(57)【要約】超音波エネルギーを使用して、チューブを流れる液体中の気泡及び粒子の少なくとも１方を、非侵襲的かつ非破壊的な方法で検出し、定量化するシステムは超音波センサを有し、この超音波センサは、チューブ壁の外側に対向するように配置される圧電送信器素子及び圧電受信器素子を有し、超音波周波数範囲のエネルギーが送信器素子から受信器素子に向かって伝達される。受信する超音波エネルギーを増幅し、検出し、さらに、液体中の気泡または粒子の欠如及び存在をそれぞれ示す定常状態成分（ＤＣ）及び変動または過渡（ＡＣ）成分に分離することが好ましい。信号の２つの成分はＡ／Ｄ変換器に印加され、Ａ／Ｄ変換器の出力はマイクロプロセッサに供給され、マイクロプロセッサは変動過渡成分の存在に対応するデジタルデータを使用して、気泡及び粒子の少なくとも１方の存在を示し、気泡及び粒子少なくとも１方の特徴を測定する。定常状態成分の存在は、システムが正しく動作していて、継続的なセルフチェックを、どのようなシステム誤動作に対しても実行することができることを示す。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チューブを流れる液体中の気泡及び粒子の少なくとも１方の存在を検出するシステムであって、
互いに対向するように該チューブの外側に取り付けられる送信器素子及び受信器素子を含む超音波センサと、
前記送信器素子に供給され、該チューブを流れる液体を横切って伝達される超音波エネルギー発生器であって、該超音波エネルギーが該受信器素子によって受信されて電気信号に変換され、気泡及び粒子のいずれも液体に含まれない場合に、該電気信号が定常状態成分となり、気泡及及び粒子の少なくとも１方が液体に含まれる場合に、該電気信号が過渡状態成分となる、前記発生器と；
前記センサ受信器からの該電気信号を増幅するアンプと、
前記アンプの出力からの信号をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器と、
該デジタルデータに応答して、液体中の気泡及及び粒子少なくとも１方の存在を、前記アンプの該出力における該信号の振幅の変化により検出するマイクロプロセッサと
を備える、システム。
【請求項２】
更に、該信号を前記アンプの該出力から受信する検出器回路を備え、前記検出器回路の出力は、前記アナログ−デジタル変換器に印加される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記検出器回路は全波検出器である、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
更に、前記検出器回路の該出力における該信号を個別の定常状態成分信号及び過渡成分信号に分離する調整回路を備える、請求項２記載のシステム。
【請求項５】
更に、前記全波検出器の出力における該信号を、前記アナログ−デジタル変換器に印加される個別の定常状態成分信号及び過渡成分信号に分離する調整回路を備える、請求項３記載のシステム。
【請求項６】
前記マイクロプロセッサは、該システムの故障を、該定常状態成分の欠如に応答して検出するように動作する、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記マイクロプロセッサは、該システムの故障を、該定常状態成分信号の欠如に応答して検出するように動作する、請求項３記載のシステム。
【請求項８】
前記マイクロプロセッサは、該システムの故障を、該定常状態成分信号の欠如に応答して検出するように動作する、請求項５記載のシステム。
【請求項９】
前記マイクロプロセッサは、気泡または粒子の特徴を、該過渡成分の特徴に基づいて求めるように動作する、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記マイクロプロセッサは、気泡または粒子の特徴を、過渡成分信号の特徴に基づいて求めるように動作する、請求項３記載のシステム。
【請求項１１】
前記マイクロプロセッサは、気泡または粒子の特徴を、該過渡成分信号の特徴に基づいて求めるように動作する、請求項５記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波エネルギーを使用して、液体流に含まれる気泡及び粒子の少なくとも１方を検出し、定量化するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
