CN101951987A - 高精度输注泵控制器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于输注器件的闭环控制的控制器。描述了使用闭环控制架构的各种输注系统。在某些实施例中，所述闭环控制可适用于当今常用的输注装置，例如重力馈给静脉内输注系统。其它实施例描述了输注泵系统，所述输注泵系统使用弹簧、弹性体、旋转马达和线性马达的偏置机构或驱动机构。

Description

高精度输注泵控制器
相关申请的交叉引用
此申请要求相同发明人于2007年9月17日提交的标题为″MoreApparatuses for Low Cost Infusion Pumps(用于低成本输注泵的更多装置)″的当前未决美国临时专利申请60/994,194，以及相同发明人于2007年11月15日提交的标题为″Cost-Effective，High Precision InfusionPumps(低成本高精度输注泵)″的当前未决美国临时专利申请61/003,384的优先权，通过引用将它们并入本文。
技术领域
本发明提出了用于输注泵的装置，输注泵控制器，而且描述了用于它们的控制方法。
背景技术
输注泵将流体、药剂或者营养剂注入接受治疗的患者的循环系统中。如果由医务人员以手动操作的方式用输注泵施予流体，则会造成不切实际地昂贵或者不可靠。商用输注泵能在单次注射(singleinjection)中施予小到几十纳升的注射液，而且典型地能每小时连续输送不到100微升的注射液。这些输送容积级别对滴注而言太小，而且输送速率和定时对手动注射来说不现实。输注泵能以预定时间间隔，例如每分钟，输送注射液，而且能以患者需要的重复的快速推注直至每小时预选最大数量(例如在患者自控无痛范围内)来输送注射液。还能够对输注泵进行编程以输送容积随时日而变化的流体。
由于这些输注泵还能产生相当大的压力，因而它们还能皮下地(皮肤以下)或硬膜外地(只是在中枢神经系统的表面内-常用的用于分娩的局部脊髓麻醉)注射控制量的流体。不同种类的输注包括但不限于：
连续输注，通常根据泵的设计由20纳升至100微升之间的输注小脉冲组成，且这些脉冲频率取决于编程的输注速度。
间歇性输注，其具有″高″输注速率，且可以交替以低的可编程输注速率以保持插管打开。定时是可编程的。此方案常用于施予抗生素或者能够刺激血管的其它药物。
患者自控镇痛法(PCA)，其为按需要进行的输注，通常用预编程的最高限度来避免中毒。用患者能激活的压垫或者按钮来控制速率。这就是患者自控镇痛法(PCA)的可选方法。
肠外营养法，通常需要类似于正常进餐时间的输注曲线。
硬膜外患者自控镇痛法(PCEA)，其为相关术语，描述的是通过间歇性快速推注或者输注泵在硬膜外腔中的镇痛药的患者自控施予。这对癌症晚期患者最常用。
尽管已开始将输注泵用于很小容积的通常强效药物，但输注泵的精确度仍然成问题。市场上可买到的输注泵的近期研究发现，输送容积存在明显误差。在某些情况下，典型地用于校准的长时间的输送量可精确到百分之几。但已经发现，在短的时标内输送的容积和输送速率与目标设定存在达50％的差异。给药剂量过多或者给药剂量不足，会导致对强效药物的短期不良反应以及多次给药请求。而且还发现输送容积随温度明显变化。这导致限制了输注泵对于某些治疗的应用，这些治疗受到给药剂量过多和给药剂量不足的有害影响的限制。以小容积输送的极其强效药物并非当今输注泵技术的候选者。
输送误差的原因有多种。许多输注泵将一次性注射器用作增压室。这些输注泵使用单次性或者一次性注射器，从而对于避免药物的潜在交叉污染是非常理想的。但是，这些类型的注射器会发生改变，且用来移动注射器活塞或者柱塞给定距离以输送给定容积所需的力，可能随注射器不同而不同。没有合适反馈控制系统，这种力的变化将导致输送容积的误差。此外，已发现，来自目前技术的泵的输送容积随着温度的改变而发生变化。此变化的主要因素也可能是随着温度而变化的药物粘度。输送容积还可能受到对注射液的背压或者阻力的影响。为利用输注泵在能够实现皮下注射和硬膜外注射的压力下输送药物的性能，需要对输送容积进行小心控制，尤其在生物环境中提供对于注射液的变化的背压或者阻力的情况下。其它尚未知道的因素也可能很重要。需要一种系统来确保精确且可再现的输送容积和输送压力(此将不是起初输送容积-该压力可随实际部件而变化，以使得输送容积精确；当然，我们还可利用力的控制来保证精确输送压力)。
另外，正在开发或者已经开发了新的机构来驱动(施予)注射液(和/或输注液)。找到了简化机构，能利用重力和弹簧驱动泵机构来输送需要的剂量。这些简单系统省去了马达驱动和相关联的电子设备及其大功耗。这些系统能提供新水平的可靠性和紧凑度，而且大大降低了成本。但是，需要新的控制机构。
闭环反馈控制机构在机器人技术、机械以及机器控制中是已知的。但这些控制方法在医疗设备例如输注泵中仍然是缺乏的。传统的伺服马达驱动器包括比例积分微分位置环(PID)以及比例位置环积分和比例速度环(PIV)反馈控制方案，及其它非线性控制方案。下文中将上述方案简称为″反馈控制方案″(这样听起来很好，如果您不这样认为，可使用其它术语)。需要开发这样的反馈控制方案与马达驱动输注泵一同使用。另外，简单的非马达驱动输注机构需要同等有效的控制装置。不必将已知的反馈控制方案，PID和PIV，直接应用于非马达驱动泵系统。要求新的控制方案，无论用来驱动泵的方法是什么方法，都精确而可再现地输送非常小的容积。马达驱动注射器、弹簧驱动注射器、重力馈给器、弹簧袋、蠕动泵及其它部件需要新的方案。控制方案必须能适应输注泵的医学和生物学应用中的独特变化来源。控制方案必须在存在温度、粘度、背压变化以及机构部件中的制造变化的情况下，随时间提供精确的输送容积。
