НАСОС ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ЦЕЛЕЙ
PUMP FOR MEDICAL PURPOSES

Настоящее изобретение относится к медицинскому насосу для переноса текучих сред (жидкостей) с максимально точным контролем объема и давления при одновременном применении принципа использования одноразовых изделий для расходомерных элементов.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В каждодневной клинической практике, в особенности при проведении интенсивной терапии в отношении пациентов, так называемые инфузионные насосы используются для непрерывной или короткопериодичной доставки активных агентов. Обычно они представляют собой шприцевые насосы или объемные насосы (например, шланговые насосы, насосы нажимного действия, перистальтические насосы и т.д.). Эти два типа насосов принципиально отличаются друг от друга в плане максимальной выбираемой скорости переноса, т. е. максимального возможного объемного расхода, максимального доставляемого общего объема без замены изделия одноразового применения, профиля переноса и точности (например, точности измерений). Говоря простым языком, к этим насосам применимы следующие критерии выбора.
Шприцевые насосы используются в следующих случаях:
высокие требования в отношении точности объемного расхода (например, высокая точность дозировки в динамике по времени и/или высокая равномерность переноса),
высокие требования в отношении профиля давления (например, отсутствия падения давления, вызванного «фазами обратного хода»),
меньшие объемные расходы,
высокое долговременное постоянство объемного расхода (например, отсутствие влияния процессов старения и/или усталости, например, вызванных стачиванием пластикового шланга, и/или отсутствие влияния «ползучести» пластикового шланга с аморфной структурой), а также
малый объем применения для каждого из одноразовых изделий (например, шприца).
Объемные насосы используются в следующих случаях:
пониженные требования в отношении точности объемного расхода (более низкая точность дозировки в динамике по времени),
пониженные требования в отношении профиля давления (например, изменений давления, вызванных «фазами обратного хода»),
высокий объемный расход,
более низкое долговременное постоянство, а также
повышенный объем применения для каждого из одноразовых изделий (например, в отношении шланга - применение принципа работы насоса «на основе расхода» позволяет использовать контейнеры любого размера ближе по ходу от насоса и заменять их без замены шланга).
Вследствие этого на рынке определились две различные насосные системы (в соответствии с различными способами работы насоса), имеющие различные (до сих пор несочетаемые) эксплуатационные характеристики, а значит, различные условия применения.
В частности, шприцевой насос концептуально имеет узел поршня/цилиндра (образует и в то же время ограничивает сохраняемый общий объем) и перемещает поршень (шприца) в цилиндре (шприца) с помощью двигателя посредством, например, передачи для преобразования вращательного движения в поступательное, в то время как объемный насос делит сегмент шланга путем приложения усилия (создаваемого ротором насоса с разнесенными по окружности сдавливающими элементами) на последовательные отделенные по текучей среде камеры или частично закрывает их (что также называют окклюзией) и перемещает упомянутую окклюзию, например, периодически, например, в виде перистальтики, в направлении выхода насоса (т. е., например, в направлении пациента).
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В предшествующем уровне техники известно множество различных конструкций насосов как для шприцевого насоса, так и для объемного насоса, применяемых в медицине.
Отличительным признаком конструкций объемных насосов является то, что вводимые текучие среды берутся из отдельных контейнеров для текучей среды, а затем переносятся под давлением к пациенту, при этом требуемый всасывающий эффект создается главным образом восстановительной способностью (присущей упругостью) сдавливаемого шланга, который обычно предоставляется в качестве изделия одноразового применения. В силу этого объемный расход существенно зависит от сопротивления потоку на входе насоса (стороне всасывания насоса), разности высот расположения контейнера и насосной/всасывающей механической системы, а также собственной динамики (по существу переменной) материала шланга. С другой стороны, истинная точность при одинаковых конструкционных характеристиках и условиях окружающей среды в основном ограничена точностью характеристик материала шланга как такового (толщиной стенки, внутренним диаметром, составом/качеством материала и т.д.). Поскольку механическое смещение закрывающего средства/точки окклюзии создает существенное механическое напряжение для используемого материала шланга, объемный расход непрерывно изменяется в динамике по времени в результате износа, усталости, старения и ползучести материала шланга.
Таким образом, существует насущная потребность в универсальном медицинском насосе, в котором прикладные преимущества двух вышеописанных типов насосов объединены в принципе работы одного насоса. Это означает, что универсальный медицинский насос должен обладать повышенной управляемостью в плане объемного расхода и профиля давления, соответствующего шприцевому насосу, путем большей независимости от хорошо известных оказывающих влияние переменных объемного насоса, таких как
- сопротивление потоку в системе с текучей средой, в частности на входе, но также и на выходе,
- изменения геометрии и материала изделия одноразового применения,
- изменения собственной динамики изделия одноразового применения,
- эффекты износа, усталости, старения и пластического деформирования во времени изделий одноразового применения,
- давление в системе с текучей средой, в частности впереди и сзади насосного сегмента, а также давление окружающей среды,
- температура устройства, температура окружающей среды, а также температура текучей среды.
Кроме того, универсальный насос должен обладать возможностью переноса общих объемов любого требуемого размера без замены изделия одноразового применения, содержащего насосный сегмент, - как это может выполняться в объемных насосах, например, путем замены инфузионного мешка без замены шланга, включающего в себя насосный сегмент.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в создании медицинского насоса, в котором положительные качественные признаки хорошо известного шприцевого насоса объединены с положительными качественными признаками хорошо известного объемного насоса (насоса нажимного действия/шлангового насоса).
Данная задача решается с помощью медицинского прецизионного или универсального насоса, содержащего признаки по п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные конфигурации по изобретению образуют объект изобретения по зависимым пунктам формулы изобретения.
