DE69835599T2

DE69835599T2 - Vorrichtung und verfahren zur luftblasenerkennung

Info

Publication number: DE69835599T2
Application number: DE69835599T
Authority: DE
Inventors: D. Robert Poway BUTTERFIELD; B. Allen San Diego FARQUHAR
Original assignee: Cardinal Health 303 Inc
Current assignee: CareFusion 303 Inc
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1998-09-18
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2018-09-19
Also published as: DE69835599D1; US7141037B2; US6616633B1; US8082112B2; US20050192529A1; CA2304216C; JP2001517498A; US20080208484A1; ATE336273T1; EP1015053B1; HK1029761A1; CA2304216A1; ES2274582T3; JP4268334B2; WO1999015216A1; EP1015053A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Infusionssysteme. Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Detektion von Luft und anderen Mitteln in Infusionssystemen, mit denen einem Patienten eine Flüssigkeit durch Infusion zugeführt wird.
Beschreibung verwandter Technik
Es bestehen eine Reihe von Situation, in denen einem Patienten Flüssigkeiten durch Infusion zugeführt werden. Zu Applikationen von Infusionssystemen gehören u.a. (jedoch nicht ausschließlich) intravenöse Infusion, intraarterielle Infusion, Infusion enteraler Lösungen, Infusion von Medikamenten in den Epiduralraum sowie diagnostische Infusion zur Bestimmung der Gefäßmerkmale des Arterien-, Harn-, Lymph- oder Gehirn- und Rückenmarkssystems.
Zu Infusionssystemen zur Flüssigkeitsinfusion für einen Patienten gehören normalerweise eine Zufuhr der zu verabreichenden Flüssigkeit, eine Infusionsnadel oder Kanüle, eine Verabreichungsvorrichtung, welche die Flüssigkeitszufuhr mit der Kanüle verbindet, und eine Durchflußkontrollvorrichtung, wie z.B. eine Verdrängerpumpe. Die Verabreichungsvorrichtung umfaßt normalerweise einen flexiblen Schlauch. Die Kanüle wird am distalen Ende des flexiblen Schlauchs eingesetzt, damit sie in ein Blutgefäß oder an einer anderen Körperstelle des Patienten eingeführt werden kann, um dem Patienten die Infusionsflüssigkeit zuzuführen.
Während des Infusionsvorgangs können verschiedene Mittel, von denen Luft das typischste ist, durch eine Reihe von Vorgängen, einschließlich dessen, daß die Flüssigkeitszufuhr entleert wird, in das Infusionssystem eingeführt werden. Weil die Einführung von zuviel Luft in das Blutsystem eines Patienten zu Komplikationen führen kann, ist es wünschenswert, daß die Zufuhr von Luft in das Infusionssystem detektiert wird, bevor dem Patienten erhebliche Luftmengen zugeführt werden. Wenn im Infusionssystem erhebliche Luftmengen festgestellt werden, dann kann die Flüssigkeitszufuhr abgebrochen werden, bis ein Mitglied des Krankenpersonals das zugrunde liegende Problem z.B. durch Nachfüllen oder Ersatz der Flüssigkeitszufuhr korrigieren kann.
Manchmal kann ein vorübergehendes Ereignis, wie z.B. die Ansammlung von geringfügigen Luftmengen infolge einer Entweichung von in der Flüssigkeit suspendierter Luft, dazu führen, daß einige kleine Luftblasen in das System geraten. Wenn die Luftmenge ziemlich gering ist, dann kann der Patient geringe Luftmengen möglicherweise sicher absorbieren, so daß eine Unterbrechung des Pumpenbetriebs nicht notwendig ist. Es ist daher wünschenswert, daß die Luft im Infusionssystem nicht nur festgestellt wird, sondern daß auch die Menge der vorhandenen Luft bestimmt werden kann.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Luftmenge in einem Infusionssystem, wie in einem intravenösen Schlauch, ist die Verwendung von Sensoren, wie z.B. Luftsensoren oder Ultraschallsensoren. Bei einem solchen Verfahren wird elektromagnetische Energie, wie Licht- oder Schallenergie, z.B. ein Ultraschallimpuls, durch den intravenösen Schlauch geleitet, wobei der Sensor die Variationen in der empfangenen Energie überwacht. Weil Luft allgemein aufgrund unterschiedlicher Übertragungseigenschaften, wie z.B. Absorption und/oder spezifisches Lichtbrechungsvermögen, Licht- und/oder Schallenergie auf andere Weise als die intravenösen Flüssigkeitslösungen überträgt, kann eine Überwachung der Variationen in der Durchgangsfähigkeit des Lichts oder Schalls durch die Lösung allgemein genau bestimmen, daß in der Flüssigkeitsleitung Luft vorhanden ist.
Ein schwierigeres Problem ist die Bestimmung der genauen Luftmenge in der Flüssigkeitsleitung und wie viel dem Patienten zugeführt wird. So kann z.B. zu einem gegebenen Zeitpunkt ein Sensor, der lediglich einen kurzen Abschnitt des Schlauchs prüft, in der Leitung nur Luft und keine intravenöse Flüssigkeitslösung erfassen. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, daß die Flüssigkeitszufuhr völlig leer ist, in welchem Fall das Infusionssystem abgeschaltet werden sollte. Eine einzige kleine Luftblase kann jedoch dieselbe Sensorerfassung verursachen, und das Abschalten des Infusionssystems aufgrund einer einzigen Luftblase ist möglicherweise nicht angemessen.
Eine geringe Luftmenge hat möglicherweise keine Folgen, wenn weder stromauf noch stromab des Sensorbereichs bedeutende Luftmengen vorhanden sind. Wenn jedoch die geringe Luftmenge Bestandteil eines fortlaufenden Stroms an kleinen Luftblasen im Schlauch ist, dann kann die Summe der kleinen Blasen eine bedeutende Luftmenge ausmachen, so daß das Infusionssystem abgeschaltet werden sollte, bis das zugrundeliegende Problem korrigiert ist.
Eine Methode zur Einbeziehung der Einschränkungen bei der Überwachung von lediglich einem kurzen Abschnitt des Schlauchs ist die Installation mehrerer Sensoren entlang des Schlauchs, wodurch ein längerer Schlauchabschnitt überwacht wird. Das Hinzufügen von mehreren Sensoren und die damit verbundene Elektronik können jedoch die Kosten und Komplexität des Infusionssystems erheblich erhöhen. Hinzu kommt, daß durch die Verwendung mehrerer Sensoren die Luftmenge in der Leitung über längere Zeiträume, oder wenn große Flüssigkeitsvolumen durch die Leitung fließen, immer noch nicht genau bestimmt wird.
Eine weitere Methode ist ein ständiges Addieren der Luft, die durch den Schlauch fließt. Wenn die Gesamtluftmenge einen Schwellenwert erreicht, dann kann das Infusionssystem bis zur Korrektur des zugrunde liegenden Problems durch das entsprechende Personal abgeschaltet werden. Eine derartige einfache Addition könnte jedoch die tatsächliche Fähigkeit des Patientensystems, was die sichere Absorption der Luft betrifft, nicht ausreichend reflektieren.
