УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ И ДОЗИРОВАНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ЦЕЛЕЙ
DEVICE FOR SUPPLYING AND METERING FLUID FOR MEDICINAL PURPOSES

Изобретение относится к устройству для подачи и дозирования текучей среды для медицинских целей, содержащему по меньшей мере  насос для перекачивания текучей среды и элемент, через который подается текучая среда.
Такое устройство, в частности, используется в технологии инфузии или диализа для подачи текучей среды и ее дозированного введения в пациента, причем в этой области преимущественно используются перистальтические насосы или шприц-насосы. Также могут быть преимущественно использованы поршневые насосы, как описано, например, в US 7,887,308 B2. Посредством поршневого насоса возможно достичь высокой точности подачи также в случае больших объемов подачи, при которых текучая среда всасывается из сменного резервуара.
Здесь часто возникает потребность в очень компактном встраивании насоса и других компонентов в один корпус. Это требуется, например, в случае обращения с медицинскими одноразовыми изделиями и/или технологией инфузии в области медицинской помощи на дому, когда пациенту, неопытным членам семьи или опекуну должно быть легко присоединять насосы для сменных контейнеров для инфузии. Преимущественным является расположение всего насоса с его дополнительными компонентами в чем-то типа кассеты. К этим дополнительным компонентам относятся, в частности, системы датчиков для определения закупорок для распознавания опасных блокирований или даже блокирования трубопроводов.
Определение закупорки обычно осуществляется посредством непрямого измерения внутреннего давления в трубке, которая предназначена для подачи текучей среды к пациенту. Например, если закупорка возникает, внутреннее давление ниже по потоку от насоса увеличивается, что может быть непрямо измерено. Для этого круглое поперечное сечение трубки деформируется в эллипс, например, посредством поджимающей силы, и определяемое внутреннее давление трубки увеличивает или уменьшает эту поджимающую силу, что может быть определено посредством датчика силы. В DE 3838689 C1 иллюстративно описан такой способ измерения давления и определения закупорки.
При вставлении комплекта трубок в насос согласно предшествующему уровню техники сегмент трубки, отвечающий за датчик закупорки, должен быть дополнительно вставлен вручную в специальные опоры, что может быть проблематично не только в области медицинской помощи на дому. К тому же недостатком этого способа является то, что деформация трубки в целом ведет к процессу ползучести, длящемуся часами. Эта ползучесть высвобождает напряжение в поперечном сечении трубки, что ведет к постоянному изменению измеряемой силы. Нежелательное изменение силы, вызванное ползучестью, имеет такой же порядок величины, как и требуемый эффект измерения посредством изменения внутреннего давления трубки, и, следовательно, ухудшает надежность распознавания закупорки. Специальные эластомеры, такие как, например, силикон, имеют значительно уменьшенную ползучесть и, следовательно, предопределены для использования в качестве сегмента трубки для датчика закупорки. Тем не менее, комбинация силиконовых и несиликоновых материалов является очень дорогостоящей из-за невозможности безопасных для процесса клеевых соединений.
К тому же в области медицинской техники известны так называемые "колпаки" или "воздушные колпаки" для измерения давления. Они обычно содержат измерительную камеру, через которую течет текучая среда, причем часть стенки измерительной камеры образована из мембраны, которая является значительно более податливой, чем остальная часть стенки измерительной камеры. Обычно на наружной стороне мембраны находится измерительный датчик, который записывает перемещение мембраны посредством передающего давление контакта. Затем измерительный преобразователь преобразует давления и изменения давлений, переданные через мембрану, в электрический сигнал. Например, для этого в EP 0208955 A2 описан способ изготовления передающего давление контакта между мембраной воздушного колпака и передатчиком давления измерительного преобразователя.