能够将此处提出的装置直接用于或者进行简单修改用于医学领域中所使用的所有不同输注方法。注意，这里提出的装置不代表穷举的目录，而只是这里提出的装置的代表。因此，本领域的技术人员通过扩展能够获得的装置包括在此申请的意图范围内。
发明内容
本发明的一个实施例包括输注泵的系统架构设计，而且描述了该设计的多个示例。该系统架构实现了对于各种输注泵物理设计的闭环反馈控制。该系统架构实现了在剂量容积和剂量速率的范围内的精确而准确的给药。在一个实施例中，该架构与低成本重力馈给输注系统一同使用。在另一实施例中，该架构被示出为应用于弹簧驱动输注系统。在又一实施例中，该系统架构为伺服马达驱动泵提供精确控制。在一个实施例中，泵为注射泵。
本发明的其它实施例包括能容易地附接于传统静脉内输注系统的集成传感器机构和控制器。提供用于重力馈给静脉内输注系统的集成液滴计数器和控制器。另一实施例包括共同提供控制机构的控制器和致动器，该控制机构通过挤压或者释放输注机构的出口管来控制流量。在一个实施例中，控制器接收来自液滴计数器的流量信号。另一实施例中，控制器接收来自编码器的流量信号，该编码器被结合在注射器柱塞中或附接于注射器柱塞，用以检测和测量移动。在优选实施例中，控制机构包括电磁致动钳。另一实施例中，利用例如偏置凸轮机构的其它机构来挤压该管。
在另一实施例中，弹簧驱动注射器包括用于剂量的容积和速率的反馈机构，而且还包括控制器，该控制器通过使用上述反馈控制方案来确保准确而精确的输送速率。该注射器实现了一种给药，其中，较高背压可免除重力馈给系统的使用。在一个实施例中，反馈系统包括结合在注射器柱塞中的磁性传感器。在另一实施例中，传感器为与电感线圈偶联的磁柱塞，从而测量柱塞的位置和移动速度，并因此而测量输送容积和速率。按照上述方法在闭环反馈系统中使用所测量的容积和速率。在另一实施例中，电感线圈和磁柱塞也用于通过将电流施加给同轴电感线圈来控制输送速度。在另一实施例中，电感线圈结合在注射器的针筒内。在另一实施例中，电感线圈以偏置方式安装。另一实施例中，用于驱动电感线圈的电流被用作泵的下游压力的量度。其它实施例包括用来确定柱塞位置的电容性编码器、光学编码器及其它磁性编码器。
本发明的其它实施例提供马达驱动注射泵。另一实施例中提供了线性马达驱动泵。在另一实施例中，提供了丝杆驱动注射泵。用于注射器柱塞位置的位置传感器以及用于流量、气泡和压力的光学传感器及其它传感器的组合，被包括在用于输送容积和输送速率的闭环控制系统中。在另一实施例中，传感器还提供了一种用于故障，例如堵塞、泄漏或者管断开，的故障保险系统。
在另一实施例中，驱动机构为外部弹簧机构。可将“现成”的注射器安装到该机构内用以提供泵系统。在另一实施例中，外部弹簧驱动机构还包括用以检测和测量注射器柱塞的移动的传感器。在另一实施例中，外部弹簧驱动机构还包括控制器和致动器，该控制器和致动器用以提供对来自注射器的液流的闭环反馈控制。在一个实施例中，该致动器为电磁驱动机构，该电磁驱动机构通过挤压附接于注射器针的柔性管来提供流量控制，并借此可控地限制流量。
附图说明
图1是系统架构实施例的框图。
图2是集成流量传感器和控制单元实施例的示图。
图3是集成流量传感器和控制单元实施例的细节剖面图。
图4是示出了使用多个流量传感器和控制单元的实施例的示图。
图5是弹簧驱动注射器实施例的示图。
图6示出了结合铁磁柱塞和电感线圈的实施例的剖面和更详尽视图。
图7示出了结合铁磁柱塞和电感线圈的实施例的细节剖面图。
图8示出了具有以偏置方式安装的电感线圈的注射器实施例。
图9示出了丝杆驱动注射器实施例。
图10示出了线性马达驱动实施例。
图11示出了具有固定丝杆的丝杆和移动马达实施例。
图12示出了外部弹簧驱动机构的多个视图。
具体实施方式
对来自输注系统的液流的控制为本发明的关键特征。系统架构实施例提供了用于输注泵系统的闭环反馈控制的装置的要点。所示出的结构可适用于简单的低成本重力驱动系统以及伺服马达驱动系统。一般而言，该架构适用于所有输注泵的准确控制，其中，利用偏置力(例如马达、弹簧、重力等等)来形成液流，而且提供反馈装置作为实际流速的量度。示出了多个注射系统的物理实施例。该控制架构适用于所有的泵实施例，而且实际上可调整适用于其它医疗设备，参见下面的论述。该架构为模块化和可调整的。该架构由提供对流量的准确而精确的闭环控制的实时控制器组成。以下论述中的术语″偏置机构″表示用于实现输注的流体泵送致动的所有可能方法，非限制性示例包括重力、偏置弹簧、线性马达、滚珠丝杠、电感线圈、螺线管以及音圈致动器。类似地，术语″反馈″表示获得对实际流量的反馈的所有方法，非限制性示例包括光学编码器、磁性编码器、电容式编码器、电感式编码器和用于计数液滴的贯通束传感器以及能转换成流量的压差测量。实时控制器闭合在致动信号与反馈信号之间的回路，以获得准确和精确的流量。该系统还能调节随意指定的流量曲线。