CN105122019B - 用于测量血液透析治疗的重量损失的差分流量计 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量透析治疗中的重量损失的差分流量计(10*，1000)。该差分流量计(10*，1000)是“热力风速仪”型的。

Description

用于测量血液透析治疗的重量损失的差分流量计
技术领域
本发明涉及一种用于测量两个流体之间流量(flow rate)或流速的差异的差分流量计(differential flow-meter)。
尤其是，本发明可有利地应用于血液透析治疗的重量损失的计算。
背景技术
已知全世界超过两百万的人目前罹患慢性肾功能衰竭，年增长率接近6％。
目前，未经肾移植的病人接受血液透析(或体外透析)或腹膜透析治疗，其取代肾脏的清理功能。
在这两种治疗中，血液均通过半透膜与特殊溶液(被称为“透析流体”或“透析液”)接触。
在血液透析中，血液净化在身体外部的、特殊的过滤器─透析器内进行，而腹膜透析使用天然腹膜。
通过半透膜，血液释放废弃物质到透析液并通过扩散和对流得到/获取离子，而多余的流体(约两升)通过超滤被移除。
这些过程的进行使用计算机监测透析期间从病人减去的液体的总质量，也被称为“重量损失”。
该控制系统被编程为在治疗结束时(通常持续4小时)实现多余的流体的全部移除的目标。
这个功能是透析的最敏感的方面之一，因为过度移除液体可引起明显的副作用，例如，诸如昏厥和痉挛。
因此，超滤的控制系统必须以最大的精确度制得。
目前的重量损失的测量系统由于必须包括数个有源元件，所以都较大且具有较高的生产成本。
US-A-5 861 555描述了一种用于为透析机的生物医学应用测量液体流动的差分流量计。在这个系统中，适当地连接一定数量的温度传感器，以便借助于与一个或多个通道的流量有关的另外的非差分流量测量，间接地获得透析液入口流量和透析液出口流量之间的差。根据所采用的原理，出于透析治疗的内在原因将透析液体全部过度加热到接近体温的温度，然后此过度加热还被用于进行差分流量测量。
此外，US-A-2 946 220描述了一种用于为化学应用测量气态流体的差分流量计。在所要求保护的系统中，根据量热原理工作的至少一对流量计被适当地连接(惠斯通电桥)以便直接获得各自流量的差分测量。根据量热原理，总共六个电阻器，其中四个是温度传感器，两个是加热器，这些电阻器被使用并以适当的方法连接来获得上述差分流量测量。
为了更好地理解本发明，图1示出大致根据“量热原理”工作的差分流量计(量热流量计)的示意图。换言之，根据所述已知原理，在布置温度传感器的位置处测量先前被过度加热的流体的温度变化，所述变化由流体本身的流量或流速引起。
仅出于介绍本发明的目的，参考图1。
在所述图1中，10作为整体表示根据“量热原理”工作的差分流量计。
已知类型的差分流量计10包括其中有两个流体流动的第一单独通道20和第二单独通道30，所述两个流体相同或不同。
在通道20的内壁上附接下列设备：
-根据箭头(F1)流动的流体的加热装置21；由加热装置21供给的热量由差分测量设备40控制；加热装置21使用焦耳效应来局部加热接近其的流体；以及
-温度检测装置22，靠近加热装置21放置；所述温度传感器22的温度也由差分测量设备40检测。
类似地，在通道30的内壁上附接下列设备：
-根据箭头(F2)流动的流体的加热装置31；由加热装置21供给的热量由差分测量设备40控制；加热装置21使用焦耳效应来局部加热接近其的流体；以及
-温度检测装置32，靠近加热装置31放置；所述温度传感器22的温度也由差分测量设备40检测，差分测量设备40也可包括微处理器处理系统。
另外，差分测量设备可以将温度传感器22、32检测出的瞬时温度转换成经过两个通道20、30的两个流体的差分流量或流速测量值。
对于每个通道，被布置为靠近加热装置的温度检测装置可以由被布置在加热装置的下游(如图1所示)或者上游(未示出)的单个元件形成，或者可以由被布置在上游和下游(未示出)的多个元件形成。在所有上述情况下，物理原理是相同的，并且所有的上述装置仍由差分测量设备40监控和测量。
发明内容
本发明开发了一种通过使用“热力风速仪”的原理直接测量两个流之间的差(重量损失)的差分系统，以获得高灵敏度和精确度并保证测量精确度。
