ИНЪЕКТОР ДЛЯ ИНЪЕКЦИИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В ТЕЛО ЧЕЛОВЕКА ИЛИ ЖИВОТНОГО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТАКИМ ИНЪЕКТОРОМ
INJECTOR FOR FLUID INJECTION INTO HUMAN OR ANIMAL BODY AND METHOD TO CONTROL THIS INJECTOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к инъектору согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к способу управления таким инъектором согласно ограничительной части пункта 2 формулы.
Уровень техники
Из документа US 6 673 033 В1 известны инъекторные системы для инъекции текучей среды в способах медицинских инъекций и способы управления такими системами, причем инъекторная система содержит приводной механизм, создающий давление в инъецируемой текучей среде, датчик для замера значения переменной, пропорциональной давлению инъецируемой текучей среды, и механизм контроля давления, связанный с датчиком и приводным механизмом и прерывающий процесс инъекции, когда датчик выдает значение замеряемой переменной, соответствующее опасной величине давления (границе опасного давления). Чтобы предотвратить приближение давления текучей среды к опасному давлению или превышение величины опасного давления, в механизме контроля давления предусмотрено, далее, ограничение мощности привода приводного механизма заранее заданной граничной величиной, когда переменная, пропорциональная давлению инъецируемой текучей среды, достигает значения, соответствующего заранее заданной граничной величине давления (давления ограничения мощности), причем эта заранее заданная граничная величина давления ниже уровня опасного давления. При этом давление инъецируемой текучей среды определяется либо опосредованно, например, по току электродвигателя приводного механизма, либо непосредственно силовым датчиком или датчиком давления, причем непосредственное определение давления текучей среды силовым датчиком или датчиком давления является предпочтительным, поскольку оно точнее и на него не влияют никакие допуски параметров инъекторной системы. Механизм контроля давления устроен так, что он сохраняет заданное оператором инъекторной системы значение параметра, при котором должна работать инъекционная система, и снижает мощность привода приводного механизма или полностью отключает его, если замеренное давление текучей среды превышает заранее заданное граничное значение для снижения мощности или превышает опасное давление. Снижением мощности привода, когда замеренное давление текучей среды превышает заранее заданное граничное значение снижения мощности, можно вообще предотвратить достижение величины опасного давления. Если же опасное давление все-таки будет достигнуто или даже превышено, то подача питания к приводному механизму полностью отключается во избежание дальнейшего повышения давления и связанной с этим угрозы причинения вреда пациенту или инъекционной системе.
Однако, как оказалось, недостатком этой известной инъекционной системы и способа управления ею является то, что кратковременные подъемы давления текучей среды, которые могут возникать, например, при запуске инъекционной системы в начале процесса инъекции, могут приводить к ненужному снижению мощности привода приводного механизма или, при очень высоких кратковременных пиках давления, даже к полному отключению приводного механизма и, тем самым, к прерыванию процесса инъекции. Это затягивает время инъекции, за которое пациенту вводится предписанное количество (доза) инъецируемой текучей среды. В случае прерывания процесса инъекции оператор должен заново проверить систему и снова запустить процесс, что также приводит к нежелательному затягиванию процесса инъекции и к снижению пропускной способности при необходимости последовательно произвести на инъекционной системе несколько процессов инъекции.
Исходя из этого, в основу настоящего изобретения положена задача предложить соответствующий родовому понятию инъектор и способ управления инъектором, с помощью которого, с одной стороны, можно надежно предотвратить превышение величины опасного давления в инъекционной системе, а с другой, избежать ненужного затягивания процесса инъекции из-за снижения мощности или отключения приводного механизма. Предлагаемые инъектор и способ управления этим инъектором должны повысить производительность и пропускную способность в случае необходимости последовательно произвести инъектором несколько процессов инъекции, при одновременном гарантированном обеспечении того, что заранее заданное граничное значение давления инъецируемой текучей среды в инъекционной системе не будет превышено.