实时控制器的另一实施例包括输入和输出(IO)，该输入和输出本质上都可以是数字和模拟的。此IO使得能对医院里的其它医疗设备添加限位开关、安全开关、患者输入部、接口、闭环或者开环，并允许基于此进行输注策略的编程以及系统性能的优化。在一个实施例中，控制器基于选定的参数和来自流量、压力或其他参数的传感器的反馈，使用基于马达的偏置机构的PID或者PIV控制来实现目标输注。一个实施例包括固定偏置机构的闭环控制。示例性固定偏置机构包括重力和弹簧。弹簧包括弹簧驱动注射器柱塞以及弹簧，该弹簧用于压缩供应袋，从而将压力引入系统中来驱动流体流动。另一实施例使用弹性供应袋，该弹性供应袋利用制造该袋的材料的弹性将流体挤出。在另一实施例中，橡胶带或者橡胶环，或者其它弹性材料的带或环，用于提供偏置机构。在另一实施例中，偏置机构包括挤压上述袋的弹簧加载辊。
另一实施例包括在实时控制器与外部设备之间的通信接口，该通信接口可以是有线或无线的。外部设备的非限制性示例包括用于与控制器通信以报告输注参数和设定输注参数的蜂窝电话、PDA、膝上型计算机、台式计算机以及示教盒。这些外部设备能用于泵的编程、关键参数的数据记录、监视以及如果需要在泵送操作中提供外部干涉。注意，通信接口可能驻留在实时控制器上或者如果特别需要可位于独立控制器上。该通信接口还能用于将泵集成到医院管理系统、企业资源规划系统以及客户关系管理系统等等中。注意，如此能将所提出的控制架构应用于任何医疗设备。也因此，该控制架构也代表了用于医疗设备的通用控制器。
另一实施例包括用于重力馈给静脉内系统的传感器和控制器。能将该传感器-控制器附接至传统系统而无需修改。该传感器-控制器由贯通束发射器-接收器组成，该贯通束发射器-接收器相对于储液器和用以压缩连接管作为流量调节装置的装置而安装。在优选实施例中，用以压缩该管的装置为螺线管。在其它实施例中，用以压缩管的装置的非限制性示例包括马达、气动装置、液压装置以及蠕动装置。本部分中的以下描述内容将局限于螺线管而不丧失一般性，应理解的是，本部分中的以下论述也适用于所述的其它致动装置。螺线管和传感器为闭环控制系统的部分。
还提供了多个泵送实施例。在第一实施例中，弹簧驱动注射器使用用于夹紧从注射器伸出的管的机构。注射器针筒的凸缘与用以确定注射器柱塞位置的传感器装置匹配。在一个实施例中，该传感器装置包括嵌入柱塞本体中的磁铁以及附接至注射器针筒组件的阅读器。该传感器装置提供柱塞相对于注射器针筒的位置的测量结果，且因此提供已输送的容积和输送速率。在具有压紧从注射器伸出的管从而控制流量的装置的闭环控制系统中使用此测量结果。由于用于注射器的偏置机构为弹簧，因此，闭环系统解决弹簧随柱塞更进一步进入针筒而释放造成的弹簧力的变化。将弹簧的尺寸选择为，使得在柱塞的任意位置处，都具有足够的偏置压力来实现系统可能需要的最大流速。
注射泵的另一实施例包括铁磁件，其附接于弹簧驱动注射泵上的柱塞。该铁磁件封装在电感线圈内。铁磁体移动通过电感线圈，提供了用于磁铁的位置和移动的传感器装置，且因此，提供了随着附接的柱塞移动到注射器针筒内的流体输送。随后，该传感器被耦联到用以压紧从注射器伸出管的装置和用以提供闭环控制系统的控制器。另一实施例将电感线圈结合到注射器针筒内，从而提供更紧凑的系统。在另一实施例中，电流施加给电感线圈，从而在注射器柱塞上为闭环控制提供附加控制力。另一实施例将铁磁体和电感线圈连接至注射器柱塞，但使它们定位为偏离注射器柱塞和注射器针筒的轴线。
在其它的实施例中，反馈致动装置包括用于控制出流的致动装置，所述用于控制出流的致动装置包括经由可变孔、流量阀、针阀等等的流量调节，而非压缩管的螺线管。在其它实施例中，用来提供偏压来泵送流体的偏置机构包括其它装置，包括但不限于拉簧、电磁装置、磁性装置、气动装置、液压装置以及弹性装置。
在另一实施例中，通过电容性装置来感测在注射器中的柱塞位置和移动。该柱塞嵌有良好电介质材料，或者其本身可由良好电介质材料制成。将一对平行电极定位为使得柱塞含有电介质材料的某区段始终位于该平行电极之间，从而电极由上述柱塞区段进行局部阻挡。随着柱塞移动，电极之间的电介质量发生改变。通过测量电极间的电容，来测量柱塞的位置和速度。在另一实施例中，柱塞位置和移动由光学装置确定。示例性光学装置包括由光栅(grating)组成安装在柱塞上的编码带，且光学读取磁头可安装在针筒凸缘上，从而允许实时测量位置和速度。
在其它实施例中，注射器利用传统伺服马达和相关联的控制装置来驱动。这些机构可以是附接于滚珠丝杠或者丝杆的旋转马达。在这些情况下，旋转编码器可附接于马达以用于马达运动的闭环控制。这些马达也可是线性驱动马达。另外，可结合与其它实施例相关联的传感器。这些传感器包括用于容积测量的液滴计数器以及用于注射器柱塞位置的线性位置检测器。将传感器的组合结合到反馈机构中，以用于精确而准确的容积输送。该马达还以间接压力测量的形式提供附加反馈。驱动马达所需要的电流负载为用于流体输送的背压的指示器。负载测量还可包括在闭环控制内。在另一实施例中，驱动马达上的负载被用作堵塞或者泄漏或者破裂管的故障保险指示器。
系统架构
