流れ制御のためのセンサ及び制御ユニット、並びに流体の制御送達のための方法
本発明は、センサ１０２及びこのセンサと協働するための制御ユニット７０２に関する。このセンサ１０２は、導管３０６を流れる流体３０８の速度を測定するのに役立つ。前記センサ１０２は、熱測定原理を使用し、この測定原理は、加熱素子１０６により損失される電力量に作用する外乱に関してロバストである。センサ受信器１１０は、前記センサ１０２と協働するための制御ユニット７０２に含まれる制御送信器７２２により発生する電磁放射線を受信するために配される。この電磁放射線は、前記流体を加熱するために配される加熱素子１０６に給電するために使用される。前記センサ１０２に含まれるトランスデューサ装置により発生する測定信号に基づいて、制御アクチュエータ７２４は、前記流体の速度を制御する。この目的のために、センサ送信器１１６は、前記測定信号を制御受信器に送信するために配される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導管(channel)を流れる流体の速度を測定するためのセンサに関する。
【０００２】
本発明はさらに、前記センサと協働するための制御ユニットにも関する。
【０００３】
さらに本発明は、前記センサ及び前記制御ユニットを有するシステムにも関する。
【０００４】
本発明はさらに、医療応用における前記システムの使用にも関する。
【０００５】
その上、本発明は、液剤の送達のための方法にも関する。
【背景技術】
【０００６】
米国特許番号US-A 5,533,412号において、流体が流れるための管、流体に熱パルスを発生させるための前記管の内側にある加熱素子、及び前記管の内側にあり、前記加熱素子より下流に位置付けられる２つの間隔を介したセンサを有する流量計が開示され、ここで前記流体は、熱パルスを前記管を介して前記２つの間隔を介したセンサに搬送し、この２つの間隔を介したセンサ間の熱パルスの通過時間が流体の流速を測定する。この流量計はさらに、前記加熱素子に電力パルスを供給するために、前記管に取り付けられている回路を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
米国特許番号US-A 5,533,412号に開示される技術は、導管が定期的に取り替えられる応用、例えば静脈内注射、麻酔の流れ制御、尿道カテーテルのような滅菌状態で行われる医療応用には適していない。このような医療介入中、一般に多数の導管が患者毎に連続して使用される。US-A 5,533,412号に開示される流量計は、導管が取り替えられる度に廃棄されるのでは費用がかかりすぎる。US-A 5,533,412号に開示される流量計のリサイクルもその流量計を他の導管で使用するのに必要な労力を考えると、経済的可能性があるオプションではない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の目的は、導管が定期的に取り替えられる応用、特に滅菌医療応用において速度を測定するためのセンサを提供することである。
【０００９】
本発明の第２の目的は、前記センサと協働するための制御ユニットを提供することである。
【００１０】
本発明の第３の目的は、前記センサ及び前記導管を有するシステムを提供することである。
【００１１】
本発明の第４の目的は、前記導管が定期的に交換される応用において、液剤の制御送達のための方法を提供することである。
【００１２】
本発明の前記第１の目的は、本発明による前記センサにより達成され、このセンサは、導管を流れる流体、すなわち液体又は気体の速度を測定するために配され、並びにチップ及びセンサ受信器を有し、前記チップは前記流体を加熱するための加熱素子及び導管を流れる流体の速度を示す測定信号を発生させるためのトランスデューサ装置を有し、前記測定信号は第１の空間温度差と第２の空間温度差との比に基づき、並びに前記センサ受信器は前記加熱素子に給電するための電磁放射線を受信するために配されている。
【００１３】
前記測定信号を第１の空間温度差と第２の空間温度差との比に基づかせることにより、この測定信号は、前記加熱素子に供給される実際の電力レベルと無関係である。すなわち、前記第１の空間温度差と前記第２の空間温度差は共に、少なくとも様々な流体の流速に対し、アフィン方法(affine way)での加熱素子により損失される電力に関する。アフィン関係は、一次式の定数項が零に等しい場合に、一次関係となる。従って、前記第１の空間温度差と前記第２の空間温度差との比をとることにより、加熱素子により損失される電力とは無関係である関係が得られる。前記測定信号をこの関係と結び付けたとしても、前記測定信号は、加熱素子により損失される電力量に作用する外乱に関してロバストである。
【００１４】
加熱素子の電気抵抗及びセンサに含まれるチップに関する制作公差の変化のような外乱は別として、電磁放射線を介して電力を供給する技術は、加熱素子に供給される及び加熱素子により損失される電力量にかなりの外乱を受けやすい。例えば、送信装置に対するセンサ受信器の位置は、機械的衝撃の影響下又はセンサの取り替えによって変化してもよい。
【００１５】
前記センサは、加熱素子に給電するための電磁放射線を受信するためのセンサ受信器を有する。ここで、加熱素子は、電磁放射線自身に含まれるエネルギーを介して給電されることができる。代わりに、この電磁放射線は、例えば小型バッテリーのようなエネルギー貯蔵を可能にするために用いられ、この小型バッテリーが加熱素子に給電する。両方の場合において、電圧レベルを制御するための整流器及び付随する回路は、センサ受信器と加熱素子との間に挿入されない。すなわち、小型整流器及び付随する制御回路は、加熱素子に給電するのに必要な電力レベルを取り扱うことができない。結果として、加熱素子により損失される電力量は制御されることができず、従って変動する可能性が高い。
【００１６】
前記測定信号は、加熱素子により損失される電力量に作用する外乱に関してロバストであるので、電磁放射線を介して電力を供給する技術は、流体の流速を正確に測定するためのセンサの応用に対し実現可能になる。
【００１７】
電磁放射線を介して電力が供給される、すなわち電力がワイヤレスで供給されるという事実により、前記センサは、面倒な配線が無くなるので簡単に取り扱うことを可能にする。さらに、前記センサは、例えば医療応用において本質的に存在している電気接点という汚染の危険性が寧ろ制限されるので、簡単な取り扱い及び信頼できる応用を可能にする。
【００１８】
さらに、前記センサは、使い捨て物品に容易に用いられることができる、すなわち、前記センサを廃棄することによる金銭的損失はかなり小さい。明らかに、前記センサは必ずしも廃棄される必要はない、すなわちセンサは継続使用を可能にする。特に、導管が取り替えられる場合、前記センサは、この導管と一緒に廃棄されることができるのに対し、システム全体の最も高価な部分である他の回路は再使用されることができる。そのおかげで、前記センサは特に、導管が定期的に取り替えられる応用、特に静脈内注射、麻酔の流れ制御、尿道カテーテル、呼吸制御並びに経腸栄養及び非経口栄養法の流量測定のような殺菌医療応用における、経済的に魅力のある使用を可能にする。センサの廃棄可能性のおかげで、前記センサを再び滅菌する極端に大きな労働力を要する処理が効果的に避けられる。
【００１９】
医療応用とは別に、前記センサは、例えばきれいな水の製造、ケミカルリファイナリー(chemical refinery)、石油開発及びディーゼルエンジンのような応用において、流体の流速を測定するのにもよく適している。
【００２０】
本発明の第２の目的は、本発明による制御ユニットにより達成され、この制御ユニットは、前記センサと協働するために配され、電磁放射線をセンサ受信器に送信するための制御送信器を有する。この制御送信器を含むことにより、前記制御ユニットは、加熱素子に給電するための電磁放射線を供給することが可能である。結果として、前記センサと前記制御ユニットとの間における協働は、物理的に接続することなく達成される。後者の特性は、前記センサが容易に制御ユニットから取り外すことができるので、前記導管が定期的に取り替えられる応用において経済的に魅力的な使用を保証し、この制御ユニットは再使用されることができる一方、前記センサは廃棄されることを可能にする。
【００２１】
本発明の第３の目的は、本発明による前記システムにより達成され、このシステムは、本発明によるセンサと本発明による制御ユニットとの両方を有する。
【００２２】
本発明の第４の目的は、本発明による方法により達成され、この方法は、液剤の制御送達のために配され、所定の流速を設定するステップ、前記制御ユニットを前記導管に取り外しできるように接続するステップ、前記センサ及びアクチュエータを用いることにより、前記導管を通る液剤の制御送達のためのステップ、前記制御ユニットを前記導管から取り外すステップ、並びに前記導管を廃棄するステップを有する。前記制御ユニット及び前記導管は互いに分離されている、すなわち導管は廃棄される一方、制御ユニットは再使用されるステップは、この導管が定期的に交換される応用において前記方法の経済的に魅力的な使用を保証する。
【００２３】