DE3334804 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren von Blasen in einer langsam fließenden Flüssigkeit, wie z.B. Medikamentendosierinstrumenten. Die Einrichtung operiert auf dem Prinzip, daß eine Gasblase, die in einen Zufuhrkanal eines medizinischen Geräts vorgedrungen ist, allgemein den Innendurchmesser des Zufuhrkanals völlig ausfüllt. Dieses Dokument schlägt vor, daß bei einem Meßabschnitt aufgezeichnet wird, ob Flüssigkeits- oder Gasblasen vorbeifließen. Basierend auf der Verweilzeit einer Gasblase in diesem Meßabschnitt und der Fließgeschwindigkeit der Gasblase durch den Meßabschnitt wird eine Messung ihres Volumens erhalten. Die Gasblasenvolumen von mehrfachen Messungen über einen Zeitraum werden addiert. Die Summe dieser Berechnung wird zur Bildung eines Verhältnisses mit dem Gesamtvolumen verwendet, das an dem Meßabschnitt in derselben Zeitdauer vorbeigeströmt ist. Wenn dieses Verhältnis einen einstellbaren, kritischen Wert überschreitet, wird ein Alarmsignal ausgelöst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Zusammenfassend und allgemein bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung von Konzentrationen von Luft oder anderen Mitteln, wie z.B. unerwünschten Unreinheiten, die einem Infusionssystem zugemischt werden. Die besondere Applikation der Erfindung besteht im Detektieren von Luft in einem Infusionssystem.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verwendung in Verbindung mit einem Infusionssystem für eine medizinische Flüssigkeit zur Beurteilung der Gefahr für einen an das Infusionssystem angeschlossenen Patienten von Luftblasen in entlang einer entlang einer Flüssigkeitsleitung des Systems zugeführter Infusionsflüssigkeit bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfaßt:

(a) einen Blasensensor zum Detektieren von Luftblasen in Flüssigkeit, die entlang einer Leitung eines solchen Infusionssystems passiert, und Liefern, in Intervallen, von Ausgabesignalen, wobei jedes der Menge von Luft in einem vorab festgelegten Abschnitt der Leitung zu einem Abtastzeitpunkt in dem jeweiligen Intervall entspricht, oder die in einer vorab festgelegten Zeitdauer in dem jeweiligen Intervall passiert, gekennzeichnet durch:
(b) ein Mittel, enthaltend einen Speicher, zum Ableiten und Speichern, zumindest für eine Zeitlänge, die eine Anzahl von genannten Intervallen einschließt, für jedes Ausgabesignal eines Rohwerts, der der Größe des Ausgabesignals entspricht, und zum Speichern von zugehöriger Information über die Zeit, wann das Ausgabesignal erzeugt wurde, seit das Ausgabesignal erzeugt wurde oder über das Gesamtvolumen von durch die Leitung abgegebener Flüssigkeit, seit das Ausgabesignal erzeugt wurde, oder wenigstens hinsichtlich des Platzes des Ausgabesignals in der zeitlichen Abfolge von genannten Ausgabesignalen;
(c) ein Berechnungsmittel, das, jedes Mal, wenn ein derartiges Ausgabesignal erzeugt wird, (i) für jeden der in dem Speicher gespeicherten Rohwerte einen jeweiligen gewichteten Wert berechnet, der gleich dem Produkt des jeweiligen Rohwerts und eines Gewichtungsfaktors ist, der um so kleiner ist, je länger die Zeit ist, die verstrichen ist, seit das entsprechende Ausgabesignal des Blasensensors erzeugt wurde, oder um so kleiner ist, je größer die Flüssigkeitsmenge ist, die durch die Leitung geflossen ist, seit das entsprechende Ausgabesignal des Blasensensors erzeugt wurde, und (ii) einen Luftkonzentrationswert als Summe der gewichteten Werte berechnet, und
(d) ein Mittel, das geeignet ist, um den Luftkonzentrationswert anzuzeigen und/oder den Luftkonzentrationswert mit einem vorab festgelegten Wert zu vergleichen und ein Alarmsignal und/oder Steuersignal zu liefern, wenn der berechnete Luftkonzentrationswert den vorab festgelegten Wert überschreitet.

Zur Erfindung gehört ein Mittelsensor, der an eine Flüssigkeitsleitung angeschlossen ist, um in Reaktion auf in der Flüssigkeitsleitung festgestellte Mittel Signale zu liefern. Ein Prozessor empfängt die Mittelsignale vom Mittelsensor, der einen oder mehrere gewichtete Signalwerte bestimmt, indem er einen Gewichtungswert auf ein oder mehrere der Mittelsignale basierend auf dem zugeführten Volumen, seit jedes Mittelsignal empfangen wurde, anwendet und einen Mittelkonzentrationswert von den gewichteten Mittelsignalwerten bestimmt. Der Prozessor kann den Mittelkonzentrationswert mit einem Alarmschwellenwert vergleichen und als Reaktion, wenn der Mittelkonzentrationswert den Alarmschwellenwert überschreitet, ein Alarmsignal liefern, das einen Alarm auslöst.
Zur Vorrichtung kann außerdem eine Flüssigkeitskontrollvorrichtung gehören, wie z.B. eine Schlauchquetschpumpe, die auf einen Abschnitt der Flüssigkeitsleitung wirkt, um den Durchfluß der Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitung zu kontrollieren, wobei der Prozessor die Flüssigkeitskontrollvorrichtung steuert. Es ist möglich, daß der Prozessor in Reaktion darauf, daß der Mittelkonzentrationswert den Alarmschwellenwert überschreitet, die Flüssigkeitskontrollvorrichtung veranlaßt, den Durchfluß der Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitung zu stoppen.
Bei dem Mittelsensor kann es sich um fast jede Art von Sensor handeln, der in der Lage ist, Mittel in einer Flüssigkeit zu detektieren, wie z.B. ein Ultraschall-Luftsensor oder ein Luftsensor, der elektromagnetische Energie, wie z.B. Licht, verwendet, um Luft im System zu detektieren. Bei einer bevorzugten Ausführung ist der Mittelsensor ein Luftsensor.
Die Vorrichtung kann Bestandteil eines allgemeinen Infusionssystems zur Zuführung von Flüssigkeit zu einem Patienten, einschließlich einer Flüssigkeitsquelle, einer Flüssigkeitsleitung stromab davon und in Flüssigkeitsverbindung mit der Flüssigkeitsquelle, einer Kanüle in Flüssigkeitsverbindung mit der Flüssigkeitsquelle und so konfiguriert, daß sie in den Körper des Patienten eingeführt wird, um diesem Flüssigkeit zuzuführen, sein, sie kann ein mit der Flüssigkeitsleitung verbundener Mittelsensor sein, um Signale in Reaktion auf die Feststellung eines Mittels in der Flüssigkeitsleitung zu liefern, und einen Prozessor haben, der die Mittelsignale vom Mittelsensor empfängt, einen gewichteten Mittelsignalwert jedes Mittelsignals basierend auf dem Signal und dem seit dem Empfang des Signals zugeführten Volumen bestimmt und mehrere gewichtete Mittelsignalwerte verarbeitet, um einen primären Mittelkonzentrationswert zu bestimmen. Der primäre Mittelkonzentrationswert wird mit einem Alarmschwellenwert verglichen und, wenn die Schwelle überschritten wird, dann wird ein Alarm ausgelöst.
Der Mittelkonzentrationswert kann dadurch bestimmt werden, daß ein Gewichtungswert auf jedes Mittelsignal als separate Berechnung angewandt wird. Der Gewichtungswert, der auf jedes Mittelsignal angewandt wird, kann sich basierend auf dem "Alter" eines Mittelsignals ändern. So kann zum Beispiel der Gewichtungswert für "ältere" (d.h. vor längerer Zeit erhaltene) Mittelsignalwerte abnehmen. Das "Alter" eines Mittelsignals kann als das Flüssigkeitsvolumen definiert werden, das durchgeflossen ist, seit dieser bestimmte Mittelsignalwert empfangen und/oder erzeugt wurde. Das "Alter" kann zudem als die tatsächliche Zeit bestimmt werden, die seit dem Empfang und/oder der Erzeugung dieses Mittelsignalswerts vergangen ist.
Der Gewichtungswert kann zahlreiche Parameter in Erwägung ziehen. So kann z.B. der Gewichtungswert selbst eine Funktion des Flüssigkeitsvolumens, das in jeder Probe passiert, und der Größe des Volumenfensters sein.
Der Mittelkonzentrationswert kann zudem durch die Anwendung eines Gewichtungsfaktors auf einen vergangenen Mittelkonzentrationswert bestimmt werden, wodurch dieser Gewichtungsfaktor auf ältere Mittelkonzentrationswerte angewandt wird. Bei einer solchen Ausführungsform wird der Gewichtungsfaktor effektiv öfter auf die älteren Mittelsignalwerte angewandt als auf die jüngeren Signalwerte. Wenn der Gewichtungsfaktor kleiner als 1 ist, dann führen diese wiederholten Applikationen des Gewichtungsfaktors dazu, daß die älteren Signalwerte eine verminderte Auswirkung auf den Mittelkonzentrationswert haben.
