DE19919572C2 - Method and device for determining gas in medical liquids - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestim mung von Gas in einer Flüssigkeit, insbesondere in medizinischen Flüssigkeiten wie Dialyseflüssigkeit, Blut und dergleichen.The present invention relates to a method and an apparatus for determining tion of gas in a liquid, especially in medical liquids such as dialysis fluid, blood and the like.
Bei der Förderung, Bilanzierung und Dosierung von medizinischen Flüssigkeiten ist es von Bedeutung, den Gasanteil in den transportierten Flüssigkeiten zu erfassen. Insbesondere im Bereich der Peritonealdialyse, Hämodialyse, Hämofiltration und verwandter Verfahren ist die Bestimmung des Luftmengenanteils in den transpor tierten Flüssigkeiten unumgänglich.When it comes to conveying, balancing and dosing medical fluids it is important to record the gas content in the transported liquids. Especially in the field of peritoneal dialysis, hemodialysis, hemofiltration and related method is the determination of the air volume in the transport liquids are unavoidable.
Zur Bestimmung des Gasanteiles sind bereits verschiedene Verfahren und Vor richtungen vorgeschlagen worden. Beispielsweise kann die Gasmenge durch Be aufschlagung des Flüssigkeits-/Gasgemisches mit Überdruck bestimmt werden. Hierzu (vgl. US 4,924,695) kann eine Probe des Flüssigkeits-/Gasgemisches in ei ne von einem kompressiblen Schlauch begrenzte Probenkammer gegeben, das Kammervolumen durch Druckbeaufschlagung des Schlauches von außen reduziert und die in der Kammer eingeschlossene Gemischprobe komprimiert werden, wobei zur Bestimmung des Gasanteiles die Volumenveränderung der Gemischprobe mit dem Druckanstieg in der Probenkammer in Beziehung gesetzt wird. Die hierfür be kannten Verfahren und Vorrichtungen sind jedoch relativ aufwendig und kompliziert, der apparatetechnische Aufwand teilweise beträchtlich.Various methods and methods are already available for determining the gas content directions have been proposed. For example, the amount of gas by Be impact of the liquid / gas mixture can be determined with overpressure. For this purpose (cf. US 4,924,695), a sample of the liquid / gas mixture in egg ne given by a compressible tube limited sample chamber that Chamber volume reduced by pressurizing the hose from the outside and compressing the mixture sample enclosed in the chamber, wherein the volume change of the mixture sample with to determine the gas content is related to the pressure rise in the sample chamber. The be known methods and devices are, however, relatively complex and complicated, the technical expenditure on equipment is sometimes considerable.
Die EP 0 226 908 B1 beschreibt ein Verfahren zur Messung des Förderstromvolu mens von Membranpumpen. Über Sensoren werden zum einen der Zeitpunkt der Bewegungsumkehr des Pumpenkolbens und zum anderen das Auftreten eines Druckstoßes im Pumpenzylinder gemessen und daraus die Expansions- bzw. Kompressionszeit ermittelt. Aus diesen Werten erfolgt eine Bestimmung des Volu menstroms. Die Druckschrift US 4,820,129 beschreibt ein Verfahren zur Druckmes sung in Pumpsystemen und Behebung von Messwertverschiebungen. Eine Gasanteilsbestimmung erfolgt jedoch nicht. Die US 4,705,459 beschreibt ein Ver fahren zur Messung des Fördervolumens einer Pumpe, wobei über Sensoren die Position des Kolbens und der Stand der Ventile als Funktion der Zeit ermittelt wird. Aus der Zeitdifferenz zwischen Öffnungs- und Schließmomenten der Ventile und der Durchgänge des Kolbens durch seinen Totpunkt, wird das Kammervolumen bestimmt. Eine Bestimmung des Gasanteils in medizinischen Flüssigkeiten erfolgt jedoch nicht.EP 0 226 908 B1 describes a method for measuring the volume flow mens of diaphragm pumps. On the one hand, the time of the Reversal of movement of the pump piston and on the other hand the occurrence of a Pressure surge measured in the pump cylinder and from this the expansion or Compression time determined. The volu is determined from these values menstroms. The document US 4,820,129 describes a method for pressure measurement solution in pump systems and correction of measured value shifts. A However, the gas percentage is not determined. US 4,705,459 describes a ver drive to measure the delivery volume of a pump, the sensors Position of the piston and the position of the valves is determined as a function of time. From the time difference between the opening and closing torques of the valves and The passage of the piston through its dead center becomes the chamber volume certainly. The gas content in medical liquids is determined However not.
Die JP 10281844 A schlägt eine zweiachsige Schraubenspindelpumpe vor, wobei bei offenen Ansaug- und Abförderkanälen die Druckdifferenz über die Pumpe mittels Druckmeßzellen erfaßt werden soll. Wie ein Gasanteil erfaßt werden soll, bleibt bei dieser Schrift offen.JP 10281844 A proposes a two-axis screw pump, whereby at open suction and discharge channels the pressure difference via the pump Pressure measuring cells to be detected. How a gas fraction is to be recorded remains this scripture open.