本発明によるセンサの実施例において、第１の空間温度差は、加熱素子より前の流体の温度と加熱素子より後の流体の温度との数値差であり、第２の空間温度差は、加熱素子より下流の地点における流体の温度間の数値差に加えられる、加熱素子より上流の地点における流体の温度間の数値差である。この実施例の利益は、加熱素子に対して対称形状となることである。結果として、この実施例は、流れる方向に関して特定の方位を仮定しない。
【００２４】
本発明によるセンサの他の実施例において、前記センサ受信器は、アンテナにより実施され、そのアンテナに加熱素子が組み込まれている。
【００２５】
両方の場合において、電圧レベルを制御するための整流器及び付随する回路は、センサ受信器と加熱素子との間に挿入されない。すなわち、小型整流器及び付随する制御回路は、加熱素子に給電するのに必要な電力レベルを取り扱うことができない。結果として、加熱素子により損失される電力量は制御されることできず、従って変動する可能性が高い。
【００２６】
本発明によるセンサの他の実施例において、前記センサは導管の壁内又は壁に置かれている。結果として、前記センサは、測定信号の精度のレベルを上げさせることを目的として、流体と流量センサとの間にある熱抵抗を減少させるために、導管を流れる流体のかなり近くに挿入されることができる。前記センサを導管の壁に組み込むことにより、このセンサは流体と物理的に接しない。後者の特性は、静脈内注射又は尿道カテーテルの流れ制御のような医療応用に不可欠である。すなわち、これらの応用において、前記センサ又はその一部が外れ、次いで流体の流れにより人間又は動物の身体に運ばれてしまう緊急事態を防ぐことが重要である。
【００２７】
本発明によるセンサの他の実施例において、センサは導管と略同軸に配される。この文章において、同軸とは軸方向に共通する軸を共有する本体又は表面の配置と解釈される。故に、円形及び非円形の本体並びに表面は、同軸配置を可能にする。前記センサ及び前記導管を略同軸に配することにより、トランスデューサ装置により発生する測定信号の精度は上がる。
【００２８】
本発明によるセンサの他の実施例において、前記チップは、測定信号を送信するためのセンサ送信器を有する。結果として、前記センサは、このセンサを駆動させ、このセンサに含まれるトランスデューサ装置により発生する測定信号に応答する如何なる回路からも物理的に全てが切り離されている。
【００２９】
本発明による制御ユニットの他の実施例において、この制御ユニットは、導管を流れる流体の流速を制御するためのアクチュエータを有する。その結果、例えば重力のような前記流速の外的環境への依存は避けられる。
【００３０】
本発明による制御ユニットの他の実施例において、制御ユニットは、この制御ユニットを導管に取り外しできるように接続するための機能を備える。そのおかげで、制御ユニット及びこの制御ユニットに含まれるアクチュエータは、センサ及び導管の廃棄可能性を妨げることなく、この導管における流体の速度を制御することが可能である。この特性は、センサを含む導管が定期的に、通例は１日に１回取り替えられる医療応用に特に利益である。すなわち、導管及び制御ユニットを取り外しできるように接続することにより、前記導管は廃棄可能である一方、制御ユニットは再使用されることができる。明らかに、配線が無いことは、センサを含む導管の交換を大きく容易にする。
【００３１】
本発明による制御ユニットの他の実施例において、アクチュエータは、所定の流速とセンサに含まれるトランスデューサ装置により発生する測定信号との間の偏差に関する信号により制御可能である。結果として、例えば医師又は救急医療隊員(paramedic)の介入は、所定の投薬計画の流速に合わせるために、前記測定信号の値に基づいてアクチュエータの設定を調整する必要はない。
【００３２】
本発明による制御ユニットの他の実施例において、アクチュエータは、センサに含まれるトランスデューサ装置により発生する測定信号を受信するためのアクチュエータ受信器を有する。そのおかげで、前記センサ及び前記アクチュエータは、如何なるハードウェアとも接続せずに操作可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明によるシステムの第１の実施例を概略的に表示し、センサは、２つの熱電対列(thermopile)からできているトランスデューサ装置を有する。
【図２】図２は、本発明によるセンサの第２の実施例を概略的に描き、センサは導管の壁に置かれている。
【図３】図３は、本発明によるシステムの第２の実施例を概略的に表示し、センサ受信器により受信される電磁放射線は加熱素子に給電するためのバッテリーを使用可能にする。
【図４】図４は、本発明によるセンサの第１の実施例及び第３の実施例に含まれるトランスデューサ装置による測定可能な量の説明を概略的に提供している。
【図５】図５は、本発明によるセンサの第４の実施例を概略的に表し、センサは、導管の壁内に置かれ、３つの熱電対列からできているトランスデューサ装置を有する。
【図６】図６は、本発明によるセンサの第５の実施例の断面図を概略的に示し、センサは導管と同軸に位置合わせされている。
【図７】図７は、本発明によるシステムの実施例を概略的に示し、本発明による制御ユニットは、本発明によるセンサと協働するために配されている。
【図８】図８は、制御ユニットが再使用されている本発明による方法の実施例を示しているフローチャートを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、ポリイミドから作られる基板を持つチップ１０４を有するセンサ１０２を表示している。後者の材料の利益は、それの比較的低いＲＦ電力損失にある。ここで、ＲＦは無線周波数を指し、約１ＭＨｚから約１０ＧＨｚまでを範囲とする周波数を示している。センサ１０２はさらに、電磁放射線を受信するためのアンテナ１１０を有する。この電磁放射線に含まれるエネルギーは、加熱素子１０６に給電するために用いられ、この加熱素子１０６は、流体を加熱するために配されている。この加熱素子１０６は、前記アンテナ１１０に比較的大きな電気抵抗を局所的に供給することにより、このアンテナ１１０と一体化する。アンテナ１１０がより高い電気抵抗を持つ材料を局所的に備えるか、又は代わりにアンテナ１１０がより小さな断面積を局所的に備える。結果として、電力は比較的大きな電気抵抗に沿って損失され、この損失は熱となる。アンテナ１１０、少なくとも前記流体を加熱するために配されていないそのアンテナ１１０の一部は、チップ１０４上に置かれない。
【００３５】
チップ１０４は、トランスデューサ装置１０８を有し、このトランスデューサ装置１０８は、第１の熱電対列１１２及び第２の熱電対列１１４を有する。この文書において、熱電対列は、複数の熱電対(thermocouple)の直列接続を指している。熱電対列は、絶対温度を測定するよりも、局所的な温度勾配又は温度差に関する出力を発生させる。第１の熱電対列１１２は、線Ａでの温度と線Ｂでの温度との差を記録する。故に、この第１の熱電対列１１２は、加熱素子１０６の温度と基準位置での温度との差を測定し、この基準位置での温度はさらに基準温度とも呼ばれる。同様に、第２の熱電対列１１４は、線Ｃでの温度と線Ｄでの温度との差を測定する。それ故に、この第２の熱電対列１１４は、加熱素子１０６を通過した後の流体の温度と、加熱素子１０６を通過する前の流体の温度との差を測定する。トランスデューサ装置１０８は、第１の熱電対列１１２及び第２の熱電対列１１４の出力に基づいて、導管を流れる流体の速度を示す測定信号を発生させるために配される。前記チップはさらに、トランスデューサ装置１０８により発生する測定信号を送信するためのセンサ送信器１１６を有する。さらに、このチップは、メモリ１１８を有する。このメモリ１１８にデータが記憶され、このデータは、センサ１０２により速度が測定される流体が流れている導管の較正品質を含むことができる。導管と協働するセンサ１０２の使用が図２に開示され、この図は、本発明によるセンサの第２の実施例に関する。
【００３６】
図２は、本発明による第２の実施例を表示し、ここでセンサ２０２は、導管２０６を流れる流体２０８の速度ｖ［ｍ／ｓ］を測定するために、この導管２０６の壁２０４に置かれる。加熱素子２１０は、流体２０８を加熱するために配されている。第１の熱電対列２１２は、加熱素子２１０の温度Ｔｈｅａｔ［Ｋ］と、この加熱素子２１０の下流の距離ｘｒｅｆに記録される（図４参照）基準温度Ｔｒｅｆとの間の差を測定するために配される。この第１の熱電対列２１２の出力、すなわちＴｈｅａｔ−Ｔｒｅｆは、以下の関係、
【数１】
に従って、加熱素子２１に供給される電力Ｐ［Ｗ］及び導管２０６における流体２０８の流速ｖに関係する。ここで、
【数２】
【数３】
【数４】
であり、ｌｈｅａｔは、加熱素子の長さを示し、ｄは、センサ２０２から流体２０８までの距離であり、ｈは、流す導管の高さであり（図４参照）、図解は、上述した分量に対し与えられる。さらに、ｂｈｅａｔは加熱素子２１０の幅であり、ａｆｌは、流体２０８の熱拡散率であり、ｌｆｌは流体２０８の熱伝導率であり、λｗａｌｌは壁２０４の熱伝導率、すなわちセンサ２０２と流体２０８との間にある物質の熱伝導率である。
【００３７】
