DE3922686A1 - Verfahren zum steuern einer pumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Pumpe, die Flüssigkeit durch einen Schlauch in den menschlichen Körper fördert und zur Einstellung der Förderrate intermittierend so betrieben wird, daß sie in Aktivphasen fördert und in Inaktiv­ phasen nicht fördert, wobei es während des Pumpenbetriebs in bestimmten Abständen zu Zuständen kommen kann, in denen die Förderrate reduziert ist.

Ein solches Verfahren und eine solche Pumpe sind aus der DE-PS 31 38 267 bekannt.

Als Pumpe im Sinne der Erfindung ist jede Fördereinrichtung zu verstehen, mit der eine Flüssigkeit durch einen Schlauch in den menschlichen Körper förderbar ist und die während eines konti­ nuierlichen Pumpenbetriebes Zustände aufweist, in denen die Förderrate gegenüber dem ansonsten während des Pumpenbetriebes herrschenden Wert reduziert ist.

Dies gilt insbesondere, aber nicht nur, für Rollenpumpen (DE-PS 31 38 267). Bei Rollenpumpen treten die Zustände mit reduzier­ ter Förderrate dadurch auf, daß die Rollen den Schlauch jeweils zwischen sich und einem Gegenlager nur über eine begrenzte Weg­ strecke einquetschen, wonach sich die Rollen an einer Kante wieder vom Gegenlager entfernen. Beim Abheben der Rollen vom Schlauch öffnet sich dieser aufgrund seiner Elastizität und vergrößert dabei sein Volumen. Diese Aufweitung des Schlauches führt zu einer Reduzierung der Förderrate bis hin zu einer so­ genannten negativen Förderung, d.h. einem Rücksaugen von be­ reits gefördertem Gut entgegen der beabsichtigten Förderrich­ tung (dies wird weiter unten anhand der Fig. 1 noch näher er­ läutert).

In der gattungsbildenden DE-PS 31 38 267 wird vorgeschlagen, die Förderrate der Pumpe dadurch einzustellen, daß die Aktiv­ phasen und Inaktivphasen der Pumpe wahlweise gesteuert werden, wobei in den Aktivphasen die Pumpe jeweils mit einer be­ stimmten, optimalen Drehzahl angetrieben wird. Hierdurch wird ein schonender Betrieb der Batterie ermöglicht. Von diesem Stand der Technik geht die Erfindung aus.

Bei der Verabreichung von Flüssigkeit in den menschlichen Kör­ per kommt es bei einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere bei der Verabreichung von Medikamenten, auf eine sehr präzise Einstellung der Förderrate und auf eine sehr gleichmäßige För­ derung ohne Schwankungen an.

In der DE-OS 32 47 313 wird zur Verbesserung der Gleichmäßig­ keit des durch eine Infusionspumpe bewirkten Fluidflusses eine Anzahl von Nocken so entlang dem Schlauch angeordnet und ge­ steuert, daß zwischen dem Fluideingang (in die Pumpe) und dem Fluidausgang (aus der Pumpe) eine gleichphasige Beziehung be­ steht. Außerdem wird die Geschwindigkeit des Motorantriebs wäh­ rend des Pumpzyklus automatisch vergrößert, um ungewünschte Perioden eines verminderten Fluiddruckes zu kompensieren. Diese Lösung ist relativ aufwendig und erfordert einen komplizierten Pumpenaufbau. Auch ist der energetische Wirkungsgrad bei diesem bekannten Steuerverfahren verbesserungsfähig, weil der Motor mit unterschiedlichen Drehzahlen angetrieben wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern einer Pumpe der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem mit einfachen Mitteln eine hohe Gleichmäßigkeit der Förderung bei sparsamem Energieverbrauch erzielt wird.

Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Lösung wird dies dadurch erreicht, daß die Aktivphasen der Pumpe kürzer eingestellt wer­ den als die Abstände zwischen Zuständen mit reduzierter Förder­ rate, und in den Inaktivphasen die Pumpe in eine solche Stel­ lung gebracht wird, daß in der anschließenden Aktivphase kein Zustand mit reduzierter Förderrate auftritt.