Die Druckschrift WO 91/08445 A1 zeigt eine Kolbenpumpe als Teil einer Durchfluß meßeinrichtung, die dazu bestimmt ist, in Unterwasseranwendungen das Förder volumen eines mehrphasigen Fluids, nämlich eines Rohöl-Luft-Gemisches sowie die Gas- und Flüssigkeitsanteile darin zu bestimmen. Hierzu wird im Umkehrpunkt des Kolbens der Pumpe zwischen dem Ende des Ansaughubes und dem Beginn des Förderhubes die Kompressibilität des Gemisches bestimmt, wozu der Weg des Kolbens von seinem Totpunkt, in dem das Ansaugventil schließt, bis zum Öffnen des Abförderventils erfaßt wird. Dieses Verfahren der Kompressibilität ist jedoch relativ ungenau. Insbesondere ist es für die Bestimmung des Gasanteils in medizi nischen Flüssigkeiten wenig geeignet.The publication WO 91/08445 A1 shows a piston pump as part of a flow Measuring device which is intended to convey in underwater applications volume of a multi-phase fluid, namely a crude oil-air mixture and to determine the gas and liquid proportions in it. This will be at the turning point the piston of the pump between the end of the suction stroke and the beginning of the delivery stroke determines the compressibility of the mixture, for which the path of the Piston from its dead center at which the intake valve closes until it opens of the discharge valve is detected. However, this method of compressibility is relatively inaccurate. In particular, it is for the determination of the gas content in medical African liquids not very suitable.
Schließlich zeigt es die Druckschrift US 4,255,088 in ähnlicher Weise die Kompres sibilität des zu fördernden Gemisches während des Pumpvorgangs zu beurteilen, nämlich im Umkehrpunkt des Kolbens der entsprechenden Kolbenpumpe zwischen dem Ansaughub und dem Förderhub. Insofern gelten die oben erwähnten Nachtei le. Ferner versäumt es die Schrift letztlich, die spezifische Menge des Gases zu bestimmen. Es wird lediglich beurteilt, ob die Kompressibilität des zu fördernden Gemisches über einem Grenzwert liegt, um in diesem Fall Alarm zu geben bzw. die Pumpe abzustellen.Finally, the document US 4,255,088 shows the compresses in a similar manner assess the sensitivity of the mixture to be pumped during the pumping process, namely at the reversal point of the piston of the corresponding piston pump between the suction stroke and the delivery stroke. In this respect, the above-mentioned nightlife applies le. Furthermore, Scripture ultimately fails to add the specific amount of gas determine. It is only assessed whether the compressibility of the to be promoted Mixture is above a limit value in order to give an alarm or the Turn off the pump.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaf fen, die die Nachteile aus dem Stand der Technik vermeiden. Insbesondere soll mit geringem apparatebaulichen Aufwand eine präzise Erfassung des Gasanteils er möglicht werden.The present invention is therefore based on the object of an improved To create method and an improved device of the type mentioned fen, which avoid the disadvantages of the prior art. In particular, with low apparatus engineering effort, a precise detection of the gas portion be possible.
Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 7 gelöst. Bevorzugte Ausge staltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.In terms of process engineering, this task is accomplished by a method according to Claim 1 solved. In terms of device technology, the above Object achieved by a device according to claim 7. Preferred Ausge Events of the invention are the subject of the dependent claims.
Es wird also keine eigens für die Gasanteilbestimmung vorgesehene Meßeinrich tung verwendet, sondern unmittelbar auf die bei der Dialyse eingesetzte Pump-, Bilanzier- und Dosiervorrichtung zurückgegriffen. Hierbei braucht die Flüssigkeit, deren Gasanteil bestimmt werden soll, nicht in eine eigens vorgesehene Probe kammer abgezweigt bzw. separiert werden, die Bestimmung der Gasmenge kann im Durchlauf der Flüssigkeit durch die Pumpvorrichtung erfolgen. Die Volumenän derung, der das Flüssigkeits-/Gasgemisch unterworfen wird, geht im Grenzwert gegen Null, nämlich dann, wenn der Gasanteil gegen Null geht und eine ideale in kompressible Flüssigkeit vorliegt.There is therefore no measuring device provided specifically for determining the gas content device used, but directly on the pump, dialysis Balance and metering device used. Here the liquid needs whose gas content is to be determined, not in a specially provided sample Chamber branched or separated, the determination of the amount of gas in the passage of the liquid through the pumping device. The volumes The change to which the liquid / gas mixture is subjected is within the limit towards zero, namely when the gas content approaches zero and an ideal in compressible liquid is present.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird eine Membranpumpe, insbesondere eine Kolbenmembranpumpe gemäß DE 197 42 632.8-15 verwendet, um das Gemisch aus Gas und Flüssigkeit der Volumen- und Druckänderung zu unterwerfen. Neben weiteren Vorteilen kann mit einer Kolbenmembranpumpe die Volumen- und Druckänderung sehr genau herbeigeführt und erfaßt werden.According to a preferred embodiment of the invention, a diaphragm pump, used in particular a piston diaphragm pump according to DE 197 42 632.8-15, in order for the mixture of gas and liquid to change in volume and pressure submit. In addition to other advantages, with a piston diaphragm pump Volume and pressure changes are brought about and recorded very precisely.