Основной принцип работы медицинского (всасывающего/нагнетательного) насоса согласно изобретению заключается в установке двух отдельных гидравлической/пневматической систем или гидравлического/пневматического контуров. Первая гидравлическая (или пневматическая) система (контур) служит в качестве первичного источника энергии для создания силы всасывания/давления и непосредственно не соприкасается с текучими средами, вводимыми пациенту (это в особенности предпочтительно, так как в противном случае насос требовалось бы чистить и/или проводить дезинфекцию до и после применения). Данная первая система, разработанная по аналогии с системой шприцевого насоса и образующая своего рода внутренний контур моделирования, отличается высокой точностью в создании, измерении и/или контроле объемного расхода и давления - «ближе по ходу» (перед насосным сегментом), в насосном сегменте и/или «дальше по ходу» (после насосного сегмента). Вторая гидравлическая (или пневматическая) система (контур) служит в качестве вторичного источника энергии для забора и переноса вводимых текучих сред к пациенту и, следовательно, сконструирована в виде одноразового изделия для создания потока (по аналогии с принципом работы объемного насоса), при этом содержит изделие одноразового применения, имеющее приток и отток. Вторая система (в частности, изделие одноразового применения второй системы) приводится в действие/управляется посредством первой системы (многократного применения).
Согласно изобретению первая система является системой многократного применения и предпочтительно непосредственно соединена со второй системой или ее изделием одноразового применения так, что изменение в объеме в первой системе приводит к соответствующему (возможно идентичному, но, по меньшей мере, предсказуемому и/или поддающемуся измерению) изменению в объеме во второй системе (изделии одноразового применения); например, пузырьки газа, заключенные в первой или вторая системе, могут быть измерены, учтены и/или компенсированы на основе их кривой сжатия. Вот почему вторая система (изделие одноразового применения) по существу приобретает точность первой системы.
Первая система предпочтительно может представлять собой герметичную камеру для текучей среды (т. е. отрицательное или положительное давление, существующее в камере для текучей среды, сохраняется по существу неизменным после достижения равновесного состояния/в качестве альтернативы поведение давления предсказуемо), содержащую, по меньшей мере, одну мембрану или мембраноподобную подвижную и/или деформируемую стенку. Соединение со второй системой осуществляется посредством мембраны.
Если мембрана первой системы опирается, например, на мембрану (или мембраноподобную стенку) второй системы, по существу повторяя ее форму, она передаст любые изменения давления в первой системе во вторую систему, например в виде деформации, а значит, вызовет, например, увеличение или сокращение камеры для текучей среды второй системы. В особенности предпочтительно, если соединение между первой и второй камерами для текучей среды создано аналогично тензометрическому датчику давления, т. е. соответствие форм между мембранами достигнуто или может быть достигнуто, поддержано и/или улучшено, например, путем опорожнения или заполнения промежутка между мембранами и/или пространства, окружающего (соединенные) мембраны, при этом их стенки могут состоять, например, из стенок, принадлежащих первой системе, а также стенок, принадлежащих второй системе (а значит, образуют опорожняемый/заполняемый тензометрический датчик давления, только если изделие одноразового применения второй системы вставлено в изделие многократного применения первой системы). Это означает, что (жесткое) соединение между первой и второй системами достигается благодаря (герметичной) камере давления текучей среды, содержащей две камеры давления, разделенные, по меньшей мере, одной подвижной стенкой. Такая идея соединения также обеспечивает принципиальную возможность того, что, например, может быть отформовано любое упругое изделие одноразового применения любой требуемой формы (например, шланг, внутренний объем которого используется в качестве второй камеры давления), при этом объем первой камеры давления (в качестве части первой системы) может изменяться, например, согласно принципу работы шприцевого насоса путем сжатия и/или расширения объема второй камеры давления посредством первой системы. Это означает, что деформация второй системы (изделие одноразового применения) может вызвать изменение объема (увеличение/уменьшение) второй камеры давления. Таким образом, соответствующая активация первой системы второй системой позволяет втянуть текучую среду из контейнера (расширение второй камеры давления путем сокращения или смещения объема первой камеры давления или в первой камере давления) или сместить ее (сжатие второй камеры давления путем увеличения или смещения объема первой камеры давления или в первой камере давления). Благодаря данной особенности способ согласно изобретению также позволяет опорожнить шприцы, соединенные с ближней по ходу стороной (в качестве контейнеров для текучей среды, типичных для шприцевых насосов), а также позволяет опорожнить, например, бутылки или мешки (в качестве контейнеров для текучей среды, типичных для объемных насосов) благодаря тому, что характеристики всасывания контролируются первой системой (вне зависимости от факторов, упомянутых первоначально).
Если говорить конкретнее, поставленная задача решается с помощью медицинского насоса для текучей среды, содержащего первую внутреннюю систему с текучей средой, состоящую в числе прочего из всасывающего/нагнетающего блока с приводом от двигателя или блока объемного смещения, а также первое пространство для текучей среды, которое может быть заполнено текучей средой или может опорожняться всасывающим/нагнетающим блоком. Кроме того, насос согласно изобретению содержит вторую, наружную систему с текучей средой, состоящую из второй камеры давления текучей среды, соединенной с первой камерой давления текучей среды посредством подвижной разделительной стенки герметичным образом, не допускающим утечки текучей среды, и/или по механизму динамического изменения объема, которая попеременно соединяется с всасывающей магистралью и нагнетающей магистралью с помощью клапанного средства предпочтительно второй системы с текучей средой в зависимости от текущей рабочей фазы всасывающего/нагнетающего блока первой системы с текучей средой.
