借助于激光干涉测量法确定软管压力及用于此的设备的制作方法

1.本发明涉及一种用于借助于激光干涉测量法确定软管压力的方法以及一种用于此的设备。


背景技术：

2.确定在引导流体的软管中的软管压力在许多应用领域中是重要的。例如，在体外血液治疗，尤其是透析中，了解血液系统或体外血液回路中的压力值具有重要意义。血液系统在这种情况下优选是体外血液治疗机(透析机)的引导流体的系统的一部分，所述部分将血液从患者引导至透析机并且从该处在透析器/过滤器下游再次向回引导至患者。
3.出于各种不同的原因，压力值对于确保患者安全性或治疗成功而言至关重要。一方面必须避免：以过高的抽吸压力(过大的负压)从患者处抽吸血液，因为否则会破坏血液成分(溶血)。
4.还必须避免过压(相对于环境压力)，以便防止溶血。此外，不同的治疗参数(例如超滤率、跨膜压等)与血液软管中的压力相关。此外，在软管系统中的压力用作为错误指示。例如，压力变化能够表明无意的断开，例如因针从患者滑出所引起的断开，或者表明针被吸到血管壁上。
5.至今为止，在用于体外血液治疗的机器中基本上使用两种用于压力测量的方法。第一解决方案经由如下软管部段进行，在所述软管部段中有针对性地留有空气柱。在软管中的压力变化会引起空气柱的直接且相关的变化。这种变化经由压力测量站检测。
6.第二解决方案经由集成到软管系统中的专用的塑料构件(压力罩)进行。在此，所述塑料构件是塑料壳体，膜被引入所述塑料壳体中。所述膜片经由机器侧的压力检测器读取。
7.这两种解决方案的问题在于血液软管系统的专用的设计。在第一解决方案中需要附加的软管段，在其中存在空气。此外，血液与空气(空气柱)的接触是成问题的，因为在此激活血液凝固功能。附加地，如果压力升高到使得空气柱完全地被挤出软管，那么可能会引起血液和机器的接触。
8.第二解决方案需要生产和成本耗费的附加部件，所述附加部件必须被引入软管系统中。此外还有可能会引起机器组件的损坏的不利的用户特性。


技术实现要素：

9.本发明基于如下目的：减轻或者甚至完全消除在现有技术中已知的问题。具体地，本发明的目的是，提供一种用于确定在软管内部中的压力的方法以及一种相关的设备，借助于所述方法/设备能够可靠且准确地测量在软管内部中的压力(也称为软管压力)，而不会由于在软管中引导的流体与任何测量结构(空气柱、压力罩等)接触，使患者安全性受到影响。换言之，应实现一种用于确定在软管内部中的压力的非接触式方法。
10.该目的通过根据权利要求1所述的方法以及根据权利要求9所述的设备来实现。本
发明的其它有利的改进方案是从属权利要求的主题。
11.本发明的第一方面涉及一种用于借助于激光干涉测量法，尤其借助于激光散斑干涉测量法来观察变化的表面的方法，其中变化的表面优选是软管的表面，并且所述方法用于确定在软管中的压力。
12.该方法利用以下事实：当在软管中的压力变化时，柔性/弹性的软管的表面发生变化。
13.例如，在软管中的压力增加的情况下，软管会延展，因此增大了软管的直径并且使软管的表面伸长。借助于激光干涉测量法能够检测软管或软管表面的这种变化，从中能够推导出存在于软管中的压力。
14.换言之，因此能够测量软管中的压力，而不会损坏软管的完整性或者不必建立与在软管中引导的流体/介质(例如血液)的接触。因此，对软管压力的测量非接触式地进行。
15.原则上，能够借助于根据本发明的激光辅助的方法，尤其通过激光干涉测量法通过两个替选的方法途径来确定软管压力：
16.根据第一方法途径，能够通过借助激光干涉测量法通过距离测量来检测软管的直径/环周的变化。