Als Betriebsparameter können insbesondere der Pumpkammerdruck und das Hub volumen der Pumpe bestimmt werden. Die beiden Parameter können indirekt be stimmt werden. Insbesondere kann hierfür ein dem Pumpkammerdruck entspre chender Hydraulikdruck der Kolbenmembranpumpe gemessen und ein das Hub volumen bestimmender Weg bzw. eine Stellungsänderung der mechanischen För dermittel der Pumpe erfaßt werden.In particular, the pump chamber pressure and the stroke can be used as operating parameters volume of the pump can be determined. The two parameters can be indirect be true. In particular, this can correspond to the pump chamber pressure The hydraulic pressure of the piston diaphragm pump is measured and the stroke volume-determining path or a change in position of the mechanical conveying dermittel of the pump can be detected.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird eine feste, abgeschlos sene Menge des Flüssigkeits-/Gasgemisches der Volumen- und Druckänderung unterworfen. Vorzugsweise wird dies in einer Pumpkammer der Pumpe, insbeson dere einer Bilanzierkammer einer Dosier- und Bilanzierpumpe bewirkt.According to a preferred embodiment of the invention, a fixed, locked The amount of the liquid / gas mixture of the change in volume and pressure subjected. This is preferably done in a pump chamber of the pump, in particular effecting a balancing chamber of a metering and balancing pump.
Die Druckänderung des Flüssigkeits-/Gasgemisches kann auf verschiedene Wei sen erfolgen. Vorzugsweise wird das Gemisch auf einen vorbestimmten Druckwert komprimiert bzw. dekomprimiert, d. h. auf einen vorbestimmten Über- bzw. Unter druck gebracht. Insbesondere wird in einem ersten Schritt ein Ausgangsdruck des Gemisches erfaßt, in einem zweiten Schritt eine durch Schließen der Zu- und Ab flüsse der Pumpenkammer abgeschlossene Volumenmenge des Gemisches ge schaffen und in einem dritten Schritt die abgeschlossene Volumenmenge einem vom Ausgangsdruck verschiedenen Enddruck unterworfen. Hierbei werden der Enddruck und die dabei erfolgende Volumenänderung der abgeschlossenen Ge mischmenge erfaßt. Grundlage für die Bestimmung des Gasanteiles ist das Gesetz von Boyle-Mariotte, wonach sich der Druck eines Gases bei gleichbleibender Tem peratur erhöht, wenn es auf ein kleineres Volumen verdichtet wird. Da Flüssigkeiten praktisch inkompressibel sind, muß die auf eine Komprimierung folgende Volu menänderung eines Flüssigkeits-/Gasgemisches auf der Verdichtung des darin enthaltenen Gases beruhen. The change in pressure of the liquid / gas mixture can in various ways take place. The mixture is preferably brought to a predetermined pressure value compressed or decompressed, d. H. to a predetermined over or under brought pressure. In particular, in a first step, an outlet pressure of the Mixtures detected in a second step by closing the inlet and outlet flows closed volume volume of the mixture ge the pump chamber create and in a third step the completed volume subject to final pressure different from the outlet pressure. Here, the Final pressure and the resulting change in volume of the closed Ge mixed quantity recorded. The law is the basis for determining the gas content von Boyle-Mariotte, according to which the pressure of a gas changes at constant temperature temperature increases if it is compressed to a smaller volume. Because liquids are practically incompressible, the volume following compression must change of a liquid / gas mixture on the compression of it contained gas are based.
In vorrichtungstechnischer Hinsicht sind entsprechend eine Pumpe zur Förderung des Gemisches aus Gas und Flüssigkeit, eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern der Pumpe und eine mit der Erfassungseinrichtung ver bundene Auswerteeinheit zur Auswertung der Betriebsparameter und Bestimmung des Gasanteils in der Flüssigkeit aus den Betriebsparametern vorgesehen.In terms of device technology, a pump is correspondingly to be promoted of the mixture of gas and liquid, a detection device for detection of operating parameters of the pump and a ver with the detection device bound evaluation unit for evaluating the operating parameters and determination of the gas content in the liquid from the operating parameters.
Die Auswerteeinheit setzt die die Volumen- und Druckänderung repräsentierenden Betriebsparameter in Beziehung zueinander und berechnet auf der Basis des Ge setzes von Boyle-Mariotte die im Flüssigkeits-/Gasgemisch enthaltene Gasmenge.The evaluation unit sets the one that represents the change in volume and pressure Operating parameters in relation to each other and calculated based on the Ge Boyle-Mariotte sets the amount of gas contained in the liquid / gas mixture.
In entsprechender Weiterbildung der Erfindung ist als Pumpe eine Dosier- und Bi lanzierpumpe vorgesehen. Insbesondere besitzt die Vorrichtung eine Kolbenmem branpumpe zur Förderung, Bilanzierung und Dosierung der medizinischen Flüssig keit. Die Pumpe weist vorzugsweise eine Kolben-/Zylindereinheit, eine von einer Membran begrenzte Pumpkammer und einen zwischen die Kolben-/Zylindereinheit und die Pumpkammer geschalteten Hydraulikkreis auf. Die Pumpkammer kann von der Membran in zwei Kammern unterteilt sein, wobei eine erste Kammer mit dem Hydraulikkreis in Fluidverbindung steht, während die zweite Kammer von dem Hy draulikkreis abgetrennt ist und zur Förderung der medizinischen Flüssigkeit vorge sehen ist.In a corresponding development of the invention, a metering and bi lanzierpumpe provided. In particular, the device has a piston diaphragm branch pump for conveying, balancing and dosing the medical liquid ness. The pump preferably has a piston / cylinder unit, one of a Diaphragm-limited pump chamber and one between the piston / cylinder unit and the pump chamber switched hydraulic circuit. The pumping chamber can be from the membrane can be divided into two chambers, a first chamber with the Hydraulic circuit is in fluid communication, while the second chamber from the Hy Draulikkreis is separated and featured to promote the medical fluid see is.