第２の熱電対列２１４は、加熱素子２１０を通過した後の流体２０８の温度Ｔａｆｔｅｒと、加熱素子２１０を通過する前の流体２０８の温度Ｔｐｒｉｏｒ［Ｋ］との差を測定するために配される。第２の熱電対列２１４の出力、すなわちＴａｆｔｅｒ−Ｔｐｒｉｏｒは、以下の関係、
【数５】
に従って、導管２０６における流体２０８の流速ｖ及び温度Ｔ０に関係する。ここで、
【数６】
であり、ｘｐｒｉｏｒ及びｘａｆｔｅｒは、加熱素子１１０から、第２の熱電対列２１４によりＴｐｒｉｏｒ及びＴａｆｔｅｒが記録されている位置までの上流距離及び下流距離を夫々示す（図４参照）。
【００３８】
センサ２０２に含まれるトランスデューサ装置（図示せず）により発生する測定信号は、第１の熱電対列２１２の出力と第２の熱電対列２１４の出力との比τに基づいている。Ｐ≠０のとき、比τは、以下の無次元関係
【数７】
から得られ、ここでα１及びα２は夫々数式［III］及び［VI］から得られる。前記比τは、加熱素子２１０により損失される電力Ｐとは無関係である。故に、前記測定信号は、加熱素子２１０により損失される電力に作用する外乱に関してロバストである。さらに、関係［Ｖ］に従う測定信号は、周囲温度が変化する状態にあって不変である。故に、温度に関してオフセットはない。さらに、前記測定信号は、導管２０６を流れる流体２０８の速度ｖのかなり広範囲に対し感受性がある。結果として、前記測定信号は、速度ｖを示すかなり広い範囲を供給する。
【００３９】
センサ２０２は、幅広い速度に対し比τを測定し、このセンサ２０２に含まれるメモリ（図示せず）にあるルックアップテーブルを用いて前記較正を記憶することにより較正される。この較正に基づいて、速度ｖは、τを測定し、次いでルックアップテーブルを用いることにより使用中に決められる。代わりに、速度ｖは、比τを測定し、次いで例えばニュートン・ラプソン法又は２分法のような、数式
【数８】
が零に等しくなるｖの計算を意味する反復方式を用いることにより、［Ｖ］に基づいて計算されることができる。後者の手法の利点は、例えば流体の特性の変更が説明されることができるという事実である。
【００４０】
数式［Ｉ］から［Ｖ］において、速度ｖは流路管２０６の断面積２１６を横断する一様な分布(profile)を持つと推定される。しかしながら、層流様式に対し、放物線状の速度分布が得られるだろう。比較的広範囲の流速内において、前記一様な速度分布は、前記放物線状の速度分布と明確に関連付けられることができる。それ故に、上述した矛盾は、センサ２０２の精度に関し制限を課さない。
【００４１】
図３は、ポリイミドから作られた基板を持つチップ３０４及びセンサ受信器３１０を表示する。このセンサ受信器３１０は、電磁放射線を受信するために配されている。チップ３０４は、加熱素子３０６及びトランスデューサ装置３０８を有する。ここで、電磁放射線に含まれるエネルギーは、好ましい小型バッテリー３１２を可能にするために用いられている。このバッテリー３１２に蓄えられるエネルギーは、加熱素子３０６に給電するために用いられる。前記トランスデューサ装置３０８は、第１の熱電対列３１４、第２の熱電対列３１６及び第３の熱電対列３１８を有する。
【００４２】
前記第１の熱電対列３１４は、線Ａでの温度と線Ｂでの温度との数値差を記録する。故に、第１の熱電対列３１４は、加熱素子３０６より前の２地点における流体の温度差を測定する。同様に、第２の熱電対列３１６は、線Ｃでの温度と線Ｄでの温度との差を測定する。故に、前記第２の熱電対列３１６は、加熱素子３０６を通過した後の流体の温度と、加熱素子３０６を通過する前の流体の温度との差を測定する。前記第３の熱電対列３１８は、線Ｅでの温度と線Ｆでの温度との数値差を記録する。故に、前記第３の熱電対列は、加熱素子３０６より後の２地点における流体の温度差を測定する。トランスデューサ装置３０８は、第１の熱電対列３１４、第２の熱電対列３１６及び第３の熱電対列３１８の出力に基づいて導管を流れる流体の速度を示す測定信号を発生させるために配される。チップ３０４はさらに、トランスデューサ装置３０８により発生する前記測定信号を送信するためのセンサ送信器３０２を有する。センサ３０２により速度が測定される流体が流れる導管と協働してセンサ３０２の使用が図５に開示され、この図は、本発明の第４の実施例に関する。
【００４３】
図５は、本発明によるセンサの実施例が表示され、センサ５０２は、導管５０６を流れる流体５０８の速度ｖ［ｍ／ｓ］を測定するために、この導管５０６の壁５０４に置かれている。加熱素子５１０は、この流体５０８を加熱するために配されている。
【００４４】
第１の熱電対列５１２は、加熱素子５１０より上流の２地点における流体５０８の温度Ｔｐｒｉｏｒ'［Ｋ］とＴｐｒｉｏｒ"［Ｋ］との差を測定するために配される。この第１の熱電対列５１２の出力、すなわちＴｐｒｉｏｒ'−Ｔｐｒｉｏｒ"は、以下の関係
【数９】
に従って、導管５０６における流体５０８の速度ｖ及び温度Ｔ０に関係している。ここで、Ｔ０は数式［II］から得られ、α１は数式［III］から得られる。
【００４５】
第２の熱電対列５１４は、加熱素子５１０を通過した後の流体５０８の温度Ｔａｆｔｅｒと、加熱素子５１０を通過する前の流体５０８の温度Ｔｐｒｉｏｒとの差を測定するために配される。この第２の熱電対列５１４の出力、すなわちＴａｆｔｅｒ−Ｔｐｒｉｏｒは、数式［Ｖ］に従って、導管５０６における流体５０８の速度ｖ及び温度Ｔ０に関係している。
【００４６】
第３の熱電対列５１６は、加熱素子５１０より下流の２地点における流体５０８の温度Ｔａｆｔｅｒ'［Ｋ］とＴａｆｔｅｒ"［Ｋ］との差を測定するために配される。この第３の熱電対列５１６の出力、すなわちＴａｆｔｅｒ'−Ｔａｆｔｅｒ"は、以下の関係
【数１０】
に従って、導管５０６における流体５０８の速度ｖ及び温度Ｔ０に関係している。ここで、Ｔ０は数式［II］から得られ、α２は数式［III］から得られる。
【００４７】
センサ５０２に含まれるトランスデューサ装置（図示せず）により発生する測定信号は、第１の熱電対列５１２、第２の熱電対列５１４及び第３の熱電対列５１６の出力の比τ'に基づいている。Ｐ≠０のとき、前記比τ'は、以下の無次元関係
【数１１】
から得られる。ここで、α１及びα２は夫々、数式［III］及び［VI］から得られる。前記比τ'は、加熱素子５１０により損失される電力Ｐとは無関係である。故に、前記測定信号は、加熱素子５１０により損失される電力に作用する外乱に関してロバストである。さらに、関係［Ｖ］に従う測定信号は、周囲温度が変化する状態にあって不変である。故に、温度に関してオフセットはない。さらに、前記測定信号は、導管５０６を流れる流体５０８の速度のかなり広範囲に対し感受性がある。結果として、前記測定信号は、前記速度ｖを示すかなり広い範囲を供給する。
【００４８】
図６は、導管６０６を流れる流体６０８の速度を測定するために、センサ６０２がこの導管６０６の壁６０４に置かれている好ましい実施例を表示している。この導管６０６の壁６０４は、適切なプラスチック、例えばポリイミドから作られる。導管６０６は、内半径Ｒ１及び外半径Ｒ２を持つ。センサ６０２は、Ｒ１＜Ｒ２≦Ｒ３を保つ半径Ｒ３で導管６０６と同軸上に配される。好ましくは、センサ６０２に含まれるトランスデューサ装置（図示せず）により発生する測定信号の精度レベルを上げることを目的として、流体と流量センサとの間にある熱抵抗を減少させるために、距離Ｒ２−Ｒ１は、かなり小さい、例えば約６０μｍである。明らかに、センサ６０２は、導管６０６を流れる流体６０８と物理的に接触していない。好ましくは、センサ６０２は、このセンサ６０２に含まれるトランスデューサ装置（図示せず）により発生する測定信号の精度を上げるために、前記流体６０８をかなりの程度まで覆う。
【００４９】
図７は、本発明によるシステムの実施例を表示している。このシステムは、制御ユニット７０２及びセンサ７０４を有する。前記センサは、導管７０８の壁７０６に置かれている。制御ユニット７０２は、センサ７０４と協働するために配される。制御ユニット７０２は、第１のボディ７１０及び第２のボディ７１２を有する。本実施例において、これらボディは共に細長いボディである。本実施例において、第１のボディ７１０及び第２のボディ７１２は、ヒンジ装置７１４を介して接続されている。故に、第１のボディ７１０、第２のボディ７１２及びヒンジ装置は、外皮(casing)を構成する。代わりに、第１及び第２のボディは、ねじ、スナップ留め又はクランプを用いて接続することができる。
【００５０】
ヒンジ装置７１４は、第１のボディ７１０及び第２のボディ７１２に対し、回転軸７１６に沿った相互の回転自由度φを設定する。第１のボディ７１０は、第１の窪み７１８を持つ第１の面７１７を有するのに対し、第２のボディは、第２の窪み７２０を持つ第２の面７１９を有する。相互の回転自由度φが零になる、すなわち前記面７１７及び７１９が互いに接触する、故に前記外皮が閉じた場合、第１の窪み７１８及び第２の窪み７２０の構成は、導管７０８を包み込むことができる。
【００５１】
制御ユニット７０２は、センサ７０４に含まれる加熱素子（図示せず）に給電するために、このセンサ７０４に含まれるセンサ受信器（図示せず）に電磁放射線を送信するための制御送信器７２２を有する。ここで、加熱素子は、この電磁放射線自身に含まれているエネルギーを介して給電される。代わりに、この電磁放射線は、前記センサに含まれる小型バッテリー（図示せず）のようなエネルギー貯蔵を可能にするために用いられ、この小型バッテリーは加熱素子に給電する。
