專利名稱：傳感器和用于流控制的控制單元以及用于受控流體遞送的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量流經(jīng)管路的流體速度的傳感器。本發(fā)明還涉及一種與所述傳感器協(xié)作的控制單元。此外，本發(fā)明涉及一種包括所述傳感器和控制單元的系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及在醫(yī)療應(yīng)用中使用所述系統(tǒng)。此外，本發(fā)明涉及一種用于遞送液體藥物的方法。
背景技術(shù)：
在US-A 5533412中公開了一種流體流量計(jì)，其包括供流體流動(dòng)的管道、處于管道 內(nèi)部以用于在流體中生成熱脈沖的加熱元件以及處于管道內(nèi)部并且位于加熱元件下游的 兩個(gè)間隔開的傳感器，其中，流體攜帶熱脈沖經(jīng)過管道到達(dá)兩個(gè)間隔開的傳感器，并且其中 通過熱脈沖在間隔開的傳感器之間的傳播時(shí)間來(lái)測(cè)量流體的流速。該流體流量計(jì)還包括附 著到管道上用于為加熱元件提供功率脈沖的電路。在US-A 5533412中公開的技術(shù)不適于需要在其中定期更換管路的應(yīng)用，比如在 無(wú)菌條件下所執(zhí)行的醫(yī)療應(yīng)用，例如靜脈輸注、麻醉流控制以及導(dǎo)尿管。在這些醫(yī)療干預(yù)期 間，通常對(duì)于每位患者相繼使用多條管路。在US-A 5533412中公開的流體流量計(jì)的成本過 高，因此無(wú)法在每次更換管路時(shí)丟棄。鑒于針對(duì)另一條管路采用流體流量計(jì)所需的工作量， US-A 5533412中所公開的流體流量計(jì)的再循環(huán)也不是經(jīng)濟(jì)上可行的選項(xiàng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的是提供一種用于在其中定期更換管路的應(yīng)用(特別是無(wú)菌醫(yī)療 應(yīng)用)中測(cè)量速度的傳感器。本發(fā)明的第二目的是提供一種用于與傳感器協(xié)作的控制單元。本發(fā)明的第三目的是提供一種包括傳感器和管路的系統(tǒng)。本發(fā)明的第四目的和本發(fā)明的第三目的是提供一種用于在其中定期交換管路的 應(yīng)用中對(duì)液體藥物進(jìn)行受控遞送的方法。本發(fā)明的第一目的可以通過根據(jù)本發(fā)明的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述傳感器被設(shè)置成測(cè) 量流經(jīng)管路的流體(即液體或氣體)的速度，所述傳感器包括芯片和傳感器接收器，所述芯 片包括用于對(duì)流體加熱的加熱元件和用于生成表示流經(jīng)管路的流體速度的測(cè)量信號(hào)的換 能器設(shè)置，所述測(cè)量信號(hào)是基于第一空間溫度差與第二空間溫度差的比值的，并且所述傳 感器接收器被設(shè)置成接收用于為加熱元件供電的電磁輻射。通過把測(cè)量信號(hào)基于第一空間溫度差與第二空間溫度差的比值，該測(cè)量信號(hào)獨(dú)立 于被提供給加熱元件的功率電平。也就是說(shuō)，至少對(duì)于一定的流體流速范圍，第一空間溫度 差和第二空間溫度差兩者都以仿射方式與加熱元件所耗散的功率相關(guān)。如果線性表達(dá)式的 常數(shù)項(xiàng)等于零，則仿射關(guān)系都相當(dāng)于線性關(guān)系。因此，通過取得第一空間溫度差與第二溫度差的比值，就獲得了獨(dú)立于加熱元件所耗散的功率的關(guān)系。通過把測(cè)量信號(hào)與這一關(guān)系相 關(guān)，該測(cè)量信號(hào)關(guān)于與加熱元件所耗散的功率數(shù)量有關(guān)的干擾是魯棒的。除了諸如加熱元件的電阻變化以及關(guān)于包括在傳感器內(nèi)的芯片的制造公差之類 的干擾之外，通過電磁輻射提供功率的技術(shù)還會(huì)受到關(guān)于提供給加熱元件并由之耗散的功 率數(shù)量的顯著干擾。舉例來(lái)說(shuō)，傳感器接收器相對(duì)于發(fā)送設(shè)備的位置會(huì)在機(jī)械震動(dòng)或者到 期更換傳感器的影響下發(fā)生改變。所述傳感器包括用于接收為加熱元件供電的電磁輻射的傳感器接收器。在這里， 可以通過包含在電磁輻射本身之內(nèi)的能量來(lái)為加熱元件供電?？