Um die im medizinische Anwendungsbereich erforderliche Sterilität zu gewährlei sten und die Vorrichtung vor Berührung und Angriff durch das zu fördernde Medium zu schützen, ist in besonders vorteilhafter Weise die Pumpkammer, durch die das medizinische Medium gefördert wird, als vom Rest der Pumpe abnehmbarer Ein malartikel, ein sogenanntes Disposable, ausgebildet. Diese Einweg-Pumpkammer kann als Kopfstück auf die Membrankammer aufgesetzt werden, so daß deren Be wegung auf die volumenveränderliche, insbesondere elastisch kompressibel aus gebildete Einweg-Pumpkammer übertragen wird. Die als Einmalartikel ausgebildete Pumpkammer kann ebenfalls eine Membran aufweisen, mit der sie auf die Membrankammer aufgesetzt wird, so daß die Einweg-Pumpkammer unmittelbar auf der Membran der mit dem Hydraulikkreis verbundenen Pumpkammer anliegt.To ensure the sterility required in the medical field of application most and the device from touch and attack by the medium to be conveyed To protect is the pump chamber through which the medical medium is promoted as a removable from the rest of the pump painting articles, a so-called disposable. This disposable pump chamber can be placed as a head on the membrane chamber, so that the Be movement towards the volume-changeable, in particular elastically compressible formed disposable pump chamber is transferred. The one-time trained Pump chamber can also have a membrane with which it is applied to the membrane chamber is placed so that the disposable pump chamber directly on the Diaphragm of the pump chamber connected to the hydraulic circuit is present.
Die Erfassungseinrichtung kann als Mittel zur Bestimmung des Pumpkammer drucks und zur Bestimmung des Hubvolumens einen Drucksensor und einen Kol ben-Längensensor aufweisen. Der Drucksensor kann mit dem Hydraulikkreis der Pumpe in Wirkverbindung stehen, dessen Druck dem Flüssigkeits-/Gasgemisch in der Pumpkammer entspricht. Mittels des Kolben-Längensensors wird die vom Kol ben verfahrene Strecke gemessen bzw. die jeweilige Stellung des Kolbens erfaßt. Die Kolbenfläche ist bekannt, so daß sich aus dem Verfahrweg des Kolbens das Hubvolumen bestimmen läßt.The detection device can be used as a means for determining the pump chamber pressure and to determine the stroke volume a pressure sensor and a Kol ben length sensor. The pressure sensor can be connected to the hydraulic circuit Pump are operatively connected, the pressure of which is in the liquid / gas mixture corresponds to the pumping chamber. Using the piston length sensor, the piston ben traversed distance measured or the respective position of the piston detected. The piston surface is known, so that from the travel of the piston Stroke volume can be determined.
Um eine abgeschlossene Menge des Gemisches der Volumen- und Druckänderung unterwerfen zu können, sind zustrom- und abstromseitig der Pumpkammer ent sprechende Mittel zum Verschließen der Ansaug- und der Abförderseite, insbeson dere in den Zustromkanal und den Abförderkanal geschaltete Absperrventile, vor gesehen. Die Ventile sind vorzugsweise der als Einmalartikel ausgebildeten Pump kammer zugeordnet und zusammen mit dieser zur Einmalverwendung vorgesehen.To a completed amount of the mixture of volume and pressure change To be able to subject, are upstream and downstream of the pump chamber ent speaking means for closing the suction and discharge side, in particular shut-off valves connected in the inflow channel and the discharge channel seen. The valves are preferably the pump designed as a disposable item assigned to the chamber and intended for single use together with it.
Zur Detektion des Gases wird während des Pumpvorganges bei jedem Hub eine Meßphase zwischengeschaltet, in der der Gasanteil der zu fördernden Flüssigkeit bestimmt wird. Mittels einer Steuervorrichtung wird in einem ersten Schritt bei ge öffneten Pumpkammerventilen und stillstehender Pumpe der Ausgangsdruck des Gemisches in der Pumpkammer bestimmt, in einem zweiten Schritt werden die Pumpkammerventile geschlossen und in einem dritten Schritt wird die Pumpe bei geschlossenen Pumpkammerventilen betätigt und hierbei die eintretende Volumen- und Druckänderung des Gemisches in der Pumpkammer erfaßt.For the detection of the gas during the pumping process a Intermediate measurement phase in which the gas portion of the liquid to be pumped is determined. By means of a control device in a first step pump chamber valves opened and the pump stopped, the outlet pressure of the Mixtures determined in the pumping chamber, in a second step the Pump chamber valves are closed and in a third step the pump is turned on closed pump chamber valves actuated and the incoming volume and pressure change of the mixture in the pumping chamber is detected.