17.在这种情况下优选如下检测软管的伸长：检测软管的直径变化。为此，例如能够使用已知的基于激光的距离测量，使得经由软管表面与优选相对于软管固定地安装的激光器的距离的变化来识别软管的沿着测量轴线，即沿着用于测量的激光射束的走向的扩展。从如此测量到的扩展中能够推断出直径。在最理想的情况下，软管的横截面例如是圆形的。
18.换言之，借助于激光干涉测量法能够借助于基于激光的距离测量，尤其通过飞行时间测量或激光三角测量法来确定软管的直径变化，从中可推导出软管中的压力。
19.在这种情况下已证明为有利的是，将软管引入固定装置中或夹紧在引导部中，由此软管相对于激光器以固定/静止但是可脱开的方式设置。
20.此外以证明为有利的是，在软管的至少两个彼此相对置的、未夹紧的侧上测量软管的扩展或直径，使得不需要将软管精确地置入引导部中。
21.换言之，通过在未因固定/引导而变形的多个软管部段上测量软管的直径，能够特别准确地确定软管的直径。
22.在所述方法途径的范围中，已知的激光距离测量能够用于确定软管的直径，例如：飞行时间测量(借助于传感器测量在发出光脉冲/激光脉冲和接收到反射的光之间的持续时间)、激光干涉测量法(在这种情况下比较入射和出射的光的相位)、激光三角测量干涉测量法(在这种情况下沿着两条分开的路径发出激光：沿着一条路径，光直接朝向传感器传导。该路径用作为参考。沿着第二路径，在所述光射到传感器上之前，光辐射到物体，例如软管上，并且被该物体反射)。
23.根据第二方法途径，借助于激光散斑干涉测量法来确定软管或软管表面的伸长。在该方法中，激光辐射到软管的表面上，其中软管表面的表面粗糙度或结构化部引起干涉图案(“激光散斑”)，所述干涉图案通过光学传感器(例如ccd、cmos、摄像机)检测，并且于是优选由评估单元评估。
24.根据所检测到的散斑图案可识别出软管表面的变化或变形或伸长。为此不需要了解软管在其它方向上的尺寸，而是仅根据所检测到的散斑图案就已经能够确定软管表面的
变化或变形或伸长。
25.优选地，评估单元从散斑图案的变化中确定软管表面的面积扩展。
26.原则上，在这种情况下能够使用优选部分自动或全自动的图案识别来分析散斑图案。例如，机器学习也能够用于分析散斑图案。
27.优选地，在借助于根据本发明的方法进行的测量过程期间，变化的表面以相对于激光源和/或激光接收器或传感器静止或固定的方式设置。
28.换言之，根据本发明，被观察的表面——除了因扩展引起的变化——不相对于激光源和/或激光接收器或传感器运动，如这在激光散斑干涉测量法的其它应用中(例如在计算机鼠标中)是这种情况。根据本发明，散斑图案的被观察到的变化因此能够归因于表面本身的变化，而不是归因于表面相对于测量设备的相对运动。
29.又换言之，借助于激光干涉测量法，根据干涉图案和/或散斑图案确定变化的表面的改变，尤其伸长，从中可推导出软管中的压力。
30.也可考虑的是，替选地或附加地使用错位散斑干涉法和/或相移技术。
31.此外，在实践中被证明为有利的是，优选在考虑所观察到的散斑图案的情况下进行分析，借助于所述分析，可将由于表面的(所不期望的)运动而引起的被观察到的表面变化与由于表面的变化/伸长而引起的被观察到的表面变化区分开。
32.例如，能够借助于图像分析来求取：散斑图案的变化是由于表面的所不期望的运动(例如由于软管在固定部中的滑动，其中整个软管的平移运动引起线性移动)还是由于表面的变化(例如散斑图案的辊状、星形或球形变化，其中各个散斑/斑点彼此远离表明表面的伸长)产生。以这种方法能够更好地将信号与由于软管滑动引起的测量伪影区分开来。
33.此外，能够借助于评估单元有利地求取：在软管中的压力的测量值(或软管直径的相对应的测量值或相对应的散斑图案)是否落入公差范围内，以及如果测量值不落入公差范围内则触发警报。