Таким образом, приведение в действие всасывающего/нагнетающего блока позволяет изменять объем наполнения первой камеры давления текучей среды, что соответственно передается через подвижную разделительную стенку во вторую камеру давления текучей среды. Это означает, что вторая камера давления текучей среды также изменит свой объем в соответствии с компенсирующим перемещением разделительной стенки, а значит, втянет текучую среду из подающего контейнера через всасывающую магистраль и/или выведет текучую среду через нагнетающую магистраль к пациенту. Точность регулировки объемного расхода в этом случае достигается по существу благодаря всасывающему/нагнетающему блоку вне зависимости от возможно изменяющихся свойств материала, например, разделительных стенок. В то же время непроницаемое для текучей среды разделение системы на две части позволяет выполнить наружную систему или ее части в виде изделия одноразового применения. В особенности предпочтительно то, что данная мера позволяет не допустить контакта каких-либо частей второй системы, например ее разделительной стенки, с текучей средой («гидравлической») системы. Это позволяет по существу избавиться от каких-либо дополнительных операций, например регулярного пополнения текучей среды и/или чистки, которые потребовались бы при наличии такого контакта с текучей средой. Кроме того, система предпочтительно может быть выполнена в виде системы, являющейся герметичной в плане стерильности, например системы изделия одноразового применения. Это позволяет исключить дополнительные операции, такие как проведение специальной дезинфекции или стерилизации, которые в противном случае были бы необходимы.
Предпочтительно первая система с текучей средой содержит датчик давления в первой камере давления, а также предпочтительно датчик объемного/массового расхода между первой камерой давления и всасывающим/нагнетающим блоком для управления всасывающим/нагнетающим блоком или его приводными блоками, и/или приводной блок является столь прецизионным, что такой датчик объемного расхода или датчик массового расхода не требуется. Датчик давления или датчик объемного/массового расхода, а также средства автоматического управления позволяют использовать такие всасывающие/нагнетающие блоки (насосы с зубчатой передачей, лопастные насосы и т.д.), которые в силу своей конструкции не достигают требуемой точности или постоянства работы. В связи с этим предпочтительно может вводиться промежуточная фаза, например фаза, на которой оба клапана (ближний по ходу и дальний по ходу) закрыты (если клапаны закрыты, существует возможность поддерживать удельное давление в системах так, что возникает профиль переноса (ближний по ходу и/или дальний по ходу) после открытия соответствующего клапана, который в особенности пригоден для данного случая практического применения).
Например, можно предусмотреть, чтобы приемник текучей среды, будучи гибким, по меньшей мере, по частям, располагался во второй камере давления текучей среды, находясь в контакте с подвижной разделительной стенкой первой системы, с возможностью того, что приемник текучей среды соединен по текучей среде с клапанным средством. В этом случае, например, контейнер, может использоваться повторно, что образует вторую камеру давления текучей среды, поскольку он не загрязнен текучей средой во второй системе с текучей средой; в данном случае необходимо только утилизировать вставляемый отдельно приемник текучей среды (например, шланг или мешок).
Другой аспект настоящего изобретения относится к самому контейнеру для (приема) текучей среде медицинского насоса для текучей среды согласно изобретению, содержащему, по меньшей мере, одну гибкую наружную стенку, закрывающую контейнер для текучей среды, делая его непроницаемым для текучей среды, по меньшей мере, в собранном состоянии, и которую можно привести в соприкосновение с подвижной разделительной стенкой.
Согласно предпочтительному аспекту изобретения предусмотрено, что медицинское устройство для переноса текучей среды создано так, что датчик давления в первой системе с текучей средой в качестве контура моделирования позволяет, по меньшей мере, по существу, определить давление во втором пространстве для текучей среды второй системы с текучей средой, а также в системе, подсоединенной на ближней по ходу и/или дальней по ходу стороне.
Согласно дополнительному предпочтительному аспекту изобретения предусмотрено, что датчик давления в первой системе с текучей средой также позволяет, по меньшей мере, по существу, определить, по меньшей мере, один долевой вклад одной и/или обеих разделительных стенок в давление в одном и/или обоих пространствах для текучей среды.
Согласно дополнительному предпочтительному аспекту изобретения предусмотрено, что промежуточная фаза может быть создана между фазой всасывания и фазой смещения и/или между фазой смещения и фазой всасывания; в упомянутой промежуточной фазе ближний по ходу клапан и дальний по ходу клапан закрыты.
Согласно дополнительному предпочтительному аспекту изобретения предусмотрено, что, по меньшей мере, по существу может быть определен объем, который был добавлен в первое пространство для текучей среды в определенный период времени или удален из него.
Согласно дополнительному предпочтительному аспекту изобретения предусмотрено, что объем текучей среды, добавленный в пространство для текучей среды или удаленный из него в течение некоторого периода времени, может быть получен (по меньшей мере, по существу) из сигналов, существующих в этот период времени со стороны насосного блока и/или сенсорной системы, такой как, например, датчик объемного и/или массового расхода, соединенной с насосным блоком.
Согласно дополнительному предпочтительному аспекту изобретения предусмотрено, что требуемое давление может контролируемым образом устанавливаться (по меньшей мере, по существу) во втором пространстве для текучей среды в течение промежуточной фазы.
Согласно дополнительному аспекту изобретения предпочтительно предусмотрено что, удельное давление, сгенерированное в течение промежуточной фазы во втором пространстве для текучей среды, имеет предпочтительное влияние на последующую фазу всасывания и/или смещения, и/или на ближний по ходу и/или дальний по ходу профиль давления.
Согласно дополнительному предпочтительному аспекту изобретения предусмотрено, что особо равномерный профиль давления может достигаться на ближней по ходу и/или дальней по ходу стороне.