【００５２】
制御ユニット７０２はさらに、導管７０８を流れる流体７２６の流速を制御するための制御アクチュエータ７２４を有する。従って、重力のような前記流速の外的環境への依存は避けられる。アクチュエータ７２４は、電磁モーター７３２により旋回軸７３０の周りを偏心して回転可能である好ましくは円筒体７２８により実施される。電磁モーター７３２は、導管７０８における流体７２６の所定の流速と、センサ７２４におけるトランスデューサ装置（図示せず）により発生する測定信号により示される速度との間の偏差に関連する信号により制御可能である。故に、所定の投薬計画の導管７０８における流体７２６の速度に合わせるために、例えば医師又は救急医療隊員の介入がアクチュエータ７２４の設定を調節する必要はない。アクチュエータ７２４は、センサ７０４に含まれるトランスデューサ装置により発生する測定信号を受信するためのアクチュエータ受信器７３４を有する。比較器７３６は、アクチュエータ受信器７３４により受信された測定信号を導管７０８における流体７２６の速度に対する所定の基準値と比較し、この基準値は、所定の投与計画に基づいている。
【００５３】
相互回転軸７１６に沿った回転自由度φを零にすることを介して、導管７０８を適切に包む込むことにより、アクチュエータ７２４に含まれる偏心して回転可能であるボディ７２８は、導管７０８の断面の大きさを制御することができる。それによって、導管７０８における流体７２６の流速ｖは効果的に制御される。
【００５４】
第１の窪み７１８は、第１の複数の円形空洞７３８を有する。この第１の複数の円形空洞７３８は、前記第１の窪み７１８に比べ平行方位ではない。同様に、第２の窪み７２０は、第２の複数の円形空洞７４０を有する。この第２の複数の円形空洞７４０は、前記第１の複数の円形空洞７３８の方位に一致する方位を持つ。第１の複数の円形空洞７３８及び第２の複数の円形空洞７４０は、導管７０８の上に取り付けられる複数の出っ張り(bulge)７４２を包み込むために配される。相互回転軸７１６に沿った回転自由度φを零にすることを介して、導管７０８を適切に包み込むことにより、並びに複数の出っ張り７４２を前記第１の複数の円形空洞７３８及び前記第２の複数の円形空洞７４０と位置合わせすることにより、導管７０８及び制御ユニット７０２の相互の軸位置が設定される。
【００５５】
制御ユニット７０２及びセンサ７０４を有する前記システムは、導管７０８を流れる流体７２６の速度に関する情報を記憶、表示及び分析するシステムに組み込まれてもよい。
【００５６】
このようなシステムの例は、患者監視システムである。患者監視システムにおいて、幾つかの装置が例えば、患者の血圧及び心拍数のような生命兆候を測定し、これら生命兆候を監視装置に送信する。この監視装置は、前記生命兆候に関する情報を記憶し、例えば医療専門家の要求に応じて情報を分析及び表示する。センサ７０４により供給される、導管７０８を流れる流体７２６の速度に関する情報は、例えば静脈内注射のような応用において、前記患者監視システムにより監視するためには不可欠である。この目的のために、制御ユニットは、他の制御送信器７４４と共に用いられ、この送信器は好ましくは患者監視システムとのワイヤレス接続を提供する。
【００５７】
センサ７０４の応用は、おそらくは様々な企業により製造される、ポンプ、医療用重力点滴又は使い捨てポンプシステムの範囲と併用する応用を可能にすることが強調されている。そのおかげで、センサ７０４は、流体輸送システムと上述した患者監視システムとの間の標準インターフェースとして働くことができる。
【００５８】
図８は、本発明による方法の実施例を示しているフローチャートを表示している。この方法は、液剤の送達、特に滅菌状態下での液剤の静脈内送達のために用意される。ステップ８０２は、特定の治療法に基づいて、速度ｖに対する所定の値を設定するステップを有する。ステップ８０４は、本発明によるシステムの実施例と併用して、前記制御ユニットを導管に取り外しできるように接続するステップを有し、この導管は、壁に本発明によるセンサの第１の実施例に従ってセンサを含んでいる。ステップ８０６は、速度に対する所定のレベルと、センサに含まれるトランスデューサ装置により発生する測定信号により示される速度との間にある偏差に関する信号に基づいて、前記制御ユニットに含まれる制御アクチュエータを制御することにより、液剤の制御送達を有する。ステップ８０８は、前記制御ユニットを導管から切り離すステップを有する。前記速度ｖの所定の値を設定するステップは、複数回、すなわち例えば流体の送達中に実行されることができる。
【００５９】
本発明が図面及び上記記載において詳細に説明及び開示されているのに対し、これら説明及び開示は事例的又は例示的であると考えるべきであり、制限的であると考えるべきではない。本発明は、開示される実施例に制限されない。本発明によるセンサ及び制御ユニット並びにそれら構成要素の全ては、それ自体は知られている処理及び材料を適用することにより作られることができる。特許請求の範囲及び明細書において、「有する」という言葉は、他の構成要素を排除するものではなく、複数あることを述べないことがそれが複数あることを排除するものではない。請求項における如何なる参照符号もその請求の範囲を制限すると解釈されるべきではない。特許請求の範囲に規定されるような特徴の全ての可能な組み合わせが本発明の一部であることもさらに述べておく。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導管(channel)を流れる流体の速度を測定するためのセンサに関する。
【０００２】
本発明はさらに、前記センサと協働するための制御ユニットにも関する。
【０００３】
さらに本発明は、前記センサ及び前記制御ユニットを有するシステムにも関する。
【０００４】
本発明はさらに、医療応用における前記システムの使用にも関する。
【０００５】
その上、本発明は、液剤の送達のための方法にも関する。
【背景技術】
【０００６】
米国特許番号US-A 5,533,412号において、流体が流れるための管、流体に熱パルスを発生させるための前記管の内側にある加熱素子、及び前記管の内側にあり、前記加熱素子より下流に位置付けられる２つの間隔を介したセンサを有する流量計が開示され、ここで前記流体は、熱パルスを前記管を介して前記２つの間隔を介したセンサに搬送し、この２つの間隔を介したセンサ間の熱パルスの通過時間が流体の流速を測定する。この流量計はさらに、前記加熱素子に電力パルスを供給するために、前記管に取り付けられている回路を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
米国特許番号US-A 5,533,412号に開示される技術は、導管が定期的に取り替えられる応用、例えば静脈内注射、麻酔の流れ制御、尿道カテーテルのような滅菌状態で行われる医療応用には適していない。このような医療介入中、一般に多数の導管が患者毎に連続して使用される。US-A 5,533,412号に開示される流量計は、導管が取り替えられる度に廃棄されるのでは費用がかかりすぎる。US-A 5,533,412号に開示される流量計のリサイクルもその流量計を他の導管で使用するのに必要な労力を考えると、経済的可能性があるオプションではない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の目的は、導管が定期的に取り替えられる応用、特に滅菌医療応用において速度を測定するためのセンサを提供することである。
【０００９】
本発明の第２の目的は、前記センサと協働するための制御ユニットを提供することである。
【００１０】
本発明の第３の目的は、前記センサ及び前記導管を有するシステムを提供することである。
【００１１】
本発明の第４の目的は、前記導管が定期的に交換される応用において、液剤の制御送達のための方法を提供することである。
【００１２】
本発明の前記第１の目的は、本発明による前記センサにより達成され、このセンサは、導管を流れる流体、すなわち液体又は気体の速度を測定するために配され、並びにチップ及びセンサ受信器を有し、前記チップは前記流体を加熱するための加熱素子及び導管を流れる流体の速度を示す測定信号を発生させるためのトランスデューサ装置を有し、前記測定信号は第１の空間温度差と第２の空間温度差との比に基づき、並びに前記センサ受信器は前記加熱素子に給電するための電磁放射線を受信するために配されている。
【００１３】
前記測定信号を第１の空間温度差と第２の空間温度差との比に基づかせることにより、この測定信号は、前記加熱素子に供給される実際の電力レベルと無関係である。すなわち、前記第１の空間温度差と前記第２の空間温度差は共に、少なくとも様々な流体の流速に対し、アフィン方法(affine way)での加熱素子により損失される電力に関する。アフィン関係は、一次式の定数項が零に等しい場合に、一次関係となる。従って、前記第１の空間温度差と前記第２の空間温度差との比をとることにより、加熱素子により損失される電力とは無関係である関係が得られる。前記測定信号をこの関係と結び付けたとしても、前記測定信号は、加熱素子により損失される電力量に作用する外乱に関してロバストである。