商鎿Q地，可以采用電磁輻 射來(lái)實(shí)現(xiàn)諸如小型化電池之類的能量存儲(chǔ)裝置，該小型化電池進(jìn)一步為加熱元件供電。在 全部?jī)煞N情況下，在傳感器接收器與加熱元件之間都不安裝整流器和伴隨電路來(lái)控制電壓 電平。也就是說(shuō)，沒有小型化整流器和伴隨控制電路能夠處理為加熱元件供電所需的功率 電平。因此，加熱元件所耗散的功率數(shù)量無(wú)法得到控制，從而可能發(fā)生波動(dòng)。由于所述測(cè)量信號(hào)關(guān)于作用在加熱元件所耗散的功率數(shù)量上的干擾方面是魯棒 的，因此通過電磁輻射提供功率的技術(shù)對(duì)于精確測(cè)量流體流速的傳感器中的應(yīng)用已變得可 行。由于功率是通過電磁輻射來(lái)提供的這一事實(shí)，也就是說(shuō)功率是通過無(wú)線方式提供 的，因此所述傳感器由于沒有麻煩的布線而容易處理。此外，所述傳感器還允許可靠的處理 和可靠的應(yīng)用，這是因?yàn)樵谙喈?dāng)程度上限制了固有地存在于例如醫(yī)療應(yīng)用中的電接觸件污 染的風(fēng)險(xiǎn)。此外，所述傳感器可以很容易被應(yīng)用在一次性物品中，也就是說(shuō)丟棄該傳感器的 經(jīng)濟(jì)損失非常小。顯然，也不一定需要丟棄該傳感器，也就是說(shuō)其允許長(zhǎng)期使用。具體來(lái) 說(shuō)，在更換管路的情況下，該傳感器可以與管路一起丟棄，而作為總體系統(tǒng)的最昂貴部分的 其他電路則可以重復(fù)利用。有鑒于此，在其中需要定期更換管路的應(yīng)用中，尤其是在無(wú)菌醫(yī) 療應(yīng)用中(比如靜脈輸注、麻醉流控制、導(dǎo)尿管、呼吸控制以及腸道內(nèi)和腸道外營(yíng)養(yǎng)劑流量 測(cè)量)，采用該傳感器特別具有經(jīng)濟(jì)上的吸引力。由于該傳感器是一次性物品，因此可以有 效地避免再次使得該傳感器無(wú)菌的工作量極大的處理。除了醫(yī)療應(yīng)用之外，所述傳感器還非常適合于在諸如凈水生產(chǎn)、化學(xué)精煉、石油開 采和柴油引擎之類的應(yīng)用中測(cè)量流體流速。本發(fā)明的第二方面可以通過根據(jù)本發(fā)明的控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，該控制單元被配置成 與傳感器協(xié)作，該控制單元包括用于向傳感器接收器發(fā)送電磁輻射的控制發(fā)送器。由于包 括控制發(fā)送器，該控制單元能夠提供用于為加熱元件供電的電磁輻射。其結(jié)果是，在沒有物 理連接的情況下實(shí)現(xiàn)了傳感器與控制單元之間的協(xié)作。所述特性保證了在其中需要定期更 換管路的應(yīng)用中具有經(jīng)濟(jì)上的吸引力的實(shí)施方式，這是因?yàn)榭梢院苋菀装褌鞲衅髋c控制單 元斷開，控制單元可以被重復(fù)利用，而傳感器則允許被丟棄。本發(fā)明的第三目的可以通過根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)同時(shí)包括根據(jù)本發(fā) 明的傳感器和根據(jù)本發(fā)明的控制單元。本發(fā)明的第四目的可以通過根據(jù)本發(fā)明的一種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方法被設(shè)置成對(duì)液 體藥物進(jìn)行受控遞送，其包括以下步驟建立預(yù)定義流速；通過可拆卸方式把控制單元連 接到管路；通過應(yīng)用傳感器和致動(dòng)器經(jīng)由管路進(jìn)行液體藥物的受控遞送；把控制單元從管路斷開；以及丟棄管路。把控制單元與管路彼此分離的步驟(即丟棄管路，而重復(fù)利用控制 單元)可以確保在其中需要定期交換管路的應(yīng)用中具有經(jīng)濟(jì)上的吸引力的該方法的實(shí)施方 式。在根據(jù)本發(fā)明的傳感器的一個(gè)實(shí)施例中，第一空間溫度差是加熱元件之前的流體 溫度與加熱元件之后的流體溫度之間的數(shù)值差，而第二空間溫度差是加熱元件上游各位置 處的流體溫度之間的數(shù)值差加上加熱元件下游各位置處的流體溫度之間的數(shù)值差。該實(shí)施 例的優(yōu)點(diǎn)在于其關(guān)于加熱元件的對(duì)稱配置。其結(jié)果是，該實(shí)施例不必假定關(guān)于流向的特定 方向。在根據(jù)本發(fā)明的傳感器的另一個(gè)實(shí)施例中，所述傳感器接收器由天線實(shí)現(xiàn)，加熱 元件被集成在該天線中。