这将得到至少5％(可忍受极限为10％)的精确度。在流量计内部，入口和出口流将在具有相同形状和大小的两个相邻的通道中流动。热敏元件(sensitive element)可见于布置在两个通道之间的分离元件上，所述热敏元件包含一个或多个电阻器，其依靠焦耳效应自加热，并直接测量两个通道之间与流动差相关的热分散的差异。
因此，本发明的主要对象是一种用于透析机的生物医学应用的差分流量计，其具有高度准确和精确地差分测量透析液的流量的目的，并可能将该机器用于需要透析治疗的地方，通常包括较热的地方(例如，手术室的温度>30℃)。
第一个目的可以通过使用直接差分测量(例如避免传统的流动测量，即单通道测量，并随后用它们计算差值；或在计算中用不同方式利用它们，从而避免误差的传播)并试图减小传感器构造的复杂性而实现，从而最小化系统的和随机的制造误差的来源。在本发明的设备对象中，这些目的的优化方案表示为基于热力风速仪原理的流量计，根据该原理，电线(电阻器)，特别是由焦耳效应过度加热的电线(电阻器)，以与接触它的流体的流量成正比的方式被冷却。然后，风速仪流量计的两个(或四个)电阻器被配置为惠斯通电桥，以获得直接的差分测量。可见，过度加热是几摄氏度的级别。该方法是相对于图1所示的更传统的量热法的替代方法，并因此避免了具有单独的加热器和单独的温度传感器。这意味着很大的构造简化，导致对几何非理想性的限制，从而获得更高的测量精确度和精密度。此外，仅具有一个功能元件意味着对传感器的控制的简化，从而也获得同样的优势(更简单的系统、更少的误差传播)。
第二个目的可以通过仅过度加热流体的微不足道的一部分来实现。事实上，如果仅在必要时靠近传感器在局部进行用于流量测量的过度加热，则可以实现过度加热，甚至相对较高，但不破坏流体的整体温度。使用旁路取少量的流体可以消除上述问题，但具有引入其它误差来源从而再次限制测量的精确度和精密度的缺点。
因此，根据本发明，根据在所附独立权利要求中，并且优选地在直接或间接地引用上述独立权利要求的任一权利要求中所限定的，提供了一种基于“热力风速仪”的原理的差分流量计。
更特别地，本发明涉及一种差分流量计，包括其中两个流体流动的第一单独通道和第二单独通道，所述流体相同或不同；
所述第一通道包括下列设备：
-根据第一箭头流动的流体的第一加热装置；由所述第一加热装置供给的热量由差分测量设备控制；
-第一温度检测装置，靠近所述第一加热装置放置；所述第一温度检测装置的温度也由所述差分测量设备检测；并且
所述第二通道包括下列设备：
-根据第二箭头流动的流体的第二加热装置；由所述第二加热装置供给的热量由所述差分测量设备控制；
-第二温度检测装置，靠近所述第二加热装置放置；所述第二温度检测装置的温度也由所述差分测量设备检测；
其中，所述差分测量设备能够将所述温度检测装置检测到的瞬时温度转换成流经所述两个通道的两个流体的差分流量或流速测量值；
并且
其中在第一热力设备中所述第一温度检测装置集成到所述第一加热装置，并且在第二热力设备中所述第二温度检测装置集成到所述第二加热装置。
附图说明
为了更好地理解本发明，仅出于非限制的目的，并参考附图，现在描述优选实施例，附图中：
-图1示出大致根据“量热原理”工作的差分流量计(量热流量计)的示意图
-图2示出使用“热力风速仪”的原理根据本发明制作的差分流量计的示意图；
-图3示出应用了根据本发明的差分流量计的血液透析机的血液回路；
-图4示出已经组装好部件的差分流量计的3D视图；以及
-图5示出图4的差分流量计的分解图。
具体实施方式
在图2中，1000作为整体表示使用热力风速仪流量计的原理的差分流量计，这是本发明的对象之一。
差分流量计1000包括其中有两个流体流动的第一单独通道20和第二单独通道30，所述流体相同或不同。
热力设备200被附接在通道20的内壁上。在所述设备200中，图1中可见的温度传感器22在理论上对应于加热板21。特别地，它是利用焦耳效应被过度加热的电阻器，即通过施加适当的大电流，使得电阻增加，所述电阻器被运动的流体冷却，使得温度降低。因此，此电阻变化与流体流量成反比。
类似地，热力设备300被附接在通道30的内壁上。在所述设备300中，可见于图1的温度传感器32在理论上对应于加热板31。
以这种方式，从板流到流体的热流的变化可由差分测量设备40来测量。