图1描绘了系统架构的框图。该架构适用于并包括与至少一个输注泵系统相连的接口，上述输注泵系统选自滴注系统101、弹簧驱动注射泵102以及马达驱动注射泵103。在另一实施例中，该系统架构可应用于受益于闭环反馈控制的其它医院系统104。非限制性示例包括使用多轴类型的控制器的医疗机器人的控制，其中来自身体的反馈例如血压必须达到某个值的系统控制，以及控制器利用此反馈来控制系统从而使得压力达到并保持在目标值。类似的系统可将心率用作反馈传感器。该系统还包括接口软件105，该接口软件105为控制器108提供控制算法，并向用户106、107提供通信接口。在实时控制器与外部设备之间的通信接口可以是有线或无线的。外部设备的非限制性示例包括用于与控制器通信而报告输注参数和设定输注参数的蜂窝电话、PDA、膝上型计算机、台式计算机以及示教盒。这些外部设备能够用于泵的编程、关键参数的数据记录、监视以及如果需要在泵送操作中提供外部干涉。注意，通信接口可驻留于实时控制器上，或者如果特别需要可驻留于独立控制器上。该通信接口还能够用于将泵集成到医院管理系统、企业资源规划系统以及客户关系管理系统中。
控制器108是硬件元件，在马达驱动注射系统的情况下提供驱动信号至偏置机构110，以及提供控制信号至致动装置112用以控制各部件(features)例如软管夹紧装置或者其它装置来调节流量。偏置机构表示用于实现输注的流体泵送致动的所有可能方法，非限制性示例包括重力、偏置弹簧、线性马达、滚珠丝杠、电感线圈、螺线管以及音圈致动器。反馈装置111将有关流量、压力及其它系统自控响应的信号提供给控制器。反馈表示获得对实际流量的反馈的所有方法，非限制性示例包括光学编码器、磁性编码器、用于计数液滴的贯通束传感器以及压力转换器。在另一实施例中，反馈还可以是例如驱动马达以获得注射器柱塞的选定移动速率所需要的负载的响应的间接量度。通过位置传感器，例如连接至注射器柱塞的磁性传感器、光学传感器、电容性传感器或其它传感器，来提供注射器柱塞的移动速度。运动控制器还包括I/O接口109，该I/O接口109用于与外部报警系统或者其它外部输入装置例如患者监视设备一起使用。该IO使得能对医院里的其它医疗设备添加限位开关、安全开关、患者输入端、接口(闭环或者开环)，并允许基于此进行输注策略的编程以及系统性能的优化。
在另一实施例中，编码器反馈误差被用作输注液体所需要的力的推算量度。然后，在闭环控制系统中一同使用该推算出的力和流量。编码器反馈误差由等式1给出。
ε(x)＝X-X0               等式(1)
其中，ε为编码器位置的误差，X为实际的编码器位置，而X0为目标编码器位置。目标值X0为时间的函数。输注程序为单位时间输送一容积的注射液或者时间段内输送总容积的注射液的程序。输注程序还可包括在进行输注的总时间内输注速率的编程变化。位置X和X0与保留在注射器中的容积成正比，而且两者之差为要输送的容积。在单参数闭环系统中，周期性地测量X，计算误差ε(x)，并调节致动器电位以最小化误差。误差ε(x)也与对输注液的阻力或者输注流体所需的力成比例。在另一实施例中，还在输注程序中对误差ε(x)进行编程，从而沿着选定的轨线控制输送压力和容积。在一个实施例中，接口软件对控制器进行编程，以基于选定的参数和来自流量、压力或其他参数的反馈，使用基于马达的偏置机构的PID或者PIV控制来实现目标输注。另一实施例包括固定偏置机构的闭环控制。示例性固定偏置机构包括重力和弹簧。弹簧包括弹簧驱动注射器柱塞以及弹簧，该弹簧用于压缩供应袋，从而将压力引入系统来驱动流体流动。
传感器-控制器
现在参照图2，另一实施例包括用于静脉内输注系统的组合传感器和控制器209。能够将该传感器-控制器209附接于传统系统而无需修改。该传感器-控制器有序地安置在供应装置201与连接至患者的管208之间。该传感器-控制器包括：贯通束发射器-接收器204，该贯通束发射器-接收器相对于储液器203安装；以及用以压缩连接管并作为流量调节装置的装置207。在优选实施例中，用以压缩该管的装置为螺线管。在其它实施例中，用以致动螺线管和压缩该管的装置为马达、气动装置以及液压装置。在其它实施例中，用以压缩该管的装置包括由上述任何致动装置驱动的机构或者传动装置(例如辊、连杆、齿轮等等)，当然也可使用螺线管。该传感器-控制器还包括集成的电子控制装置206。该电子控制装置包括处理器、存储器以及存储在存储器中用以计算经过传感器的流量的程序代码。在另一实施例中，传感器还包括输入装置以允许输入用于流量的设定点，且程序代码还包括计算在设定点与测得流量之间的差或者误差的代码，且程序代码还包括算法，以计算供给致动器和可控偏置来通过增大或减小流量来最小化误差的输出信号。
在另一实施例中，传感器-控制器还包括用以测量腔203中的液位的装置205。传感器-控制器的流出量，等于利用液滴传感器测量的流量减去由液位传感器测量的累积在传感器-控制器内的容积。本部分中的以下论述将不失普遍性地局限于螺线管，应理解的是，本部分中的以下论述也适用于所述的其它致动装置。螺线管和传感器为闭环控制系统的部件。
在另一实施例中，流体从供应装置201进入传感器-控制器，该供应装置201为下述容器中的任何一种：弹簧加载容器；其中流体受压的容器；气动加载容器；其中流体经由诸如滚珠丝杠、或丝杆、或齿条、和传动齿轮或者辊的机构排出的容器；以及其中流体利用磁性装置、电磁装置等等排出的容器。该容器基本上可经由包括上述容器的任意一种的广泛多种装置而排出流体。