К тому же в DE 4340536 A1 описано устройство для отслеживания внутривенной инфузионной терапии, посредством которого определяются прерывания инфузии из-за последующего увеличения давления в системе трубок для инфузии. Посредством этого капсула передачи давления вставлена в систему трубок, причем упомянутая капсула передачи имеет мембрану передачи давления, которая, в свою очередь, соприкасается с мембраной датчика давления через зазор, заполненный текучей средой. Таким образом, даже небольшие увеличения давления могут быть быстро распознаны в любой момент, когда мембрана передачи давления изгибается наружу из-за увеличения давления.
Также известны другие датчики, которые измеряют изменения давления непосредственно у трубки, через которую течет текучая среда. Например, трубки могут быть точно деформированы преобразователем, который реагирует на изменения давления в точках соприкосновения, или на периферии трубки может быть расположена измерительная полоса, которая записывает изменения окружности из-за изменений внутреннего давления. К тому же, например, в DE 3035703 A1 описано устройство для инфузий, имеющее датчик давления для обнаружения закупорок, в котором трубка зажата между неподвижным и подпружиненным/упругим элементами так, что изменения давления в трубке могут быть определены непрямо через деформацию упругого элемента.
Тем не менее, все известные стратегии являются относительно дорогостоящими или чувствительными к неполадкам и только частично подходят для компактного расположения в корпусе. Следовательно, целью изобретения является разработка устройства для подачи и дозирования текучей среды для медицинских целей, которое обеспечивает такую компактную конструкцию и легкое обращение.
Согласно изобретению эта цель достигается посредством устройства согласно независимому пункту 1 формулы изобретения. Преимущественные дополнительные развития этого устройства будут понятны из зависимых пунктов 2-12 формулы изобретения.
Таким образом, устройство согласно изобретению для подачи и дозирования текучей среды для медицинских целей содержит по меньшей мере один насос для перекачивания текучей среды и по меньшей мере один элемент, через который перекачивается текучая среда. В элементе предусмотрена по меньшей мере одна выемка, которая плотно закрыта чувствительным компонентом, состоящим из чувствительного к давлению материала. Таким образом, материал элемента тверже, чем материал чувствительного компонента. К тому же устройство содержит датчик силы, посредством которого могут быть измерены вызванные давлением изменения чувствительного компонента в области выемки. В изобретении разработан датчик закупорки в элементе насоса, через который в любом случае перекачивается текучая среда, так что не нужно собирать отдельный датчик.
Например, элемент может представлять собой трубчатый канал, через который текучая среда перекачивается к насосу или от него. В этом случае входной и/или выходной канал образует корпус для чувствительного компонента и содержит выемку, в которую введен чувствительный компонент. Тем не менее, элемент также может представлять собой плоский фланец, к которому прикреплены трубчатые каналы и/или цилиндры для прокачивания текучей среды, причем текучая среда течет по меньшей мере частично вдоль фланца. В этом случае фланец образует твердый корпус для мягкого чувствительного компонента. К тому же чувствительные компоненты могут быть введены во фланец, а также в один или более каналов.
Таким образом, изобретение использует принцип работы воздушной мембраны, но не использует его в отдельном элементе, а образует соответствующий чувствительный компонент в элементе, состоящем из твердого материала, через который в любом случае подается текучая среда. Посредством этого встраиваемый механический чувствительный компонент датчика закупорки основан на принципе измерения давления в текучей среде и осуществлен посредством упругого материала, который имеет физическое поведение, аналогичное воздушной мембране. Конкретный элемент, который используется в качестве корпуса, образует твердый компонент, нечувствительный к давлению, который не деформируется под действием возникающих изменений давления. С другой стороны, благодаря происходящим деформациям чувствительного компонента как мягкого компонента может быть измерено внутреннее давление в этом элементе.
Таким образом, датчик закупорки может быть встроен непосредственно в твердый элемент для экономии пространства, что обеспечивает очень компактную конструкцию. Элемент представляет собой входной и/или выходной канал, который проводит текучую среду к насосу или от него к пациенту. Таким образом, датчик может определять закупорки до и/или после насоса. Если соответствующий канал должным образом расположен так, чтобы он мог быть компактно вмещен с насосом в корпус, то датчик закупорки у этого канала не требует большего пространства. В частности, используемый насос представляет собой объемный насос.