Gemäß einer Variante der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ermittelt wird, ob während einer Aktivphase ein Zustand mit reduzierter Förderrate erreicht wird, und dann, wenn während einer Aktivphase ein Zustand mit reduzierter Förderrate auftritt, die Pumpe in eine Stellung gebracht wird, in der dieser Zustand überwunden ist, und anschließend die Aktivphase bis zu einem vorgegebenen Ende fortgesetzt wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den Betrieb einer Rollen Phasen I bis V;

Fig. 2a die Fördercharakteristik einer herkömmlichen Rolle pumpe;

Fig. 2b die Fördercharakteristik, wie sie mit einer erfin­ dungsgemäß gesteuerten Rollenpumpe angenähert er­ reicht werden kann;

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Pumpenantriebs und der Pum­ pensteuerung;

Fig. 4 Einzelheiten des Antriebs der Pumpe und der Ermitt­ lung der Stellung der Pumpenrollen;

Fig. 5 schematisch den Ablauf einer erfindungsgemäßen Steue­ rung;

Fig. 6 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Steuerverfah­ rens.

Fig. 1 zeigt auf zwei Blättern den Betrieb einer Rollenpumpe in unterschiedlichen Zuständen. Aufbau und Funktion einer Rollen­ pumpe sind als solche bekannt und brauchen hier nicht näher be­ schrieben zu werden.

Mittels der Rollenpumpe soll eine Flüssigkeit durch einen Schlauch 10 zu einem Patienten gefördert werden. Die Förderrich­ tung durch den Schlauch 10 ist durch Pfeile 12 angegeben. Die Patientenseite der Pumpe entspricht somit dem Pfeil 14, während die Position eines Vorratsbehälters, aus dem die Flüssigkeit entnommen wird, durch den Pfeil 16 angedeutet ist.

Die Rollenpumpe weist in bekannter Weise einen Rollenteller 18 auf, auf dem beim dargestellten Ausführungsbeispiel in regel­ mäßigen Anständen sechs Rollen 1, 2, ... 6 drehbar gelagert sind. Die sechs Rollen weisen somit einen Abstand von jeweils 60° auf. Die Rollen quetschen den Schlauch 10 gegen ein komple­ mentär zum Rollenteller ausgeformtes Gegenlager 20. Zur Förde­ rung von Flüssigkeit in Richtung des Pfeiles 12 dreht sich der Drehteller 18 in Richtung des Pfeiles 24 um eine Drehachse 26. Gefördert wird jeweils das Gut im Schlauch 12, welches sich links von einer Rolle befindet, die den Schlauch 10 gegen das Gegenlager 20 quetscht.

Der in Fig. 1, Phase I gezeigte Winkel α ist beliebig gewählt und dient dazu, die Stellung der Rolle 1 im Verlauf der Bewe­ gung des Rollentellers 18 genau bezeichnen zu können.

Bei der Bewegung entsprechend Phase I wird Flüssigkeit in Richtung des Pfeiles 12 gefördert. In der Phase II erreicht die Rolle I die auslaufende Kante 20′ des Gegenlagers 20. Der Dreh­ winkel der Rolle 1 beträgt nun α + 30°.

In Phase III ist die Rolle 1 um 5° weitergedreht, d.h. bis zum Winkel α + 35°. An dieser Stelle beginnt die Rolle 1 vom Ge­ genlager 20 abzuheben. Dabei öffnet sich der Schlauch aufgrund seiner Elastizität und es tritt eine plötzliche Volumenvergrö­ ßerung des Schlauches auf. Dies wird in Phase IV deutlich, in welcher die Rolle 1 den Winkel α + 42° erreicht hat. Die Volu­ menvergrößerung des Schlauches 10 bewirkt einen Saugeffekt zu­ rück in den Schlauch, d.h. es wird entgegen der eigentlich an­ gestrebten Förderrichtung 12 Fördergut in Richtung des Pfeiles 28 (Fig. 1, Phase IV) in die Pumpe zurückgesaugt. Dieser Saug­ effekt tritt nur kurzzeitig auf und hängt von der Winkelge­ schwindigkeit der Drehung des Rollentellers 18 ab.

Im Anschluß an die kurzzeitige Rücksaugung folgt ein sogenannte "Nullförderung", in der die Pumpe keine wesentliche Förderung in Richtung 12 bewirkt. Diese "Nullförderung" ist dadurch be­ dingt, daß sich nach dem Rücksaugeffekt erst wieder ein posi­ tiver Druck aufbauen muß. Messungen haben ergeben, daß sich die Nullförderung über einen Drehwinkel von 16° erstrecken kann. Die Phase V zeigt den Zustand nach Überwindung der Nullförde­ rung, also den gewünschten Normalbetrieb der Pumpe.

Die vorstehend qualitativ beschriebene Fördercharakteristik der Pumpe ist in Fig. 2a quantitativ dargestellt. Aufgetragen ist die Förderrate über der Zeit. Die oben beschriebenen Phasen I bis V entsprechen den Punkten 1 bis 5 der Fig. 2a. Am Punkt 4 liegt eine "negative Förderleistung", d.h. ein Saugeffekt vor. Daran schließt sich eine Phase 4′ mit "Nullförderung" an.