图3描绘了传感器-控制器209的部件的细节剖面图。管301连接至供应装置。来自袋子的流体以液滴形式经由孔309进入储液器302。传感器-控制器如下所述地自动调节流体的流量。每当流体液滴进入储液器时，该液滴截断来自光发射器304去往光接收器305的光束。示例性光发射器包括发光二极管，而示例性光接收器包括光电二极管。在液滴的前缘(液滴的第一缘)截断传感器光束时，接收器305处的信号下降到低值，而在液滴的后缘脱离传感器光束时，接收器305处的信号恢复到高值。下文将接收器处的信号的上述变化称作脉冲。通过测量脉冲频率而测得的液滴频率对应于容积流速(亦即，该容积流速为液滴频率乘以每个液滴的容积)。在一个实施例中，系统利用脉冲宽度补偿液滴容积的变化。每个脉冲的时间宽度表示每个液滴的容积，而且例如用于但不限于：计算每个液滴的容积；补偿例如由于粘度或者温度造成的液滴尺寸的变化。在另一实施例中，能够将传感器光束设计为在液滴截断通过的位置处很宽，以便即使储液器的轴线与垂直轴线相差很大(亦即即便储液器未保持完全垂直)，设备也能精确工作。注意，利用发射器和接收器处的光学器件(optics)来调整光束的宽度。在另一实施例中，使用多个发射器和接收器，以便由每个液滴来截断多个光束。这样也提供了冗余。在另一实施例中，替代单独的发射器和接收器，能够使用在相同头部具有发射器和接收器的反射传感器。在此情况下，发射器和接收器均容纳在头部304内，而反射器位于相对的头部305处。在另一实施例中，也可在此处提出的设备中使用诸如超声装置的直接流量测量法，诸如层流流量计的传统流量测量法等等。在另一实施例中，接收器信号本质上可以是模拟信号，从而当液滴截断光束时接收器信号的强度变化可用于精确重构液滴形状，从而实现更精确地测量流量。在又一实施例中，使用诸如高速CCD照相机的显影系统连同闪光灯来获取液滴照片，并通过适当的图像处理来计算容积。
在另一实施例中，提供可以是单个传感器或者多个传感器阵列的辅助传感器306，用于测量累积在储液器302中的流体的液位及其变化。这能通过测量储液器中的任意累积物来提供流量测量的额外精确度和确认。如果由于某种原因，在输入期间(input from)产生一些液流累积，则此传感器能够与液滴的频率和尺寸一同用于精确计算流速，并将该传感器用作反馈控制系统的部分。
传感器-控制器的实施例还包括螺线管307，该螺线管307能够被致动用以挤压或者释放伸出管303，从而控制流量。传感器和致动器利用集成电子器件308来控制。
利用闭环控制算法来实现流量控制，其中，使用标称液滴容积将流量设定点计算为液滴速率或频率。液滴计数和液滴尺寸均进行测量。基于实际液滴容积的测量结果来调节标称液滴容积，以及计算流速并将该流速与设定点作比较。螺线管307根据脉冲频率压缩或者释放管303，以达到所需的流速。
在另一实施例中，所述的液滴传感器-控制器与泵(例如蠕动泵及其它泵)内使用的马达集成，从而提供精确的闭环蠕动泵。类似地，能够将液滴传感器与其它形式的输注装置(例如隔膜泵、波纹管、弹性袋等等)集成，以形成精确的闭环输注泵。
在另一实施例中，液滴传感器独自、贯通光束传感器以及选择性地累积传感器用作普通袋(regular bag)静脉内输注系统的辅助。在调节通常使用的辊时，取代使用手表和计数液滴的是，医师使用显示液滴频率的显示器并手动调节辊位置，从而将液滴频率并由此将流速调节为目标值。
在另一实施例中，入口孔309为可变孔。该第二可变孔的目的是，改变进入储液器的液滴的尺寸。为了获得高度精确的流速，可以使用此方法最小化每个液滴的容积，从而最大化每单位流量的液滴数目，实现系统的更高分辨率，这又实现更好的精确度。
如图4所示，另一实施例与能输注大容量(每小时输注1升或更多)的输注泵一同使用。实现大容积输注的很常用解决方法通过如下来实现：使用更大直径的管和在至储液器的入口处使用更大的孔。这导致更大的液滴尺寸，并因此降低了分辨率。此外，还存在关于管直径和孔径在至储液器的入口处不再形成液滴之前能够有多大的物理限制。上述液滴传感器-控制器可用于精确输注大容积：利用T形接头402将来自供应装置401的管路由到两个传感器-控制器403、404，并利用另一T形接头405将从液滴计数器流出的液流汇流成一股。由此，图4所示的配置允许双流(doubling of the flow)，且不会影响系统的分辨率和系统的精确度。解决途径并不仅仅局限于两个液滴计数器。在另一实施例中，多个传感器-控制器用于增大系统的最大流速，而不损害分辨率和精确度。
在另一实施例中，使用单个致动器以挤压下游T形接头405下游的管，该单个致动器未示出，代替用于从储液器伸出的每个管的各个致动器。在这种情况下，对在每个储液器处测得的流量求和，并将其用作总流量，且致动器用于挤压伸出管以控制总流量。
在另一实施例中，图3的单个储液器302与多个孔和液滴传感器进行装配。这将对应于经由多个孔309进入一个储液器本体302的多股液流。参照图4，这将对应于所有传感器和管保持如图所示且两个储液器被合并成包含所示两个储液器的一个储液器的情况。
弹簧偏置注射泵