Mittels einer Fehlereinheit kann bei jeder Meßphase der entsprechend bestimmte Gasanteil mit einem Grenzwert verglichen und gegebenenfalls eine Fehlermeldung erzeugt werden. Vorzugsweise ist die Fehlereinheit derart ausgebildet, daß die Fehlermeldungen mehrerer Meßphasen summiert werden und bei Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Fehlermeldungen eine Fehleranzeige ausgegeben wird, durch die der Bediener bzw. der Patient auf den außer der Norm liegenden Gasanteil hingewiesen wird.By means of an error unit, the correspondingly determined one can be carried out in each measuring phase Gas content compared with a limit value and, if necessary, an error message be generated. The error unit is preferably designed such that the Error messages of several measurement phases are summed up and when one is reached an error display is output given the specified number of error messages, through which the operator or the patient lies outside the norm Gas content is pointed out.
Ferner kann eine Korrektureinheit vorgesehen sein, die den jeweils bestimmten Gasanteil des Gemisches aufsummiert und mit dem gesamten Fördervolumen zur Bestimmung der reinen Flüssigkeitsmenge verrechnet. Mit der Korrektureinheit wird der reine Flüssigkeitsstrom frei von Gas bestimmt.Furthermore, a correction unit can be provided which determines the particular one Gas portion of the mixture added up and with the entire delivery volume Determination of the pure amount of liquid offset. With the correction unit the pure liquid flow is determined free of gas.
Die Auswerteeinheit, die Steuervorrichtung, die Fehlereinheit und die Korrekturein heit können durch einen zentralen Prozessor bzw. entsprechende Software aus geführt sein.The evaluation unit, the control device, the error unit and the correction unit by a central processor or appropriate software be led.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen hervor, anhand derer ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert wird. In den Zeichnungen zeigen:In addition to the claims, these and other features also derive from following description and the associated drawings a preferred embodiment of the invention is explained in more detail. In the drawings show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Pump- und Dosiervorrichtung für die Peritonealdialyse gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfin dung, mit der die Menge freien Gases in der Dialyseflüssigkeit bestimmt werden kann, wobei die Vorrichtung in einem ersten Zustand mit einem geöffneten Pumpkammerventil gezeigt ist, Fig. 1 is a schematic illustration of a pumping and metering apparatus for peritoneal dialysis in accordance with a preferred embodiment of the OF INVENTION dung, with the amount of free gas can be determined in the dialysis liquid, the apparatus being shown in a first condition with an open pumping chamber valve,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung ähnlich Fig. 1, wobei die Vorrichtung in einem zweiten Zustand mit geschlossenen Pumpkammer ventilen gezeigt ist, und Fig. 2 is a schematic representation of the device similar to Fig. 1, wherein the device is shown in a second state with closed pump chamber valves, and
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung ähnlich den vorherge henden Figuren, wobei die Vorrichtung in einem dritten Zustand gezeigt ist, in dem bei geschlossenen Ventilen in der Pumpkammer eingeschlos sene Dialyseflüssigkeit komprimiert worden ist. Fig. 3 is a schematic representation of the device similar to the preceding figures, the device being shown in a third state, in which closed dialysis fluid has been compressed in the pump chamber when the valves are closed.
Die Vorrichtung besitzt als zentrales Bauteil eine Kolbenmembranpumpe 1, die eine Kolben-/Zylindereinheit 2, eine Pumpkammer 3 und einen diese verbindenden Hy draulikkreis 4 besitzt (vgl. Fig. 1).The device has as a central component a piston diaphragm pump 1 , which has a piston / cylinder unit 2 , a pumping chamber 3 and a hydraulic circuit 4 connecting these (cf. FIG. 1).
Die Kolben-/Zylindereinheit 2 wird von einem Pumpenantrieb 5 angetrieben, der auf den Kolben 6 der Kolbenzylindereinheit 2 einwirkt und diesen im Zylinder 7 bewegt. Die Wegstrecke, die der Kolben 6 im Zylinder 7 verfahren wird, wird von einem der Kolben-/Zylindereinheit 2 zugeordneten Längensensor 8 erfaßt bzw. gemessen (vgl. Fig. 1).The piston / cylinder unit 2 is driven by a pump drive 5 , which acts on the piston 6 of the piston cylinder unit 2 and moves it in the cylinder 7 . The distance traveled by the piston 6 in the cylinder 7 is detected or measured by a length sensor 8 assigned to the piston / cylinder unit 2 (cf. FIG. 1).
Die Druckseite der Kolben-/Zylindereinheit 2 steht unmittelbar in Fluidverbindung mit dem Hydraulikkreis 4, der als Übertragungsmittel für die Stellbewegung des Kolbens 6 auf die Pumpkammer 3 wirkt. Die Pumpkammer 3 umfaßt eine erste ma schinenseitige Kammer 9, die mit dem Hydraulikkreis 4 in Fluidverbindung steht und durch diesen mit der Druckseite der Kolben-/Zylindereinheit 2 verbunden ist. Die erste Kammer 9 wird von einer Membran 10 begrenzt, die sich bei entspre chender Veränderung des Hydraulikvolumens in der ersten Kammer 9 elastisch konvex nach außen wölbt bzw. konkav zu dem Innenraum der ersten Kammer 9 elastisch hineingezogen wird.The pressure side of the piston / cylinder unit 2 is in direct fluid communication with the hydraulic circuit 4 , which acts as a transmission means for the actuating movement of the piston 6 on the pump chamber 3 . The pump chamber 3 comprises a first machine-side chamber 9 , which is in fluid communication with the hydraulic circuit 4 and is connected by this to the pressure side of the piston / cylinder unit 2 . The first chamber 9 is delimited by a membrane 10 which, when the hydraulic volume in the first chamber 9 changes accordingly, bulges elastically convex outwards or is concavely drawn in to the interior of the first chamber 9 .