Таким образом, чувствительный компонент предпочтительно является встроенной и неотъемлемой частью соответствующего элемента, так что он также не требует установки или даже выставления во время приемки устройства. Это способствует обращению с устройством и исключает ошибки установки и, таким образом, также ошибки измерения.
Предпочтительно датчик силы соприкасается в области выемки с поверхностью чувствительного компонента, причем датчик силы содержит, например, плунжер, который непосредственно соприкасается в области выемки с поверхностью чувствительного компонента. Таким образом, может быть измерено изменение расширения чувствительного компонента в этой области.
Предпочтительно чувствительный компонент состоит из эластомера, причем, в частности, он может представлять собой силикон или термоупругий эластомер. Таким образом, могут быть преимущественно использованы физические свойства этого специального эластомера, которые, в частности, содержат низкую ползучесть. Тем не менее, соединения по материалу силиконовых и несиликоновых материалов не требуется, поскольку соответствующие способы, такие как, например, способы литья под давлением, могут быть использованы для герметичного соединения между каналом и чувствительным компонентом. Таким образом, канал и чувствительный компонент могут быть изготовлены посредством двухкомпонентного процесса. В качестве альтернативы соединение между каналом и чувствительным компонентом может быть выполнено посредством других технологий соединения, таких как, например, втыкание, защелкивание, завинчивание или склеивание.
В первом иллюстративном варианте осуществления изобретения предпочтительно чувствительный компонент состоит из эластомера, причем, в частности, он может представлять собой силикон или термоупругий эластомер. В другом иллюстративном варианте осуществления эта труба прикреплена с посадкой с совпадением формы внутри трубчатого канала так, чтобы она плотно закрывала выемку изнутри. Для этого канал и чувствительный компонент имеют подобное или одинаковое поперечное сечение. Например, труба, имеющая круглое поперечное сечение, может быть вставлена с посадкой с совпадением формы в круглый канал или может охватывать его.
Тем не менее, также может быть преимущественно, если чувствительный компонент имеет эллиптическое поперечное сечение, причем плоская сторона чувствительного компонента расположена в области выемки. Это может быть в случае находящихся внутри, а также находящихся снаружи чувствительных компонентов, причем поперечное сечение канала должно быть отрегулировано должным образом. Посредством этой формы мягкого компонента чувствительный компонент уже имеет эллиптическую деформацию, необходимую для измерения внутреннего давления, так что уже в наибольшей степени может быть предотвращена нежелательная ползучесть термопластичных эластомеров.
Эллиптическое поперечное сечение может быть, например, получено посредством того, что труба, изначально имеющая круглое поперечное сечение, соответственно деформируется перед ее сборкой с входным или выходным каналом. Таким образом, не деформация осуществляется во время сборки, а происходит предварительная деформация трубы до требуемого эллиптического поперечного сечения для предотвращения нежелательной ползучести.
В другом иллюстративном варианте осуществления изобретения чувствительный компонент представляет собой измерительную мембрану специальной формы, имеющую поперечное сечение, содержащее по меньшей мере две находящиеся напротив друг друга стороны мембраны, каждая из которых изогнута вовнутрь, тогда как верхняя сторона мембраны, которая соединяет две стороны мембраны друг с другом, образована прямой и расположена в области выемки. Таким образом, датчик силы находится на прямой поверхности измерительной мембраны, которая больше не изменяется из-за внутренних нагрузок, в результате чего получается линейная характеристика силы.
Возможными областями применения устройства согласно изобретению являются (не исключительно): медицинские одноразовые изделия для систем инфузии или диализа или устройства, имеющие одноразовые изделия для отдельной дозировки лекарств, например в области фармакологии. Устройство может быть встроено в медицинский комплект для инфузий и, таким образом, удовлетворяет потребность в том, чтобы узел насоса и датчика представлял собой компактную кассетную систему. Тем не менее, изобретение не ограничено комплектами для инфузий и может быть использовано во всех областях медицинского применения, в которых его свойства являются преимущественными.