【００１４】
加熱素子の電気抵抗及びセンサに含まれるチップに関する制作公差の変化のような外乱は別として、電磁放射線を介して電力を供給する技術は、加熱素子に供給される及び加熱素子により損失される電力量にかなりの外乱を受けやすい。例えば、送信装置に対するセンサ受信器の位置は、機械的衝撃の影響下又はセンサの取り替えによって変化してもよい。
【００１５】
前記センサは、加熱素子に給電するための電磁放射線を受信するためのセンサ受信器を有する。ここで、加熱素子は、電磁放射線自身に含まれるエネルギーを介して給電されることができる。代わりに、この電磁放射線は、例えば小型バッテリーのようなエネルギー貯蔵を可能にするために用いられ、この小型バッテリーが加熱素子に給電する。両方の場合において、電圧レベルを制御するための整流器及び付随する回路は、センサ受信器と加熱素子との間に挿入されない。すなわち、小型整流器及び付随する制御回路は、加熱素子に給電するのに必要な電力レベルを取り扱うことができない。結果として、加熱素子により損失される電力量は制御されることができず、従って変動する可能性が高い。
【００１６】
前記測定信号は、加熱素子により損失される電力量に作用する外乱に関してロバストであるので、電磁放射線を介して電力を供給する技術は、流体の流速を正確に測定するためのセンサの応用に対し実現可能になる。
【００１７】
電磁放射線を介して電力が供給される、すなわち電力がワイヤレスで供給されるという事実により、前記センサは、面倒な配線が無くなるので簡単に取り扱うことを可能にする。さらに、前記センサは、例えば医療応用において本質的に存在している電気接点という汚染の危険性が寧ろ制限されるので、簡単な取り扱い及び信頼できる応用を可能にする。
【００１８】
さらに、前記センサは、使い捨て物品に容易に用いられることができる、すなわち、前記センサを廃棄することによる金銭的損失はかなり小さい。明らかに、前記センサは必ずしも廃棄される必要はない、すなわちセンサは継続使用を可能にする。特に、導管が取り替えられる場合、前記センサは、この導管と一緒に廃棄されることができるのに対し、システム全体の最も高価な部分である他の回路は再使用されることができる。そのおかげで、前記センサは特に、導管が定期的に取り替えられる応用、特に静脈内注射、麻酔の流れ制御、尿道カテーテル、呼吸制御並びに経腸栄養及び非経口栄養法の流量測定のような殺菌医療応用における、経済的に魅力のある使用を可能にする。センサの廃棄可能性のおかげで、前記センサを再び滅菌する極端に大きな労働力を要する処理が効果的に避けられる。
【００１９】
医療応用とは別に、前記センサは、例えばきれいな水の製造、ケミカルリファイナリー(chemical refinery)、石油開発及びディーゼルエンジンのような応用において、流体の流速を測定するのにもよく適している。
【００２０】
本発明の第２の目的は、本発明による制御ユニットにより達成され、この制御ユニットは、前記センサと協働するために配され、電磁放射線をセンサ受信器に送信するための制御送信器を有する。この制御送信器を含むことにより、前記制御ユニットは、加熱素子に給電するための電磁放射線を供給することが可能である。結果として、前記センサと前記制御ユニットとの間における協働は、物理的に接続することなく達成される。後者の特性は、前記センサが容易に制御ユニットから取り外すことができるので、前記導管が定期的に取り替えられる応用において経済的に魅力的な使用を保証し、この制御ユニットは再使用されることができる一方、前記センサは廃棄されることを可能にする。
【００２１】
本発明の第３の目的は、本発明による前記システムにより達成され、このシステムは、本発明によるセンサと本発明による制御ユニットとの両方を有する。
【００２２】
本発明の第４の目的は、本発明による方法により達成され、この方法は、液剤の制御送達のために配され、所定の流速を設定するステップ、前記制御ユニットを前記導管に取り外しできるように接続するステップ、前記センサ及びアクチュエータを用いることにより、前記導管を通る液剤の制御送達のためのステップ、前記制御ユニットを前記導管から取り外すステップ、並びに前記導管を廃棄するステップを有する。前記制御ユニット及び前記導管は互いに分離されている、すなわち導管は廃棄される一方、制御ユニットは再使用されるステップは、この導管が定期的に交換される応用において前記方法の経済的に魅力的な使用を保証する。
【００２３】
本発明によるセンサの実施例において、第１の空間温度差は、加熱素子より前の流体の温度と加熱素子より後の流体の温度との数値差であり、第２の空間温度差は、加熱素子より下流の地点における流体の温度間の数値差に加えられる、加熱素子より上流の地点における流体の温度間の数値差である。この実施例の利益は、加熱素子に対して対称形状となることである。結果として、この実施例は、流れる方向に関して特定の方位を仮定しない。
【００２４】
本発明によるセンサの他の実施例において、前記センサ受信器は、アンテナにより実施され、そのアンテナに加熱素子が組み込まれている。
【００２５】
両方の場合において、電圧レベルを制御するための整流器及び付随する回路は、センサ受信器と加熱素子との間に挿入されない。すなわち、小型整流器及び付随する制御回路は、加熱素子に給電するのに必要な電力レベルを取り扱うことができない。結果として、加熱素子により損失される電力量は制御されることできず、従って変動する可能性が高い。
【００２６】
本発明によるセンサの他の実施例において、前記センサは導管の壁内又は壁に置かれている。結果として、前記センサは、測定信号の精度のレベルを上げさせることを目的として、流体と流量センサとの間にある熱抵抗を減少させるために、導管を流れる流体のかなり近くに挿入されることができる。前記センサを導管の壁に組み込むことにより、このセンサは流体と物理的に接しない。後者の特性は、静脈内注射又は尿道カテーテルの流れ制御のような医療応用に不可欠である。すなわち、これらの応用において、前記センサ又はその一部が外れ、次いで流体の流れにより人間又は動物の身体に運ばれてしまう緊急事態を防ぐことが重要である。
【００２７】
本発明によるセンサの他の実施例において、センサは導管と略同軸に配される。この文章において、同軸とは軸方向に共通する軸を共有する本体又は表面の配置と解釈される。故に、円形及び非円形の本体並びに表面は、同軸配置を可能にする。前記センサ及び前記導管を略同軸に配することにより、トランスデューサ装置により発生する測定信号の精度は上がる。
【００２８】
本発明によるセンサの他の実施例において、前記チップは、測定信号を送信するためのセンサ送信器を有する。結果として、前記センサは、このセンサを駆動させ、このセンサに含まれるトランスデューサ装置により発生する測定信号に応答する如何なる回路からも物理的に全てが切り離されている。
【００２９】
本発明による制御ユニットの他の実施例において、この制御ユニットは、導管を流れる流体の流速を制御するためのアクチュエータを有する。その結果、例えば重力のような前記流速の外的環境への依存は避けられる。
【００３０】
本発明による制御ユニットの他の実施例において、制御ユニットは、この制御ユニットを導管に取り外しできるように接続するための機能を備える。そのおかげで、制御ユニット及びこの制御ユニットに含まれるアクチュエータは、センサ及び導管の廃棄可能性を妨げることなく、この導管における流体の速度を制御することが可能である。この特性は、センサを含む導管が定期的に、通例は１日に１回取り替えられる医療応用に特に利益である。すなわち、導管及び制御ユニットを取り外しできるように接続することにより、前記導管は廃棄可能である一方、制御ユニットは再使用されることができる。明らかに、配線が無いことは、センサを含む導管の交換を大きく容易にする。
【００３１】
本発明による制御ユニットの他の実施例において、アクチュエータは、所定の流速とセンサに含まれるトランスデューサ装置により発生する測定信号との間の偏差に関する信号により制御可能である。結果として、例えば医師又は救急医療隊員(paramedic)の介入は、所定の投薬計画の流速に合わせるために、前記測定信号の値に基づいてアクチュエータの設定を調整する必要はない。
【００３２】
本発明による制御ユニットの他の実施例において、アクチュエータは、センサに含まれるトランスデューサ装置により発生する測定信号を受信するためのアクチュエータ受信器を有する。そのおかげで、前記センサ及び前記アクチュエータは、如何なるハードウェアとも接続せずに操作可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明によるシステムの第１の実施例を概略的に表示し、センサは、２つの熱電対列(thermopile)からできているトランスデューサ装置を有する。
【図２】図２は、本発明によるセンサの第２の実施例を概略的に描き、センサは導管の壁に置かれている。
【図３】図３は、本発明によるシステムの第２の実施例を概略的に表示し、センサ受信器により受信される電磁放射線は加熱素子に給電するためのバッテリーを使用可能にする。