医療及び産業分野における技術開発によって、流れる液体に含まれる気泡及び粒子の少なくとも１方を検出し、そして分析する必要が益々高まってきている。産業用途では、粒子汚染により性能が悪化するエンジンオイル及び油圧用作動油のような製品がある。医療分野では、腎臓透析中または心肺移植手術中の血液の空気塞栓の検出を実現する必要がある。
【０００３】
従って、液体流に含まれる気泡及び粒子の少なくとも１方を検出することができるシステムを提供する必要がある。また、このようなシステムを出来る限り簡単に、かつ低コストにすることが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、超音波エネルギーを利用して、チューブを流れる液体中の気泡及び粒子の少なくとも１方を、非侵襲的かつ非破壊的な方法で検出し、定量化する新規システムに関する。本発明によれば、液体が流れているチューブの壁の外側に超音波センサが配置される。センサは、圧電送信器素子及び圧電受信器素子を有する。超音波周波数範囲のエネルギーは送信器素子に供給され、送信器素子は超音波エネルギーをチューブ壁、及びチューブを流れる液体を通り抜けて受信器素子に伝達する。検出素子からの信号は、好ましくは全波検出器により増幅され、検出される。当該信号は、定常状態（ＤＣ）成分及び変動または過渡（ＡＣ）成分を含み、気泡または粒子が液体流に含まれていないことを前者の定常状態成分が示唆し、液体中の気泡または粒子の存在を後者の過渡成分が示唆する。
【０００５】
本発明の好適な実施形態では、検出器により生成される信号を２つの成分に分離し、一方の成分は定常状態成分ＤＣであり、他方の成分は過渡成分ＡＣである。２つの信号成分をアナログ−デジタル変換器に印加し、アナログ−デジタル変換器の出力をマイクロプロセッサに供給し、マイクロプロセッサは、変化する過渡成分の存在に対応するデジタルデータを使用して、気泡及び粒子の少なくとも１方の存在を示唆し、気泡及び粒子の少なくとも１方の特性を測定する。定常状態成分の存在は、システムが正しく動作していて、継続的なセルフチェックをどのようなシステム誤動作に対しても実行することができることを示す。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明のシステムのブロック図である。
【図２】気泡または粒子が液体に全く含まれない状態において、チューブを通って流れる液体におけるセンサ受信器素子の信号出力を示している。
【図３】気泡または粒子がチューブを流れる液体に含まれることによって生じる過渡的外乱を受けるセンサ信号出力を示している。
【図４】検出信号の定常状態（ＤＣ）成分を示している。
【図５】気泡または粒子がチューブを流れる液体に含まれることによって生じる検出信号の過渡成分またはＡＣ成分を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の他の目的及び利点は、以下の明細書及び添付の図面を参照することにより一層明らかになる。
図１は、液体１２が流れているチューブ１０を示している。液体１２は、例えば水、オイル、油圧用作動油、血液、または食塩水である。複数の気泡または粒子１４が液体流１２に含まれる様子を示している。圧電素子１６及び１８の組により形成される超音波センサを、チューブ１０の外壁の反対側に、正反対に対向するように取り付ける。送信器素子１６は、比較的細い超音波エネルギービームをチューブ１０の高さ寸法位置に、または長さ寸法位置に生成する。センサ素子１６及び１８は、液体１２が流れているチューブ１０の外側表面に、いずれかの適切な機械装置によって取り付けることができるので、これらの素子を個々に、または共に、チューブの周りに固定されるハウジング内に配設することができる。本発明の好適な実施形態では、これらの素子は、超音波を伝導する化合物をこれらの素子とチューブ壁外側表面との間に使用することなく、チューブ外壁に対して取り付けられる。
【０００８】
本発明の実用上の適用形態では、チューブ１０は、１／１６”（１．６ｍｍ）〜１／１２”（１．２ｍｍ）の範囲の内径を有する金属チューブまたはガラス製剛性チューブ、またはプラスチック製剛性チューブ、或いは可撓性チューブである。チューブの外径は、使用する材料の種類、及び他の要素によって設定される。図から分かるように、超音波センサの素子１６及び１８はチューブを流れる液体と接触するようになることがない。この構成によって、液体との接触が行なわれることがないので、汚染のない動作が動作状態において実現する。
【０００９】