Раскрытие изобретения
Эти задачи решены инъектором с признаками по п. 1 и способом с признаками по п. 2 формулы настоящего изобретения. Предпочтительные примеры осуществления инъектора и способа раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
В инъекторе согласно настоящему изобретению приводной механизм для подачи инъецируемой текучей среды в тело человека или животного с заранее заданным расходом или скоростью течения реализован в виде насоса. Для установки желаемого расхода (объема инъецируемой текучей среды, протекающего в единицу времени) или скорости течения (скорости инъецируемой текучей среды в инъекционной системе, в частности, в инъекционных рукавах), которые могут быть заданы оператором инъектора, насос регулируется управляющим устройством. С этим управляющим устройством соединено устройство измерения давления для замера давления подаваемой насосом текучей среды. Оператор инъектора задает на управляющем устройстве необходимую величину давления инъецируемой текучей среды в инъекционной системе, а устройство измерения давления замеряет действительное (фактическое) давление текучей среды в заранее заданном месте инъекционной системы, причем замер давления текучей среды может производиться либо непосредственно, например силовым датчиком или датчиком давления, либо опосредованно, замером параметра, величина которого пропорциональна давлению текучей среды в инъекционной системе.
Замеренное таким образом (фактическое) давление текучей среды сравнивается в управляющем устройстве с заданной необходимой величиной давления. Если замеренное (фактическое) давление текучей среды в течение определенного интервала времени превышает заданную необходимую величину давления, временная функция (фактического) давления, снятая устройством измерения давления, интегрируется на этом временном интервале для получения интеграла давления, и насос отключается (только) в том случае, когда полученный таким образом интеграл давления превышает заранее заданную граничную величину интеграла. Таким образом, замеренное (непосредственно или опосредованно) устройством измерения давления (фактическое) давление текучей среды интегрируется по времени в тех интервалах - если они есть, - в которых замеренное давление текучей среды превышает заранее заданную необходимую величину давления. Такое интегрирование временной функции замеренного (фактического) давления текучей среды на временном интервале, в котором замеренное давление превышает необходимую величину давления, подавляет возможные пики давления. Отключение насоса происходит только в том случае, когда рассчитанный управляющим устройством интеграл давления превышает заранее заданную граничную величину интеграла. Это, как правило, происходит только тогда, когда замеренное (фактическое) давление текучей среды в течение длительного времени превышает заранее заданную  необходимую величину давления, поэтому возникающие при определенных условиях кратковременные пики давления, которые обычно не представляют опасности для пациента, подавляются и не приводят к отключению насоса. Таким образом можно избежать ненужного отключения насоса или снижения мощности приводного механизма, которые приводят к неоправданному затягиванию процесса инъекции.
Заранее задаваемую граничную величину интеграла целесообразно рассчитывать и устанавливать так, чтобы действительное давление текучей среды в инъекционной системе не могло достичь опасной величины давления или превысить ее. В этом случае можно отказаться от задания верхнего граничного значения давления текучей среды в инъекционной системе, соответствующего опасной граничной величине давления. Однако по соображениям безопасности такое верхнее граничное значение может быть дополнительно задано и управление насоса может быть настроено так, чтобы насос в любом случае отключался, когда замеренное устройством измерения давления (фактическое) давление текучей среды достигает верхнего граничного значения, соответствующего опасной величине давления, или даже превышает это верхнее значение.
Для получения интеграла давления целесообразно интегрировать разность давлений между (фактическим) давлением, замеренным устройством измерения давления, и необходимой величиной давления на временном интервале, в котором замеренное (фактическое) давление превышает необходимую величину давления.
В одном из предпочтительных примеров осуществления согласно настоящему изобретению инъектора и соответствующего способа управления, устройство управления выполнено так, что оно сравнивает замеренное устройством измерения давления (фактическое) давление текучей среды с необходимой величиной давления и, в случае превышения необходимой величины давления, снижает мощность насоса до тех пор, пока действительное (фактическое) давление текучей среды не будет снова соответствовать необходимой величине давления. Таким образом можно предотвратить длительное превышение действительным давлением текучей среды в инъекционной системе необходимой величины давления, что могло бы, в зависимости от заранее заданной граничной величины интеграла, привести к отключению насоса.
Краткое описание чертежей
Эти и другие преимущества и особенности настоящего изобретения вытекают из нижеследующего более подробно раскрытого примера осуществления
изобретения, представленного со ссылкой на сопроводительные чертежи. На чертежах:
на ФИГ. 1 показано схематическое изображение составных частей инъектора согласно настоящему изобретению;
на ФИГ. 2 показан вид спереди инъектора согласно настоящему изобретению в одном конкретном примере осуществления;
на ФИГ. 3 показана использованная в инъекторе ФИГ. 2 рукавная система с инъекционным рукавом и устройством измерения давления;
на ФИГ. 4 показаны графики зависимостей от времени: давления и расхода (объемного расхода) подаваемой в инъекционный рукав ФИГ. 3 текучей среды при осуществлении соответствующего настоящему изобретению способа управления инъектором ФИГ. 2.