Zur Erfindung kann weiterhin auch die Bereitstellung, über einen Zeitraum und/oder während der Infusion eines Flüssigkeitsvolumens, einer zweiten Serie an Mittelsignalwerten und die Bestimmung eines sekundären Mittelkonzentrationswerts gehören. Bei einer Ausführungsform können zum sekundären Mittelkonzentrationswert Gewichtungswerte gehören, welche dieselben oder anders als die Gewichtungswerte sein können, die zur Bestimmung des primären Mittelkonzentrationswerts verwendet wurden. Andererseits ist es möglich, dass der sekundäre Mittelkonzentrationswert keine Gewichtungswerte verwendet. Der sekundäre Mittelkonzentrationswert kann mit einem sekundären Schwellenwert verglichen werden, bei dem es sich um einen Schwellenwert einer einzelnen Blase handeln kann, und es kann in Reaktion auf eine Überschreitung des sekundären Schwellenwerts durch den sekundären Mittelkonzentrationswert ein Alarm ausgelöst werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen gelesen wird, klarer.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Systems zum Detektieren von Mitteln in einer Flüssigkeitsleitung, bei dem die Prinzipien der Erfindung bei Anwendung auf ein intravaskuläres Flüssigkeitsinfusionssystem inkorporiert sind.
2 ist eine grafische Darstellung von Gewichtungswerten als eine Funktion des Alters verschiedener Luftsignale.
3 ist eine grafische Darstellung von Gewichtungswerten als eine Funktion des Alters verschiedener Luftsignale.
4 ist ein vereinfachtes Ablaufdiagramm, das einen Prozeß zur Bestimmung von Luftkonzentration in einer Flüssigkeitsleitung gemäß einer Ausführung der Erfindung zeigt.
5a ist eine grafische Darstellung eines variierenden Gewichtungswerts als eine Funktion des Alters verschiedener Luftsignale.
5b ist eine grafische Darstellung eines variierenden Gewichtungswerts als eine Funktion des Alters verschiedener Luftsignale.
5c ist eine grafische Darstellung eines konstanten Gewichtungswerts, wie er auf verschiedene Luftsignale angewandt wird.
6 ist ein vereinfachtes Ablaufdiagramm, das einen Prozeß zur Bestimmung von Luftkonzentration in einer Flüssigkeitsleitung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt.
7 ist ein vereinfachtes Ablaufdiagramm, das einen Prozeß zur Bestimmung von Luftkonzentration in einer Flüssigkeitsleitung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt.
8 ist ein Signalablaufdiagramm, das die Verwendung von gewichteten, vergangenen Luftkonzentrationswerten zeigt.
9 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Systems zum Detektieren von Luft in einer Flüssigkeitsleitung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
10 ist eine grafische Darstellung einer Kurve eines variierenden Gewichtungswerts als eine Funktion des Alters verschiedener Luftsignale.
11 ist ein Signalablaufdiagramm einer Ausführungsform, bei der die Gewichtungsfaktoren a und b verschieden sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Wir beziehen uns nun eingehender auf die Zeichnungen, wobei die gleichen Bezugsnummern in den verschiedenen Abbildungen gleiche oder entsprechende Elemente angeben, wobei in 1 ein Blockdiagramm eines Infusionssystems 10 zu sehen ist, bei dem die Aspekte der vorliegenden Erfindung inkorporiert wurden. Zum Infusionssystem gehört eine Flüssigkeitsquelle 12, die einem Patienten 14 über eine Flüssigkeitsleitung 16 und eine Kanüle 18 Flüssigkeit zuführt. Bei der Ausführung von 1 steuert eine Durchflußsteuereinrichtung 20 den Durchfluß der Flüssigkeit durch die Leitung. Zur Durchflußsteuereinrichtung kann ein Pumpenmotor 22 gehören, der einen Pumpenmechanismus 24 antreibt, der bei der abgebildeten Ausführungsform eine rotierende Nockenwelle 26 umfasst, die an den Pumpenmotor 22 angeschlossen ist und eine Reihe peristaltischer Elemente 28 bewegt. Die peristaltischen Elemente 28 wirken auf die Leitung 16, um Flüssigkeit von der Flüssigkeitsquelle 12 durch die Leitung 16 und durch die Kanüle 18 in den Patienten 14 zu leiten.
Bei der Ausführungsform von 1 liefert eine Benutzereingabevorrichtung 30, wie z.B. eine Tastatur, Bedieneranweisungen, wie z.B. Wahl der Durchflußrate, an einen Prozessor 32. Der Prozessor 32 steuert die Operation des Pumpenmotors 22, der den Pumpenmechanismus 24 antreibt. Ein Motorpositionssensor (nicht abgebildet) bestimmt die Position des Pumpenmotors 22 und des Pumpenmechanismus 24 und liefert dem Prozessor 32 ein Positionssignal.
Entlang eines Abschnitts 36 der Flüssigkeitsleitung befindet sich ein Sensor 34, der an die Leitung 16 angeschlossen ist, um Mittel in diesem bestimmten Flüssigkeitsleitungsabschnitt 36 zu messen. Bei der abgebildeten Ausführungsform ist der Sensor 34 ein Luftsensor, der Luft im Leitungsabschnitt 36 detektiert. Ein Analog-zu-Digital-Wandler 38 ("A-zu-D") empfängt die Ausgabesignale vom Sensor 34 und konvertiert sie in ein Digitalformat bei einer bestimmten Proberate, die vom Prozessor 32 gesteuert wird. Die Ausgabesignale zeigen die Menge der Luft in der Leitung zu einem bestimmten Zeitpunkt an. Ein Altersbestimmer, wie z.B. ein Volumenakkumulator 40, liefert einen Alterswert für die digitalen Ausgabesignale, wobei der Alterswert eine Funktion des Volumens ist, das durch die Flüssigkeitsleitung eingeführt wurde. (Eine Uhr könnte ebenfalls einen Alterswert liefern, und zwar basierend auf der Zeit, zu der das digitale Ausgabesignal erzeugt oder empfangen wird, was vom jeweiligen System abhängt). Der Prozessor 32 empfängt die Digitalsignale, verarbeitet sie, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben wird, und bestimmt einen Luftkonzentrationswert, der die Luft repräsentiert, die durch das Infusionssystem 10 passiert. Ein Display 42 kann eine Angabe über den Luftkonzentrationswert machen. Einer oder mehrere Alarme 44 sind vorgesehen, um einen nicht zufriedenstellenden Luftkonzentrationswert anzuzeigen.
Die Luftsignale können in einem Speicher 46 gespeichert werden, der zudem dem Prozessor 32 verschiedene Schwellenwerte bereitstellen kann. Bei einer Ausführungsform wendet der Prozessor 32 einen Gewichtungswert auf jedes Luftsignal an, wobei der Gewichtungswert eine Funktion des Alters des Ausgabeluftsignals ist. Man beachte, daß das Alter basierend auf verstrichener Zeit oder basierend auf dem Flüssigkeitsvolumen, das seit dem Vorfall passiert ist, bestimmt werden kann. So kann z.B. das Alter eines Ausgabeluftsignals als das Flüssigkeitsvolumen bestimmt werden, das seit dem Empfang des bestimmten Luftsignals in die Flüssigkeitsleitung geflossen ist.
Wie auf 2 gezeigt, wobei K das Alter der Luftsignale repräsentiert, ist bei einer Ausführungsform der Gewichtungswert für die jüngsten Ausgabeluftsignale am größten und fällt für die älteren Ausgabeluftsignale ab. (Man beachte, daß die in 2 und 3 gezeigten Gewichtungswerte, einschließlich des Maximalwerts von 1,0, lediglich zu Illustrationszwecken dienen). Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform werden Luftsignale, die älter als das Stichalter V_cutoff sind, gelöscht, was dann eintreten kann, wenn eine begrenzte Anzahl von Speicherregistern überschritten und ältere Werte durch jüngere verdrängt werden. Bei der abgebildeten Ausführungsform wird das Alter des Luftsignals als das Volumen bestimmt, das in das IV-System gepumpt wurde, so daß das Volumenfenster Qwindow das Flüssigkeitsvolumen ist, das im Zeitraum zwischen der gegenwärtigen Zeit 0 und dem Stichalter V_cutoff in das IV-System gepumpt wird.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der es jedoch kein Stichalter V_cutoff gibt. Statt dessen werden die älteren Ausgabeluftsignale so gewichtet, daß sie sich Null nähern, jedoch nicht ganz erreichen. Man beachte daß, obwohl ältere Ausgabeluftsignale nicht gelöscht werden, ihre Gewichtung schließlich so klein wird, daß sie unbedeutend sind, so daß ein Volumenfenster Qwindow eine effektive Repräsentation des Flüssigkeitsvolumens sein kann, das während des Zeitraums, während dessen Luftsignale erheblich gewichtet werden, gepumpt wird.