Согласно дополнительному предпочтительному аспекту изобретения предусмотрено, что набор из двух или более величин («объем текучей среды в первом пространстве для текучей среды», «давление на датчике давления») и т.п. (например, положение поршня и давление) может быть определен на промежуточной фазе.
Согласно дополнительному предпочтительному аспекту изобретения предусмотрено, что набор, определенный, например, на промежуточных фазах, может использоваться для определения постоянства и/или старения одной или обеих разделительных стенок, и/или герметичности системы, и/или герметичности одного и/или обоих закрытых клапанных средств, и/или податливости системы, и/или поведения при сжатии текучих сред в системах, и/или ближнего по ходу и/или дальнего по ходу давления, и/или корреляции между объемом текучей среды в пространствах для текучей среды и долевым вкладом изгиба или деформации одной или обеих разделительных стенок в сигнал давления на датчике давления и т.п.
Согласно дополнительному предпочтительному аспекту изобретения предусмотрено, что поведение при сжатии, по меньшей мере, в принципе позволяет определить соотношение между газовой и жидкой фазой в одном из двух и/или обоих пространствах для текучей среды.
Согласно дополнительному предпочтительному аспекту изобретения предусмотрено, что пузырьки газа, застрявшие во второй камере для текучей среды, например при определенных положениях клапана, могут быть перемещены в дальнюю по ходу и/или ближнюю по ходу систему, например благодаря импульсам давления в первой системе.
Согласно дополнительному предпочтительному аспекту изобретения предусмотрено, что профиль давления, получаемый на ближней по ходу и/или дальней по ходу стороне, благоприятно влияет на дегазацию и/или скопление газа в текучей среде второй системы или в системе, соединенной с упомянутой системой.
Согласно дополнительному предпочтительному аспекту изобретения предусмотрено, что любые сбои в системах, подсоединенных ближе по ходу и/или дальше по ходу, такие как закупоривания магистрали и/или утечки, могут распознаваться на основе профиля давления на фазах всасывания и смещения.
Согласно дополнительному предпочтительному аспекту изобретения предусмотрено, что нежелательные изменения (например, изменения давления) вследствие, например, изменения высоты частей систем, подсоединенных ближе по ходу и/или дальше по ходу, могут быть компенсированы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет пояснено подробнее ниже на основе предпочтительных примеров осуществления со ссылкой на сопроводительные фигуры.
На фиг. 1 показан принцип действия медицинского насоса согласно настоящему изобретению на основе трех рабочих положений (три картинки),
на фиг. 2 на основе двух рабочих положений (две картинки) показан первый предпочтительный пример осуществления медицинского насоса согласно принципу действия, представленному на фиг. 1, с использованием стандартного изделия одноразового применения, например (инфузионного) шланга,
на фиг. 3 на основе двух рабочих положений (три картинки) показан второй предпочтительный пример осуществления медицинского насоса согласно принципу действия, представленному на фиг. 1, с использованием одного типового изделия одноразового применения, являющегося в особенности предпочтительным.
Согласно фиг. 1, картинка 1, основной принцип работы насоса согласно изобретению (универсального насоса) предусматривает наличие приводного блока 1 (такого как электрический двигатель или схожий источник питания), функционально связанного с поршнем 4 поступательного перемещения через блок 2 передачи усилия, при этом упомянутый поршень поступательного перемещения, в свою очередь, поддерживается в цилиндре 6 всасывания/нагнетания для образования камеры 8 для текучей среды переменного объема. Данная цилиндр-камера 8 для текучей среды соединена с первым контейнером 12 для текучей среды посредством первой магистрали 10 для текучей среды; первая камера 14 давления образована в первом контейнере для текучей среды, при этом первая магистраль 10 для текучей среды открывается в нее. Камера 8 для текучей среды, магистраль 10 для текучей среды и первая камера 14 давления могут также представлять собой, например, сопряженный объем, в котором разделение на камеру для текучей среды, магистраль для текучей среды и камеру давления является лишь виртуальным и может выбираться, так сказать, произвольно, исключительно в целях упрощения описания функционального назначения.
Например, датчик 16 объемного расхода может быть предусмотрен в первой магистрали 10 для текучей среды, а датчик 18 давления может быть предусмотрен в первой камере 14 давления. Блок 4, 6 поршня/цилиндра, первая магистраль 10 для текучей среды и первая камера 14 давления (или первый контейнер 12) совместно с датчиками 16, 18 и приводным блоком 1 образуют первую гидравлическую систему S1. В особенности предпочтительно, если первая гидравлическая система S1 представляет собой часть изделия многократного применения, такого как инфузионный насос.
Первая камера 14 давления закрыта с помощью первой подвижной или деформируемой стенки 20a, например мембраны или мембраноподобного устройства, при этом в особенности предпочтительно, если другие стенки гидравлической системы S1 являются жесткими, так чтобы увеличение или уменьшение давления в камере давления вызывало только деформирование стенки 20a, при условии, что стенка 20a не лишена возможности деформирования, например механическим вмешательством снаружи.
Вторая гидравлическая система S2 образована второй камерой 22 давления во втором контейнере 24, который может устанавливаться или установлен на первом контейнере 12 для текучей среды либо может вставляться или вставлен в первый контейнер 12 для текучей среды.
В особенности предпочтительно, если вторая гидравлическая система S2 представляет собой часть изделия одноразового применения, например инфузионный набор. В этом примере осуществления изделие одноразового применения может включать в себя, например, вторую магистраль 26 для текучей среды, Y-образную деталь 32, всасывающую магистраль 28 и нагнетающую магистраль 30, при этом клапаны 34 и 36 могут представлять собой изделие многократного применения, как будет описано ниже.