Die Pumpkammer 3 umfaßt ferner eine zweite Kammer 11, die als eigentliche, vo lumenveränderliche Pumpkammer für das zu fördernde medizinische Fluid dient. Die zweite Kammer 11 ist als Einmalartikel, als sogenannte Disposable-Kammer ausgebildet, die nach einmal erfolgter Benutzung, d. h. Förderung und Dosierung des Dialysemittels weggeworfen wird. Die Disposable-Kammer 11 ist als Kopfstück ausgebildet, das auf die erste Kammer 9 mittels entsprechender Befestigungsmittel aufgesetzt werden kann. Die Disposable-Kammer 11 besitzt eine elastische Wan dung, insbesondere eine Membran, mit der sie auf die Membran 10 der ersten Kammer 9 gesetzt wird, so daß die beiden Membrane unmittelbar aufeinander zu liegen kommen. An der als Einmalartikel ausgebildeten zweiten Kammer 11 sind in den mit der Kammer verbundenen stromaufwärtigen und stromabwärtigen Förderleitungen jeweils Absperrventile 12 vorgesehen (vgl. Fig. 1), mit Hilfe derer das zu fördernde Fluid zunächst in die zweite Kammer 11 angesaugt und dann durch ent sprechendes Umschalten der Absperrventile 12 druckbeaufschlagt abgefördert werden kann.The pump chamber 3 further comprises a second chamber 11 , which serves as the actual, variable volume pump chamber for the medical fluid to be conveyed. The second chamber 11 is designed as a disposable article, a so-called disposable chamber, which is thrown away after it has been used once, ie delivery and metering of the dialysis agent. The disposable chamber 11 is designed as a head piece, which can be placed on the first chamber 9 by means of appropriate fastening means. The disposable chamber 11 has an elastic wall, in particular a membrane with which it is placed on the membrane 10 of the first chamber 9 , so that the two membranes come to lie directly on top of one another. On the second chamber 11 formed as a disposable in each case shut-off valves 12 are provided in the upstream and downstream delivery lines connected to the chamber (see FIG. 1), with the aid of which the fluid to be delivered is first sucked into the second chamber 11 and then by accordingly Switching the shut-off valves 12 can be removed under pressure.
Die zur Fluidförderung erforderliche Volumenveränderung der zweiten Kammer 11 wird durch entsprechende Betätigung der Kolben-/Zylindereinheit 2 herbeigeführt. Durch Betätigung des Kolbens 6 wird das Hydraulikfluid des Hydraulikkreises 4 in die erste Kammer 9 gedrückt bzw. aus dieser abgesaugt. Hierdurch wird die Mem bran 10 betätigt, deren Bewegung auf die zweite Kammer 11 übertragen wird und diese in ihrem Volumen verändert. Die gezeigte Kolbenmembranpumpe besitzt den großen Vorteil, daß die entsprechende Flüssigkeit sehr mengengenau gefördert und die insgesamt geförderte Menge präzise bilanziert werden kann. Das Hubvo lumen der Kolben-/Zylindereinheit 2 ist durch den Längensensor 8 exakt meßbar.The change in volume of the second chamber 11 required for fluid delivery is brought about by corresponding actuation of the piston / cylinder unit 2 . By actuating the piston 6 , the hydraulic fluid of the hydraulic circuit 4 is pressed into the first chamber 9 or sucked out of it. As a result, the membrane 10 is actuated, the movement of which is transmitted to the second chamber 11 and changes its volume. The piston diaphragm pump shown has the great advantage that the corresponding liquid can be conveyed very precisely and the total amount conveyed can be precisely balanced. The Hubvo lumen of the piston / cylinder unit 2 can be precisely measured by the length sensor 8 .
Zur Steuerung der Vorrichtung ist eine zentrale Steuervorrichtung 13 (vgl. Fig. 3) vorgesehen, die in den Fig. 1 und 2 der Einfachheit halber weggelassen wurde. Die Steuervorrichtung 13 ist mit dem Längensensor 8 und einem Drucksensor 14 verbunden, der dem Hydraulikkreis 4 zugeordnet ist und dessen Druck aufnimmt. Der in dem Hydraulikkreis 4 herrschende Druck entspricht dem Fluiddruck in der Pumpkammer 3, insbesondere dem in der zweiten Kammer 11 herrschenden Druck der Dialyseflüssigkeit. Die zentrale Steuervorrichtung 13 ist ferner mit dem Pum penantrieb b und den Absperrventilen 12 verbunden, um diese anzusteuern.To control the device, a central control device 13 (cf. FIG. 3) is provided, which has been omitted in FIGS. 1 and 2 for the sake of simplicity. The control device 13 is connected to the length sensor 8 and a pressure sensor 14 , which is assigned to the hydraulic circuit 4 and receives its pressure. The pressure prevailing in the hydraulic circuit 4 corresponds to the fluid pressure in the pumping chamber 3 , in particular the pressure prevailing in the second chamber 11 of the dialysis fluid. The central control device 13 is also connected to the pump drive b and the shut-off valves 12 in order to control them.
Nachfolgend wird die Funktion und Wirkungsweise der Vorrichtung näher erläutert.The function and mode of operation of the device are explained in more detail below.
