具有用于功能异常检测的集成式压力传感器的微电子机械系统流体阀

摘要

本发明涉及一种包括泵(1)的泵送设备，包括：具有可变容积的泵送室(11)；与所述泵送室(11)连通且包括一阀的入口(2)；与所述泵送室连通且包括一阀的出口(5)；适合改变所述泵送室的容积的致动器；流体路径，其包括所述入口(2)、所述泵送室(11)、所述出口(5)和位于所述出口阀下游的下游管路(7)；用于测量所述路径的所述阀之间的压力的压力传感器(4)；用于处理从所述压力传感器(4)收到的压力数据的处理装置。本发明还覆盖了用于检测如上所述的泵送设备中的功能异常的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗泵送设备，更准确地说涉及这种设备的功能异常的检测。

背景技术

功能异常的检测，特别是医疗设备中功能异常的检测，是重要的，因为病人的生命可能依赖该设备的正确机能。例如，在输液泵的情况下，故障潜在危险的结果典型地是输注到病人的药物过度或不足。

功能异常的例子是泵送管路中的泄漏、堵塞或气泡的存在。

用于检测医疗设备中功能异常的最先进的设备和方法例如在下面的专利文献中披露：US2008/214979、EP1762263和US7104763。

当使用某些药物时，例如胰岛素，堵塞的检测可能是特别重要的，因为已知导管可能在许多情况下堵塞。任何这种未检测到的堵塞都可能导致胰岛素的输送不足，因为它长期未被检测。目前的堵塞检测设备对注射器驱动器的活塞进行操作并且需要在检测它之前在注射器内部建立高压。其他的堵塞检测器包括在病人管路上位于泵送机构之后的压力传感器，由于例如管道管路的柔顺性因素，该压力传感器几乎没有灵敏度。在某些情况下，在这种堵塞开始时堵塞检测的缺乏导致高葡萄糖血浆浓度，这可能使病人看来象是需要增加其胰岛素水平，导致泵的程序重排，这可能导致在堵塞突然解除的情况下，突然给予较大量的胰岛素，对病人造成潜在的严重危险。

发明内容

本发明提供了关于最先进的设备和方法的一种备用选择和几种改进。

在本发明中，功能异常的检测是基于泵送管路中，更准确地说是泵送室的入口阀和出口阀之间的泵送管路中，压力的测量。

这种构形提供了较高的灵敏度以及检测几种潜在类型的功能异常的能力。

更具体地，本发明涉及如权利要求中限定的泵送设备及相关的方法。

根据本发明的优选实施例，泵送设备的入口和出口包括被动阀。

有利地，在本发明的范围内(但不局限于此)，考虑高度小型化的输液泵。它是具有两个被动阀的隔膜泵并且利用MEMS技术建造。与被注射器驱动的泵相反，硅微型泵，优选地这种微型泵由硅建造，展示了更复杂的流体路径和更准确的输送控制，尽管其包括带有硬座的阀，带有硬座的阀在存在微粒的情况下可能潜在地泄漏。

本发明进一步优选地实施例使用包括硅膜的压力传感器。

在本发明另一个有利情况中，压力传感器置于泵送室和出口之间。该构形提供了更准确的堵塞控制(包括在任一泵送周期期间立即检测堵塞开始的能力)，尽管还针对其他目的，如功能异常的检测。

根据本发明另一个优选实施例，系统包括另一个压力传感器。

该另一个压力传感器优选地可以置于出口阀之后，位于下流管路中。

在一些实施例中，系统还包括温度传感器。

本发明的压力传感器可以在泵正在工作时，一般在非常短的时间即几秒钟内，检测几种类型的功能异常，例如堵塞、气泡或输注管路断开。

本发明的另一个目标是在制造周期期间准确地表现泵的特性和/或监视泵的特性以防止使用过程中的任何潜在故障。

对于任何医疗设备的制造而言，目标是确保提供给病人的每个泵的质量。对于任何这种医疗产品来说，液体的使用一般是检测泵故障的唯一方式。尽管这种测试需要长的时间并且代表了相当大的成本，但只有在这种测试之后更换整个流体管路的情况下，它才是可能的。在一次性产品(例如一次性泵)的情况下，更换流体管路是不可能的，因而不可能确保所制造的每个这种泵的100％的测试，因为在测试过程中存在液体污染。因而仅仅可以操作一批样品，这种测试对于所考虑的泵是破坏性的，且不能确保100％的质量控制。