Согласно данному примеру осуществления (что не является абсолютно необходимым) вторая камера 22 давления закрыта второй деформируемой стенкой 20b, такой как мембрана или мембраноподобное устройство.
Кроме того, вторая камера 22 давления соединена или может соединяться с всасывающей магистралью 28 и нагнетающей магистралью 30 посредством второй магистрали 26 для текучей среды. Например, вторая магистраль 26 для текучей среды открывается в T- или Y-образную деталь 32, соединяющую всасывающую магистраль 28 с нагнетающей магистралью 30, при этом на и/или во всасывающей магистрали 28 и нагнетающей магистрали 30 может устанавливаться или установлен клапан 34, 36 (например, запорный клапан или переключающий клапан 2/2-направленного действия с электрическим приводом, или, например, сегмент шланга или схожий элемент, который может пережиматься исполнительным устройством, применимым снаружи). В особенности предпочтительно, если эти клапаны являются активными, т. е. клапанами, которые управляются так, что, например, требуемый поток создается в требуемом направлении, например от резервуара или контейнера, или емкости для подачи текучей среды (подробно не показано), например инфузионного мешка (сторона всасывания насоса), в направлении получателя (дополнительно не показан), например пациента (сторона нагнетания насоса). В качестве альтернативы могут использоваться и другие клапанные конструкции, такие как переключающий клапан для избирательного/попеременного соединения второй магистрали 26 для текучей среды с всасывающей магистралью 28 и нагнетающей магистралью 30.
В особенности предпочтительно, если первая подвижная/деформируемая разделительная стенка 20a может соединяться со второй разделительной стенкой 20b с возможностью механического реверса, например, так, что обе мембраны могут соединяться по существу без зазора, при этом разделительная стенка 20b (например, в отношении зазора, имеющего место между мембранами в процессе/по причине деформирования при повышенном давлении в камерах 14, 22 давления) повторяет перемещения/деформации разделительной стенки 20a.
Принцип действия насоса согласно изобретению, содержащего вышеописанную концептуальную конструкцию, можно изложить следующим образом.
В состоянии покоя согласно фиг. 1, картинка 1, объемный расход во второй системе S2 в направлении, например, пациента (сторона нагнетания) отключен по причине закрытого состояния дальнего по ходу клапана 36. В начале камера давления (пространство для текучей среды) 22 заполнена жидкостью и/или газом и первоначально может быть дегазирована. В ходе дальнейшего описания для простоты рассматривается по существу дегазированная вторая система S2, заполненная жидкостью. В этом состоянии вторая подвижная стенка, например мембрана, находится в своем расчетном (например, ненагруженном) состоянии. Первая система S1 также заполнена жидкостью и/или газом. В особенности предпочтительно, если текучая среда в S1 по существу является несжимаемой средой или средой с заданной известной кривой сжимаемости. В этот момент поршень 4 может располагаться, например, в выдвинутом положении, при этом объем в камере 8 цилиндра мал. Первая система S1, например, может пребывать по существу в условиях атмосферного давления в состоянии покоя.
На фиг. 1, картинка 2, показано состояние всасывания насоса согласно изобретению. В этом состоянии поршень 4 отведен назад приводным блоком 1 или вскоре будет им отведен; таким образом, объем камеры 8 цилиндра увеличивается. В результате такого отвода поршня 4 текучая среда поступает из первого пространства 14 для текучей среды через первую магистраль 10 для текучей среды в камеру 8 цилиндра, с возможностью того, что объемный расход может быть измерен датчиком 16.
Удаление жидкости из первой камеры 14 давления компенсируется соответствующим перемещением разделительной стенки 20a для уменьшения объема первой камеры 14 давления. Благодаря тому, что разделительные стенки 20a и 20b соединены между собой, разделительная стенка 20b следует за перемещением разделительной стенки 20a; при этом объем второй камеры 22 давления увеличивается соответствующим образом (например, в особенности предпочтительно на ту же величину объема). В результате этого и в соответствии с перемещением разделительной стенки 20b по увеличению объема текучая среда втягивается во вторую камеру 22 давления из питающего резервуара (не показан) через всасывающую магистраль 28 и открытый всасывающий клапан 34. Клапан 36 продолжает оставаться закрытым на этой фазе (всасывания), как показано на фиг. 1, картинка 2.
Перемещение поршня 4 может рассчитываться через площадь поверхности поршня, чтобы быть прямо пропорциональным объемному расходу через первую магистраль 10 для текучей среды. Данный объемный расход может измеряться посредством датчика 16 и/или определяться, например, путем измерения скорости вращения и/или перемещения в отношении поршня 4, блока 2 передачи усилия и/или приводного блока 1. Предпочтительно также существует возможность, что, например, число оборотов приводного блока или число шаговых перемещений шагового двигателя устанавливает точное соответствие объемному расходу.
Поскольку отвод поршня соответствует втягиванию жидкости, снижение давления в первой системе S1 вызывает деформирование подвижной стенки 22 второй системы S2 внутрь первой камеры 14 давления. В этой ситуации датчик 18 способен измерить сгенерированное понижение давления, а также, например, проверить герметичность систем S1 и S2 и клапанов 34 и 36 наряду со сжимаемостью или податливостью вышеупомянутых компонентов или их текучих сред, а также, например, соединение (его правильность) разделительных стенок 20a и 20b с точки зрения соответствия ожиданиям. Те же соображения применимы к поступательному перемещению поршня. В особенности предпочтительно, чтобы промежуточные состояния (здесь не показаны), такие как при поступательном/обратном удельном перемещении поршня, когда клапаны 34 и 36 находятся в закрытом положении, могли использоваться для создания увеличения давления или уменьшения давления с целью определения герметичности, сжимаемости и/или податливости компонентов насоса (в частности, вышеупомянутых) согласно изобретению (предпочтительно насоса многократного применения) или соответствующего изделия по изобретению (предпочтительно изделия одноразового применения). Это, например, также создает возможность предпочтительно обнаружить и/или измерить воздушные пузырьки в соответствующих текучих средах (в остальном текучие среды могут быть по существу несжимаемыми) и пр. Имеется также возможность обнаружить и/или измерить утечки, например, вследствие трещин в разделительных стенках. Точно также при соответствующих положениях клапанов могут быть обнаружены любые окклюзии в магистралях дальше по ходу или ближние по ходу.