34.在这种情况下例如进行可信度测试，其中将所测量到的压力值与例如在血液治疗机的特定的运行模式的过程中通常出现/预期到的压力进行比较。同样能够考虑测量特定的压力的持续时间。
35.借助于根据本发明的方法，原则上能够连续地或以特定的时间间隔间歇地执行测量。
36.优选地，在执行所述方法之前，将软管牢固地但可脱开地设置在固定部/引导部中，由此改进所述方法的测量精度。
37.本发明的另一方面涉及一种用于借助于激光干涉测量法，尤其通过激光散斑干涉测量法来确定软管压力的设备，所述设备具有：激光源或相干光源；光学传感器，所述光学传感器用于检测由激光源或相干光源发出的光；和评估单元，所述评估单元设计用于评估由光学传感器检测到的光学信号。
38.光学传感器例如能够是ccd摄像机、cmos传感器或摄像机。
39.优选地，所述设备还具有引导部/固定部，软管能够牢固地但可脱开地置入其中。引导部/固定部在这种情况下能够在结构上或者也仅在功能上与所述设备相关联。
40.在实践中已证明为有利的是，引导部构成为软管转弯部(schlauch-schikane)，所述软管转弯部优选具有用于容纳软管的u形的引导槽。这种设计方案允许软管的特别好的
固定。
41.激光源或相干光源以及用于检测所发出的光的传感器系统优选集成到转弯部中或内置在该转弯部中。
42.为了在转弯部中特别可靠地引导软管，转弯部优选构成为，使得所述转弯部至少在两侧、优选在三个侧或者甚至至少部段地在四个侧上包围容纳在其中的软管。
43.为了进一步改进测量精度，激光源能够发出至少两种不同颜色的激光，其中不同颜色的光优选辐射到相同或基本上相同的部位上。在实践中，绿色和红色的二极管激光器是适宜的。
44.根据本发明的设备优选以固定或可脱开的方式设置在软管上，尤其设置在体外血液治疗机的软管上，以便确定软管中的压力。
45.另一方面涉及一种由根据本发明的设备和软管构成的系统，其中软管至少在应确定软管压力的部段中或者在与根据本发明的设备交互的部段中具有对于测量优化的结构。
46.尤其地，为了改进测量精度，所述部段能够特别薄壁地和/或由以下材料制成，所述材料的特性相对与温度无关(使得例如部段表面的伸长由压力的变化引起，而不是由温度的变化引起)。
47.替选地或附加地，软管部段能够具有特别粗糙的表面结构以增强散斑图案，或者具有特别光滑的结构以改善反射特性。
48.原则上，软管部段也能够设有优选的预定的图案，根据所述图案可测量表面的变化。
49.本发明的另一方面涉及一种用于借助至少一个根据本发明的设备进行体外血液治疗的设备。
附图说明
50.根据下面对优选的实施形式的说明参考附图得出本发明的其它优点、特征和效果。在附图中，相同的附图标记表示相同或类似的构件。在这种情况下示出：
51.图1示出用于非接触式确定在软管中的压力的不同的根据本发明的方法途径的概览。
52.图2示出呈软管的转弯部形式的固定部/引导部。图2a)示出在置入软管的情况下转弯部的横截面，而图2b)示出在置入软管的情况下转弯部的俯视图。
53.图3示出根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
54.如在图1中所示出的那样，根据本发明的方法基于：观察变化的表面(优选体外血液治疗机的软管的表面，然而本发明不局限于此)，以便能够根据变化的表面推断出在软管中的压力的变化。
55.为了借助于激光来检测/观察表面的变化，可考虑三个变型方案，所述三个变型方案在图1中示意性地示出：
56.在所有变型方案中假设：软管1容纳在固定部/引导部2中。由于在软管1中压力变化，软管的直径发生变化，如这通过线3所说明的那样(在图1的示例中，在软管1中的压力升
高，进而直径增大；软管的表面扩展)。