本发明还提供了一种系统和一种方法，其允许完全控制所生产的每个泵而不会导致这种泵的污染。这种测试优选地用滤过的空气执行，并且在仅仅几秒钟的非常短的时间内产生所有重要参数和安全特性的详细分析。该方式能与这种一次性泵的成本目标共存，所述一次性泵需要非常便宜地制造。

附图说明

下面将通过详细说明更好地理解本发明，详细说明包括下面的附图所示的例子：

图1表示本发明一优选实施例的微型泵的剖开图；

图2和3表示泵的功能测试的可能过程；

图4表示表示功能异常的功能测试的另一个压力曲线；

图5在动作周期期间典型的压力曲线；

图6表示动作周期的一个优选实施例；

图7表示空气和水的泵送周期；

图8表示在存在堵塞时出口压力曲线的典型演变；

图9表示在存在堵塞时入口压力曲线的典型演变；

图10表示在堵塞过程中监视出口压力的例子；

图11表示在存在泄漏的情况下泵的压力曲线；

图12表示在存在流量减小时泵送精确度的监视；

图13表示对于1℃的温度变化的粘性的相关变化；

图14表示在图中怎样使用定义“波峰”和“平稳段”。

具体实施方式

微型泵

如图1中所示的微型泵1是高度小型化且往复式的隔膜泵送机构。它利用被称为MEMS(微电子机械系统)的技术由硅和玻璃制造。它包含入口控制元件，在此是入口阀2，泵送隔膜3，允许检测系统中各种故障的功能检测器4和出口阀5。这种微型泵的原理是现有技术中已知的，例如从US5759014中。

图1示出了泵，其具有作为基板8的玻璃层(蓝色)、固定到基板8的作为第二板9的硅层(紫色)和固定到硅板9的作为顶板的第二玻璃层10(蓝色)的堆，从而限定了具有容积的泵送室11。

连接到台式晶体管6的致动器(在此未示出)使得泵送隔膜3进行受控的位移，还存在槽7以便将出口控制元件，出口阀5，连接到位于泵的相反侧上的出口。

检测器原理

在泵1中，泵送室内的压力在泵送周期过程中改变，这取决于许多因素，如动作速率、入口和出口的压力、可能存在的气泡体积、阀特性和它们的泄漏率。

根据本发明，目的是监视该压力并分析从一个行程到另一个行程的曲线以便检测可能的功能异常。

集成式压力传感器

微型泵1中的压力传感器4由置于泵送室和泵出口之间的硅膜构成，它位于在微型泵硅层的表面和其顶部的玻璃层之间形成的槽中。另外，它包括一套位于隔膜上的呈惠斯通电桥构形的对应变敏感的电阻器，其利用硅的巨大压阻效应。压力的变化引起隔膜的变形，因而电桥不再平衡。传感器设计成产生与泵的典型压力范围内的压力呈线性关系的信号。

流体与互相连接的导线和压敏电阻器的表面相接触。通过利用极性与导线和压敏电阻器的极性相反的另外的表面掺杂来确保电桥的良好电绝缘。

在本发明另一个优选实施例中，压力传感器包括光传感器，该传感器优选地包括包含在两个阀之间的泵路径中的一个零件和位于该流体路径之外的至少一些光学零件，并能测量在流体路径内检测的压力。在另一个实施例中，光学检测还可以完全位于泵内，同时能测量流体路径中两个阀之间的压力。在另一个实施例中，光学象散元件位于光路内，即在泵中的柔性隔膜和光传感器之间。泵内压力的任何变化都引起所述隔膜的位移、光路的变化，因而由于象散元件的存在，引起光束形状的变化。例如通过包括象限光电探测器，光传感器优选地对光束的形状敏感。