Благодаря герметичному/непроницаемому для текучей среды соединению между камерой 14 давления первой системы S1 и камерой 22 давления второй системы S2 объем текучей среды, поступающей в камеру 22 давления, в точности равен объему, перемещаемому (всасываемому) в камеру 8 цилиндра поршнем 4.
Согласно фиг. 1, картинка 3, поршень 4 перемещается в направлении, противоположном тому, что на картинке 2, уменьшая объем камеры 8 цилиндра и вытесняя при этом соответствующее количество текучей среды из камеры 8 цилиндра в первую камеру 14 давления. Это приводит к перемещению или деформированию разделительных стенок 20a и 20b в направлении второй камеры 22 давления (пространства для текучей среды) и смещения в результате этого текучей среды из камеры 22 давления.
На этой фазе (нагнетания) всасывающий клапан 34 уже закрыт; наоборот, нагнетательный клапан 36 открыт, так что будет иметь место определенный объемный расход текучей среды из второй камеры 22 давления через нагнетающую магистраль 30 к пациенту. Данный объемный расход соответствует смещенному (вытесненному) объему в блоке 4, 6 поршня/цилиндра.
В зависимости от подвижности (упругости) разделительных стенок (например, мембран) в первой камере 14 давления нагнетается давление текучей среды, на которое накладывается давление, существующее во второй системе S2. Если насос находится, например, в состоянии покоя (согласно фиг. 1, картинка 1), к примеру, датчик 18 давления способен измерить давление в первой системе S1. Таким образом, любые изменения давления или его колебания в первой системе S1 непосредственно передаются во вторую систему S2 и наоборот. При соответствующей конструкции подвижной разделительной стенки (мембраны), например, обладающей высокой гибкостью наряду с низкой восстанавливающей силой и, например, малой сжимаемостью, можно также определять любые изменения в системах, связанные с всасывающей магистралью 28 или нагнетающей магистралью 30, в зависимости от положения клапанов 34 и 36. Например, такие изменения могут представлять собой постоянно увеличивающееся отрицательное давление на ближней по ходу стороне, например, в случае подсоединенной (но не сообщающейся с атмосферой) инфузионной стеклянной бутылки, а также постоянно увеличивающееся положительное давление на дальней по ходу стороне, например в случае подсоединенного и забитого инфузионного фильтра.
Благодаря динамическому взаимодействию по давлению двух систем S1 и S2 согласно предшествующему описанию (подвижных разделительных стенок), датчик 18 также может обнаруживать/определять любые изменения давления, происходящие, например, в ходе фазы насосной подачи как на входе насоса (стороне всасывания), так и на выходе насоса (стороне пациента). Таким образом, существует также возможность детектировать, например, любое сопротивление потоку в дальней по ходу ветви, а также в ближней по ходу ветви (вызванное, например, различного рода препятствиями, фильтрами, закрытыми роликовыми зажимами, перегнутыми шлангами и т.д.).
В особенности предпочтительно то, что точность измерения или определения соответствующего давления в первой камере 14 давления (или в первой гидравлической системе S1), во второй камере 22 давления (или во второй гидравлической системе S2), в системе, гидравлически связанной с всасывающей магистралью 28 на ближней по ходу стороне, а также в системе, гидравлически связанной с нагнетающей магистралью 30 на дальней по ходу стороне, повышается, если определен и учтен долевой вклад разделительных стенок/мембран 20a и 20b, который искажает соответствующий сигнал давления, например, на датчике 18 давления и может быть вызван, например, предварительным растяжением упомянутых разделительных стенок/мембран и/или, например, восстанавливающей силой, противодействующей соответствующему движению или деформированию мембраны.
Определение этого долевого вклада, например, в заданном первом положении z1 поступательного перемещения поршня 4 может происходить следующим образом (показано в идеализированной и упрощенной форме, и только в иллюстративных целях).
1) Измерение сигнала давления датчиком 18 давления, например, при открытом клапане 34 (ближнем по ходу) и закрытом клапане 36 (дальнем по ходу), при этом измеренное значение в дальнейшем обозначено как Pu.
2) Измерение сигнала давления датчиком 18 давления, например, при закрытом клапане 34 (ближнем по ходу) и закрытом клапане 36 (дальнем по ходу), при этом измеренное значение в дальнейшем обозначено как Pc.
3) Измерение сигнала давления датчиком 18 давления, например, при закрытом клапане 34 (ближнем по ходу) и открытом клапане 36 (дальнем по ходу), при этом измеренное значение в дальнейшем обозначено как Pd.
В несколько упрощенном виде справедливы следующие соотношения:
окружающей среды
ближе по ходу
долевого вклада мембраны
1) Pu(z1) = P+ P+ P (z1)
окружающей среды
долевого вклада мембраны
2) Pc(z1) = P+ P(z1)
окружающей среды
дальше по ходу
долевого вклада мембраны
3) Pd(z1) = P+ P+ P (z1)
ближе по ходу
дальше по ходу
Следовательно, могут быть определены P= Pu(z1)-Pc(z1) и P= Pd(z1)-Pc(z1).