图5和图6示出了另一实施例。闭环输注泵由带有集成的传感器的弹簧偏置注射器和流量控制装置组成。输注泵包括弹簧偏置注射器，该弹簧偏置注射器包括注射器针筒501和柱塞502。柱塞终止于注射器衬垫503中，从而在柱塞与注射器针筒之间形成液密密封。该注射器由弹簧504驱动或偏置。注射器针筒内容纳的流体经由可压缩管507和输送管或者针509被排出注射器。一系列磁铁505嵌在注射器的柱塞内。注射器针筒的凸缘安装有读磁头506。可压缩管507附接于注射器尖端，而螺线管508或者类似致动器用于压缩该管，从而控制流量。
如下所述地操作泵。将压缩弹簧504的尺寸制成为：利用对应于完全开放的可压缩管孔507的完全开放孔，提供该泵可以使用的任何应用所需要的最大流量。通过当嵌入的磁铁经过读磁头506时测量在读磁头506处获得的信号，来获取用于测量流速和输注液体容积的柱塞502的速度和位置。根据用于处理信号的电子器件的种类，上述信号本质上为正弦电压或电流信号。此正弦信号为柱塞位置的非常精确的指示器。还要注意，如在常用的正-余弦编码器和电感式编码器的情况下，还可对此正弦信号进行插值以实现进一步的精确度。通过利用螺线管508压缩附接于注射器尖端的可压缩管507，来调节流量。螺线管致动信号和来自带有磁铁的柱塞的位置和速度反馈形成用以给出极好控制和精确度的闭环系统。
弹簧偏置注射泵和铁磁传感器
图6和图7所示的另一实施例包括弹簧加载注射器，该注射器的尖端附接有可压缩管，这与已论述的实施例相同。具有注射器本体604以及终止于柱塞上的衬垫606的柱塞605的注射器采用弹簧偏置机构607来驱动柱塞，并经由柔性管609和针610将流体从注射器排出。这里，还利用安装于注射器尖端的电磁致动器608压缩附接于注射器尖端的可压缩管609，来调节经过注射器的流量。但是，取代具有嵌入磁铁的柱塞，在这种情况下，通过附接在这里称为″磁柱塞″的铁磁件602来检测柱塞的位置。磁柱塞与电感线圈603同轴安装，该电感线圈603容纳在针筒604的伸出部601内或者附接于针筒的部分内，如图6和图7所示。通过测量电感线圈603的电感来测量表示输注流体容积和容积流速的注射器柱塞605的位置和速度，该电感线圈603的电感随线圈中磁柱塞602的位置而变化。如在其他实施例的情况下，发送至螺线管的致动信号以及来自电感线圈而对应于线圈电感的信号形成了闭环反馈系统，从而实现极其精确而准确的流体输送。
在另一实施例中，除用作位置反馈以外，磁柱塞602还能用于通过施加适量的电流(用于测量电感的之外)来增大或减小偏置弹簧压力。这实现了进一步的流量调节/控制(由螺线管致动提供的除外)。在另一实施例中，磁柱塞还装配有永磁体612。
在未示出的另一实施例中，不在注射器上的部分内安装电感线圈，取而代之的是，将电感线圈直接安装在注射器针筒上，且注射器的柱塞本身就是铁磁件。
在图8所示的另一实施例中，以偏置方式安装电感线圈。注射器包括注射器本体801、柱塞和衬垫804，且弹簧偏置机构803具有柱塞802，该柱塞连接至在电感线圈810内部行进的磁柱塞808，且该电感线圈与注射器本体并肩保持在第二本体809内。该实施例还包括位于注射器出口处的柔性管806，该柔性管806馈给针807或者其它适合的管，以将流体输送到患者体内。流量由能夹紧柔性管806而减小流量的电磁致动器805控制。
在另一实施例中，除用作位置反馈，磁柱塞808还能用于通过施加适量的电流(用于测量电感的之外)来增大或减小偏压弹簧压力。这实现了进一步的流量调节/控制(由螺线管致动提供的除外)。
在另一实施例中，磁柱塞还装配有永磁体。
在另一实施例中，驱动电感线圈所需的电流可用于监视泵的下游管的压力变化。
所述系统架构还用于提供对于马达驱动注射器的闭环反馈控制。具有丝杆组件的旋转马达驱动注射器和线性马达驱动注射器均可使用。在图9所示的实施例中，利用支架919将注射器安装到滚珠丝杠和导向组件911上。注射器的柱塞906通过旋转马达915的旋转相对于针筒904驱动，该旋转马达能够是AC伺服马达、DC伺服马达和步进马达等等。马达安装有实现对马达的闭环控制的旋转式编码器914。这又实现了对柱塞移动的精确控制，并实现了精确注射。为实现更精确的闭环控制，可将编码器安装在支架912上，且滚珠丝杠和线性导向件安装在该支架上，而编码器读磁头918安装在柱塞所附接的该(可移动的)支架上。
在优选实施例中，通常将滚珠丝杠的螺距选定为大于10mm，以便能驱动滚珠丝杠返回。此配置使得马达对滚珠丝杠的输出处的载荷变化更敏感。这允许通过记录马达的随动误差(following error)变化来检测注射器针筒的压力变化。通过比较马达的实际位置和指令位置来确定随动误差。在另一实施例中，如果应用的压力要求批准(mandate)，则对滚珠丝杠使用小于10mm的螺距。
线性马达驱动的注射泵
在另一实施例中，线性马达被用作偏置机构。图10示出了线性马达驱动注射泵的平面图1004、等视轴图1001、俯视图1003以及正视图1002。线性马达包含：包括永磁体的滑架1006以及安装在固定装置1010中的固定定子1011。在线圈内适当馈给电流使得滑架1006移动。为获得硬度、稳定性和精确度，还如图示使用线性导向件1009对滑架进行导向。注射器柱塞1012附接于滑架1006。通过相对于线性马达定子1011固定地安装编码器1007，来提供注射器位置、速度和加速度的实时反馈。编码器读磁头1008相对于滑架1006固定，且因此而固定至注射器柱塞。此编码器配置实现了流量的极其精确的闭环控制。编码器能够是各种类型的编码器，非限制性示例包括光学传感器编码读磁头以及光学编码带，以及磁性传感器、电感式传感器和电容式传感器与磁性编码器、电感式编码器和电容式传感器的类似组合。