Осуществление изобретения
На ФИГ. 1 схематически, в виде блок-схемы, показаны составные части инъектора согласно настоящему изобретению. Инъектор 1 может применяться, например, для инъекции в тело человека или животного текучей среды, в частности, жидкого контрастного средства для рентгеновского исследования или ядерно-спиновой томографии. При этом введение инъецируемой текучей среды, как правило, производится внутривенно. Запас инъецируемой текучей среды находится в резервуаре 2 текучей среды. К резервуару 2 текучей среды подсоединен инъекционный рукав 3. Инъекционный рукав 3 соединен с насосом 7. Насос 7 подает содержащуюся в резервуаре 2 текучую среду по инъекционному рукаву 3. Насос 7 предпочтительно представляет собой рукавный насос, в который инъекционный рукав 3 вкладывается так, что рукавный насос может подавать текучую среду из резервуара 2 текучей среды по инъекционному рукаву 3. Это, помимо прочего, обеспечивает отсутствие контакта насоса с подаваемой текучей средой, что гарантирует соблюдение стерильности в процессе инъекции.
Ниже по потоку относительно насоса 7 в - или на - инъекционном рукаве 3 расположено устройство 8 измерения давления. С помощью устройства 8 измерения давления можно замерить давление текущей в инъекционном рукаве текучей среды. Канал 10 передачи данных соединяет устройство 8 измерения давления с управляющим устройством 9. Еще один канал 11 передачи данных соединяет управляющее устройство 9 с насосом 7 для управления насосом 7. При этом целесообразно осуществлять привод насоса 7 от электродвигателя с электрическим управлением посредством управляющего устройства 9. Каналы 10, 11 передачи данных могут представлять собой кабельные или беспроводные соединения для передачи данных.
Целесообразно, чтобы управляющее устройство 9 содержало не показанное на ФИГ. устройство ввода, с помощью которого оператор инъектора 1 может ввести желаемую (задаваемую) величину параметра управления процессом инъекции, проводимой инъектором 1. С помощью устройства ввода оператор может, например, ввести необходимую величину давления, а также величину желаемого расхода (необходимую величину объемного расхода) текучей среды через инъекционный рукав 3. При этом под «расходом» (объемным расходом) здесь понимается объем текучей среды, проходящий в единицу времени в заранее заданном месте (например, в конце) инъекционного рукава 3. В качестве альтернативы объемному расходу (объему в единицу времени) может задаваться скорость потока (скорость течения текучей среды) или плотность потока. Введенные оператором через устройства ввода заданные величины давления и объемного расхода текучей среды сохраняются в накопителе управляющего устройства 9 таким образом, что эти сохраненные в накопителе заданные величины (необходимая величина давления и необходимая величина объемного расхода) доступны для устройства обработки данных, являющегося составной частью управляющего устройства 9.
Для обеспечения правильной дозировки инъецируемой текучей среды управляющее устройство 9 предпочтительно так управляет насосом 7, чтобы в течение заданного интервала времени инъекции насос 7 обеспечивал постоянный расход - или пульсирующие порции - текучей среды, подаваемой через инъекционный рукав 3. При этом в различные моменты процесса инъекции в подаваемой насосом 7 через инъекционный рукав 3 текучей среде могут, - в зависимости от свойств и параметров насоса 7 и используемого инъекционного рукава 3, - возникать различные по величине давления. Чтобы избежать избыточного давления, управляющее устройство 9 регулирует связанный с ним насос 7 соответствующим настоящему изобретению способом, который подробно будет раскрыт ниже.
На ФИГ. 2 представлен предпочтительный пример осуществления настоящего изобретения: показан вид спереди соответствующего изобретению инъектора 1. Инъектор 1 содержит резервуар 2 текучей среды; подсоединенный к резервуару 2 инъекционный рукав 3; насос 7, выполненный в виде рукавного (перистальтического) насоса, а также расположенное на инъекционном рукаве 3 ниже по потоку относительно насоса 7 устройство 8 измерения давления для замера давления текучей среды в инъекционном рукаве 3. В показанном на ФИГ. 2 примере осуществления резервуар 2 текучей среды образован тремя различными флаконами для запаса среды, причем каждый флакон соединен с инъекционным рукавом 3 через запорный клапан или зажимаемую соединительную трубку 4 и разветвитель 5. В этих флаконах резервуара 2 текучей среды хранится запас текучей среды для инъецирования. Это могут быть, например, различные жидкие контрастные средства или промывочный раствор (например, раствор NaCl). При этом запорные клапаны в соединительных трубках 4 целесообразно связать с управляющим устройством 9, чтобы управляющее устройство 9 могло их открывать или закрывать, и оператор инъектора 1 мог через управляющее устройство 9 выбирать, из какого именно флакона резервуара 2 запасенная текучая среда должна подаваться в инъекционный рукав 3. Целесообразно оснастить свободный конец инъекционного рукава 3 стандартным рукавным наконечником (например, наконечником Люэра), с помощью которого к инъекционному рукаву 3 может быть подсоединен шланг пациента, на конце которого находится полая игла для инъекций, которая может быть введена в вену пациента. После этого насос 7 подает инъецируемую текучую среду по инъекционному рукаву 3 в подсоединенный к рукаву шланг пациента, и таким образом осуществляется внутривенная инъекция.