долевого вклада мембраны
долевого вклада мембраны
В дополнительном аналогичном измерении во втором положении z2 поршня существует возможность определить, например с помощью уравнения Pu(z1)- Pu(z2) = P(z1) - P (z2), также разность долевых вкладов мембран в сигнал давления в двух положениях z1 и z2 поршня.
Несущественно, представляют ли приведенные уравнения корректное описание реальной системы (это зависит, в частности, от дополнительных параметров, таких как податливость, порядок переключения клапанов и их временные характеристики, а также временные характеристики остальной части системы и т.д.), - важно лишь, что измерение сигнала давления, например датчиком 18 давления, при различных сочетаниях состояний клапанов и возможно при различных положениях поршня 4 (или мембран) позволяет составить такое количество уравнений, при котором число уравнений превышает число неизвестных параметров, а значит, решение уравнений позволяет определить неизвестные параметры, входящие в уравнения (например, давление окружающей среды, ближнее по ходу давление в системе, восстанавливающая сила мембраны в определенном положении × площадь поверхности, дальнее по ходу давление в системе и т.д.).
Разумеется, четвертая совокупность состояний клапанов (оба клапана открыты) также может быть использована.
Такие же или аналогичные измерения также могут использоваться, например, для "калибровки" мембраны 20a изделия многократного применения, например в процессе изготовления и/или в процессе технического обслуживания устройства (осмотр, самокалибровка, самодиагностика и т.д.) - иными словами для измерения ее характеристик и ее хранения (например, долговременного), например, в изделии многократного применения (например, в инфузионном насосе).
Такие же или аналогичные измерения также могут использоваться, например, для проведения начальной "калибровки" мембраны 20b изделия одноразового применения, например до начала осуществления переноса вещества (например, до начала инфузии, например, после введения изделия одноразового применения в инфузионный насос), - иными словами для измерения ее характеристик и для помещения последней, например, в изделие многократного применения (например, в инфузионный насос) (например, только временно, на время применения данного одноразового изделия).
Такие же или аналогичные измерения могут также проводиться, например, в процессе работы, при этом предпочтительно существует возможность введения промежуточных фаз (которые здесь не показаны), например, между фазой всасывания (картинка 2 соответствует Pu) и фазой смещения (картинка 3 соответствует Pd), которые могут соответствовать, например, Pc. Кроме того, поршень может также перемещаться поступательно и/или в обратном направлении на этих промежуточных фазах, чтобы иметь возможность использовать измерения в различных положениях поршня для определения переменной.
Также в особенности предпочтительно то, что любые перепады давления между S1, S2 и системами, соединенными с S2 в ближней по ходу и дальней по ходу ветвях, выравниваются путем соответствующего перемещения поршня 4, например, в ходе таких промежуточных фаз, например, при закрытых клапанах 34 и 36, при этом такие и аналогичные процедуры позволяют установить весьма равномерный профиль давления во всех упомянутых гидравлических ветвях, в частности ближней по ходу и дальней по ходу. Таким образом, может также достигаться весьма равномерный профиль переноса. Кроме того, такие действия существенно повышают достижимую точность. Кроме того, равномерные профили давления уменьшают дегазацию в текучих средах и/или скопление микропузырьков с образованием макропузырьков.
В особенности предпочтительно то, что практически все переменные, представляющие интерес для работы насоса, могут проверяться и контролироваться посредством единственного датчика 18 давления и двух клапанов 34 и 36.
Большая польза также заключается в возможности обнаружения и/или компенсации вероятного изменения, например, рабочих характеристик мембраны (например, вследствие усталости материала и/или дефекта) перед началом, в течение переноса и/или после окончания переноса вещества. Таким образом, такие подходы также позволяют проводить всеобъемлющую самодиагностику.
Примеры детектируемых изменений системы: большое изменение уровня ближнего по ходу источника текучей среды или дальнего по ходу стока текучей среды и/или изделия многократного применения и т.п., изменения сопротивления потоку, например, ближе по ходу и/или дальше по ходу (а значит, например, окклюзии и/или утечки магистрали), противодавление, например, дальше по ходу (например, также кровяное давление пациента и т.п.), утечки в первой и/или второй гидравлической системе, усталость материала и/или дефекты материала, такие как трещины и/или отверстия и т.п. в разделительных стенках 20a и/или 20b, а также, например, изменения текучих сред (например, вследствие новой композиции инфузионной жидкости и/или вследствие воздушных пузырьков, например, в S1 и/или в S2). С другой стороны, правдоподобность сигнала датчика давления может быть также проверена, а вместе с ней и функционирование датчика давления.
Вслед за фазой нагнетания или смещения согласно фиг. 1, картинка 3, насос снова переходит к фазе всасывания согласно фиг. 1, картинка 2, при этом изменение фазы между всасыванием и смещением повторяется предпочтительно непрерывно или с интервалами. В частности, в случае непрерывного повторения прерывистость объемного расхода может быть снижена или в значительной степени исключена в данном случае благодаря тому, что присущие «мертвые» фазы, способные создавать возмущения, в частности на дальней по ходу стороне (на стороне нагнетания насоса), минимизируются неодинаковостью скоростей движения поршня 4 (высокая скорость всасывания/низкая скорость смещение). Кроме того, данная теория может быть расширена так, что в ходе «мертвой» фазы («фазы отвода», «фазы загрузки», «фазы всасывания») второй насос согласно изобретению выполняет работу по переносу, и наоборот (так сказать, насос со сдвоенным поршнем или двухпоршневой насос).