在另一实施例中，针筒内的压力的特征在于监视线性马达的随动误差，该随动误差为线性马达的指令位置和实际位置之间的差。
在其它实施例中，编码器和读磁头的位置改变。在未示出的一个实施例中，编码器直接安装在注射器柱塞上，该注射器柱塞为移动部件。在另一实施例中，编码器直接安装在柱塞上，而读磁头安装在马达定子上的固定位置。在另一实施例中，读磁头安装在固定的注射器针筒上。
利用已描述的类似反馈控制系统来实现线性马达改型。不同点就在于偏置机构在这种情况下为线性马达。因此，该偏置机构是可控制的。先前由可变孔提供的控制，代替为由线性马达来提供。但注意，线性马达具有在双向上驱动柱塞的能力，而压缩弹簧当然只能实现一个方向上的偏置力。
在未示出的另一实施例中，音圈致动器用于偏置机构而非线性马达。移动部件为线圈，且固定部件具有磁铁。
在其它实施例中，磁铁为定子的部分，而线圈被集成到滑架中。
丝杆注射泵
图11示出了另一实施例。通过相对于固定装置1107将注射器针筒1104夹在固定位置，而将注射器1101安装至固定装置。注射器柱塞1102还被钳位1112至可移动装置1103，该可移动装置附接于马达1110。马达的转子1111啮合丝杆1108，以使得马达的旋转来驱动马达，且因此而相对于注射器针筒驱动注射器柱塞，从而将流体从注射器排出。马达附接于在导向件1114内行驶的活动滑架1113，从而获得以最小误差精确移动注射器柱塞的能力。利用读取磁头1115来检测马达的位置，且因此而检测注射器柱塞的位置，该读取磁头1115经由支架1116附接于保持注射器柱塞的同一支架。读取磁头感测相对于移动马达和注射器而固定在位置上的磁铁1109。在另一实施例中，位置读取磁头1115和磁铁1109由其它位置感测装置替代。此类装置的非限制性示例包括光学器件、磁器件、感应器件以及电容性器件。
外部弹簧驱动注射泵
在另一实施例中，偏置机构为结合到安装固定装置中的弹簧，以使得标准的成品注射器可与弹簧偏置机构一同使用。参照图12，注射器1201安装在固定装置1211内，从而注射器的针筒1202相对于固定装置固定。注射器的柱塞1203安装至可相对于固定装置移动的支架1205，并由弹簧偏置机构1207驱动。柔性管1204附接于注射器的出口，而致动装置1206附接于柔性管周围，以使得在致动器致动时能可控地挤压柔性管，从而控制来自注射器的液流。位置传感器装置1208也附接于可移动支架1205，该位置传感器装置能通过感测位置传感器相对于编码带1210的位置来感测可移动支架的位置，且因此而感测固定装置内的注射器柱塞的位置。此类位置传感器装置和编码带的非限制性示例包括光学器件、磁器件、电感性器件以及电容性器件。通过感测注射器柱塞的位置，并使得测得的位置与输注控制器程序中编码的目标位置之间的误差最小，来实现来自注射器的流量的闭环控制。通过打开致动器1206来增大流量，并通过关闭致动器1206来减小流量，其中，关闭装置挤压在柔性管1204上。
总结
描述了一种用于输注器件的闭环控制的控制器。该架构提供用以控制来自输注器件的流量以及在某些实施例中提供控制输送压力的装置。描述了使用该闭环控制架构的各种输注系统。在某些实施例中，闭环控制可适用于当今常用的输注装置，例如重力馈给静脉内输注系统。其它实施例描述了输注泵系统，这些输注泵系统使用弹簧、弹性体、以及旋转马达和线性马达的偏置机构或驱动机构。本领域的技术人员将了解，在不背离本发明的保护范围和精神的前提下，可对优选实施例进行各种修改和变形。因此，应理解的是，除这里具体描述的内容以外，可在所附权利要求的保护范围内实践本发明。

Claims (24)

1.一种用以控制来自输注器件的流量的装置，所述装置包括：
a)输入孔
b)输出孔
c)储液器
d)光源
e)光检测器，其被定位以检测来自所述光源的光，且在所述光源与所述光检测器之间具有间隔，且所述光源和所述光检测器被定位为使得来自所述输入孔的液滴横贯通过所述光源与所述光检测器之间的间隔、至少部分地阻挡从所述光源输出的光，所述检测器具有与从所述光源接收的光的强度成比例的电输出，
f)用以限制来自所述输出孔的流量的装置，所述装置包括致动器，所述致动器可变地挤压附接于所述输出孔的可压缩管，
g)控制器，包括处理器、存储器以及来自所述光检测器的输入信号，且所述存储器容纳由所述处理器执行的程序代码，而所述代码计算与来自所述输注器件的流量成比例的输出信号。
2.根据权利要求1所述的用以控制流量的装置，还包括液位传感器，所述液位传感器具有与所述储液器中流体的液位成比例的输出信号。
3.根据权利要求2所述的用以控制流量的装置，其中所述致动器被电激活，且所述控制器还包括用以将流量设定点输入到所述存储器中的装置，且所述存储器还包含由所述处理器执行的程序代码，所述程序代码具有来自所述光检测器的输入信号以及来自所述液位传感器的输入信号的输入，且所述代码根据所述输入信号计算流量，且所述代码还计算作为所计算的流量与所述流量设定点之间的差的误差，而且所述代码还计算供给所述致动器以可变地挤压所述可压缩管来最小化所述误差的输出信号。
4.根据权利要求1所述的用以控制流量的装置，其中，选择所述输入孔的尺寸以控制液滴尺寸。