在全部?jī)煞N情況下，在傳感器接收器與加熱元件之間都不安裝整流器和伴隨電路 來(lái)控制電壓電平。也就是說(shuō)，沒有小型化整流器和伴隨控制電路能夠處理為加熱元件供電 所需的功率電平。因此，加熱元件所耗散的功率數(shù)量無(wú)法得到控制，從而可能發(fā)生波動(dòng)。在根據(jù)本發(fā)明的傳感器的另一個(gè)實(shí)施例中，所述傳感器位于管壁中或管壁處。其 結(jié)果是，可以相對(duì)緊鄰流經(jīng)管路的流體來(lái)安裝傳感器，以便減小流體與流傳感器之間的熱 阻，其目的是提高測(cè)量信號(hào)的精確度。通過把傳感器與管壁集成在一起，該傳感器不與流體 發(fā)生物理接觸。所述特性對(duì)于諸如靜脈輸注或?qū)蚬芰骺刂浦惖尼t(yī)療應(yīng)用來(lái)說(shuō)至關(guān)重 要。也就是說(shuō)，在這些應(yīng)用中至為重要的是防止出現(xiàn)傳感器或其部件被釋放并且隨后被流 體流攜帶到人體或動(dòng)物體內(nèi)的緊急情況。在根據(jù)本發(fā)明的傳感器的另一個(gè)實(shí)施例中，所述傳感器被設(shè)置成基本上與管路同 軸。在本文中，同軸應(yīng)當(dāng)被解釋成各主體或表面在軸向上共享公共軸的設(shè)置。因此，圓形及 非圓形實(shí)體和表面都允許同軸設(shè)置。通過把傳感器和管路設(shè)置成基本上同軸，可以提高由 換能器設(shè)置生成的測(cè)量信號(hào)的精確度。在根據(jù)本發(fā)明的傳感器的另一個(gè)實(shí)施例中，所述芯片包括用于發(fā)送測(cè)量信號(hào)的傳 感器發(fā)送器。其結(jié)果是，該傳感器在物理上與驅(qū)動(dòng)該傳感器并且對(duì)包括在該傳感器內(nèi)的換 能器設(shè)置所生成的測(cè)量信號(hào)做出響應(yīng)的任何電路完全斷開。在根據(jù)本發(fā)明的控制單元的另一個(gè)實(shí)施例中，所述控制單元包括用于控制流經(jīng)管 路的流體的流速的致動(dòng)器。其結(jié)果是，可以規(guī)避流速對(duì)諸如重力之類的外部環(huán)境的依賴性。在根據(jù)本發(fā)明的控制單元的另一個(gè)實(shí)施例中，所述控制單元與用于通過可拆卸方 式把控制單元連接到管路的設(shè)施一起提供。有鑒于此，該控制單元和包括在其中的致動(dòng)器 能夠在不妨礙傳感器和管路的可丟棄性的情況下控制管路中的流體速度。這種特性對(duì)于其 中需要定期(通常是一天一次)更換包括傳感器的管路的醫(yī)療應(yīng)用是特別有利的。也就是 說(shuō)，通過按照可拆卸方式連接管路與控制單元，該管路允許被丟棄，而控制單元?jiǎng)t可以被重 復(fù)利用。顯而易見的是，由于沒有布線，因此在很大程度上便于更換包含傳感器的管路。
在根據(jù)本發(fā)明的控制單元的另一個(gè)實(shí)施例中，可以通過關(guān)于預(yù)定義流速與包括在 傳感器內(nèi)的換能器設(shè)置所生成的測(cè)量信號(hào)之間的偏差的信號(hào)來(lái)控制致動(dòng)器。其結(jié)果是，不 需要例如醫(yī)生或急救員的干預(yù)，基于測(cè)量信號(hào)的數(shù)值來(lái)調(diào)節(jié)致動(dòng)器的設(shè)置，以便令流體流 與預(yù)定義的藥物流態(tài)相符。 在根據(jù)本發(fā)明的控制單元的另一個(gè)實(shí)施例中，所述致動(dòng)器包括致動(dòng)器接收器，其用于接收由包括在傳感器內(nèi)的換能器設(shè)置所生成的測(cè)量信號(hào)。有鑒于此，該傳感器和致動(dòng) 器可以在沒有任何硬件連接的情況下操作。


圖1示意性地顯示出根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的第一實(shí)施例，其中傳感器包括由兩個(gè)熱 電堆構(gòu)成的換能器設(shè)置。圖2示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的傳感器的第二實(shí)施例，其中傳感器位于管壁 中。圖3示意性地顯示出根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的第三實(shí)施例，其中由傳感器接收器所接 收到的電磁輻射實(shí)現(xiàn)了為加熱元件供電的電池。