【図４】図４は、本発明によるセンサの第１の実施例及び第３の実施例に含まれるトランスデューサ装置による測定可能な量の説明を概略的に提供している。
【図５】図５は、本発明によるセンサの第４の実施例を概略的に表し、センサは、導管の壁内に置かれ、３つの熱電対列からできているトランスデューサ装置を有する。
【図６】図６は、本発明によるセンサの第５の実施例の断面図を概略的に示し、センサは導管と同軸に位置合わせされている。
【図７】図７は、本発明によるシステムの実施例を概略的に示し、本発明による制御ユニットは、本発明によるセンサと協働するために配されている。
【図８】図８は、制御ユニットが再使用されている本発明による方法の実施例を示しているフローチャートを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、ポリイミドから作られる基板を持つチップ１０４を有するセンサ１０２を表示している。後者の材料の利益は、それの比較的低いＲＦ電力損失にある。ここで、ＲＦは無線周波数を指し、約１ＭＨｚから約１０ＧＨｚまでを範囲とする周波数を示している。センサ１０２はさらに、電磁放射線を受信するためのアンテナ１１０を有する。この電磁放射線に含まれるエネルギーは、加熱素子１０６に給電するために用いられ、この加熱素子１０６は、流体を加熱するために配されている。この加熱素子１０６は、前記アンテナ１１０に比較的大きな電気抵抗を局所的に供給することにより、このアンテナ１１０と一体化する。アンテナ１１０がより高い電気抵抗を持つ材料を局所的に備えるか、又は代わりにアンテナ１１０がより小さな断面積を局所的に備える。結果として、電力は比較的大きな電気抵抗に沿って損失され、この損失は熱となる。アンテナ１１０、少なくとも前記流体を加熱するために配されていないそのアンテナ１１０の一部は、チップ１０４上に置かれない。
【００３５】
チップ１０４は、トランスデューサ装置１０８を有し、このトランスデューサ装置１０８は、第１の熱電対列１１２及び第２の熱電対列１１４を有する。この文書において、熱電対列は、複数の熱電対(thermocouple)の直列接続を指している。熱電対列は、絶対温度を測定するよりも、局所的な温度勾配又は温度差に関する出力を発生させる。第１の熱電対列１１２は、線Ａでの温度と線Ｂでの温度との差を記録する。故に、この第１の熱電対列１１２は、加熱素子１０６の温度と基準位置での温度との差を測定し、この基準位置での温度はさらに基準温度とも呼ばれる。同様に、第２の熱電対列１１４は、線Ｃでの温度と線Ｄでの温度との差を測定する。それ故に、この第２の熱電対列１１４は、加熱素子１０６を通過した後の流体の温度と、加熱素子１０６を通過する前の流体の温度との差を測定する。トランスデューサ装置１０８は、第１の熱電対列１１２及び第２の熱電対列１１４の出力に基づいて、導管を流れる流体の速度を示す測定信号を発生させるために配される。前記チップはさらに、トランスデューサ装置１０８により発生する測定信号を送信するためのセンサ送信器１１６を有する。さらに、このチップは、メモリ１１８を有する。このメモリ１１８にデータが記憶され、このデータは、センサ１０２により速度が測定される流体が流れている導管の較正品質を含むことができる。導管と協働するセンサ１０２の使用が図２に開示され、この図は、本発明によるセンサの第２の実施例に関する。
【００３６】
図２は、本発明による第２の実施例を表示し、ここでセンサ２０２は、導管２０６を流れる流体２０８の速度ｖ［ｍ／ｓ］を測定するために、この導管２０６の壁２０４に置かれる。加熱素子２１０は、流体２０８を加熱するために配されている。第１の熱電対列２１２は、加熱素子２１０の温度Ｔｈｅａｔ［Ｋ］と、この加熱素子２１０の下流の距離ｘｒｅｆに記録される（図４参照）基準温度Ｔｒｅｆとの間の差を測定するために配される。この第１の熱電対列２１２の出力、すなわちＴｈｅａｔ−Ｔｒｅｆは、以下の関係、
【数１】
に従って、加熱素子２１に供給される電力Ｐ［Ｗ］及び導管２０６における流体２０８の流速ｖに関係する。ここで、
【数２】
【数３】
【数４】
であり、ｌｈｅａｔは、加熱素子の長さを示し、ｄは、センサ２０２から流体２０８までの距離であり、ｈは、流す導管の高さであり（図４参照）、図解は、上述した分量に対し与えられる。さらに、ｂｈｅａｔは加熱素子２１０の幅であり、ａｆｌは、流体２０８の熱拡散率であり、ｌｆｌは流体２０８の熱伝導率であり、λｗａｌｌは壁２０４の熱伝導率、すなわちセンサ２０２と流体２０８との間にある物質の熱伝導率である。
【００３７】
第２の熱電対列２１４は、加熱素子２１０を通過した後の流体２０８の温度Ｔａｆｔｅｒと、加熱素子２１０を通過する前の流体２０８の温度Ｔｐｒｉｏｒ［Ｋ］との差を測定するために配される。第２の熱電対列２１４の出力、すなわちＴａｆｔｅｒ−Ｔｐｒｉｏｒは、以下の関係、
【数５】
に従って、導管２０６における流体２０８の流速ｖ及び温度Ｔ０に関係する。ここで、
【数６】
であり、ｘｐｒｉｏｒ及びｘａｆｔｅｒは、加熱素子１１０から、第２の熱電対列２１４によりＴｐｒｉｏｒ及びＴａｆｔｅｒが記録されている位置までの上流距離及び下流距離を夫々示す（図４参照）。
【００３８】
センサ２０２に含まれるトランスデューサ装置（図示せず）により発生する測定信号は、第１の熱電対列２１２の出力と第２の熱電対列２１４の出力との比τに基づいている。Ｐ≠０のとき、比τは、以下の無次元関係
【数７】
から得られ、ここでα１及びα２は夫々数式［III］及び［VI］から得られる。前記比τは、加熱素子２１０により損失される電力Ｐとは無関係である。故に、前記測定信号は、加熱素子２１０により損失される電力に作用する外乱に関してロバストである。さらに、関係［Ｖ］に従う測定信号は、周囲温度が変化する状態にあって不変である。故に、温度に関してオフセットはない。さらに、前記測定信号は、導管２０６を流れる流体２０８の速度ｖのかなり広範囲に対し感受性がある。結果として、前記測定信号は、速度ｖを示すかなり広い範囲を供給する。
【００３９】
センサ２０２は、幅広い速度に対し比τを測定し、このセンサ２０２に含まれるメモリ（図示せず）にあるルックアップテーブルを用いて前記較正を記憶することにより較正される。この較正に基づいて、速度ｖは、τを測定し、次いでルックアップテーブルを用いることにより使用中に決められる。代わりに、速度ｖは、比τを測定し、次いで例えばニュートン・ラプソン法又は２分法のような、数式
【数８】
が零に等しくなるｖの計算を意味する反復方式を用いることにより、［Ｖ］に基づいて計算されることができる。後者の手法の利点は、例えば流体の特性の変更が説明されることができるという事実である。
【００４０】
数式［Ｉ］から［Ｖ］において、速度ｖは流路管２０６の断面積２１６を横断する一様な分布(profile)を持つと推定される。しかしながら、層流様式に対し、放物線状の速度分布が得られるだろう。比較的広範囲の流速内において、前記一様な速度分布は、前記放物線状の速度分布と明確に関連付けられることができる。それ故に、上述した矛盾は、センサ２０２の精度に関し制限を課さない。
【００４１】
図３は、ポリイミドから作られた基板を持つチップ３０４及びセンサ受信器３１０を表示する。このセンサ受信器３１０は、電磁放射線を受信するために配されている。チップ３０４は、加熱素子３０６及びトランスデューサ装置３０８を有する。ここで、電磁放射線に含まれるエネルギーは、好ましい小型バッテリー３１２を可能にするために用いられている。このバッテリー３１２に蓄えられるエネルギーは、加熱素子３０６に給電するために用いられる。前記トランスデューサ装置３０８は、第１の熱電対列３１４、第２の熱電対列３１６及び第３の熱電対列３１８を有する。
【００４２】
前記第１の熱電対列３１４は、線Ａでの温度と線Ｂでの温度との数値差を記録する。故に、第１の熱電対列３１４は、加熱素子３０６より前の２地点における流体の温度差を測定する。同様に、第２の熱電対列３１６は、線Ｃでの温度と線Ｄでの温度との差を測定する。故に、前記第２の熱電対列３１６は、加熱素子３０６を通過した後の流体の温度と、加熱素子３０６を通過する前の流体の温度との差を測定する。前記第３の熱電対列３１８は、線Ｅでの温度と線Ｆでの温度との数値差を記録する。故に、前記第３の熱電対列は、加熱素子３０６より後の２地点における流体の温度差を測定する。トランスデューサ装置３０８は、第１の熱電対列３１４、第２の熱電対列３１６及び第３の熱電対列３１８の出力に基づいて導管を流れる流体の速度を示す測定信号を発生させるために配される。チップ３０４はさらに、トランスデューサ装置３０８により発生する前記測定信号を送信するためのセンサ送信器３０２を有する。センサ３０２により速度が測定される流体が流れる導管と協働してセンサ３０２の使用が図５に開示され、この図は、本発明の第４の実施例に関する。
【００４３】
図５は、本発明によるセンサの実施例が表示され、センサ５０２は、導管５０６を流れる流体５０８の速度ｖ［ｍ／ｓ］を測定するために、この導管５０６の壁５０４に置かれている。加熱素子５１０は、この流体５０８を加熱するために配されている。
【００４４】