功能测试

根据本发明可以用泵执行的第一过程是例如在制造层面对所述泵的功能测试。

尽管利用水的已知的功能测试持续几个小时并且必须被看作破坏性的，但根据本发明的泵的功能测试能利用气体仅仅在几秒钟内完成。为此，一个人将泵的微小死容积用于该测试并且使用上述集成式压力传感器。

该功能测试过程的原理如下：用致动器在泵内产生过压，技术人员监视泵送室内的压力衰减，其直接表明了泄漏率。最大压力与泵的压缩比及其自吸能力相关。技术人员也可以在典型的动作周期期间得到阀预张力。

为了在所述室内产生高压，技术人员可以例如气动地控制出口阀，以便使其在压缩过程中保持关闭，如图2和3中所示。

更具体地说，图2和3表示根据本发明的泵的功能测试(图2中为示意性的过程，图3中为相应的压力曲线)。

在这个测试过程中，技术人员监视检测器的信号，由此：

-压力＝0表明了隔膜的静止位置

-压力峰值表明了微型泵的压缩比

-压力衰减表明了阀门的泄漏率

-步骤3中的压力表明了出口阀的预张力

-步骤4中的压力表明了入口阀的预张力

如图所示(例如看图2中的连续的位置)，该测试从待用位置开始。首先执行拉步骤，该步骤通过隔膜3的运动从入口阀2将气体“吸入”所述室内。

然后执行推步骤以将室中的气体放空，同时打开出口阀5。在下一个的步骤中，再次关闭出口阀5并且技术人员利用隔膜3执行又一次拉步骤，然后在下一个步骤中技术人员打开出口阀5以释放室内的负压。

最后，在出口阀5关闭的情况下，技术人员执行推步骤，其对应于利用隔膜3的压缩步骤。室现在处于高压下并且压力衰减(看图3)表明了阀的泄漏率。

由于所产生的高压和所涉及的微小容积，所以该方法的灵敏度非常高。

如果技术人员假定在泵最初的制造过程中(例如，通过MEMS技术)由于合适的工艺控制，死容积DV不会改变得太多，则会发现压缩比和行程容积SV之间的直接相关。

图4表示在功能测试的故障的情况下的压力曲线。

在这种情况下，泵的入口阀结合(保持关闭)而且有泄漏。通过在泵的拉移动过程中产生的巨大负压和每个动作之后的压力衰减，可以减除与入口阀相关的这些问题。在测试周期的结尾，在高压缩步骤的结尾的衰减表明了泄漏。

在来自位于第一阀之前(例如，贮存器的末端)的药物贮存器的流体缺乏的情况下，特别是如果使用没有通气孔的封闭式软贮存器，则也可以在泵起作用期间获得相同的结果。

在线功能异常检测

如前面提及的，在流体操作中时，泵送室内的压力不但直接取决于各种功能和/或外部参数，例如入口或出口处的压力、动作特性，而且取决于微型泵的特性，例如阀密封性、实际行程容积或阀预张力。

在图5中示出了在利用液体的动作周期过程中的典型压力曲线。

该曲线的任何变化都表明了泵的功能异常或在入口或出口处的压力增加或减小(例如，由于不良的通气、位于入口阀之前的液体贮存器的负压或过压或出口阀之后的堵塞)。

特别地，紧接在泵送室内测量的第一压力波峰之后的平稳段的位置直接表明了出口阀之后的泵出口处的压力。在第二波峰之后，我们具有入口阀之前的入口处压力的直接读数。阀的密封性和/或气泡的存在引起波峰-波峰的振幅和峰宽的变化。在压力的每个波峰之后的压力衰减分析表明了阀中任一个的泄漏率。