Fig. 2b zeigt in idealisierter Form eine zeitlich konstante Förderrate, wie sie mit der Erfindung angestrebt wird. Zustän­ de, in denen eine gegenüber dem Normalbetrieb der Pumpe (Phasen I und V gemäß Fig. 2a) reduzierte Förderrate vorliegt (Zustände 3, 4 und 4′, gemäß Fig. 2a) sollen weitgehend vermieden werden. Die Erfindung leistet dies ohne die Pumpe selbst zu verändern, sondern nur durch eine geeignete Steuerung Ihres Betriebs.

Wie eingangs erläutert, wird die Pumpe entsprechend der Lehre der DE-OS 31 38 267 intermittierend betrieben, d.h. es wechseln sogenannte Aktivphasen und Inaktivphasen einander ab. Die Ak­ tivphasen sind hier konstant eingestellt. Zur Änderung der Förderrate werden die Inaktivphasen entsprechend verändert. Soll zum Beispiel die Förderrate relativ gering sein, so sind die Inaktivphasen relativ lang. Bei einer hohen Förderrate sind die Inaktivphasen relativ kurz.

Bei der ersten erfindungsgemäßen Lösung werden zunächst die Ak­ tivphasen der Pumpe deutlich kürzer eingestellt als die Abstän­ de zwischen Zuständen mit reduzierter Förderrate. Aus dem oben beschriebenen ergibt sich, daß beim Ausführungsbeispiel einer Rollenpumpe gemäß Fig. 1 also die Aktivphase wesentlich kürzer eingestellt wird als es einer Drehung des Rollentellers 18 um 60° (Abstand zweier Rollen) entspricht.

Weiterhin ist bei der ersten erfindungsgemäßen Lösung vorgese­ hen, daß in den Inaktivphasen die Pumpe in eine solche Stellung gebracht wird, daß in der anschließenden Aktivphase kein Zu­ stand mit reduzierter Förderrate auftritt. Dabei wird ein Rück­ schlag-Ventil stromab der Pumpe geschlossen, welches beispiels­ weise an der Stelle 22 gemäß Fig. 1 angeordnet ist und welches eine Saugwirkung auf der Patientenseite 14 ausschließt.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird also jeweils die Stellung des Drehtellers 18 und seiner Rollen 1, ..., 6 in bezug auf die Kante 20′ (Fig. 1, Phase II) ermittelt (beispielsweise mittels einer Lichtschrankenanord­ nung, wie sie weiter unten anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben wird). Ergibt sich dabei, daß am Ende einer gerade laufenden Aktivphase ein Zustand erreicht wird, der dazu führen würde, daß in der darauffolgenden Aktivphase (nach Verstreichen einer entsprechend der Förderrate eingestellten Inaktivphase) ein Zu­ stand gemäß den Phasen III und IV von Fig. 1 (entsprechend den Zuständen 3, 4 und 4′ gemäß Fig. 2a) auftreten würde, so wird dies dadurch verhindert, daß in der auf die Aktivphase folgen­ den Inaktivphase (in welcher dem menschlichen Körper keine Flüssigkeit zugeführt werden soll) bei geschlossenem Ventil (nicht gezeigt) eine "Blinddrehung" des Drehtellers 18 in Richtung des Pfeiles 24 um einen solchen Winkel erfolgt, daß in der anschließenden Aktivphase von Anfang bis Ende eine unredu­ zierte Förderung gemäß den Phasen I und V der Fig. 1 erfolgt.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild des Antriebs der Pumpe und ihrer Steuerung. Mit dieser Steuerung, von der Einzelheiten auch in Fig. 4 dargestellt sind, kann auch ein anderes Steuer­ verfahren als das oben beschriebene durchgeführt werden.

In Fig. 3 und 4 ist der Motor schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 30 versehen. Eine Welle 32 des Motors 30 dreht den Rollenteller 18. Starr mit der Welle 32 (und damit mit dem Rollenteller 18) verbunden ist eine Schlitzscheibe 34, mit der jeweils die Stellung der Rollen 1, ..., 6 des Rol­ lentellers 18 in bezug auf das Gegenlager 20 und insbesondere dessen auslaufende Kante 20′ überwacht wird. Die Stellung der Schlitzscheibe 34 wird in an sich bekannter Weise mittels einer Lichtschranke, bestehend aus einer Leuchtdiode 36 und einem Photodetektor 38 sowie einer Vergleicherschaltung 40 ermittelt. Die Stellungsinformation, die sich beispielsweise aus der Lage eines Schlitzes in bezug auf die Kante 20′ ergibt, wird vom Vergleicher 40 in zwei Prozessoren 42, 44 eingegeben, die über einen sogenannten "handshake" verbunden sind. Es ist auch mög­ lich, statt der Schlitzscheibe eine Scheibe aus durchsichtigem Material vorzusehen, die mit einer Codierung versehen ist. Eine Tastatur 46 dient zum Eingeben von Steuerbefehlen in die Prozes­ soren. Der Betriebszustand der Vorrichtung wird z.B. mittels ei­ ner LCD-Anzeige 48 angezeigt. Die Prozessoren 42, 44 steuern einen Verstärker 52 an, welcher die Spulen des Elektromotors 30 erregt.