第１の熱電対列５１２は、加熱素子５１０より上流の２地点における流体５０８の温度Ｔｐｒｉｏｒ'［Ｋ］とＴｐｒｉｏｒ"［Ｋ］との差を測定するために配される。この第１の熱電対列５１２の出力、すなわちＴｐｒｉｏｒ'−Ｔｐｒｉｏｒ"は、以下の関係
【数９】
に従って、導管５０６における流体５０８の速度ｖ及び温度Ｔ０に関係している。ここで、Ｔ０は数式［II］から得られ、α１は数式［III］から得られる。
【００４５】
第２の熱電対列５１４は、加熱素子５１０を通過した後の流体５０８の温度Ｔａｆｔｅｒと、加熱素子５１０を通過する前の流体５０８の温度Ｔｐｒｉｏｒとの差を測定するために配される。この第２の熱電対列５１４の出力、すなわちＴａｆｔｅｒ−Ｔｐｒｉｏｒは、数式［Ｖ］に従って、導管５０６における流体５０８の速度ｖ及び温度Ｔ０に関係している。
【００４６】
第３の熱電対列５１６は、加熱素子５１０より下流の２地点における流体５０８の温度Ｔａｆｔｅｒ'［Ｋ］とＴａｆｔｅｒ"［Ｋ］との差を測定するために配される。この第３の熱電対列５１６の出力、すなわちＴａｆｔｅｒ'−Ｔａｆｔｅｒ"は、以下の関係
【数１０】
に従って、導管５０６における流体５０８の速度ｖ及び温度Ｔ０に関係している。ここで、Ｔ０は数式［II］から得られ、α２は数式［III］から得られる。
【００４７】
センサ５０２に含まれるトランスデューサ装置（図示せず）により発生する測定信号は、第１の熱電対列５１２、第２の熱電対列５１４及び第３の熱電対列５１６の出力の比τ'に基づいている。Ｐ≠０のとき、前記比τ'は、以下の無次元関係
【数１１】
から得られる。ここで、α１及びα２は夫々、数式［III］及び［VI］から得られる。前記比τ'は、加熱素子５１０により損失される電力Ｐとは無関係である。故に、前記測定信号は、加熱素子５１０により損失される電力に作用する外乱に関してロバストである。さらに、関係［Ｖ］に従う測定信号は、周囲温度が変化する状態にあって不変である。故に、温度に関してオフセットはない。さらに、前記測定信号は、導管５０６を流れる流体５０８の速度のかなり広範囲に対し感受性がある。結果として、前記測定信号は、前記速度ｖを示すかなり広い範囲を供給する。
【００４８】
図６は、導管６０６を流れる流体６０８の速度を測定するために、センサ６０２がこの導管６０６の壁６０４に置かれている好ましい実施例を表示している。この導管６０６の壁６０４は、適切なプラスチック、例えばポリイミドから作られる。導管６０６は、内半径Ｒ１及び外半径Ｒ２を持つ。センサ６０２は、Ｒ１＜Ｒ２≦Ｒ３を保つ半径Ｒ３で導管６０６と同軸上に配される。好ましくは、センサ６０２に含まれるトランスデューサ装置（図示せず）により発生する測定信号の精度レベルを上げることを目的として、流体と流量センサとの間にある熱抵抗を減少させるために、距離Ｒ２−Ｒ１は、かなり小さい、例えば約６０μｍである。明らかに、センサ６０２は、導管６０６を流れる流体６０８と物理的に接触していない。好ましくは、センサ６０２は、このセンサ６０２に含まれるトランスデューサ装置（図示せず）により発生する測定信号の精度を上げるために、前記流体６０８をかなりの程度まで覆う。
【００４９】
図７は、本発明によるシステムの実施例を表示している。このシステムは、制御ユニット７０２及びセンサ７０４を有する。前記センサは、導管７０８の壁７０６に置かれている。制御ユニット７０２は、センサ７０４と協働するために配される。制御ユニット７０２は、第１のボディ７１０及び第２のボディ７１２を有する。本実施例において、これらボディは共に細長いボディである。本実施例において、第１のボディ７１０及び第２のボディ７１２は、ヒンジ装置７１４を介して接続されている。故に、第１のボディ７１０、第２のボディ７１２及びヒンジ装置は、外皮(casing)を構成する。代わりに、第１及び第２のボディは、ねじ、スナップ留め又はクランプを用いて接続することができる。
【００５０】
ヒンジ装置７１４は、第１のボディ７１０及び第２のボディ７１２に対し、回転軸７１６に沿った相互の回転自由度φを設定する。第１のボディ７１０は、第１の窪み７１８を持つ第１の面７１７を有するのに対し、第２のボディは、第２の窪み７２０を持つ第２の面７１９を有する。相互の回転自由度φが零になる、すなわち前記面７１７及び７１９が互いに接触する、故に前記外皮が閉じた場合、第１の窪み７１８及び第２の窪み７２０の構成は、導管７０８を包み込むことができる。
【００５１】
制御ユニット７０２は、センサ７０４に含まれる加熱素子（図示せず）に給電するために、このセンサ７０４に含まれるセンサ受信器（図示せず）に電磁放射線を送信するための制御送信器７２２を有する。ここで、加熱素子は、この電磁放射線自身に含まれているエネルギーを介して給電される。代わりに、この電磁放射線は、前記センサに含まれる小型バッテリー（図示せず）のようなエネルギー貯蔵を可能にするために用いられ、この小型バッテリーは加熱素子に給電する。
【００５２】
制御ユニット７０２はさらに、導管７０８を流れる流体７２６の流速を制御するための制御アクチュエータ７２４を有する。従って、重力のような前記流速の外的環境への依存は避けられる。アクチュエータ７２４は、電磁モーター７３２により旋回軸７３０の周りを偏心して回転可能である好ましくは円筒体７２８により実施される。電磁モーター７３２は、導管７０８における流体７２６の所定の流速と、センサ７２４におけるトランスデューサ装置（図示せず）により発生する測定信号により示される速度との間の偏差に関連する信号により制御可能である。故に、所定の投薬計画の導管７０８における流体７２６の速度に合わせるために、例えば医師又は救急医療隊員の介入がアクチュエータ７２４の設定を調節する必要はない。アクチュエータ７２４は、センサ７０４に含まれるトランスデューサ装置により発生する測定信号を受信するためのアクチュエータ受信器７３４を有する。比較器７３６は、アクチュエータ受信器７３４により受信された測定信号を導管７０８における流体７２６の速度に対する所定の基準値と比較し、この基準値は、所定の投与計画に基づいている。
【００５３】
相互回転軸７１６に沿った回転自由度φを零にすることを介して、導管７０８を適切に包む込むことにより、アクチュエータ７２４に含まれる偏心して回転可能であるボディ７２８は、導管７０８の断面の大きさを制御することができる。それによって、導管７０８における流体７２６の流速ｖは効果的に制御される。
【００５４】
第１の窪み７１８は、第１の複数の円形空洞７３８を有する。この第１の複数の円形空洞７３８は、前記第１の窪み７１８に比べ平行方位ではない。同様に、第２の窪み７２０は、第２の複数の円形空洞７４０を有する。この第２の複数の円形空洞７４０は、前記第１の複数の円形空洞７３８の方位に一致する方位を持つ。第１の複数の円形空洞７３８及び第２の複数の円形空洞７４０は、導管７０８の上に取り付けられる複数の出っ張り(bulge)７４２を包み込むために配される。相互回転軸７１６に沿った回転自由度φを零にすることを介して、導管７０８を適切に包み込むことにより、並びに複数の出っ張り７４２を前記第１の複数の円形空洞７３８及び前記第２の複数の円形空洞７４０と位置合わせすることにより、導管７０８及び制御ユニット７０２の相互の軸位置が設定される。
【００５５】
制御ユニット７０２及びセンサ７０４を有する前記システムは、導管７０８を流れる流体７２６の速度に関する情報を記憶、表示及び分析するシステムに組み込まれてもよい。
【００５６】
このようなシステムの例は、患者監視システムである。患者監視システムにおいて、幾つかの装置が例えば、患者の血圧及び心拍数のような生命兆候を測定し、これら生命兆候を監視装置に送信する。この監視装置は、前記生命兆候に関する情報を記憶し、例えば医療専門家の要求に応じて情報を分析及び表示する。センサ７０４により供給される、導管７０８を流れる流体７２６の速度に関する情報は、例えば静脈内注射のような応用において、前記患者監視システムにより監視するためには不可欠である。この目的のために、制御ユニットは、他の制御送信器７４４と共に用いられ、この送信器は好ましくは患者監視システムとのワイヤレス接続を提供する。
【００５７】
センサ７０４の応用は、おそらくは様々な企業により製造される、ポンプ、医療用重力点滴又は使い捨てポンプシステムの範囲と併用する応用を可能にすることが強調されている。そのおかげで、センサ７０４は、流体輸送システムと上述した患者監視システムとの間の標準インターフェースとして働くことができる。
【００５８】
図８は、本発明による方法の実施例を示しているフローチャートを表示している。この方法は、液剤の送達、特に滅菌状態下での液剤の静脈内送達のために用意される。ステップ８０２は、特定の治療法に基づいて、速度ｖに対する所定の値を設定するステップを有する。ステップ８０４は、本発明によるシステムの実施例と併用して、前記制御ユニットを導管に取り外しできるように接続するステップを有し、この導管は、壁に本発明によるセンサの第１の実施例に従ってセンサを含んでいる。ステップ８０６は、速度に対する所定のレベルと、センサに含まれるトランスデューサ装置により発生する測定信号により示される速度との間にある偏差に関する信号に基づいて、前記制御ユニットに含まれる制御アクチュエータを制御することにより、液剤の制御送達を有する。ステップ８０８は、前記制御ユニットを導管から切り離すステップを有する。前記速度ｖの所定の値を設定するステップは、複数回、すなわち例えば流体の送達中に実行されることができる。