在图3中，100作为整体表示血液透析机的血液回路(未全部示出)。
血液回路100包括透析仪50，在一侧通过导管51供给有透析液，且在另一侧借助于蠕动泵53供给有流经导管52的动脉血液。根据先前描述的系统在血液与透析液之间发生杂质交换。
“脏”的透析液在导管54中流动以离开透析仪50，而处理后的血液通过连接到病人的静脉的通道55重新引入人体(BD)内。
以已知方式，在导管52中，一定量的肝素通过泵送设备56泵入动脉血液以避免血液凝固。
导管52设置有用于测量动脉压力的设备57。类似地，导管55被关联到用于测量静脉压力并用于检测是否存在不期望的空气的设备58。
图4、图5示出作为本发明的另一个对象的差分流量计10*的实施例。
差分流量计10*、1000可以被连接到血液回路100(图3)的导管51、54，来计算所谓的“重量损失”，即从病人减去的液体质量。
在一个替代实施例中，本领域技术人员还显而易见可以想到将差分流量计10*、1000连接到两个血液导管52、55(图3)。
如图4、图5所示，差分流量计10*包括两个通道20*，30*。
在图4、图5所示的实施例中，通道20*，30*是相同的，但它们也可具有不同的形状。
每个通道20*、30*沿各自的纵向对称轴线(Y1)、(Y2)对齐，其中，在使用中，纵向对称轴线(Y1)、(Y2)相互平行。
具体地，通道20*(但这显然也适用于通道30*)包括连接到中央棱柱部(PP)的两个圆柱形端部(PC)。
两个圆柱形端部(PC)用于插入已插入导管的其余部分(一对导管51、54；或可替代地，一对导管52、55)。
中央棱柱部(PP)进而设置有：平坦的背面(FP)，在其上制成背槽(SC)；平坦的前表面(FA)，带有检查窗(WN)，在使用中由透明面板(PN)覆盖(图5)以允许目视检查所述中央棱柱部(PP)中流动的流体。
背槽(SC)在使用中支撑(图4)微机械加工芯片90，有利地是，微机械加工芯片90由硅制成，集成有热力设备200、300和差分测量设备40，如在相对于图2所示的实施例中可见。
更精确地说，芯片90被粘接并连接(例如借助于“引线接合”技术)到包含用于数据控制和采集的所有电连接的基板91(例如为PCB，其表示“印刷电路板”)；承载两个流体的基板91上的两个通道必须具有用于容纳芯片90的适当的开口。
一旦组装好，差分流量计10*、1000即如图4中所示。
简而言之，根据图4、图5中所示的优选实施例，本发明涉及一种用于测量两个流体之间流量或流速的差异的差分流量计10*、1000。
差分流量计10*与图2所示的差分流量计100相同，其特征在于包括：
a)其中有两个流体流动的第一单独通道20*和第二单独通道30*，所述流体相同或不同；以及
b)芯片90位于两个通道20*、30*的任一侧，使得芯片90的第一部分90A仅被在第一通道20*中流动的第一流体接触，并使得芯片90的第二部分90B仅被在第二通道30*中流动的第二流体接触。
此外，芯片90可以借助于相对于图2所示的方法测量和比较第一部分90A和第二部分90B中的任何可能的电阻变化，以计算两个通道20*、30*中流动的流体发生的流量或流速的任何可能的变化。
硅微机械加工技术可用于制造差分流量计10的热敏部分(sensitive portion)。该技术从硅平面处理技术出发，允许建立小型化的平面3D结构，如放置在弹性膜上的电阻器。
硅微机械加工技术允许以低成本制造非常小的物体。小尺寸结合降低的成本以及精确度，允许建立更便宜、更小、更轻和更低运行成本的透析机。具体地，运行成本显著下降，并且没有有源元件运转，损坏和维修很少且更便宜。
本发明的设备对象的目的是直接测量承载两个流的两个单独通道之间(质量或体积)流量或流速的差。
形成两个流的流体可以具有相同或不同的化学成分，并且可以具有相同或不同的物理条件(例如密度、温度、速度、压力)。
热敏元件连接并被控制为直接受到所讨论的两个流的差异的影响。惠斯通电桥连接可用于这个目的，使得惠斯通电桥的不平衡的测量值与两个通道的流量差成正比。
应当指出的是，所讨论的测量不能忽略流体温度，这因此必须是已知的(由传感器测量)，并被适当地平衡。
传感器制造包括两个步骤：
1.微机械加工硅芯片，包含所有必要的热敏元件和加热器；以及