Как можно также видеть на фиг. 1, оказывается предпочтительным реализовать, по меньшей мере, второй контейнер 24 для текучей среды, включающий в себя мембрану (подвижную разделительную стенку) 20b в качестве отдельного компонента, в частности в виде изделия одноразового применения, при этом предпочтительно вся вторая система S2 представляет собой изделие одноразового применения. Это означает, что в этом случае второй контейнер 24 может соединяться с первым контейнером 12 съемным образом (например, с возможностью реверса) так, что изменение давления в первой камере 14 давления приводит к компенсационному перемещению разделительных стенок 20a и 20b, а значит, к изменению объема второй камеры 22 давления.
Например, оба контейнера могут встраиваться друг в друга и/или привинчиваться, и/или поджиматься друг к другу. Контейнеры могут также соединяться между собой на фланцах. Благодаря наличию двух, например, параллельных разделительных стенок/мембран, каждая из которых уплотняет первую и вторую камеру давления соответственно, не обязательно опорожнять камеры давления в процессе демонтажа двух контейнеров.
Далее техническое руководство по конкретным техническим вариантам реализации вышеупомянутого принципа работы насоса будет представлено со ссылкой на фиг. 2 и 3.
В частности, если процесс переноса вещества должен происходить в стерильных условиях, может также оказаться предпочтительным, если идея использования изделия одноразового применения относится не ко всей второй системе S2, включающей в себя контейнер 24, а сводится, например, к элементам, специально приспособленным ко второму контейнеру и, скажем, образующим «вкладыш» упомянутого контейнера.
Согласно фиг. 2, картинки 1 и 2, фактически вторая камера давления текучей среды образована, например, шлангом 40 (например, инфузионным) в качестве приемника текучей среды, который может быть вставлен во второй контейнер 24 и связан с подвижной разделительной стенкой/мембраной 20a, соответствуя ее форме. Это означает, что стенка шланга 40 соответствует второй разделительной стенке/мембране 20b; если материал шланга является достаточно гибким/деформируемым, разделительная стенка 20a способна деформировать шланг 40 соответствующим образом, так что может создаваться, например, прямо пропорциональный объемный расход. В связи с этим достаточно лишь задействовать шланг 40 (например, наряду с присоединенными к нему магистралями 28, 30 всасывания/нагнетания и возможно также клапанами 34, 36) в качестве изделия одноразового применения.
В качестве альтернативы согласно фиг. 3, картинки 1-3, во втором контейнере 24 предусмотрено разместить (например, свободно), например, подушкообразный вкладыш 42. В конструкционно заданном положении (например, при отсутствии давления), например, подушка 42 в форме мешка может иметь тот же объем, что и второй контейнер (по существу полностью его заполнять), и может состоять из гибкой/упругой фольги/мембраны 44, край которой жестко закреплен, например, на пластине 46, делая ее непроницаемой для текучей среды, (предпочтительно возможно также, если изделие одноразового применения уже выполняет функцию второго контейнера 24, например, благодаря тому, что его кожух обладает возможность установки на первом контейнере 12 неподвижно и/или с возможностью реверса, и/или с плотной посадкой, получая преимущество в том, что дополнительный компонент для второго контейнера 24 не требуется). По меньшей мере, одно отверстие (дополнительно не конкретизируется) для второй магистрали 26 для текучей среды открывается в образованное таким образом внутреннее пространство мешка (второй камеры давления). Это отверстие, например, может быть утоплено в пластине 46. Однако существует также возможность предусмотреть два или более входов, например, один для подающей магистрали 28 и один для отводящей магистрали 30. В данном случае это связано с тем, что вместо использования пластины 46 сам мешок может быть выполнен исключительно из гибкого материала. В данном варианте осуществления перемещение подвижной разделительной стенки 20a непосредственно передается на мешок 42, который претерпевает соответствующее изменение объема.
Вышеописанные примеры осуществления выбраны с тем, чтобы можно было простым образом продемонстрировать способ работы насоса согласно изобретению. Таким образом, они не обязательно соответствуют действительной форме реализации. Например, блок поршня/цилиндра, представленный в виде отдельных частей, может уже быть составной частью первого контейнера. Возможно также, что поршень блока поршня/цилиндра заполняет две или более первые системы жидкостью или опорожняет их, при этом в каждом случае вторая система может соединяться или соединена с упомянутыми системами. Это имеет смысл, например, если «мертвые» фазы в ранее описанном примере осуществления с единственной системой требуется минимизировать путем использования нескольких систем, соединенных параллельно (с соответствующим фазовым сдвигом).
Следует также отметить, что блок поршня/цилиндра представляет только один пример решения. Можно также применять любой способ насосной подачи, например насос с качающейся шайбой, лопастной насос, насос с зубчатой передачей и т.д. Такие насосные блоки, которые сами по себе не обеспечивают достаточной точности объемного расхода (мембранные насосы и т.д.), могут быть оборудованы согласно изобретению, например, датчиком объемного расхода и/или датчиком массового расхода и т.п., чтобы получить требуемую точность с помощью технических средств управления.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 приводной блок
2 блок передачи усилия
4 поршень поступательного перемещения
6 цилиндр
8 камера для текучей среды
10 магистраль для текучей среды
12 первый контейнер для текучей среды
14 первая камера давления текучей среды
16 датчик объемного расхода
18 датчик давления
20a, b разделительная стенка
22 вторая камера давления текучей среды
24 второй контейнер
26 вторая магистраль для текучей среды
28 всасывающая магистраль
30 нагнетающая магистраль
32 Y-образная деталь
34, 36 запорные клапаны
40 приемник текучей среды/шланг
42 вкладыш/подушка
44 фольга/мембрана
46 пластина.