チューブ１０の一方の側の圧電送信器素子１６は、ＡＮＤゲート２２を介するクロック同期式回路２０によって供給される既知の周波数の、例えば１ｍｈｚ〜１０ｍｈｚの範囲の周波数の超音波エネルギーを受信する。エネルギーは送信器素子１６に、マイクロプロセッサ８０により制御される連続モードまたはバーストモードのいずれかのモードで供給することができる。マイクロプロセッサ８０は、ゲート信号をライン２３を介してＡＮＤゲート２２に供給する。ＡＮＤゲートが、ライン２３を介して供給される信号でオンになると、超音波エネルギーが送信器素子１６によって、チューブ１０、及び当該チューブを流れる液体１２を通って伝達されて、当該エネルギーを圧電受信器素子１８が受信し、この圧電受信器素子１８は、受信した超音波エネルギーを電圧信号に変換する。この動作の全てがこの技術分野では公知である。
【００１０】
センサ受信器素子１８の出力信号は、アンプ２６の入力に印加され、このアンプ２６は、ＲＦアンプのような、高周波数信号を扱うことができるタイプのアンプであることが好ましい。アンプ２６の出力を利得制御アンプ２８の入力に入力する。アンプ２８の出力を検出器回路３０の、好ましくは全波検出回路の入力に入力する。全波検出回路は、過渡信号が、気泡及び粒子の少なくとも１方の種類によって変わる正方向及び負方向の両方に変化し、かつ超音波エネルギーも正及び負に変化するので好ましい。ＡＮＤゲート２２のロックを解除して超音波エネルギーをセンサ送信器素子１６に供給している期間中は、マイクロプロセッサ８０からライン３１を介して送信される信号によって、検出器回路３０への電源供給は停止される。検出器３０の出力信号の一部をゲインアンプ２８にＡＧＣ（自動ゲイン調整）回路３２を介してフィードバックする。これにより、アンプ２８のゲインを一定に維持する。
【００１１】
気泡または粒子１４が、チューブ１０のうち、超音波エネルギーが液体中を送信器素子１６によって伝達される領域を流れる液体１２に含まれない場合について考察すると、検出器３０の出力は定常状態信号またはＤＣ信号となる。この様子を図２のラインＡで示す。図３は、検出器３０の出力に現われ、かつＤＣ成分（ラインＡ）及びＡＣ成分Ｂの両方を有する電圧を示し、これらの成分は、チューブ１０を流れる液体１２の定常状態及び過渡状態の両方を表わす。過渡状態は、気泡または粒子が、送信器素子１６と受信器素子１８との間の超音波のエネルギー経路を横切って通過するときに発生する。
【００１２】
本発明の好適な実施形態では、図３に示すような検出器回路３０の出力を調整回路３６に供給し、調整回路３６は、検出器３０の出力に現われる信号を２つの個別成分に分離する。分離した一方の成分は図４に示す定常状態のＤＣ成分Ａであり、そして他方の成分は図５に示す過渡成分Ｂである。調整によって、検出器３０から受信する信号のＤＣ成分のバッファ出力が可能になる。当該調整回路は、ＤＣ成分をゼロ値に近い値にし、かつ別のアンプによって増幅されるＡＣ成分のみを通過させるＤＣ成分減算アンプを含む。この動作を行なって、以下に説明するように、ＡＣ成分がフルスケール値を有するようにして、当該成分をデジタル値にアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器によって変換する。これにより、８〜１０ビット変換器のような機能的にやや劣るＡ／Ｄ変換器を使用することができる。
【００１３】
出力のＤＣ成分及びＡＣ成分に分離される元の信号である調整回路３６の出力が、それぞれのバッファ回路３７及び３８に供給される。バッファ回路３７の出力に現われる定常状態信号は、システム性能全体を表わし、継続的なセルフチェックを可能にする。すなわち、アンプ２６または２８、検出器３０または調整回路３６のようなシステムのいずれかの電子部品が故障する場合、または圧電送信器素子１６、及び圧電受信器素子１８のうちの一方、または両方が剥がれる場合、バッファ回路３７の出力はゼロとなって故障状態を表わす。
【００１４】
システムを、信号を２つの成分に分離する調整回路３６を使用することなく動作させることは可能である。しかしながら、この動作には、更に高機能の、従って更に高コストのアナログ−デジタル変換器及びマイクロプロセッサが必要になる。システムを、信号を当該信号の２つの成分に分離することなく動作させることによって、システム動作を継続的にセルフチェックすることもできるが、Ａ／Ｄ変換器のフルスケール入力が制限されるので、更に高コストの１２〜１６ビット変換器のような更に高精度のＡ／Ｄ変換器が、気泡サイズまたは粒子サイズを特徴付けるため必要となる。例えば、Ａ／Ｄ変換器が２ボルトのフルスケール入力制限を有する場合、ＤＣ成分に５０％を要することにより５０％しかＡＣ成分に残らないので、気泡または粒子の特徴付けが制限される。
【００１５】