В показанном на ФИГ. 2 примере осуществления насос 7, выполненный как рукавный насос, содержит три отжимных ролика 6 и одну соответствующую им контропору. Инъекционный рукав 3 вкладывается в рукавный насос 7 так, что отжимные ролики 6 прижимают инъекционный рукав 3 к контропоре и, обжимая рукав, тем самым продвигают текучую среду в рукаве в направлении подачи с заранее заданным расходом.
Показанная в инъекторе 1 на ФИГ. 2 рукавная система с инъекционным рукавом 3 и соединительными трубками 4, соединяющимися через разветвитель 5 с концом инъекционного рукава 3, детально показана на ФИГ. 3. Свободными концами соединительные трубки 4 соединены, каждая, с одним из флаконов резервуара 2 текучей среды, а инъекционный рукав 3, как было показано выше, введен в рукавный насос. Как, далее, видно из ФИГ. 3, ниже по потоку относительно насоса 7 на инъекционном рукаве 3 расположено устройство 8 измерения давления. Целесообразно, чтобы устройство 8 измерения давления представляло собой манометр с камерой нагнетания и мембраной, связанной с датчиком давления. При этом камера нагнетания через отверстия в стенке инъекционного рукава 3 сообщается с внутренностью инъекционного рукава 3, так что давление текущей в инъекционном рукаве 3 текучей среды передается в камеру нагнетания и воздействует там на мембрану. Благодаря связи мембраны с датчиком давления последний может измерять давление внутри инъекционного рукава 3, создаваемое протекающей текучей средой. Давление текучей среды (фактическое давление), замеренное устройством 8 измерения давления, передается по показанному на ФИГ. 1 каналу 10 передачи данных в управляющее устройство 9 и там оценивается устройством обработки данных.
2
max
max
max
Содержащееся в управляющем устройстве 9 устройство обработки данных сравнивает давление, замеренное устройством 8 измерения давления, (фактическое давление р) с заданной необходимой величиной давления, хранящейся в накопителе данных управляющего устройства 9. Если давление, замеренное устройством измерения давления, (фактическое давление р) превышает заданную необходимую величину давления, то устройство обработки данных интегрирует функцию p(t) зависимости фактического давления от времени (то есть давление р, замеренное устройством 8 измерения давления) на интервале времени At = t — ti, в течение которого фактическое давление превышает заданную необходимую величину давления. Полученное таким образом значение интеграла давления I(t) = ∫p(t)dt на интервале времени At, в течение которого фактическое давление превышает необходимую величину давления, постоянно сравнивается с заранее заданной граничной величиной интеграла I. Если полученный таким образом интеграл давления I превышает заранее заданную и сохраненную в накопителе данных управляющего устройства 9 граничную величину интеграла I(то есть I(t) > I), то насос 7 отключается или, по меньшей мере, эксплуатируется в с пониженной мощностью до тех пор, пока давление, замеренное устройством 8 измерения давления, (фактическое давление р) не будет вновь соответствовать необходимой величине давления.