在图6中示出了在泵的正常动作周期过程中根据本发明一个实施例的隔膜的位移。

根据该示出的实施例，通过隔膜的第一个半推运动开始所述周期，该半推运动导致压力增加、出口阀打开，因而导致液体排出。

所述周期后面是完全的拉行程以便使泵充满(在泵的充满过程中是负的压力波峰)，然后释放泵送隔膜，因而泵送隔膜回到其静止位置，引起压力的第二个正波峰。

如之前所述，泵送室内压力的演变直接取决于隔膜的动作特性。

例如，还可能具有从完整行程开始的周期，所述完整行程产生于首先完全的拉运动及随后完全的推运动。这样的周期通常在泵的高速操作过程中是有用的，例如在团注给药过程中。在像这样动作的情况下，仅仅可以测量到两个波峰，首先是负波峰，然后是正波峰。分析可以与动作曲线相关并导致相同类型的功能异常检测。

因此，通过使用来自位于两个阀之间的传感器的压力信号，下列特征总是可以在泵送周期过程中被测量，并且可以导致下面的特性的直接表征：

1.紧跟在压力的正波峰(+)之后的平稳段(+)的位置取决于出口阀的预张力以及在出口阀之后的泵出口处的压力。

2.紧跟在压力的负波峰(-)之后的平稳段(-)的位置取决于入口阀的预张力以及在入口阀之前的泵入口处的压力。

3.阀的密封性，因而泄漏，与每个波峰后压力随时间的衰减相关。

4.两个平稳段的相对位置还与泄漏率直接相关。

5.压力波峰(正或负)的高度和宽度与泵中空气的存在直接相关。

起动注水及空气检测

也可以监视泵的起动注水。在图7中示出了在空气和水的泵送过程中观察到的信号的显著差别。

如之前讨论的，压力的波峰可能由于泵中空气的存在而更改。

空气检测可以通过下列方式进行校验：

1.监视压力波峰的高度，其导致在给定阈值处可能的报警。

2.监视压力波峰的宽度，其导致在给定阈值处可能的报警。

3.既监视高度又监视宽度(例如通过信号的微分)，其导致报警阈值的确定。

出口压力监视

图8示出了在出口阀之后的泵出口处存在压力时的动作过程中，压力曲线的典型演变。

入口压力监视

图9示出了与图8同样的图形，其中具有入口处的压力。

因此，在一动作周期中，可以获得对入口压力和出口压力的准确监视。

例如当药物贮存器是没有通气孔的软贮存器时，这种入口压力监视也可以帮助检测药物贮存器是否排空。

堵塞检测

对出口压力的监视可以实现堵塞检测，如图10中所示。

有几种方法分析在堵塞过程中在图10中再现的曲线。技术人员例如可以简单地观察在每次推移动之后的压力变化。

堵塞检测可以通过下列方式完成：

1.监视平稳段(+)的位置并确定报警阈值，典型地是在平稳段(+)的位置变为与波峰(+)的最初高度相等时。

2.利用报警阈值监视波峰(+)的高度和宽度。

由于测量是在流体路径内进行且与表明其他可能的功能异常的其他测量值相关，所以这种泵内的压力测量导致非常精确和准确的堵塞检测。因而，最后得到的测量值可以与真正的堵塞或泵之外的流动限制相关并能防止在通知病人对于检查输注管路或改变注射位置的需求时的任何延误。

泄漏检测

图11示出了有泄漏的泵的压力曲线。

在每次动作之后，压力朝着外部压力非常迅速地释放。在没有泄漏的情况下，压力将朝着从压力的方面表示的阀预张力释放。

因而，该阀预张力防止了自由流动，同时还允许通过本发明的检测方法进行泄漏检测。

根据图14中给出的标志，泄漏检测可以通过下列方式完成：

1.监视平稳段(+)和平稳段(-)的相对位置并确定报警阈值。

2.监视每个压力波峰之后的压力衰减并利用典型的时间常数确定报警。

例如关于胰岛素的闭合回路应用的泵送精度的监视

利用本发明，技术人员能检测可以影响精度规范内的泵送精度的故障，例如阀泄漏或气泡。

图12示出了表示标称行程容积的泵的检测器信号的例子，和相同的泵在具有微粒的情况下的检测器信号的例子，其中在具有微粒的情况下影响泵送精度达15％。可以通过分析大的负波峰之前和之后的高度差容易地检测由这些微粒引起的泄漏。

