整形模块的输出信号与设定的固定电平比较，根据比较结果输出表示是否为小气泡的电平信号。
[0032]
在上述技术方案中，所述控制模块还用于对小气泡的数量进行累计，当小气泡的数量达到设定的上限时，控制报警输出模块发出警报。
[0033]
在上述技术方案中，所述控制模块通过spi接口与液体流速测试模块相连。
[0034]
在上述技术方案中，所述第一超声检测单元和第二超声检测单元之间的连线与管路内液体流动方向的夹角为30
°
～60
°
。
[0035]
综上所述，由于采用了上述技术特征，本发明的有益效果是：
[0036]
采用超声波流速测量和幅值测量相结合，只对流动液体的微小气泡进行累计，从而准确计量微小气泡，实现微小气泡监测报警和减少误报，提高设备适应性。
[0037]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0038]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0039]
图1是本发明一个实施例的一种血液净化用微小气泡动态监测装置的结构示意图；
[0040]
图2是本发明一个实施例的一种血液净化用微小气泡动态监测方法中利用频差法计算管路内液体流速的原理图；
[0041]
图3是本发明一个实施例的一种血液净化用微小气泡动态监测方法的流程图。
具体实施方式
[0042]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0043]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0044]
下面参照图1至图3来描述根据本发明一些实施例提供的一种血液净化用微小气泡动态监测方法和装置。
[0045]
本技术的一些实施例提供了一种血液净化用微小气泡动态监测方法。
[0046]
如图1至图3所示，本发明第一个实施例提出了一种血液净化用微小气泡动态监测方法，血液净化过程中患者的血液从体内流出经由管路构成的体外循环回到体内，包括以下步骤：
[0047]
s1、测量超声波信号穿过管路后的幅值和频率；
[0048]
步骤s1中测量超声波信号穿过管路后的频率的方法如下：
[0049]
在血液管路一侧设置第一超声波检测单元，另一侧设置第二超声波检测单元；
[0050]
驱动第一超声波检测单元或第二超声波检测单元发出超声波脉冲信号，超声波信号经过血液管路后被第二超声波检测单元或第一超声波检测单元接收，对接收端的超声波信号进行放大、整形和鉴别后触发发送端继续发送下一个脉冲信号，若干次循环后得到一个脉冲序列，测量脉冲序列的频率作为超声波信号穿过管路后的频率。
[0051]
s2、根据s1中测量的频率，利用频差法计算管路内液体流速；
[0052]
步骤s2中利用频差法计算管路内液体流速的方法如下：
[0053]v液
＝(f
up-f
down
)*l/(2*cosθ)；
[0054]
其中，v
液
为管路内液体流速；f
up
为上行测量频率，即第一超声波检测单元发出超声波脉冲信号，第二超声波检测单元接收超声波脉冲信号时所形成脉冲序列的频率；f
down
为下行测量频率，即第二超声波检测单元发出超声波脉冲信号，第一超声波检测单元接收超声波脉冲信号时所形成脉冲序列的频率；l为超声波脉冲信号在液体介质中从发送端到接收端传播的距离；θ为第一超声波检测单元与第二超声波检测单元之间的连线和管路液体流动方向的夹角。
[0055]
具体地，如图2所示，第一超声波检测单元发送一个超声波脉冲信号，声波在液体介质中传播一段距离l后，被第二超声波检测单元接收到并转换为微小电信号，微小电信号在信号单元中经过放大、整形和鉴别后再次触发第一超声波检测单元发送下一个脉冲信号，如此循环往复，得到一个声脉冲序列，通过测量单元测量出声脉冲序列的频率，即上行测量频率f
up
；
[0056]fup
＝1/t1＝1/(l/v)＝1/(l/(v0+v
液
*cosθ)＝(v0+v*cosθ)/l；
[0057]
其中：t1是超声波在l上的传播时间；v是超声波在l上的传播综合速度；v0是超声波在l上的传播标准速度。
[0058]
然后，控制第二超声波检测单元发送一个超声波脉冲信号，声波在液体介质中传播一段距离l后，被第一超声波检测单元接收到并转换为微小电信号，微小电信号在信号单元中经过放大、整形和鉴别后再次触发第二超声波检测单元发送下一个脉冲信号，如此循环往复，得到一个声脉冲序列，通过测量单元测量出声脉冲序列的频率，即下行测量频率f
down
；
[0059]fdown
＝1/t1＝1/(l/v)＝1/(l/(v0-v
液
*cosθ)＝(v0-v
液
*cosθ)/l；
[0060]
根据频差法，则有：
[0061]fup-fdown＝2v
液
*cosθ/l；
[0062]
则：
[0063]v液
＝(f
up-f
down
)*l/(2*cosθ)。
[0064]
s3、根据s1中测量的幅值，判断管路内是否存在气泡，若不存在气泡，则返回s1；若存在气泡，则根据气泡的体积对气泡进行分类，当气泡体积超过限定值时，判定为大气泡，并进行下一步；当气泡体积低于限定值时，判定为小气泡，则返回s1；
[0065]
s3中，第一超声波检测单元发出超声波脉冲信号，超声波脉冲信号经过管路后被第二超声检测单元接收，成为待测信号，对待测信号进行一次检测，利用待测信号的幅值偏移量判断血液内是否存在气泡，存在气泡时，幅值偏移量较大，导致待测信号的电平相较于