Дополнительные преимущества, признаки и практические дополнительные развития изобретения будут понятны из зависимых пунктов формулы изобретения и из последующего описания предпочтительных иллюстративных вариантов осуществления со ссылкой на чертежи.
На чертежах:
на фиг. 1 показан продольный разрез канала, имеющего находящийся снаружи чувствительный компонент;
на фиг. 2 показан поперечный разрез канала согласно фиг. 1;
на фиг. 3 показан продольный разрез канала, имеющего первый иллюстративный вариант осуществления находящегося внутри чувствительного компонента;
на фиг. 4 показан первый поперечный разрез канала согласно фиг. 3;
на фиг. 5 показан второй поперечный разрез канала согласно фиг. 3;
на фиг. 6 показан поперечный разрез канала, имеющего второй иллюстративный вариант осуществления находящегося внутри чувствительного компонента; и
на фиг. 7 показан чувствительный компонент у фланца насоса.
На продольном разрезе канала 10, показанном на фиг. 1, показан находящийся снаружи чувствительный компонент 20, который окружает канал 10 в области выемки 11 с посадкой с совпадением формы. Здесь достигнуто герметичное соединение между каналом 10 и трубчатым чувствительным компонентом 20. Чувствительный компонент 20 на своей внутренней стороне может быть образован так, чтобы быть частично вставленным в выемку 11, как показано на фиг. 1.
Выемка 11 может иметь произвольное поперечное сечение, причем круглые поперечные сечения являются преимущественными для равномерного распределения силы. К тому же размер выемки 11 должен быть выбран должным образом. На фиг. 2 показан, например, поперечный разрез через середину продольного разреза с фиг. 1, на котором видно, что выемка 11 выбрана как очень глубокая и достигающая примерно средней линии канала 10.
Тогда датчик силы может проходить через выемку 11 так, чтобы осуществлять соприкосновение в его области с наружной стороной чувствительного компонента 20. Это может быть осуществлено, например, через плунжер 30, который опирается на чувствительный компонент. Когда внутреннее давление в канале 10 увеличивается из-за закупорки, чувствительный компонент 20 изгибается наружу, что может быть обнаружено посредством плунжера 30.
На фиг. 3 показан второй иллюстративный вариант осуществления изобретения, в котором трубчатый чувствительный компонент 20 закреплен внутри канала 10 и, таким образом, плотно закрывает выемку 11 изнутри. Тогда плунжер 30 датчика силы может соприкасаться с чувствительным компонентом 20 через выемку 11. Посредством этого внутренняя поверхность канала 10 может быть выполнена так, чтобы она удерживала трубу 20 в ее положении и предотвращала осевое скольжение (не показано).
На фиг. 4 показан первый поперечный разрез такого канала вдоль линии A-A, на котором можно видеть, что чувствительный компонент 20 имеет эллиптическое поперечное сечение. Внутренняя стенка канала 10 образована должным образом, чтобы обладать возможностью вмещения чувствительного компонента 20 с посадкой с совпадением формы. На фиг. 5 изображен второй поперечный разрез вдоль линии B-B, на котором показан плунжер 30, который соприкасается с наружной поверхностью чувствительного компонента 20 через выемку 11.
Для того чтобы в наибольшей степени предотвращать внутренние нагрузки чувствительного компонента 20, он также может быть выполнен как специально образованная измерительная мембрана, как показано, например, на фиг. 6. Здесь измерительная мембрана 20 содержит две противоположные стороны 21 и 22 мембраны, которые загнуты вовнутрь. Верхняя сторона 23 мембраны, которая соединяет две стороны 21, 22 мембраны, выполнена прямой и соприкасается с плунжером 30. Верхняя сторона 23 мембраны не нагружена внутренней нагрузкой, результатом чего является линейная характеристика силы: сила = внутреннее давление × площадь поверхности мембраны.