通过将微型泵结合到血糖仪，该特征实现了闭合回路应用，这是因为通过检测器实现了胰岛素输送精度的控制。

检测在此与泄露检测类似，但仅仅集中在影响精度的泄漏。

1.监视平稳段(+)和平稳段(-)的相对位置并确定报警阈值，典型地当它们在紧接于波峰(+)和(-)之后的典型的时间常数之后变得相等时。

2.监视每个压力波峰之后的压力衰减并利用典型的时间常数确定报警。

在没有这种对泵精度的准确监视的情况下，任何这种闭合回路系统都可由于测量的参数(在该实例中是对例如在血浆或皮下区域或间质液中的葡萄糖水平的连续监视)而导致例如胰岛素的给药的增加或减少，而不考虑泵的输送变化。最重要的是，在闭合回路系统的情况下，为了确保充分了解泵送参数并使其随着时间的过去而得到控制，从而防止任何可能与泵送机构相关而非与病人特征相关的错误补偿。特别是，如果与未知的有缺陷的泵或输注器具相关，由于葡萄糖测量结果的增加而引起的胰岛素过量输注可能导致对病人的危害。

当葡萄糖测量结果是10到30分钟延迟内的葡萄糖血浆水平的反映时，上述情况也是特别真实的。在这样的情况下，有缺陷的泵可导致对病人情况的错误判读，而由于这种错误判读，泵运转状态的任何改变(例如输注管路堵塞的解除或泵送特性的改变)将不会被及时检测到从而不能防止对病人的危害。

检测输注管路的断开

在某些情况下，输注管路可能从泵断开，在泵出口和输注管路连接器之间可能发生泄漏。如果使用者将未经批准的输注管路连接到泵出口，则也可能存在泄漏。由于这种泄漏，会在泵出口处导致较低的流体阻力。当泄漏变得显著时，通过利用集成式检测器或通过将第二压力传感器放置在微型泵中位于出口阀之后，可检测到在泵出口处压力的少量降低。该传感器的灵敏度应当适应正常条件下输注管路的压力损耗。

由于泵的功能原理而引起的泵的高瞬时流量是非常有利的，因为输注管路中的压降直接与流量成比例。

如果需要，优选地在连接病人之前(例如在泵的起动注水过程中)，可以在泵设置的过程中，例如通过以较高速度产生一用于排出液体的行程来进行对输注管路密封性的专门测试。

在泵出口处的另外的压力传感器

主检测器放置在泵送室内。其参考口与泵系统的壳体内的气室连通，只要泵系统通气良好，气室就处于大气压。该传感器也是相对压力传感器。通过将另外的压力传感器放置在出口阀之后，该相对压力传感器可以用来获得关于病人的压力的信息。

该另外的压力传感器与病人的压力直接相关。两个压力传感器，测量泵送室内的压力的主压力传感器和测量出口阀之后的压力的压力传感器应该具有相同的参考口压力。比较行程之后的两个信号的演变对于泵内、阀座处或泵出口与病人之间(典型地，病人器具的不良连接)的泄漏的检测是有用的。这将在本说明部分中进一步更详细地描述。

此外，紧接在所述行程之后，即当不再有流量时，两个传感器之间的压力差也是出口阀密封性的好的指示。

该另外的传感器还可以用于检测出口处的异常压力，包括输注器具的堵塞。

如果需要，还可以在如在本说明书中上面所描述的那样利用气体进行的功能制造测试期间校准该另外的传感器。

通过设计用于压力测量的第二隔膜，该另外的压力传感器可以容易地集成到泵芯片中：可以如用于泵内的其他压力传感器那样通过在惠斯通电桥构形中使用应变计来测量压力。理想地，用于应变计的注入剂量与泵内的主检测器的注入剂量相等。因而，如果需要，技术人员可以通过简单地改变隔膜尺寸而不是它们自己的剂量来调节灵敏度。