圖4示意性地提供了關(guān)于可以由包括在根據(jù)本發(fā)明的傳感器的第一和第三實(shí)施 例中的換能器設(shè)置測(cè)量的參量的解釋。圖5示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的傳感器的第四實(shí)施例，其中傳感器位于管壁 中，并且其中傳感器包括由三個(gè)熱電堆構(gòu)成的換能器設(shè)置。圖6示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器的第五實(shí)施例的截面圖，其中傳感器與 管路同軸對(duì)準(zhǔn)。圖7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實(shí)施例，其中根據(jù)本發(fā)明的控制單元被 設(shè)置成與根據(jù)本發(fā)明的傳感器協(xié)作。圖8示意性地示出了代表根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施例的流程圖，其中控制單元被
重復(fù)利用。
具體實(shí)施例方式圖1顯示出包括芯片104的傳感器102，芯片104具有由聚酰亞胺制成的基板。該 材料的好處在于其相對(duì)較低的RF功率損耗。在這里，RF表示射頻，其意味著從近似IMHz 到大約IOGHz的頻率范圍。傳感器102還包括用于接收電磁輻射的天線110。包含在電磁 輻射中的能量被用來(lái)為加熱元件106供電，加熱元件106被設(shè)置成加熱流體。通過在局部 為天線110提供相對(duì)較大的電阻而把加熱元件106與天線110集成在一起。在局部為天線 110提供具有更高電阻的材料，或者可替換地在局部為天線110提供較小的截面積。其結(jié)果 是，功率將沿著相對(duì)較大的電阻耗散，該耗散將導(dǎo)致加熱。天線110 (至少其未被設(shè)置成加 熱流體的部分)不位于芯片104上。芯片104包括換能器設(shè)置108，換能器設(shè)置108包括第一熱電堆112和第二熱電堆 114。在本文中，熱電堆表示多個(gè)熱電偶的串聯(lián)連接。熱電堆產(chǎn)生與局部溫度梯度或溫度差 相關(guān)的輸出而不是測(cè)量絕對(duì)溫度。第一熱電堆112記錄線A與線B處的溫度之間的差。因 此，第一熱電堆112測(cè)量加熱元件106的溫度與參考位置處的溫度(該溫度也被稱作參考溫 度)之間的差。同樣地，第二熱電堆114測(cè)量線C與線D處的溫度之間的差。因此，第二熱 電堆114測(cè)量經(jīng)過加熱元件106之后的流體溫度與經(jīng)過加熱元件106之前的流體溫度之間 的差。換能器設(shè)置108被設(shè)置成基于第一熱電堆112和第二熱電堆114的輸出生成表示流 經(jīng)管路的流體的速度的測(cè)量信號(hào)。該芯片還包括傳感器發(fā)送器116，其用于發(fā)送由換能器設(shè) 置108所生成的測(cè)量信號(hào)。此外，該芯片還包括存儲(chǔ)器118。在存儲(chǔ)器118內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，該[I], 其中
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量流經(jīng)管路(206)的流體(208)的速度的傳感器(102)，所述傳感器包 括芯片(104)和傳感器接收器(310)，所述芯片包括用于對(duì)流體加熱的加熱元件(106)和用 于生成表示流經(jīng)管路的流體速度的測(cè)量信號(hào)的換能器設(shè)置(108)，所述測(cè)量信號(hào)是基于第 一空間溫度差與第二空間溫度差的比值的，并且所述傳感器接收器被設(shè)置成接收用于為加 熱元件供電的電磁輻射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中，第一空間溫度差是加熱元件之前的流體溫度與加 熱元件之后的流體溫度之間的數(shù)值差，并且第二空間溫度差是加熱元件之前的各位置處的 流體溫度之間的數(shù)值差加上加熱元件之后的各位置處的流體溫度之間的數(shù)值差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中，所述傳感器接收器是天線(110)，所述天線包括加 熱元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中，所述芯片包括用于發(fā)送測(cè)量信號(hào)的傳感器發(fā)送器 (116)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中，所述傳感器位于管路的管壁中或管壁處。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的傳感器，其中，所述傳感器被設(shè)置成基本上與管路同軸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中，所述芯片包括用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器118。