5.根据权利要求1所述的用以控制流量的装置，其中，来自所述控制器的输出信号为单位时间落下的液滴的计数。
6.根据权利要求1所述的用以控制流量的装置，其中所述控制器存储器还包括由所述处理器执行的程序代码，所述代码计算从所述输入孔落下的液滴的容积。
7.根据权利要求3所述的用以控制流量的装置，其中所述控制器存储器还包括由所述处理器执行的程序代码，所述代码计算从所述输入孔落下的液滴的容积。
8.根据权利要求3所述的用以控制流量的装置，其中所述控制器存储器还包括由所述处理器执行的程序代码，所述代码计算供给马达的输出信号，所述马达驱动泵，所述泵将流体供应至所述输入孔。
9.一种用以控制来自输注器件的流量的装置，所述装置包括：
a)多个输入孔
b)输出孔
c)储液器
d)多个光源，
e)多个光检测器，每个所述光检测器被定位为检测来自一个所述光源的光且在所述光源与所述光检测器之间具有间隔，且所述光源和所述光检测器被定位为使得来自一个所述输入孔的液滴横贯通过所述光源与所述光检测器之间的间隔、至少部分地阻挡从所述光源输出的光，所述检测器具有与从所述光源接收的光的强度成比例的电输出，
f)用以限制来自所述输出孔的流量的装置，所述装置包括致动器，所述致动器可变地挤压附接于所述输出孔的可压缩管，
g)控制器，包括处理器、存储器以及来自所述光检测器的输入信号，且所述控制器具有与来自所述输注器件的流量成比例的输出信号。
10.根据权利要求9所述的用以控制流量的装置，还包括液位传感器，所述液位传感器具有与所述储液器中流体的液位成比例的输出信号。
11.根据权利要求10所述的用以控制流量的装置，其中所述致动器被电激活，且所述控制器还包括用以将流量设定点输入到所述存储器中的装置，且所述存储器还包含由所述处理器执行的程序代码，所述程序代码具有来自所述光检测器的输入信号以及来自所述液位传感器的输入信号的输入，且所述代码根据所述输入信号计算流量，且所述代码还计算作为所计算的流量与所述流量设定点之间的差的误差，而且所述代码还计算供给所述致动器以可变地挤压所述可压缩管来最小化所述误差的输出信号。
12.根据权利要求9所述的用以控制流量的装置，其中，选择所述输入孔的尺寸以控制所述液滴尺寸。
13.根据权利要求9所述的用以控制流量的装置，其中，来自所述控制器的输出信号为单位时间落下的液滴的计数。
14.根据权利要求9所述的用以控制流量的装置，其中所述控制器存储器还包括由所述处理器执行的程序代码，所述代码计算从所述输入孔落下的液滴的容积。
15.根据权利要求11所述的用以控制流量的装置，其中所述控制器存储器还包括由所述处理器执行的程序代码，所述代码计算从所述输入孔落下的液滴的容积。
16.根据权利要求11所述的用以控制流量的装置，其中所述控制器存储器还包括由所述处理器执行的程序代码，所述代码计算供给马达的输出信号，所述马达驱动泵，所述泵将流体供应至所述输入孔。
17.一种用以控制来自输注器件的流量的装置，所述装置包括：
a)多个输入孔
b)多个输出孔
c)多个储液器
d)多个光源
e)多个光检测器，每个所述光检测器被定位以检测来自一个所述光源的光且在所述光源与所述光检测器之间具有间隔，且所述光源和所述光检测器被定位为使得来自一个所述输入孔的液滴横贯通过所述光源与所述光检测器之间的间隔、至少部分地阻挡从所述光源输出的光，所述检测器具有与从所述光源接收的光的强度成比例的电输出，
f)用以限制来自所述输出孔的流量的装置，所述装置包括致动器，所述致动器可变地挤压附接于所述输出孔的可压缩管，
g)控制器，包括处理器、存储器以及来自所述光检测器的输入信号，且所述控制器具有与来自所述输注器件的流量成比例的输出信号。
18.根据权利要求17所述的用以控制流量的装置，还包括液位传感器，所述液位传感器具有与所述储液器中流体的液位成比例的输出信号。
19.根据权利要求18所述的用以控制流量的装置，其中所述致动器被电激活，且所述控制器还包括用以将流量设定点输入到所述存储器中的装置，且所述存储器还包含由所述处理器执行的程序代码，所述程序代码具有来自所述光检测器的输入信号以及来自所述液位传感器的输入信号的输入，且所述代码根据所述输入信号计算流量，且所述代码还计算作为所计算的流量与所述流量设定点之间的差的误差，而且所述代码还计算供给所述致动器以可变地挤压所述可压缩管来最小化所述误差的输出信号。
20.根据权利要求17所述的用以控制流量的装置，其中，选择所述输入孔的尺寸以控制液滴尺寸。
21.根据权利要求17所述的用以控制流量的装置，其中，来自所述控制器的输出信号为单位时间落下的液滴的计数。
22.根据权利要求17所述的用以控制流量的装置，其中所述控制器存储器还包括由所述处理器执行的程序代码，所述代码计算从所述输入孔落下的液滴的容积。
23.根据权利要求19所述的用以控制流量的装置，其中所述控制器存储器还包括由所述处理器执行的程序代码，所述代码计算从所述输入孔落下的液滴的容积。
24.根据权利要求19所述的用以控制流量的装置，其中所述控制器存储器还包括由所述处理器执行的程序代码，所述代码计算供给马达的输出信号，所述马达驱动泵，所述泵将流体供应至所述输入孔。
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