2
max
2
Возникающие при таком управлении инъектором зависимости от времени давления и расхода представлены на графиках ФИГ. 4, где на ФИГ. 4а показан график зависимости давления от времени (p(t)), а на ФИГ. 4b - соответствующий график зависимости расхода от времени. В начале процесса инъекции (t=0) включается насос 7 и подает инъецируемую текучую среду из резервуара 2 текучей среды через инъекционный рукав 3. При этом давление текучей среды в инъекционном рукаве быстро нарастает - до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое значение расхода. В то же время действительный расход, зависимость которого от времени показана на ФИГ. 4b, приближается - как правило, после пика переходного процесса - к заранее заданной величине необходимого расхода (требуемой величине объемного расхода). Целесообразно такое регулирование мощности насоса 7 управляющим устройством 9, чтобы действительный расход соответствовал заранее заданной величине необходимого объемного расхода. Если - например, из-за нештатной работы насоса 7 или засорения инъекционного рукава 3 - возникнет препятствие движению текучей среды, приводящее к нежелательному нарастанию действительного давления текучей среды в инъекционном рукаве, мощность насоса 7 в способе согласно настоящему изобретению соответственно автоматически снижается - или насос полностью отключается во избежание дальнейшего нарастания давления текучей среды, и в частности, достижения опасного давления в инъекционном рукаве 3, которое может привести к повреждению инъектора или тканей пациента. Такая ситуация изображена на графиках ФИГ. 4а и 4b зависимостей от времени, соответственно, давления и расхода текучей среды в интервале времени At между моментами времени ti и t. К моменту Uдавление, замеренное устройством 8 измерения давления, (фактическое давление р) превышает заданную и сохраненную в накопителе данных управляющего устройства 9 необходимую величину давления. Как только необходимая величина давления оказывается превышенной, устройство обработки данных начинает интегрировать функцию p(t) зависимости фактического давления от времени и делает это до тех пор, пока фактическое давление остается выше необходимой величины давления. При этом значение интеграла давления I(t), определенное интегрированием по времени фактического давления, соответствует площади под кривой зависимости фактического давления от времени p(t). Как показано на ФИГ. 4а, целесообразно интегрировать по времени разность между фактическим давлением p(t) и заранее заданной необходимой величиной давления, чтобы вычисленное значение интеграла давления I(t) соответствовало площади между линией необходимой величины давления и кривой зависимости фактического давления от времени p(t) во временном интервале At, в течение которого фактическое давление p(t) превышает заранее заданную необходимую величину давления. И как только вычисленное таким образом значение интеграла давления I превысит заранее заданную и сохраненную в накопителе данных граничную величину интеграла I, управляющее устройство 9 либо полностью отключает насос 7, либо эксплуатирует его с пониженной мощностью. Это позволяет избежать дальнейшего повышения фактического давления, и кривая зависимости фактического давления от времени вначале опускается ниже уровня необходимой величины давления, а затем - в случае полной остановки насоса 7 - со временем снижается до нулевого уровня. Как только насос 7 полностью останавливается или начинает эксплуатироваться с пониженной мощностью, начинает снижаться и действительный расход, что видно из ФИГ. 4b на больших временах, начиная с момента t. При полном отключении насоса 7 расход, как видно из ФИГ. 4b, падает до 0 и течение полностью прекращается.
Благодаря такому управлению насосом 7 управляющим устройством 9 можно избежать длительного превышения действительным давлением p(t) заранее заданной необходимой величины давления. При этом целесообразно так выбирать задаваемую необходимую величину давления, чтобы она было достаточно мала по сравнению с возможной опасной величиной давления, создающей угрозу повреждения инъектора 1 или его компонентов - или риск причинения вреда пациенту. Если заданная необходимая величина давления достаточно мала по сравнению с упомянутой опасной величиной давления, то применение способа управления согласно настоящему изобретению обеспечивает достаточную степень уверенности в том, что давление в инъекционном рукаве 3 не достигнет этой опасной величины, так как насос 7 будет заранее отключен или, по меньшей мере, начнет эксплуатироваться с пониженной мощностью. И хотя возможны дополнительные меры обеспечения безопасной эксплуатации насоса заданием и настройкой уровня опасной величины давления, однако в способе управления согласно настоящему изобретению эти меры не являются настоятельно необходимыми. В частности, применение способа управления согласно настоящему изобретению позволяет при лишь кратковременных пиках давления избежать отключения или снижения мощности насоса, так как недопущение опасной величины давления делает эти меры необязательными и лишь приводящими к неоправданному затягиванию процесса инъекции. Таким образом, применение способа управления согласно настоящему изобретению позволяет повысить пропускную способность инъектора.
Настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми примерами осуществления. Так, например, давление текучей среды в инъекционном рукаве 3 может замеряться иначе, например, косвенно, по величине тока двигателя насоса 7. Дальнейшие изменения инъектора согласно настоящему изобретению и способа управления   согласно   настоящему   изобретению,   являющиеся следствием профессиональных знаний и действий специалиста, входят в защищаемый объем прилагаемой формулы изобретения.