Bei derartigen Ausführungsformen kann der Luftkonzentrationswert mittels einer Formel, wie der nachfolgenden, bestimmt werden:
wobei AirSignal (0) das gegenwärtige (d.h. jüngste) Luftsignal, AirSignal (1) das nächst jüngste Luftsignal usw. ist; N ist die Gesamtzahl der Luftsignale, die zur Bestimmung des Luftkonzentrationswerts verwendet werden; und a und b Gewichtungsfaktoren sind. Wenn der Gewichtungsfaktor a kleiner als Null ist, dann erhalten "ältere" Luftsignalwerte, wie z.B. wenn K >> 0, allmählich weniger Gewichtung aufgrund des Schrumpfens des Werts a^K in der obigen Formel. Die obige Gleichung ist lediglich ein Beispiel für eine solche Formel – zahlreiche andere Formeln liegen ebenfalls gut im Schutzbereich der Erfindung, solange die Wirkung darin besteht, unterschiedlichen Luftsignalwerten eine unterschiedliche Gewichtung zu geben. Bei der in der Gleichung 1 gezeigten Ausführungsform wird der Gewichtungsfaktor a ("PastWeight" (Vergangenes Gewicht)) verwendet, um die Luftsignalgewichtungen gemäß dem Alter des Luftsignalswerts, durch den Wert K repräsentiert, zu variieren, während die Anwendung des Gewichtungsfaktors b ("CurrentWeight" (Gegenwärtiges Gewicht)) vom Alter des Luftsignalwerts nicht beeinträchtigt wird.
Die Gewichtungsfaktoren können Variablen sein, welche die betrieblichen Merkmale des Systems, wie z.B. die Fließrate der Flüssigkeit, die gewünschte Empfindlichkeit usw. in Erwägung ziehen, was während des Pumpenbetriebs variieren kann. So kann z.B. ein Gewichtungsfaktor eine Funktion verschiedener Parameter, wie z.B. des Flüssigkeitsvolumens (Qsample), das während des Zeitraums gepumpt wird, dem der Luftsignalwert entspricht (der je nach Pumpenfließrate und den bestimmten Pumpenschritten und/oder Gruppen von Schritten variieren kann), und des gewünschten Flüssigkeitsvolumens (Qwindow), für das die Luftsignalwerte die relevanten Gewichtungen erhalten, sein. Bei einer Ausführungsform ist der Gewichtungsfaktor a (PastWeight) eine Funktion von Qwindow und Qsample wie folgt:
Somit erhält die gegenwärtige Luftprobe, AirSignal (0), eine Gewichtung b (weil e° = 1). Die nächst jüngste Luftprobe, AirSignal (1), wird mit
gewichtet, und so weiter.
Man beachte, dass die Gleichung 2 lediglich ein vereinfachtes Beispiel für eine solche Formel ist. Andere Formeln fallen ebenfalls in den Schutzbereich der Erfindung. So kann z.B. der Gewichtungsfaktor b eine Funktion von Qwindow und Qsample und/oder von Gewichtungsfaktor a sein. So könnte z.B., wenn a gemäß Gleichung 2 definiert wird, der Wert b durch die Formel b = 1 – a definiert werden.
In Gleichung 2 geht K von 0 bis N-1, was anzeigt, daß eine Anzahl N an Luftsignalen zur Bestimmung des Luftkonzentrationswerts verwendet wird. N kann eine sehr große oder unendliche Zahl sein, wie dies in 3 gezeigt wurde. In gewissen Umständen, z.B. wenn nur eine begrenzte Anzahl an Speicherregistern zur Speicherung individueller Luftsignale verfügbar ist, kann die Zahl N jedoch sehr viel kleiner sein. In der Praxis kann die Zahl der Luftsignalwerte, die über einen umfangreichen Zeitraum empfangen werden, ziemlich groß werden, wodurch es notwendig werden kann, daß ältere Luftsignalwerte gelöscht werden, wie dies in 2 zu sehen ist.
Eine Option für die Handhabung der großen Zahl an Luftsignalwerten, die über einen langen Zeitraum empfangen werden, ist, daß man sie in Speicher 46 speichert, der in 1 zu sehen ist, wobei "geliefertes Volumen" oder Zeitbezugnahmen, die das Alter der Ausgabeluftsignalwerte anzeigen, mit einbezogen werden könnten. Neuere Luftsignalwerte können gespeichert werden, während ältere Werte auf dem Register nach unten geschoben werden. Die ältesten Luftsignalwerte können gelöscht werden, wenn die Register gefüllt sind, und somit für neuere Werte Platz machen.
4 ist ein vereinfachtes Ablaufdiagramm, das einen Prozeß zur Bestimmung der Luftkonzentration in einer Flüssigkeitsleitung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Nach dem Systemstart 52 (oder einer Rückstellung (Reset), wie z.B. einer vom Benutzer eingeleiteten manuellen Rückstellung) gehört zu Schritt 54 der Empfang eines neuen Luftsignalwerts, der oben im Speicherregister in Schritt 56 hinzugefügt wird. Zu Schritt 56 gehört das Verschieben vorhandener Luftsignalwerte im Speicherregister nach unten, wobei die ältesten Luftsignalwerte gelöscht werden. Bei Schritt 58 werden die Luftsignale entsprechend ihrem Alter gewichtet, um gewichtete Luftsignalwerte zu erzeugen. Bei Schritt 60 addiert der Prozessor die gewichteten Luftsignalwerte, um einen Luftkonzentrationswert zu bestimmen. Bei Schritt 62 wird der Luftkonzentrationswert mit einem primären Schwellenwert verglichen, der auch als Luftdichteschwellenwert bezeichnet wird. Wenn der Luftkonzentrationswert den primären Schwellenwert überschreitet, dann ertönt ein Alarm (Schritt 64). Das System kann zudem veranlassen, daß die Zufuhr weiterer Flüssigkeit durch die Leitung gestoppt wird, wenn der Luftdichteschwellenwert überschritten wird. Wenn der Schwellenwert nicht überschritten wird, dann bereitet sich das System auf die Wiederholung des Zyklus vor. Das System kehrt dann zu Schritt 54 zurück und empfängt einen neuen Luftsignalwert.
Bei einer Ausführungsform aktualisiert das System den errechneten Luftkonzentrationswert fortlaufend. So bestimmt z.B. das System bei der in 4 abgebildeten Ausführungsform jedes Mal, wenn vom Prozessor ein neuer Luftsignalwert empfangen wird, einen neuen Luftkonzentrationswert und vergleicht diesen mit einem primären Schwellenwert. Wenn der neue Luftkonzentrationswert den primären Schwellenwert überschreitet, dann ertönt ein Alarm.
Der primäre Schwellenwert kann auf verschiedene Weisen bestimmt werden. Der primäre Schwellenwert kann ein einzelner, festgelegter Wert sein, der in das System vorprogrammiert wird. Der primäre Schwellenwert kann auch vom Benutzer gewählt werden. Der primäre Schwellenwert kann als eine Funktion von einem oder mehreren Parametern, wie z.B. der bestimmten Flüssigkeit, Patientenmerkmale (wie Gewicht) oder Fließrate durch die Flüssigkeitsleitung, variieren. Der primäre Schwellenwert kann anhand einer Formel mit einer oder mehreren Variablen bestimmt werden oder aus einer Tabelle mehrerer primärer Schwellenwerte ausgewählt werden.