优选地使泵的出口阀和病人器具之间的流体路径在最初的泵起动注水的过程中不裹入空气。

利用另外的压力传感器的用于更好的泄漏和精度监视的温度传感器的实施

本章讨论在第二检测器信号的分析过程中的可靠性。

如前所述，可以利用压力波峰的宽度和高度以便获得关于在泵和病人之间的下游管路密封性的信息。技术人员也可以提出用于这些不同特征的性质上的标准。

此外，对于给定的流体阻力，压力-时间曲线的积分理论上与流量成比例。该积分的变化是功能异常的好的指示，功能异常不但包括气泡、泄漏......，而且包括温度变化。

P(t)-P(patient)＝Rf×Q(t)

其中Rf是所述另外的压力传感器和病人之间的流体阻力，Q(t)是瞬时流量，P(t)是通过所述另外的传感器测量的压力。考虑层流并且通过泊肃叶定律给出Rf。P(patient)是病人的压力，并且也是在流动消失之后通过所述另外的传感器测量的压力。

该传感器也是泵送精度的良好指示器，因为我们可以直接利用随着时间的流量变化。当然，对于包括输注器具的给定泵送系统，流体阻力会借助于流体粘性随着温度改变(泊肃叶定律)。理想地，该压力传感器也结合到温度传感器。

如果使用象水那样的液体，则粘性随着温度的变化是众所周知的，可以进行信号的修正以便不再是依赖温度的。功能异常检测现在甚至变得更可靠。

可以将温度传感器置于泵内，例如与液体接触，即使由于泵部件的小尺寸和良好的导热性，的确不是必需这样做。

热传感器可以是简单的热电阻(RTD或电阻式温度检测器)，其在5和40℃之间显示出良好的灵敏度。压力传感器的惠斯通电桥还显示了类似的温度依赖性并能服务于该目的，也可以将热电偶结合到泵送单元中。最后，可以使用基于二极管或晶体管的基本温度和电流特性的半导体温度传感器。

如果两个相同的晶体管以不同但不变的集电极电流密度操作，则它们的发射极电压的差与晶体管的绝对温度成比例。然后，将该电压差转变成单个结束的电压或电流。可以进行偏移以将信号从绝对温度转变成摄氏温度或华氏温度。

图13表示对于1℃的温度变化的粘性的相关变化。由于流体阻力随着粘性而线性地改变，所以直接利用流量情度变得可能，可以针对1℃的温度传感器分辨率来预期该流量精度：在5℃，在流量精度上由温度传感器引起的最大误差是2.8％。也可以设计传感器以便引入低于流量的精度目标的误差。

出口处的压力传感器和温度传感器的结合可以被用作巧妙的相对脉动流传感器，由于压力传感器的小响应时间，所以相对脉动流传感器是有效的。

绝对流量计

对于绝对流动测量，应该以良好的精度知悉另外的压力传感器和病人之间的流体阻力。与微型泵中的槽的流体阻力相比，病人器具典型地显示流体阻力从一批到另一批的巨大变化。与微型泵内的出口槽的流体阻力相比，还应该注意将病人器具的流体阻力保持的非常低。

可以用与绝对流动测量相容的精度控制上面给出的流体阻力Rf。

根据前面的讨论，只要病人器具的流体阻力保持得小，即，没有流体管路的堵塞，则流动测量是有效的。

微型泵出口处的流量被测量。在另外的压力传感器(连接器......)后面的任何泄漏将会引起两个检测器的信号形状的变化，但测量的流动仍然是正确的。

流动监视也是非常强的特征，但我们仍然需要两个检测器的信息用于正确解释流动数据。

在另外的压力传感器的校准过程中，还可能进行与流量成比例的压力信号的积分的校准(典型地通过利用与泵出口串联地放置的商用流量计)。这里应该再次注意在测试过程中不在出口处引入大的流体阻力。

当然，本发明不局限于在上面讨论和示出的例子，而是覆盖被归入权利要求的范围内的任何实施例。