Таким образом, поперечное сечение чувствительного компонента 20 образовано индивидуально и содержит по меньшей мере один из следующих функциональных компонентов:
- прямую или приблизительно прямую линию, которая образует геометрию мембраны, требуемую в целях измерения;
- прямую или изогнутую линию напротив мембраны, которая осуществляет функцию поддерживания мягкого компонента относительно трубчатого или скелетного твердого компонента;
- геометрию для осуществления пружинной функции на двух сторонах мягкого компонента, чтобы можно было устанавливать предварительную нагрузку, которая необходима для измерения давлений ниже давления окружающей атмосферы. К тому же пружинная функция необходима для того, чтобы мембрана могла удалять себя от находящейся напротив нее опорной поверхности при увеличении внутреннего давления.
Тогда внутренняя поверхность канала 10 может быть соответствующим образом выполнена так, чтобы измерительная мембрана 20 опиралась на нее с посадкой с совпадением формы и не проходила в нежелательных направлениях, например, вбок, при увеличении давления. Также эта специальная форма канала 10 может быть предусмотрена только в области датчика закупорки, посредством чего можно исключить дорогостоящие формы внутри всего канала.
Твердый компонент, который окружает плунжер 30, предпочтительно содержит плоскую поверхность, которая лежит приблизительно под верхним краем плунжера. Эта поверхность выполняет функцию опорной поверхности, когда плунжер толкается в другую поверхность. Тогда плунжер можно толкать только на величину его нависания, посредством чего создается постоянная предварительная нагрузка для датчика давления.
На фиг. 7 показан вариант осуществления изобретения, в котором датчик закупорки прикреплен непосредственно к плоскому фланцу 40, который является частью насоса. Каналы и/или цилиндры насоса могут быть прикреплены к этому фланцу 40, и клапанная пластина 41, тем не менее, также может опираться снизу на фланец 40. При перекачивании текучая среда течет через эту клапанную пластину и, посредством этого, по меньшей мере частично вдоль фланца 40, причем в клапанной пластине 41 предусмотрена полость 43, через которую, таким образом, течет текучая среда. Внутри фланца 40 предусмотрена выемка 11, которая закрыта чувствительным компонентом 20. Для того чтобы обладать возможностью обеспечения большей поверхности и, посредством этого, увеличенной чувствительности к давлению, соответствующая мембрана чувствительного компонента 20 предпочтительно является заметно более широкой, чем ширина полости 43, находящейся на клапанной пластине 40.
Основной поток текучей среды показан горизонтальной стрелкой направо. Тем не менее, может быть возможно, чтобы объем под мембраной 20 не полностью дренировался посредством этого основного потока. Тем не менее, в этом случае также полностью обеспечивается функция датчика закупорки. Посредством дополнительного количества текучей среды, которое требуется для сжатия воздуха, время реакции задерживается в случае, если объем под мембраной 20 не дренируется полностью. Если нижняя сторона мембраны предусмотрена с одиночным или двойным спиральным лабиринтом 42, тогда, при подходящей конфигурации капиллярного эффекта, возникает дополнительный исходный поток, который может обеспечить наиболее исчерпывающий дренаж. Этот исходный поток показан на фиг. 7 несколькими изогнутыми стрелками в направлении по часовой стрелке.
Сила, идущая от мембраны чувствительного компонента 20, передается к наружному датчику силы для распознавания закупорки (не показана). Поскольку закупорка входа насоса ведет к возникновению вакуума давления, когда насос осуществляет всасывание, мембраны 20 в области входа насоса должны уже содержать кривизну, предусмотренную конструкцией, причем в таком случае эта кривизна уменьшается посредством вакуума.
Список обозначений
10 - канал, впускной входной канал, выходной канал
11 - выемка
20 - чувствительный компонент, мембрана
21, 22 - сторона мембраны
23 - верхняя сторона мембраны
30 - датчик силы, плунжер
40 - фланец
41 - клапанная пластина
42 - лабиринт
43 - полость