Der Vergleich des Luftkonzentrationswerts mit dem primären Schwellenwert ist zum schnellen Detektieren überschüssiger Luft in der Flüssigkeitsleitung nützlich, während gleichzeitig Fehlalarme vermieden werden. Es ist jedoch möglich, daß der Vergleich zwischen dem primären Schwellenwert und dem Luftkonzentrationswert nicht die wünschenswerteste Methode zum Detektieren aller Flüssigkeitsfließanomalien ist. So wird z.B., wenn ein Infusionssystem fast keine Luft enthält und diesem plötzlich die Flüssigkeit ausgeht, typisch ein großes Luftloch in das System eingeführt. In einer solchen Situation führt ein Vergleich des Luftkonzentrationswerts mit dem primären Schwellenwert typisch zum Ertönen des Alarms, bevor dem Patienten eine erhebliche Luftmenge zugeführt wird, wobei jedoch vor der Alarmauslösung möglicherweise bereits bedeutende Luftmengen in das IV-System (jedoch erheblich stromauf vom Patienten) zugeführt worden sein könnten. Um die in das IV-System eingeführte Luft auf einem Minimum zu halten und die Systemausfallzeit zu reduzieren, wäre es wünschenswert, wenn der Alarm so schnell wie möglich ertönt, damit der Bediener die Flüssigkeitszufuhr schnell nachfüllen oder austauschen kann.
Um die Fähigkeit des Systems einer schnellen Alarmauslösung in verschiedenen Situationen zu verbessern, kann zum System ein sekundärer Schwellenwert gehören, der mit einem sekundären Luftkonzentrationswert verglichen wird. Bei diesem sekundären Luftkonzentrationswert kann es sich um einen Luftkonzentrationswert handeln, der parallel oder hintereinander mit dem primären Durchschnittskonzentrationswert bestimmt wird. Der sekundäre Luftkonzentrationswert kann mit einem Gewichtungssystem bestimmt werden, das sich von dem Gewichtungssystem, das für den primären Luftkonzentrationswert verwendet wurde, unterscheidet, und kann mit einem sekundären Schwellenwert verglichen werden, der sich vom primären Schwellenwert unterscheidet.
5a zeigt eine Kurve 66a eines primären Gewichtungswerts, die einem relativ großen Fenstervolumen Qwindow_primär entspricht. Man beachte, daß die primäre Gewichtungswertkurve 66a "älteren" Werten eine reduzierte Gewichtung erteilt. Ein solcher primärer Gewichtungswert kann verwendet werden, um den primären Luftkonzentrationswert zu bestimmen, der mit einem primären Schwellenwert verglichen wird. 5b zeigt eine Kurve 66b eines sekundären Gewichtungswerts, die einem kleineren Fenstervolumen Qwindow_sekundär entspricht, das zur Bestimmung eines sekundären Luftkonzentrationswerts zum Vergleich mit einem sekundären Schwellenwert verwendet werden kann. Man beachte, daß kleinere Qwindow-Werte einem kürzeren Zeitraum entsprechen, während dessen die Luftwerte relevante Gewichtungen bei der Bestimmung von Luftkonzentrationswerten erhalten.
Wenn man, wie auf 5a gezeigt, einen größeren Qwindow-Wert hat, kann der primäre Luftkonzentrationswert die Menge der Luft repräsentieren, die über einen relativ langen Zeitraum und/oder Flüssigkeitsvolumen, je nach Fließrate, in das IV-System eingeführt wird. Derart große Qwindow-Werte sind zum Detektieren gewisser Flüssigkeitsfließanomalien nützlich, wenn dem System über einen langen Zeitraum geringe Luftmengen zugeführt werden, die sich möglicherweise zu einer nicht akzeptablen Menge summieren. So können sich z.B. in einem IV-System Bedingungen entwickeln, unter denen dem IV-System über einen längeren Zeitraum eine "Reihe" sehr kleiner Blasen zugeführt wird. Obwohl die einzelnen Blasen sehr klein sind und den Alarm, der lediglich einen kurzen Zeitraum oder ein kleines Volumen erfaßt, nicht auslösen, kann eine solche Reihe an Blasen über einen Zeitraum oder ein zugeführtes Volumen dem System eine bedeutende Luftmenge zuführen. Durch Verwendung eines großen Qwindow in Kombination mit einem relativ niedrigen Schwellenwert kann die vorliegende Erfindung einen Alarm auslösen, wenn derartige Blasenreihen auftreten.
Die Verwendung eines relativ großen Qwindow mit einem relativ niedrigen Schwellenwert ist zum Detektieren von Flüssigkeitsanomalien nützlich, bei denen kleine Luftmengen ins Spiel kommen, die dem IV-System in einem großen Flüssigkeitsvolumen und/oder über einen langen Zeitraum zugeführt werden. Ein großes Qwindow mit einem niedrigen Schwellenwert könnte jedoch in sich selbst nicht immer die beste Methode zum Detektieren von Flüssigkeitsfließanomalitäten sein. Wenn dem System z.B. über ein sehr kleines Flüssigkeitsvolumen und/oder einen kurzen Zeitraum eine sehr große Luftmenge zugeführt wird, aber dem System zuvor sehr wenig oder keine Luft zugeführt wurde, kann es sein, daß ein Luftkonzentrationswert, der mit einem großen Qwindow berechnet wurde, aufgrund des Gewichtungswerts nicht einmal einen kleinen Schwellenwert überschreitet. Ein Luftkonzentrationswert, der unter denselben Bedingungen errechnet wurde, wobei jedoch eine ein kleineres Qwindow verwendet wurde, überschreitet typisch sogar einen noch größeren Schwellenwert. Die Verwendung eines kleinen Qwindows mit einem relativ hohen Schwellenwert ist daher für das schnelle Detektieren von Flüssigkeitsfließanomalien nützlich, bei denen große Luftmengen über ein sehr kleines Flüssigkeitsvolumen und/oder einen kurzen Zeitraum dem System zugeführt werden.
Die Verwendung einer primären Luftkonzentration mit einem großen Qwindow und einem niedrigen Schwellenwert in Kombination mit einem sekundären Luftkonzentrationswert mit einem kleinen Qwindow und einem hohem Schwellenwert ermöglicht dem System ein schnelles und effizientes Detektieren von langfristigen Anomalien (z.B. Reihen kleiner Blasen) sowie von kurzfristigen Anomalien (z.B. große Luftblasen, die dem System plötzlich zugeführt werden). Um die Effektivität eines Systems hinsichtlich des schnellen Detektierens von mittelfristigen Anomalien (bei denen dem System z.B. eine mäßige Luftmenge zugeführt wird) zu erhöhen, kann ein dritter Luftkonzentrationswert mit einem mittelgroßen Qwindow und einem mittelgroßen Schwellenwert verwendet werden. Je nach dem spezifischen IV-System und der gewünschten Empfindlichkeit können zusätzliche Luftkonzentrationswerte (d.h. vierte, fünfte Luftkonzentrationswerte usw.), die unterschiedliche Schwellenwerte und Qwindow haben, mit einbezogen werden. Man beachte, daß die verschiedenen Berechnungen der Luftkonzentration und Schwellenwertvergleiche parallel oder hintereinander vorgenommen werden können.