Zur Detektion des Gases wird während des Pumpvorganges bei jedem Hub eine Meßphase zwischengeschaltet. Zunächst wird bei atmosphärischem Druck pat zum Beispiel aus einem Dialysatbeutel Dialyseflüssigkeit in die zweite Kammer 11 ge saugt, in der ein Luftvolumen Vat enthalten ist. In einem Zustand 1 der Vorrichtung, der in Fig. 1 gezeigt ist und bei dem das abstromseitige Absperrventil 12 geöffnet ist, wird der Ausgangsdruck pa, der beispielsweise durch die Flüssigkeitssäule des Dialysatbeutels indiziert wird, gemessen. Darauffolgend werden die Absperrventile 12 beide geschlossen, wodurch ein in der zweiten Kammer 11 eingeschlossenes Flüssigkeitsvolumen geschaffen wird. Bei geschlossenen Absperrventilen 12 wird die Kolben-/Zylindereinheit 2 betätigt, um das abgeschlossene Flüssigkeitsvolumen in der zweiten Kammer 11 mit einem Endruck pe zu beaufschlagen. Dieser Prozeß dauert ungefähr 0,5 Sekunden. Durch die Druckerhöhung wird die in der Kammer 11 eingeschlossene Flüssigkeit entsprechend ihrem Gasanteil von dem Ausgangs volumen Va auf das Endvolumen Ve komprimiert (vgl. Zustand 3 in Fig. 3). In die sem komprimierten Zustand wird erneut der dem Enddruck pe entsprechende Druck in dem Hydraulikkreis 4 von dem Drucksensor 14 erfaßt. Ebenfalls wird die bei der Kompression erfolgende Verschiebung des Kolbens 6 durch den Längensensor 8 erfaßt. Bei bekannter Kolbenfläche kann jeweils die bei der Kompression eintreten de Volumendifferenz Vdiff bestimmt werden. Bei Ermittlung des Dialyseflüssigkeits drucks kann die Spannung der Membran 10 vernachlässigt werden, da sich die Membran zum Zeitpunkt der Messung vorzugsweise in einer entspannten Lage be findet.To detect the gas, a measuring phase is interposed with each stroke during the pumping process. First, at atmospheric pressure p at, for example, dialysis fluid is drawn from a dialysate bag into the second chamber 11 , in which an air volume V at is contained. In a state 1 of the device, which is shown in FIG. 1 and in which the downstream shut-off valve 12 is open, the outlet pressure p a , which is indicated, for example, by the liquid column of the dialysate bag, is measured. The shutoff valves 12 are then both closed, thereby creating a volume of liquid enclosed in the second chamber 11 . When the shut-off valves 12 are closed, the piston / cylinder unit 2 is actuated in order to apply an end pressure p e to the closed liquid volume in the second chamber 11 . This process takes approximately 0.5 seconds. Due to the pressure increase, the liquid enclosed in the chamber 11 is compressed according to its gas content from the initial volume V a to the final volume V e (cf. state 3 in FIG. 3). In this compressed state, the pressure in the hydraulic circuit 4 corresponding to the final pressure p e is again detected by the pressure sensor 14 . The displacement of the piston 6 during compression is also detected by the length sensor 8 . If the piston surface is known, the volume difference V diff that occurs during compression can be determined. When determining the dialysis fluid pressure, the tension of the membrane 10 can be neglected, since the membrane is preferably in a relaxed position at the time of the measurement.
Aus den durch diese Verfahrensschritte gewonnen Werten berechnet die zentrale Steuervorrichtung 13 die in der Dialyseflüssigkeit vorliegende Gasmenge, d. h. das tatsächliche Gasvolumen Vat bei atmosphärischem Druck.From the values obtained by these method steps, the central control device 13 calculates the amount of gas present in the dialysis liquid, ie the actual gas volume V at at atmospheric pressure.
Hierzu geht die Steuereinheit von dem Boyle-Mariotte-Gesetz aus, welches für eine
isotherme Zustandsänderung, d. h. bei Vernachlässigung einer Temperaturände
rung, lautet:
For this purpose, the control unit is based on the Boyle-Mariotte law, which for an isothermal change of state, ie when temperature change is neglected, is:
p.V = konstant.p.V = constant.
Hiervon ausgehend können die verschiedenen Zustände der Meßphase gleichge
setzt werden:
Based on this, the different states of the measurement phase can be set equal:
Vat.pat = Va.pa = Ve.pe.V at .p at = V a .p a = V e .p e .
Unter Beachtung des Zusammenhangs, daß das Differenzvolumen Vdiff durch die
Differenz des Ausgangsvolumens und des Endvolumens bestimmt ist, also
Vdiff = (Va-Ve) kann hieraus das tatsächliche Gasvolumen bei atmosphärischem
Druck Vat gewonnen werden, nämlich
Taking into account the relationship that the differential volume V diff is determined by the difference between the initial volume and the final volume, that is to say V diff = (V a -V e ), the actual gas volume at atmospheric pressure V at can be obtained from this, namely
Die Volumendifferenz kann durch die bei der Kompression der Dialyseflüssigkeit
zurückgelegte Wegstrecke des Kolbens Sdiff und dessen Fläche Ak bestimmt wer
den, wobei sich unter Berücksichtigung einer Grundkompressibilität des Systems
S0 folgende Beziehung ergibt:
The volume difference can be determined by the distance traveled by the piston S diff and its area A k during the compression of the dialysis fluid, whereby the following relationship results taking into account a basic compressibility of the system S 0 :
In dieser Gleichung sind alle Größen bekannt, so daß das tatsächliche Gasvolumen bei atmosphärischem Druck berechnet werden kann.All quantities are known in this equation, so that the actual gas volume can be calculated at atmospheric pressure.