Sowohl der Prozessor 42 als auch der Prozessor 44 können Alarm auslösen, beispielsweise wenn der Motor 30 über den Motorver­ stärker 52 zu einer Drehung veranlaßt wird, die Schaltung 40 aber feststellt, daß die Schlitzscheibe 34 keine Drehung aus­ führt.

Fig. 4 zeigt den Pumpenmotor 30 und bereits oben beschriebene Bauteile in größerem Maßstab einschließlich einer Gehäusewand 60 und eines Getriebes 62, das die Ausgangswelle (nicht ge­ zeigt) des Motors 30 mit der die Schlitzscheibe 34 und den Rollenteller 18 drehenden Welle 32 verbindet.

Fig. 5 zeigt schematisch das Prinzip einer weiteren erfindungs­ gemäßen Steuerung.

Eine Aktivphase, in der jeweils Flüssigkeit in Richtung des Pfeiles 12 (Fig. 1) zum Körper des Patienten gefördert wird, weist jeweils vier Schritte auf. Der Motor 30 ist also bei diesem Ausführungsbeispiel als Schrittmotor ausgestaltet. Ein Schritt bedeutet z.B. 15° Motorumdrehung. Das Getriebe 62 hat eine Übersetzung von 1 : 25, so daß ein Motorschritt einer Drehung des Rollentellers 18 um 0,6° entspricht.

In den Fig. 5A und B sind die einzelnen Aktivphasen jeweils mit a, b, c, ..., e bezeichnet. Die dazwischenliegenden Inaktivpha­ sen sind mit "Pause" bezeichnet.

Die Aktivphasen a, b, ..., e bestehen jeweils aus vier Dreh­ schritten des Rollentellers 18 um 0,6°, entsprechen also jeweils einer Gesamtdrehung des Rollentellers von 2,4°.

Gemäß Fig. 5A stellt die Photodetektoranordnung 36, 38, 40 mit Hilfe der Schlitzscheibe 34 fest, daß während der Aktivphasen a und b keine Reduzierung der Förderrate auftritt, also keine Nullförderung gemäß Fig. 2a, Zustand 4′, gegeben ist. Ein Eingreifen der Steuerung zwecks Vergleichmäßigung der Förder­ rate ist also nicht erforderlich. Während der darauffolgenden Aktivphase c₁ stellt aber die Photodetektoranordnung mit Hilfe der Schlitzscheibe 34 fest, daß sich eine Rollen des Rollentel­ lers 18 der kritischen Kante 20′ des Gegenlagers 20 nähert, so daß eine Schwankung der Förderrate zu erwarten ist. Dies ist nach zwei Schritten der Fall, wie bei c₁ angedeutet ist. Es erfolgt dann eine Neupositionierung des Rollentellers 18 derart, daß im Anschluß an die beiden Schritte c₁ der Rollen­ teller fortlaufend um 27 weitere Schritte weitergedreht wird. Die 27 Schritte sind so bemessen, daß sie die sogenannte Nullförderung (Fig. 2a, Zustand 3, 4 und 4′) genau überbrücken. Um die schädliche Saugwirkung auszuschließen, ist ein Rück­ schlagventil stromab der Pumpe angeordnet. Da die Lichtschranke 36, 38 die Schlitze der Schlitzscheibe 34 nur dann erkennen kann, wenn der Motor läuft, d.h. bei einem Übergang dunkel/hell, erhalten die Prozessoren 42, 44 das Signal zum Neupositionieren des Rollentellers 18 während eines Fördertaktes. Der Prozessor addiert zu den noch verbleibenden Förderschritten der gerade laufenden Aktivphase die genannten 27 Schritte hinzu. In Fig. 5a ist der Fall dargestellt, daß die kritische Stellung einer Rolle des Rollentellers nach zwei Förderschritten erkannt wurde. Deshalb führt der Motor danach 27+2=29 weitere Schritte aus. Die 27 Schritte entsprechen der Neupositionierung des Rollentellers zur Überwindung der Nullförderung und die zwei Schritte entsprechen der erforderlichen Restförderung, um die gerade laufende Aktivphase zu vervollständigen.