Wie oben erörtert, kann der sekundäre Luftkonzentrationswert mit einem kleinen Qwindow und einem relativ hohen Schwellenwert bestimmt werden, um große Luftmengen zu detektieren, die dem System über einen kurzen Zeitraum oder in einem kleinen Flüssigkeitsvolumen zugeführt werden. Wenn Qwindow sehr klein wird, dann spielt der Gewichtungswert bei der Bestimmung des Luftkonzentrationswerts eine weniger wichtige Rolle. Zum Detektieren von großen einzelnen Blasen, die in das IV-System eindringen, wie es z.B. der Fall sein kann, wenn das Flüssigkeitszufuhrreservoir leer wird, könnte die Verwendung eines variierenden Gewichtungswerts, je nach den Merkmalen des jeweiligen Systems, möglicherweise nicht das effizienteste Vorgehen darstellen. 5c zeigt einen konstanten Gewichtungswert 66c, der auf einen ausgewählten Satz an Luftwerten über ein kleines Qwindow angewandt werden kann.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der sekundäre Luftkonzentrationswert mit einem konstanten Gewichtungswert (wie dies in 5c abgebildet ist) bestimmt, und der sekundäre Luftkonzentrationswert wird mit dem Schwellenwert einer einzelnen Blase verglichen, um große einzelne Blasen zu detektieren. Wie in 6 ersichtlich, nimmt der Prozessor, nachdem der neueste Luftsignalwert dem Register bei Schritt 56 zugefügt wurde, eine beschränkte Zahl der jüngsten Luftsignalwerte, um den sekundären Luftkonzentrationswert zu bestimmen, der auch als Einzelblasenwert bezeichnet wird. Die jüngsten Luftsignalwerte wären typisch ein Teilsatz an Luftsignalwerten, die zur Bestimmung des primären Luftkonzentrationswerts verwendet werden. Bei der Ausführungsform von 6 wird der Einzelblasenwert (bei Schritt 68) dadurch bestimmt, daß einfach die jüngsten Luftsignalwerte ohne Verwendung von Gewichtungswerten addiert werden. Bei Schritt 70 wird der Einzelblasenwert mit dem Einzelblasenschwellenwert verglichen. Wenn der Schwellenwert überschritten wird, dann ertönt der Alarm (Schritt 64). Ansonsten wiederholt das System den Zyklus, während neue Luftsignalwerte empfangen werden.
Das Speichern einer großen Anzahl von Luftsignalwerten kann einen relativ großen Betrag an Speicherregistern erfordern, was in einigen Situationen nicht wünschenswert sein könnte. Hinzu kommt, daß das unabhängige Multiplizieren großer Anzahlen von Luftsignalwerten mit unterschiedlichen Gewichtungswerten prozessorintensiv sein kann. Bei einer Ausführung der Erfindung verwendet das System einen gewichteten, vergangenen Luftkonzentrationswert und reduziert somit den Bedarf an Multiplikationsvorgängen und Speicher. Bei einer solchen Ausführungsform wird der gegenwärtige Luftkonzentrationswert als eine Funktion des gegenwärtigen Luftsignals AirSignal (0) und einer gewichteten Version des jüngst errechneten Luftkonzentrationswerts (d.h. ein gewichteter vergangener Luftkonzentrationswert) bestimmt.
Bei der Bestimmung des gegenwärtigen Luftkonzentrationswerts durch Verwendung eines gewichteten vergangenen Konzentrationswerts kann eine Formel wie die folgende verwendet werden: FilterOut (0) = b × AirSignal (0) + a × FilterOut (1) (4)wobei:

AirSignal (0): = der jüngste Luftsignalwert,
FilterOut (0): = der gegenwärtige Luftkonzentrationswert, der mit dem Alarmschwellenwert verglichen wird;
FilterOut (1): = der zuvor errechnete Luftkonzentrationswert;
a: = ein Gewichtungsfaktor ("PastWeight") und
b: = ein Gewichtungsfaktor ("CurrentWeight")

Man beachte, dass der Wert (a × FilterOut (1)) der gewichtete vergangene Luftkonzentrationswert ist.
Der Effekt einer solchen Formel ist, daß ältere Luftsignale eine geringere Auswirkung auf den gegenwärtigen Luftkonzentrationswert FilterOut (0) haben. Das heißt, die älteren Luftsignalwerte erhalten effektiv eine geringere Gewichtung. So wird z.B. unter Verwendung der obigen Formel dem jüngsten Luftsignalwert AirSignal (0) ein Bruchteil seines Gesamtwerts zuerteilt, indem er mit dem Gewichtungsfaktor CurrentWeight (b) multipliziert wird. AirSignal (1), der zur Bestimmung des FilterOut (0) verwendet wurde, würde effektiv ein Gewichtungswert zuerteilt, der PastWeight × CurrentWeight gleichkommt. AirSignal (2), der zur Bestimmung von FilterOut (2) verwendet wurde und somit auch bei der Berechnung von FilterOut (1) ein Faktor war, würde effektiv ein Gewichtungswert von (PastWeight)² × CurrentWeight zugeteilt. AirSignal (3) würde effektiv ein Gewichtungswert von (PastWeight)³ × CurrentWeight zugeteilt, usw.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Gewichtungsfaktor PastWeight (a) weniger als 1, damit die älteren Luftsignalwerte bei zunehmendem Alter immer weniger Wert zugeteilt bekommen. Der Luftkonzentrationswert FilterOut (0) wird somit als eine Funktion aller Luftsignalwerte errechnet, damit die Anzahl der zur Berechnung von FilterOut (0) verwendeten Luftsignalwerte nicht durch eine bestimmte Anzahl von Speicherregistern beschränkt ist.
7 ist ein vereinfachtes Ablaufdiagramm, das einen Prozeß darstellt, bei dem das System einen gewichteten vergangenen Luftkonzentrationswert verwendet, anstatt individuell Luftsignalwerte und Gewichtungswerte zu multiplizieren. Bei der Ausführungsform von 7 kann, nach anfänglichem Start 72 (oder manueller Rückstellung) des Systems ein anfänglicher FilterOut(1)-Wert, der unter dem Alarmschwellenwert liegt, (bei Schritt 74) entweder als anfänglicher Eingabewert bereitgestellt oder als eine Funktion verschiedener Faktoren, wie z.B. Flüssigkeitsvolumen, Zufuhrrate, Alarmschwellenwert, gewählte Empfindlichkeit usw., errechnet werden. Während das System in Betrieb ist, wird ein gegenwärtiger Luftsignalwert AirSignal (0) (bei Schritt 76) empfangen. Bei Schritt 78 bestimmt der Prozessor einen neuen Luftkonzentrationswert FilterOut (0), der als eine Funktion von AirSignal (0) und FilterOut (1) errechnet wird. Bei Schritt 80 wird der neue Luftkonzentrationswert FilterOut (0) mit dem primären Schwellenwert verglichen. Wenn der primäre Schwellenwert überschritten wird, ertönt (bei Schritt 82) ein Alarm. Wenn der neue Luftkonzentrationswert innerhalb der Schwellenwertgrenze liegt, wird der gegenwärtige Wert FilterOut (0) zu FilterOut (1) (bei Schritt 84) und der Zyklus wiederholt sich bei Eingang eines neuen Luftsignalwerts (Schritt 76).
Man beachte, daß 7 eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung ist. Je nach der bestimmten Ausführungsform könnten zahlreiche zusätzliche Schritte notwendig sein. So könnte z.B. der primäre Schwellenwert entweder als ein direkter Eingabewert des Benutzers oder als ein errechneter Wert, der auf verschiedenen Parametern, wie die Flüssigkeitsfließrate, Patienteneigenschaften (Gewicht, Alter usw.), Art der verwendeten Flüssigkeit usw. basiert, bestimmt werden. Hinzu kommt, daß der primäre Schwellenwert, wie bereits erörtert, in Verbindung mit zusätzlichen Schwellenwerten, mit denen zusätzliche Luftkonzentrationswerte verglichen werden, verwendet werden kann.
Die Effizienz der Verwendung von gewichteten vergangenen Luftkonzentrationswerten wobei es sich um eine rekursive Implementierung handelt, die als unbegrenztes Ansprechen auf einen Impuls (IIR) bezeichnet wird, ist in 8 ersichtlich, die ein Signalablaufdiagramm für eine Ausführungsform eines solchen Systems zeigt. Die Werte AirSignal (0), FilterOut (1), a und b werden zur Ableitung jedes neuen Werts FilterOut (0) verwendet. Es ist nur ein Speicherregister 85 erforderlich, das zum Speichern des vorherigen gefilterten Luftkonzentrationswerts FilterOut (1) verwendet wird. Weil das System "rekursiv" ist, d.h. es verwendet vergangene Ergebnisse zur Berechnung gegenwärtiger Ergebnisse, wendet es effektiv eine Gewichtung auf alle jemals eingegangenen Luftsignalwerte an, was bei einem IV-System bis zum Beginn der Infusion sein kann. Für ältere Luftsignale fällt jedoch die Gewichtung so nahe auf Null ab, daß sie größtenteils unerheblich sind.