57.如在图1a)中所示出的那样，软管直径的测量能够借助于飞行时间测量来进行。在这种情况下，激光4由激光器5脉冲式地发出，并且求取从发出激光4开始的时间或时间间隔δt，直至光学检测器接收到光的反射。
58.从光的飞行时间和光速中能够推断出表面距激光器5的距离。因为激光器5固定地安装，所以飞行时间的任何变化都归因于在软管1的表面与激光器5之间的距离的变化进而归因于在软管1中压力的变化。
59.图1b)说明激光干涉测量法。术语干涉测量法在这种情况下包括借助三角测量进行的干涉测量法，即激光在一个位置处射出并且在两条不同的路径上飞行，直至所述激光在第二位置处会聚。两条不同路径的光相互干涉。一条路径是直接的，即从激光器5到检测器/传感器的直线。第二路径通常经过反射，例如在软管1的表面上。来自激光器5的光例如在软管1的软管壁上反射。能够观察到路径长度的微小差异作为干涉图案。由于在软管中的压力变化而引起的表面伸长会相应地改变干涉图案。
60.图1c)说明激光散斑干涉测量法。对激光进行干涉的基础在于：软管1的表面具有一定的结构化部/粗糙度。根据软管表面上的凹部/谷地的扩展，会发生相长或相消的干涉。因此产生光中的斑点图案，即散斑图案。这种特征性图案随着软管表面的变化而变化，例如在软管由于压力变化而扩展的情况中。
61.借助于散斑检测器6检测散斑图案并且优选借助于评估单元进行分析。散斑图案的评估需要超出光传感器的图像检测。优选设有1d传感器条，但是也能够是二d传感器区(或多维传感器区)或摄像机。图像评估检测散斑图案及其变化，进而确定在软管中的压力。
62.图2示出用于软管1的呈转弯部形式的固部/引导部7。图2a)示出在置入软管1的情况下转弯部7的横截面。转弯部7在三个侧上或分部段地在四个侧上包围软管1并且具有容纳开口8，软管1能够借助于容纳开口8置入槽9中。
63.如在图2a)中所示出的那样，激光器5和散斑检测器/传感器6是转弯部7的一体的组成部分或固定地安装在所述转弯部中。如在图2a)中所示出的那样，激光器5和散斑检测器/传感器6优选嵌入保持部段10中，所述保持部段将软管1保持在槽9中并且保护其以防止所不期望的脱落。
64.图2b)示出在置入软管1的情况下的转弯部7的俯视图，在该视图中可特别清楚地看到保持部段10。在保持部段10中，转弯部7在四侧上包围软管1。
65.转弯部7还具有u形构造，所述u形构造实现特别可靠地将软管1固定在槽9中。
66.优选地，转弯部7由塑料一件式地制成。但是同样可考虑由另一材料构成的多件式设计方案。
67.如在图3中所示出的那样，根据本发明的用于借助于激光干涉测量法，尤其借助于激光散斑干涉测量法观察变化的表面的方法能够包括以下步骤：
[0068]-步骤1(s1)：观察在所观察的表面上的第一散斑/干涉图案；
[0069]-步骤2(s2)：识别和标记第一散斑/干涉图案中的区域和/或标志/参考点；
[0070]-步骤3(s3)：跟踪/追踪所标记的区域和/或标志/参考点，以便因此检测散斑/干涉图案的变化进而检测变化的表面。能够考虑所标记的区域和/或标志/参考点彼此间的相对位置和/或绝对位置。例如，在软管中存在压力变化的情况下，所标记的区域能够相互远
离，或者在软管移动的情况下，所标记的区域同样能够线性移动。此外，能够在第一散斑/干涉图案中检测或跟踪明暗过渡。
[0071]-步骤4(s4)：将在散斑/干涉图案中所检测到的变化与软管中的压力变化，例如软管的扩展相关联。如果测量在软管中的多个压力，那么在测量之间优选执行校准步骤。
[0072]-步骤5(s5)：校正或考虑软管的特性，例如弹性、直径、反射率、表面粗糙度等。步骤5能够在出自步骤4的将散斑/干涉图案中的变化与在软管中的压力变化相关联期间进行。校正能够包括可信度测试。