不存在气泡时变低，通过比较判断即可得出是否存在气泡；判定存在气泡后，将待测信号的电平与设定的固定电平相比较，从而判断产生的气泡为大气泡或小气泡；其中设定的固定电平为气泡体积为a1时待测信号所对应的电平值，具体地，a1可设置为20ul，也可根据需要将a1设置为15ul、18ul、22ul、25ul等；当待测信号的电平不高于设定的固定电平时，即证明该气泡的体积不小于a1，判定为大气泡，当待测信号的电平高于设定的固定电平时，即证明该气泡的体积小于a1，判定为无气泡或有小气泡。
[0066]
s4、当管路内液体流速大于零且管路内存在大气泡时，发出警报；和/或，对管路内液体流速大于零时产生的小气泡的数量进行累计，当管路内液体流速大于零时产生的小气泡的数量达到设定的上限时，发出警报。
[0067]
s4中，对管路内体积超出最低限值的小气泡的数量进行累计。
[0068]
为进一步减少误报，需要设置小气泡体积的最低限值a2，即气泡体积小于a1且不小于a2时才进行小气泡数量的累计，a2可设置为0.3ul，也可根据需要将a2设置为0.1ul、0.2ul、0.4ul等；可先对待测信号进行是否为大气泡的判定，再进行是否为小气泡的判定；也可同时进行判定。
[0069]
本发明第二个实施例提出了一种血液净化用微小气泡动态监测方法，且在第一个实施例的基础上，如图1至图3所示，如图3所示，首先mcu对各个功能部件、内部电路、外部芯片和端口进行初始化，mcu通过spi接口电路自动进行频率测量，得到f
up
；mcu通过spi接口对tdc-gp22进行控制切换到下行测量，电路自动进行频率测量，得到f
down
；mcu通过计算得到液体流速v
液
；重复不间断进行液体速度的测量。
[0070]
气泡报警流程中，先检测是否有气泡，如果没有就循环检测；
[0071]
检测到气泡时，如果为“大气泡”且液体速度大于0，则报警；
[0072]
如果不是大气泡，为“小气泡”且液体的速度大于0，则进行计数累计，当计数达到一定次数就作为有危险气泡进行报警。
[0073]
本发明第三个实施例提出了一种血液净化用微小气泡动态监测装置，且在上述任一实施例的基础上，如图1至图3所示，包括：
[0074]
超声波检测模块，用于测量超声波信号穿过管路后的幅值和频率，包括第一超声检测单元和第二超声检测单元，所述第一超声检测单元和第二超声检测单元分别位于管路的两侧，且两者之间传递有超声波信号；所述第一超声检测单元和第二超声检测单元可采用压电陶瓷；
[0075]
所述第一超声检测单元和第二超声检测单元之间的连线与管路内液体流动方向的夹角为30
°
～60
°
，具体地，可设置为45
°
。
[0076]
液体流速测试模块，可采用gp22，与超声波检测模块相连，用于通过频差法计算管路内的液体流速；
[0077]
波形整形模块，与超声波检测模块相连，用于对超声波检测模块测试过程中产生的超声波信号进行放大和整形；
[0078]
比较模块，与波形整形模块相连，根据波形整形模块的输出信号，判断管路内是否存在气泡，并将气泡的体积与限定值进行比较，气泡体积高于限定值时为大气泡，气泡体积低于限定值时为小气泡；
[0079]
所述比较模块包括：
[0080]
大气泡比较单元，与波形整形模块相连，用于将波形整形模块的输出信号与设定的固定电平比较，根据比较结果输出表示是否为大气泡的电平信号；
[0081]
小气泡比较单元，与波形整形模块相连，用于将波形整形模块的输出信号与设定的固定电平比较，根据比较结果输出表示是否为小气泡的电平信号。
[0082]
控制模块，采用微控制单元mcu，分别与液体流速测试模块和比较模块相连，用于接收液体流速测试模块和比较模块传递的信号，以完成液体流速的计算和气泡大小的判定，并根据液体流速和气泡大小判断管路内是否存在影响患者安全的气泡；
[0083]
检测到大气泡时，判定为存在影响患者安全的危险气泡；检测为小气泡时，对小气泡的数量进行累计，当小气泡的数量达到设定的上限时，控制报警输出模块发出警报。
[0084]
报警输出模块，与控制模块相连，当管路内存在影响患者安全的气泡时发出警告。
[0085]
本发明第四个实施例提出了一种血液净化用微小气泡动态监测方法，且在上述任一实施例的基础上，利用波形整形模块，实现将超声波的小信号放大为1000mv级别的电信号并输出至比较模块，供比较模块判断；
[0086]
在大气泡比较器中通过设定的固定电平，给定一个参考信号，将参考信号和波形整形模块的输出信号相比较，波形整形模块输出信号的信号电压低于参考信号则输出低电平(
‘0’
)，表示“有大气泡”；如果波形整形模块输出信号的信号电压高于参考信号则输出高电平(
‘1’
)，表示“无大气泡”；
[0087]
在小气泡比较器中通过设定的固定电平，给定另一个参考信号，将参考信号和波形整形模块的输出信号相比较，波形整形模块输出信号的信号电压低于参考信号则输出低电平(
‘0’
)，表示“有小气泡”；如果波形整形模块输出信号的信号电压高于参考信号则输出高电平(
‘1’
)，表示“无小气泡”。
[0088]
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0089]
凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。