Bei einer weiteren Ausführung der Erfindung verwendet das System eine Kombination einer direkten Gewichtung jüngerer Luftsignalwerte zusammen mit einem gewichteten vergangenen Luftkonzentrationswert. So könnte z.B., wie dies in der nachfolgenden Formel dargestellt wird, die Erfindung einen ersten Gewichtungsfaktor auf die beiden jüngsten Luftsignalwerte anwenden, die in Speicherregistern gespeichert werden können, während ein zweiter Gewichtungsfaktor auf den jüngst errechneten Luftkonzentrationswert FilterOut (n-1) angewandt wird.
wobei:

AirSignal (0): = der gegenwärtige Luftsignalwert,
AirSignal (1): = der nächstjüngste Luftsignalwert,
FilterOut (0): = der gegenwärtige Luftkonzentrationswert, der mit dem Alarmschwellenwert verglichen wird;
FilterOut (1): = der jüngst errechnete Luftkonzentrationswert;
Qsample: = das in der Probe beförderte Flüssigkeitsvolumen und
Qwindow: = die Größe der Volumenabtastbereichs

Bei der bestimmten Ausführungsform, die in Gleichung 5 gezeigt wird, ist der Gewichtungsfaktor oder Multiplikator für den gegenwärtigen Luftsignalwert (AirSignal (0)) und den Luftsignalwert unmittelbar davor (AirSignal (1)) eine Funktion des Flüssigkeitsvolumens, das in jeder Probe (Qsample) befördert wird, und der Größe des Volumenfensters (Qwindow). Wenn die Größe des Volumenfensters (Qwindow) vergrößert wird, nimmt der Gewichtungsfaktor allgemein ab, wodurch jedem individuellen Luftsignalwert eine kleinere Gewichtung zugeteilt wird. Wenn das Probenvolumen Qsample zunimmt, nimmt die Gewichtung allgemein zu, um die Tatsache zu reflektieren, dass der gegenwärtige Luftsignalwert eine größere Volumenzunahme repräsentiert.
Der derzeit errechnete Luftkonzentrationswert FilterOut(0) wird in der Gleichung 5 unter Verwendung des unmittelbar davorigen Luftkonzentrationswerts FilterOut (n) bestimmt, auf den eine Gewichtung angewandt wird, die selbst eine Funktion von Qwindow und Qsample ist. FilterOut (0) wird zudem durch Anwendung eines Gewichtungsfaktors direkt auf die beiden jüngsten Luftsignalwerte AirSignal (0) und AirSignal (1) bestimmt.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist in 9 zu sehen, bei der ein einfacher Sensor 34a ein Binärsignal liefert, das Luft oder keine Luft in einem bestimmten Abschnitt 36a der Flüssigkeitsleitung 16 anzeigt. Der Sensor 34a nimmt jedesmal, wenn der Pumpenmechanismus 24 einen Schritt vollzieht, eine Probe, so daß die sich hierdurch ergebenden binären Luftwerte entweder einen Schritt mit Luft oder einen Schritt ohne Luft repräsentieren. Eine Zeitabtasteinrichtung 84 liefert Werte, die anzeigen, welchem Pumpenmotorschritt jeder binäre Luftwert entspricht.
Bei vielen peristaltischen Mechanismen, die von einem Schrittmotor angetrieben werden, variiert der Flüssigkeitsdurchfluß von Schritt zu Schritt erheblich und einige erzeugen sogar eine negative Strömung. Daher ist es möglich, daß die binären Luftwerte für verschiedene Schritte verarbeitet werden müssen, um die Flüssigkeit, die während des Schritts tatsächlich geflossen ist, mit einzubeziehen.
Bei der gezeigten Ausführung gruppiert die Motorsteuereinrichtung 86 die Schritte in jedem Pumpenzyklus in mehrere Pakete, so daß jedes Paket mehrere Pumpenschritte enthält. Das Flüssigkeitsvolumen (Qsample), das in einem bestimmten Paket gepumpt wird, kann größenmäßig dem Flüssigkeitsvolumen entsprechen, das in anderen Paketen gepumpt wurde. Um dieses Ergebnis zu erzielen, können die Pakete unterschiedliche Anzahlen von Schritten enthalten. Die binären Luftwerte werden einem Paketakkumulator 88 bereitgestellt und in Werte, die Schritte mit Luft und Werte, die Schritte ohne Luft repräsentieren, sortiert.
Wenn das Paket komplett ist, d.h., wenn der Motor alle Schritte im Paket durchlaufen hat, wird die Anzahl der Schritte mit Luft durch die Gesamtzahl der Schritte dividiert, wie dies bei 90 zu sehen ist. Der sich hieraus ergebende Wert ist ein Luftbruchwert, der die Menge an Luft repräsentiert, die während der Pumpenschritte des Pakets dem intravenösen System zugeführt wird. Der Luftbruchwert wird, bei 92, als ein Luftsignalwert verwendet, um den primären Luftkonzentrationswert zu bestimmen. Das System verwendet zudem eine Volumenfenstergröße (Qwindow), die als von einem Speicher 94 bereitgestellt gezeigt ist, um den primären Luftkonzentrationswert (FilterOut (0)) zu errechnen, wie z.B. durch Verwendung der obigen Gleichung 5. Der primäre Ausgabeluftkonzentrationswert wird, bei 96, mit einem primären Schwellenwert verglichen, der vom Speicher 94 bereitgestellt wird. Bei der abgebildeten Ausführungsform ist der primäre Schwellenwert ein Blasendichteschwellenwert. Der primäre Schwellenwert kann vom Benutzer über ein Eingabegerät 98 gewählt werden, wie z.B. eine Tastatur oder ähnliche Steuertafel, das auch für Eingabe von Befehlen an die Pumpenmotorsteuereinrichtung 86, wie z.B. die gewünschte Durchflußrate usw., verwendet werden kann. Der primäre Schwellenwert kann zudem als eine Funktion der gewählten Durchflußrate und/oder als eine Funktion des Fenstervolumens (window volume) Qwindow bestimmt werden.
Wenn der primäre Schwellenwert überschritten wird, wird ein Alarm 100 ausgelöst. Zur Alarmauslösung kann auch das Abschalten des Pumpenmotors 24 durch die Pumpenmotorsteuereinrichtung 86 gehören.
Der Speicher 94 kann auch einen zweiten Schwellenwert liefern, der in der Abbildung als Einzelblasenschwellenwert dargestellt ist, mit dem ein sekundärer Luftkonzentrationswert verglichen wird. Wenn der sekundäre Schwellenwert überschritten wird, wird der Alarm 100 ausgelöst.
Bei den in 2 und 3 abgebildeten Ausführungsformen werden die Gewichtungswerte auf die Luftsignalwerte angewandt, um zu veranlassen, daß älteren Luftsignalwerten abfallende Gewichtungen zugeteilt werden, die einer relativ glatten Kurve folgen, die allmählich und exponentiell ausläuft. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung können jedoch Gewichtungswerte verwendet werden, die nichtexponentiellen Kurven folgen. Hinzu kommt, daß relativ komplizierte, nichtexponentielle Kurven durch Variation der Faktoren a und b erstellt werden können. Somit kann die "Kurve" von Gewichtungswerten, die auf Luftsignalwerte angewandt werden, während sie altern, nach Wunsch auf sich ändernde Umstände angepaßt werden. 10 zeigt ein Beispiel einer solchen nichtexponentiellen Kurve 102.
11 zeigt ein Signalablaufdiagramm, bei dem die Werte a und b variiert werden, wenn die Luftsignalwerte altern. Ein "B"-Speicherregister mit einer Anzahl von J Registern speichert b Werte von b₀ bis b_J-1. In ähnlicher Weise speichert ein "A"-Speicherregister mit einer Anzahl von L Registern a Werte von a₁ bis a_L-1. AirSignal-Werte vom gegenwärtigen AirSignal (0) zum ältesten AirSignal (L-1) werden in einem Luftsignalspeicher mit einer Anzahl von J-1 Registern gespeichert. Auf ähnliche Weise werden vorherige Luftkonzentrationswerte, vom jüngsten (AirConcentration (1)) bis zum ältesten (AirConcentration (L-1)), in einem Luftkonzentrationsspeicher mit einer Anzahl von L-1 Registern gespeichert.