バッファ回路３７及び３８の出力は、高速アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４０の入力に供給される。Ａ／Ｄ変換器４０は個別部品とすることができる、またはマイクロプロセッサ８０の一部とすることができる。Ａ／Ｄ変換器４０は、当該変換器が受信する信号成分を継続的に処理して、例えば１０マイクロ秒ごとにサンプリングし、そしてデジタルデータをマイクロプロセッサ８０に供給して、当該マイクロプロセッサが気泡または粒子の存在を通知し、そして、気泡または粒子のサイズを分析し、そして定量化する。マイクロプロセッサ８０は出力８２を有し、この出力８２は、いずれかの適切なタイプのディスプレイに供給することができるので、システムのオペレータが当該出力を閲覧することができる。
【００１６】
システムが動作している間、気泡または粒子１４が、送信器素子１６によって形成される超音波エネルギー経路を横切って通過すると、定在波包絡線が壊れて、異なる定在波パターンが形成される。センサ受信器素子１８が受信する信号の振幅は、変化が位相シフト及び音響減衰に、超音波エネルギーがチューブ１０を流れる液体中に生起されると生じるので小さくなる。すなわち、気泡または粒子の存在は、超音波の力学的エネルギーを、液体を流すチューブを横切って伝達し、そして受信することにより発生する超音波エネルギーの邪魔になる。気泡及び粒子の少なくとも１方によって力学的エネルギーの一部分が失われ、この部分は、気泡及び粒子の少なくとも１方の容積または直径、及び機械的障害物の大きさによって変わる。気泡及び粒子の少なくとも１方１４が液体１２に含まれることに起因する摂動によって生じる、受信信号の振幅の変化は、高周波数アンプ２６、ゲインコントロールアンプ２８、及び検出器回路３０により検出される。
【００１７】
マイクロプロセッサ８０は、当該マイクロプロセッサがデジタル信号を高速Ａ／Ｄ変換器４０から受信するときに、パルス高分析器のように動作する。バッファ回路３８から受信する信号成分をサンプリングすることによりマイクロプロセッサ８０が検出する、定常状態に対する過渡信号の振幅高さ変化は、気泡及び粒子の少なくとも１方のサイズを表わす。マイクロプロセッサ８０はまた、過渡信号の期間、及び経時的な当該信号の振幅変化を測定し、気泡及び粒子の少なくとも１方の容積または直径を定量化するように動作するようにプログラムされる。すなわち、気泡及び粒子のサイズが異なることにより、これらの気泡及び粒子の相対的断面積に起因する異なる過渡信号振幅が生じる。センサ送信器素子１６に供給される超音波エネルギーの周波数の波長の１／３（λ／３）（λ：波長）よりも長いサイズを有する粒子及び気泡の少なくとも１方は、本発明のシステムによって非常に高い精度で検出することができる。
【００１８】
マイクロプロセッサ８０はまた、液体流中を流れる気泡及び粒子の少なくとも１方の個数をカウントするようにプログラムすることができ、そしてこのカウントは、単位時間ごとに行なうことができる。気泡の合計容積も計算することができ、この計算は、幾つかのタイプの医療処置において有用である。
【００１９】
本発明のシステムは、多数の利点を有する。これらの利点として、継続的なインラインモニタリング、流量に対する非依存性、及び不透明液を含む全ての流体をハンドリングする能力を挙げることができる。別の利点として、侵襲性センサ、すなわち体液に接触するようになる素子を有するセンサに関連する汚染がないことを挙げることができる。当該システムは、蓄積空気容積を正確に計算する必要がある種々の医療用途に有用である。液体が水、血液、または食塩水である通常の用途では、超音波の波長が約０．１５ｍｍである場合の超音波エネルギー及び１０ｍｈｚの周波数を使用して、当該システムは、０．０７５ｍｍよりも長い直径のサイズを有する気泡及び粒子の少なくとも１方を検出することができる。
【００２０】
本発明の特定の特徴を複数の図面のうちの一つ以上の図面に、単に便宜的な理由から示してきたが、各特徴は、本発明による他の特徴と組み合わせることができる。別の実施形態があり得ることをこの技術分野の当業者であれば理解することができ、そしてこれらの別の実施形態は、請求項の範囲に含まれるべきものである。従って、上の記述は、例示として捉えられるべきであり、本発明の範囲を制限するものではない。全てのこのような明らかな変更及び変形は、添付の請求項の特許請求の範囲に包含される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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