Die Auswertung der Meßphase wird also durch die Annahme einer isothermen Zu standsänderung vereinfacht. Die Steuervorrichtung 13 ist dabei derart ausgebildet, daß sie von dem Boyle-Mariotte-Gesetz ausgeht. Die Berechnung beruht dabei darauf, daß ein Volumen, das sowohl Flüssigkeit als auch Gas enthält, nur nähe rungsweise durch Komprimierung des Gases verkleinert werden kann, wobei die in der Flüssigkeit befindlichen Gase zusammengedrückt werden. Die Flüssigkeit selbst wird als volumenstarr, d. h. inkompressibel, angenommen. Wird die Volu menänderung bis zum Erreichen eines bestimmten Druckwertes in der Flüssigkeit qualitativ erfaßt, ist sie ein Maß für den Anteil der freien Gasmenge in der Flüssig keit. The evaluation of the measurement phase is therefore simplified by assuming an isothermal change in state. The control device 13 is designed such that it is based on the Boyle-Mariotte law. The calculation is based on the fact that a volume containing both liquid and gas can only be reduced approximately by compressing the gas, the gases in the liquid being compressed. The liquid itself is assumed to be rigid, ie incompressible. If the volume change is qualitatively recorded until a certain pressure value is reached in the liquid, it is a measure of the proportion of the free amount of gas in the liquid.
Die zentrale Steuervorrichtung 13 verwirklicht ferner die Funktion einer Fehlerein heit. Hierbei wird das erfaßte Gasvolumen mit einem Grenzwert verglichen. Liegt das tatsächlich vorliegende Gasvolumen oberhalb eines Grenzwertes wird eine Fehlermeldung erzeugt. Die Fehlermeldungen werden summiert und nach einer bestimmten Anzahl von erfolgten Fehlermeldungen erhält der Bediener der Vor richtung bzw. der Patient einen entsprechenden Fehlerhinweis. Er wird zum Bei spiel aufgefordert, die Anschlüsse des Dialysatbeutels zu kontrollieren. Die Be handlung kann wahlweise abgebrochen oder fortgesetzt werden. Bei Detektion ei ner Gasmenge, die außerhalb eines Grenzwertbereiches liegt, wird das gesamte Disposable-Kammervolumen in eine Drainage verworfen. Hierdurch wird eine Ge fährdung des Patienten vermieden. Da sich in den Anschlüssen der Dialysatbeutel immer eine gewisse Menge Luft befindet, wird die Anzahl der zulässigen Fehler meldungen beim Umschalten auf einen neuen Beutel erhöht.The central control device 13 also implements the function of a fault unit. The gas volume detected is compared with a limit value. If the actual gas volume is above a limit value, an error message is generated. The error messages are summed up and after a certain number of error messages that have occurred, the operator of the device or the patient receives a corresponding error message. For example, he is asked to check the connections of the dialysate bag. The treatment can either be canceled or continued. If a quantity of gas is detected that is outside a limit value range, the entire disposable chamber volume is discarded into a drain. This avoids putting the patient at risk. Since there is always a certain amount of air in the connections of the dialysate bags, the number of permissible error messages when switching to a new bag is increased.
Die Steuervorrichtung 13 verwirklicht ferner die Funktion einer Korrektureinheit. Die detektierte Gasmenge wird summiert. Überschreitet die Summe einen Grenzwert, wird der Patient aufgefordert, die Schläuche bzw. Anschlüsse des Dialysatbeutels zu kontrollieren. Das summierte Gasvolumen wird mit dem Fördervolumen der Kol benmembranpumpe 1 verrechnet, um die reine Flüssigkeitsmenge frei von Gas, die gefördert wurde, zu bestimmen.The control device 13 also implements the function of a correction unit. The amount of gas detected is summed. If the total exceeds a limit value, the patient is asked to check the tubes or connections of the dialysate bag. The summed gas volume is offset against the delivery volume of the piston diaphragm pump 1 in order to determine the pure amount of liquid free of gas that has been delivered.
Das beschriebene Verfahren bzw. die zu dessen Durchführung vorgeschlagene Vorrichtung zeichnet sich durch ihre Einfachheit und Genauigkeit aus. Eine zusätz liche Sensorik kann eingespart werden, so daß sich neben Platz- und Gewichtser sparnis zusätzlich noch wirtschaftliche Vorteile hinsichtlich Einkauf, Produktion und Service ergeben. Es ist möglich, bis zu einer unteren Grenze von 1% den Gasan teil in einer Flüssigkeit zu bestimmen.The method described and the method proposed for its implementation Device is characterized by its simplicity and accuracy. An additional Liche sensors can be saved, so that in addition to space and weight additional savings in terms of purchasing, production and Service result. It is possible to reduce the gas to a lower limit of 1% to determine part in a liquid.
Anstelle der beschriebenen Komprimierung des eingeschlossenen Flüssigkeitsvo lumens kann auch eine entsprechende Dekomprimierung bei Unterdruck erfolgen.Instead of the described compression of the enclosed liquid vo A corresponding decompression can also be performed with negative pressure.
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