2.组装上述芯片与其它功能部件(大致为PCB和流体通道)，以获得可在期望的热力、流体和电气条件下使用的流量传感器。
简而言之，微机械加工包括建立适当的电阻器网络，相对于流体电绝缘并相对于基板热绝缘。可见，所制造的电阻器具有微米大小的截面和毫米大小的长度。
传感器组装可如下进行。承载以差分方式配置的热敏元件的芯片被粘接和连接(例如通过引线接合的方式)到具有用于数据控制和采集的所有电连接的基板(例如PCB)；承载两个流的两个通道必须具有适当的开口用于容纳所述芯片。
在第二可选实施例(未示出)中，差分流量计的两个通道形成在至少一个块中，其一面由一层合适的材料(例如硅)闭合，其上形成元件200、300与差分测量设备40。
在第三实施例中，热敏元件(热阻)由热电堆或热敏电阻制成。
本发明的差分流量计的主要优点如下：
-高的灵敏度和分辨率；
-减小的尺寸；
-低的生产成本；以及
-随着时间的推移更佳的可靠性。

Claims (5)

1.一种差分流量计(10*，1000)，包括其中两个流体流动的第一单独通道(20)和第二单独通道(30)，所述流体相同或不同；
所述第一单独通道(20)包括下列设备：
-第一热力设备(200)，用作对第一单独通道(20)中的流体的第一加热装置(21)，所述第一加热装置(21)使用焦耳效应来局部加热接近其的流体，由所述第一加热装置(21)供给的热量由差分测量设备(40)控制，所述第一热力设备(200)还用作第一温度检测装置(22)，所述第一温度检测装置(22)的温度也由所述差分测量设备(40)检测；并且
所述第二单独通道(30)包括下列设备：
-第二热力设备(300)，用作对第二单独通道(30)中的流体的第二加热装置(31)，所述二加热装置(31)使用焦耳效应来局部加热接近其的流体，由所述第二加热装置(31)供给的热量由所述差分测量设备(40)控制，所述第二热力设备(300)还用做第二温度检测装置(32)，所述第二温度检测装置(32)的温度也由所述差分测量设备(40)检测；
其中，所述差分测量设备(40)能够将所述温度检测装置(22，32)检测到的瞬时温度转换成流经所述两个通道(20，30)的两个流体的差分流量或流速测量值，
其中，所述第一热力设备和第二热力设备(200，300)被集成在微机械加工的芯片(90)中。
2.根据权利要求1所述的差分流量计(10*，1000)，其特征在于，每个通道(20*，30*)包括连接到中央棱柱部(PP)的圆柱形端部(PC)。
3.一种血液透析机，其特征在于至少包括差分流量计(10*，1000)，所述差分流量计包括其中两个流体流动的第一单独通道(20)和第二单独通道(30)，所述流体相同或不同；
所述第一单独通道(20)包括下列设备：
-第一热力设备(200)，用作对第一单独通道(20)中的流体的第一加热装置(21)，所述第一加热装置(21)使用焦耳效应来局部加热接近其的流体，由所述第一加热装置(21)供给的热量由差分测量设备(40)控制，所述第一热力设备(200)还用作第一温度检测装置(22)，所述第一温度检测装置(22)的温度也由所述差分测量设备(40)检测；并且
所述第二单独通道(30)包括下列设备：
-第二热力设备(300)，用作对第二单独通道(30)中的流体的第二加热装置(31)，所述二加热装置(31)使用焦耳效应来局部加热接近其的流体，由所述第二加热装置(31)供给的热量由所述差分测量设备(40)控制，所述第二热力设备(300)还用做第二温度检测装置(32)，所述第二温度检测装置(32)的温度也由所述差分测量设备(40)检测；
其中，所述差分测量设备(40)能够将所述温度检测装置(22，32)检测到的瞬时温度转换成流经所述两个通道(20，30)的两个流体的差分流量或流速测量值。
4.根据权利要求3所述的血液透析机，其特征在于，所述差分流量计(10*1000)的所述两个通道(20*，30*)以液压方式被连接到其中有透析液流动的两个导管(51，54)，以便计算重量损失。
5.根据权利要求4所述的血液透析机，其特征在于，所述差分流量计(10*1000)的所述两个通道(20*，30*)以液压方式被连接到其中有血液流动的两个导管(52，55)，以便计算重量损失。
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