Wenn der gegenwärtige Luftsignalwert AirSignal (0) empfangen wird, wird er oben im (gegenwärtigen) Register in einem Luftsignalspeicher positioniert, der J-1 Register hat, während vorherige Luftsignalwerte, AirSignal (1) bis AirSignal (L-1), im Register nach unten verschoben werden. Der Gewichtungsfaktor b₀ wird auf AirSignal (0) angewandt, der Faktor b₁ wird auf AirSignal (1) angewandt, usw., wobei das Ergebnis bei den Berechnungen von AirConcentration (0) verwendet wird. Die früheren Werte von AirConcentration werden zudem bei der Bestimmung des aktualisierten AirConcentration-Werts verwendet. Der Gewichtungsfaktor a₁ wird auf AirConcentration (1) angewandt, der Faktor a₂ wird auf AirConcentration (2) angewandt usw. Eine gewünschte Formel für die endgültige Errechnung von AirConcentration (0), wie z.B. eine modifizierte Version der oben erörterten Gleichung 1, kann entsprechend bestimmter Applikationen und Umstände gewählt werden. Somit kann ein endgültiger gefilterter Ausgabewert von AirConcentration (0) eine Funktion von zahlreichen vergangenen AirSignal-Werten und AirConcentration-Werten sein, auf die viele unterschiedliche Gewichtungsfaktoren a₁, a₂, ..... b₁, b₂ ...... angewandt wurden.
Obwohl bevorzugte und alternative Ausführungen der Erfindung beschrieben und illustriert wurden, kann die Erfindung von Fachleuten auf dem Gebiet und ohne weitere Erfindungsfähigkeiten modifiziert und adaptiert werden. Während sich die obigen Beispiele z.B. allgemein mit der Verwendung von Licht oder Schall zur Lieferung einer sofortige Messung von Luft in der Leitung befaßten, sind andere Methoden der Bestimmung sofortiger Messungen von Luft in der Leitung, wie z.B. druckempfindliche Einrichtungen, mit der Erfindung ebenfalls kompatibel. Weiterhin können zahlreiche Gleichungen und Formeln zur Bestimmung der Luftkonzentrationswerte innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung verwendet werden. Zusätzlich zum Detektieren von Luft kann die Erfindung auch zum Detektieren anderer Mittel verwendet werden, die in ein Infusionssystem eingeführt werden können. Es sollte daher klar sein, daß verschiedene Änderungen an Form, Detail und Nutzung der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dabei vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Demzufolge ist nicht beabsichtigt, daß die Erfindung, mit Ausnahme durch die beigefügten Ansprüche, beschränkt ist.

Claims

Vorrichtung zur Verwendung in Verbindung mit einem Infusionssystem (10) für eine medizinische Flüssigkeit zur Beurteilung der Gefahr für einen an das Infusionssystem angeschlossenen Patienten von Luftblasen in entlang einer Flüssigkeitsleitung (16) des Systems (10) zugeführter Infusionsflüssigkeit, wobei die Vorrichtung umfaßt: (a) einen Blasensensor (34) zum Detektieren von Luftblasen in Flüssigkeit, die entlang einer Leitung (16) des Infusionssystems (10) passiert, und Liefern, in Intervallen, von Ausgabesignalen, wobei jedes der Menge von Luft in einem vorab festgelegten Abschnitt der Leitung (16) zu einem Abtastzeitpunkt in dem jeweiligen Intervall entspricht, oder die in einer vorab festgelegten Zeitdauer in dem jeweiligen Intervall passiert, gekennzeichnet durch: (b) ein Mittel, enthaltend einen Speicher (46), zum Ableiten und Speichern, zumindest für eine Zeitlänge, die eine Anzahl von genannten Intervallen einschließt, für jedes Ausgabesignal, eines Rohwertes, der der Größe des Ausgabesignals entspricht, und zum Speichern von zugehöriger Information über die Zeit, wann das Ausgabesignal erzeugt wurde, seit das Ausgabesignal erzeugt wurde oder über das Gesamtvolumen von durch die Leitung (16) abgegebener Flüssigkeit, seit das Ausgabesignal erzeugt wurde, oder wenigstens hinsichtlich des Platzes des Ausgabesignals in der zeitlichen Abfolge von genannten Ausgabesignalen, (c) ein Berechnungsmittel (32), das, jedes Mal wenn ein derartiges Ausgabesignal erzeugt wird, (i) für jeden der in dem Speicher (46) gespeicherten Rohwerte einen jeweiligen gewichteten Wert berechnet, der gleich dem Produkt des jeweiligen Rohwertes und eines Gewichtungsfaktors ist, der um so kleiner ist, je länger die Zeit ist, die verstrichen ist, seit das entsprechende Ausgabesignal des Blasensensors erzeugt wurde, oder um so kleiner ist, je größer die Flüssigkeitsmenge ist, die durch die Leitung geflossen ist, seit das entsprechende Ausgabesignal des Blasensensors (34) erzeugt wurde, und (ii) einen Luftkonzentrationswert als die Summe der gewichteten Werte berechnet, und (d) ein Mittel (32, 42, 44), das geeignet ist, um den Luftkonzentrationswert anzuzeigen und/oder den Luftkonzentrationswert mit einem vorab festgelegten Wert zu vergleichen und ein Alarmsignal und/oder Steuersignal zu liefern, wenn der berechnete Luftkonzentrationswert den vorab festgelegten Wert überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gewichtungsfaktor kleiner als eins zur Berechnung der jeweiligen gewichteten Werte für jeden der vorher gespeicherten Rohwerte verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Berechnungsmittel (32) gestaltet ist, um einen primären Luftkonzentrationswert als die Summe der gewichteten Werte für eine relativ lange Abfolge derartiger Ausgabesignale, endend mit dem letzten, zu berechnen, und gestaltet ist, um einen sekundären Luftkonzentrationswert als die Summe der gewichteten Werte für eine relativ kurze Abfolge derartiger Ausgabesignale, endend mit dem letzten, oder als die Summe der Rohdaten für eine relativ kurze Abfolge derartiger Ausgabesignale, endend mit dem letzten, zu berechnen, und daß die Vorrichtung ein Mittel, das gestaltet ist, um den primären Luftkonzentrationswert mit einem ersten vorab festgelegten Schwellenwert zu vergleichen, und ein Mittel enthält, das gestaltet ist, um den sekundären Luftkonzentrationswert mit einem zweiten vorab festgelegten Schwellenwert zu vergleichen und einen Alarm auszulösen, und/oder die Zufuhr von Flüssigkeit entlang der Leitung zu beenden, wenn entweder der primäre Luftkonzentrationswert den ersten vorab festgelegten Schwellenwert überschreitet oder der sekundäre Luftkonzentrationswert den zweiten festgelegten Schwellenwert überschreitet.
Vorrichtung zum Injizieren einer Flüssigkeit einem Patienten, enthaltend: (a) eine Flüssigkeitsleitung (16) zum Zuführen von Infusionsflüssigkeit zu einem Patienten, (b) ein Flüssigkeitsabgabemittel (20) zum Zuführen von Infusionsflüssigkeit entlang der Leitung, (c) eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, in der der Blasensensor (34) gestaltet ist, um Luftblasen in der entlang der Leitung (16) passierenden Flüssigkeit zu detektieren.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (32, 42, 44) gestaltet ist, um die Zufuhr von Flüssigkeit der Leitung zu beenden, wenn der berechnete Luftkonzentrationswert den vorab festgelegten Wert überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, die die Vorrichtung nach Anspruch 3 enthält und worin das Mittel (32, 42, 44) gestaltet ist, um einen Alarm auszulösen und/oder die Zufuhr von Flüssigkeit entlang der Leitung zu beenden, wenn entweder die primäre Luftkonzentration den ersten vorab festgelegten Schwellenwert überschreitet oder der sekundäre Luftkonzentrationswert den zweiten vorab festgelegten Schwellenwert überschreitet.