【００５９】
本発明が図面及び上記記載において詳細に説明及び開示されているのに対し、これら説明及び開示は事例的又は例示的であると考えるべきであり、制限的であると考えるべきではない。本発明は、開示される実施例に制限されない。本発明によるセンサ及び制御ユニット並びにそれら構成要素の全ては、それ自体は知られている処理及び材料を適用することにより作られることができる。特許請求の範囲及び明細書において、「有する」という言葉は、他の構成要素を排除するものではなく、複数あることを述べないことがそれが複数あることを排除するものではない。請求項における如何なる参照符号もその請求の範囲を制限すると解釈されるべきではない。特許請求の範囲に規定されるような特徴の全ての可能な組み合わせが本発明の一部であることもさらに述べておく。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導管を流れる流体の速度を測定するためのセンサであり、チップ及びセンサ受信器を有するセンサにおいて、前記チップは、前記流体を加熱するための加熱素子及び前記導管を流れる流体の速度を示す測定信号を発生させるためのトランスデューサ装置を有し、前記測定信号は、第１の空間温度差と第２の空間温度差との比に基づき、並びに前記センサ受信器は、前記加熱素子に給電するための電磁放射線を受信するために配されているセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサにおいて、前記第１の空間温度差は、前記加熱素子より前の前記流体の温度と前記加熱素子より後の温度との数値差であり、前記第２の空間温度差は、前記加熱素子より後の地点における前記流体の温度間の差に加えられる、前記加熱素子より前の地点における前記流体の温度間の数値差であるセンサ。
【請求項３】
前記センサ受信器は、アンテナであり、当該アンテナは前記加熱素子を有する請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記チップは、前記測定信号を送信するためのセンサ送信器を有する請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記センサは、前記導管の壁内又は壁に置かれる請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
前記センサは、前記導管と略同軸に配される請求項５に記載のセンサ。
【請求項７】
前記チップは、データを記憶するためのメモリを有する請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
請求項１に記載のセンサと協働するための制御ユニットにおいて、
前記電磁放射線を前記センサ受信器に送信するための制御送信器を有する制御ユニット。
【請求項９】
前記制御ユニットは、当該制御ユニットを前記導管に取り外しできるように接続する機能を有する請求項８に記載の制御ユニット。
【請求項１０】
前記制御ユニットは、前記導管を流れる前記流体の流速を制御するための制御アクチュエータを有する請求項８に記載の制御ユニット。
【請求項１１】
前記制御アクチュエータは、所定の流速と請求項１に記載のセンサに含まれる前記トランスデューサ装置により発生する前記測定信号に示される速度との偏差に関する信号により制御可能である、請求項１０に記載の制御ユニット。
【請求項１２】
前記アクチュエータは、請求項１に記載のセンサに含まれる前記トランスデューサ装置により発生する前記測定信号を受信するためのアクチュエータ受信器を有する請求項１１に記載の制御ユニット。
【請求項１３】
請求項１に記載のセンサ及び請求項８に記載の制御ユニットを有するシステム。
【請求項１４】
医療応用における請求項１３に記載のシステムの使用。
【請求項１５】
液剤の制御送達のための方法において、
所定の流速を設定するステップ、
請求項４に記載の制御ユニットを前記導管に取り外しできるように接続するステップ、
請求項１に記載のセンサ及び請求項８に記載のアクチュエータを用いることによる、前記導管を介する前記液剤の制御送達のためのステップ、
を有する薬剤の制御送達のための方法。
【請求項１】
導管を流れる流体の速度を測定するためのセンサであり、チップ及びセンサ受信器を有するセンサにおいて、前記チップは、前記流体を加熱するための加熱素子及び前記導管を流れる流体の速度を示す測定信号を発生させるためのトランスデューサ装置を有し、前記測定信号は、第１の空間温度差と第２の空間温度差との比に基づき、並びに前記センサ受信器は、前記加熱素子に給電するための電磁放射線を受信するために配されているセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサにおいて、前記第１の空間温度差は、前記加熱素子より前の前記流体の温度と前記加熱素子より後の温度との数値差であり、前記第２の空間温度差は、前記加熱素子より後の地点における前記流体の温度間の差に加えられる、前記加熱素子より前の地点における前記流体の温度間の数値差であるセンサ。
【請求項３】
前記センサ受信器は、アンテナであり、当該アンテナは前記加熱素子を有する請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記チップは、前記測定信号を送信するためのセンサ送信器を有する請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記センサは、前記導管の壁内又は壁に置かれる請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
前記センサは、前記導管と略同軸に配される請求項５に記載のセンサ。
【請求項７】
前記チップは、データを記憶するためのメモリを有する請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
請求項１に記載のセンサと協働するための制御ユニットにおいて、
前記電磁放射線を前記センサ受信器に送信するための制御送信器を有する制御ユニット。
【請求項９】
前記制御ユニットは、当該制御ユニットを前記導管に取り外しできるように接続する機能を有する請求項８に記載の制御ユニット。
【請求項１０】
前記制御ユニットは、前記導管を流れる前記流体の流速を制御するための制御アクチュエータを有する請求項８に記載の制御ユニット。
【請求項１１】
前記制御アクチュエータは、所定の流速と請求項１に記載のセンサに含まれる前記トランスデューサ装置により発生する前記測定信号に示される速度との偏差に関する信号により制御可能である、請求項１０に記載の制御ユニット。
【請求項１２】
前記アクチュエータは、請求項１に記載のセンサに含まれる前記トランスデューサ装置により発生する前記測定信号を受信するためのアクチュエータ受信器を有する請求項１１に記載の制御ユニット。
【請求項１３】
請求項１に記載のセンサ及び請求項８に記載の制御ユニットを有するシステム。
【請求項１４】
医療応用における請求項１３に記載のシステムの使用。
【請求項１５】
液剤の制御送達のための方法において、
所定の流速を設定するステップ、
請求項４に記載の制御ユニットを前記導管に取り外しできるように接続するステップ、
請求項１に記載のセンサ及び請求項８に記載のアクチュエータを用いることによる、前記導管を介する前記液剤の制御送達のためのステップ、
を有する薬剤の制御送達のための方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１１−５２７７４９（Ｐ２０１１−５２７７４９Ａ）
【公表日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１７２８６（Ｐ２０１１−５１７２８６）
【出願日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００９／０５２８７４
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／００４４８４
【国際公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【出願人】（５９００００２４８）コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００９／０５２８７４
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／００４４８４
【国際公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【出願人】（５９００００２４８）コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【Ｆターム（参考）】
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