8.一種用于與根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器協(xié)作的控制單元(602)，其中，所述控制單元 包括用于向傳感器接收器發(fā)送電磁輻射的控制發(fā)送器(6 )。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的控制單元，其中，所述控制單元包括用于通過可拆卸方式把該控 制單元連接到管路的設(shè)施。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的控制單元，其中，所述控制單元包括用于控制流經(jīng)管路的流體 的流速的控制致動(dòng)器(6M)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的控制單元，其中，可以通過關(guān)于預(yù)定義流速與由包括在根據(jù)權(quán) 利要求1的傳感器中的換能器設(shè)置生成的測(cè)量信號(hào)所表示的速度之間的偏差的信號(hào)來(lái)控 制所述控制致動(dòng)器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的控制單元，其中，所述致動(dòng)器包括致動(dòng)器接收器(534)，其用于 接收由包括在根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器中的換能器設(shè)置所生成的測(cè)量信號(hào)。
13.—種系統(tǒng)，其包括根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器和根據(jù)權(quán)利要求8的控制單元。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)在醫(yī)療應(yīng)用中的使用。
15.一種用于對(duì)液體藥物進(jìn)行受控遞送的方法，其包括以下步驟建立預(yù)定義流體流 速(702)；通過可拆卸方式把根據(jù)權(quán)利要求4的控制單元連接到管路(704)；通過應(yīng)用根 據(jù)權(quán)利要求1的傳感器和根據(jù)權(quán)利要求8的致動(dòng)器，經(jīng)由管路進(jìn)行液體藥物的受控遞送 (706)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種傳感器(102)和用于與該傳感器協(xié)作的控制單元(702)。該傳感器(102)用于測(cè)量流經(jīng)管路(306)的流體(308)的速度。該傳感器(102)采用熱測(cè)量原理，該測(cè)量原理關(guān)于加熱元件(106)所耗散的功率數(shù)量上的干擾方面是魯棒的。傳感器接收器(110)被設(shè)置成接收由包括在用于與傳感器(102)協(xié)作的控制單元(702)中的控制發(fā)送器(722)所生成的電磁輻射。該電磁輻射被用來(lái)為加熱元件(106)供電，加熱元件(106)被設(shè)置成對(duì)流體加熱?；谟砂ㄔ趥鞲衅?102)中的換能器設(shè)置所生成的測(cè)量信號(hào)，控制致動(dòng)器(724)控制流體的速度。為此，傳感器發(fā)送器(116)被設(shè)置成把該測(cè)量信號(hào)發(fā)送到控制接收器(734)。
文檔編號(hào)G01F1/688GK102089632SQ200980126434
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2009年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月8日
發(fā)明者J. M. 圖伊爾 A., M. H. 湯比爾 A., R. 哈爾特森 J., 德格拉夫 P., 德克 R. 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司