Fig. 5B ist nach dem vorstehenden aus sich verständlich. In diesem Falle ermittelt die Photodetektoranordnung während der Aktivphase e₁ nach drei Schritten eine Reduzierung der Forder­ rate, wonach die Nullförderung durch eine Neuspositionierung um 27 Schritte überwunden wird und anschließend noch ein Schritt e₂ erforderlich ist, um die Aktivphase zu vervollständigen.

Nach der anschließenden Pause erfolgt dann eine "ungestörte" Aktivphase f.

Die bei der Neupositionierung durchgeführten Schritte (hier z.B. 27) werden bei der Eichung der Förderrate des Gerätes be­ rückschichtigt.

Die Neupositionierung des Rollentellers 18 erfolgt mit der gleichen Geschwindigkeit des Motors wie bei der Förderung. Die Förderraten werden nur durch Veränderung der Länge der Inak­ tivphasen (Pausenzeiten) eingestellt.

Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm, in dem der vorstehend beschrie­ bene Steueralgorithmus dargestellt ist:

1. Fall: Pausezeit

• - Zunächst Prüfung, ob Schlitz vorhanden - nein;
• - Abfrage, ob Schlitzerkennung zurückgesetzt wurde;
• - dann setzt er den Zeitzähler neu (Zeitzähler minus Zeit für 4 Takte) ;
• - Prüfung, ob Zeitzähler < 0 (Zeitzähler 0, wenn Pausezeit abgelaufen ist);
• - Prüfung, ob Taktzähler = 0;
• - Motor aus.

Diese Schleife durchläuft er solange, bis die Pausezeit abgelau­ fen ist, danach folgt:

2. Fall: Förderung

• - Prüfung, ob Schlitz vorhanden - nein;
• - Abfrage, ob Schlitzerkennung zurückgesetzt wurde; Zeitzähler < 0;
• - Prüfung Zeitzähler < 0 - nein;
• - Zeitzähler wird neu gesetzt = Zeit für 4 Takte + Pausezeit;
• - Taktzähler wird auf 4 gesetzt;
• - Abfrage Taktzähler = 0 - nein;
• - Motor ein;
• - Taktzähler zählt 1 abwärts.

Diese Schleife durchläuft er viermal, danach durchläuft er die Schleife im 1. Fall.

3. Fall: Schlitzerkennung

• - Prüfung, ob Schlitz vorhanden - ja;
• - Prüfung, ob Schlitz bereits erkannt - nein;
• - Setzen der Schlitzerkennung;
• - Taktzähler wird auf 27 gesetzt (oder, da sich die Pumpe in der Förderphase befindet, wird der Taktzähler auf 27+ Resttakte gesetzt);
• - da Taktzähler mindestens 27, läuft mindestens 27 mal die Schleife "Motor ein".

Danach durchläuft er wieder die Schleife im 1. Fall.

Claims (2)

1. Verfahren zum Steuern einer Pumpe, die Flüssigkeit durch einen Schlauch in den menschlichen Körper fördert und zur Ein­ stellung der Förderrate intermittierend so betrieben wird, daß sie in Aktivphasen fördert und in Inaktivphasen nicht fördert, wobei es während des Pumpenbetriebs in bestimmten Abständen zu Zuständen kommen kann, in denen die Förderrate reduziert ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Aktivphasen der Pumpe (18, 20) kürzer eingestellt wer­ den als die Abstände zwischen Zuständen mit reduzierter Förderrate, und
• - in den Inaktivphasen die Pumpe in eine solche Stellung ge­ bracht wird, daß in der anschließenden Aktivphase kein Zu­ stand mit reduzierter Förderrate auftritt.

2. Verfahren zum Steuern einer Pumpe, die Flüssigkeit durch einen Schlauch in den menschlichen Körper fördert und zur Ein­ stellung der Förderrate intermittierend so betrieben wird, daß sie in Aktivphasen fördert und in Inaktivphasen nicht fördert, wobei es während des Pumpenbetriebs in bestimmten Abständen zu Zuständen kommen kann, in denen die Förderrate reduziert ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ermittelt wird, ob während einer Aktivphase ein Zustand mit reduzierter Förderrate erreicht wird,
• - dann, wenn während einer Aktivphase ein Zustand mit redu­ zierter Förderrate erreicht wird, die Pumpe in eine Stel­ lung gebracht wird, in der dieser Zustand überwunden ist, und
• - anschließend die Aktivphase bis zu einem vorgegebenen Ende fortgesetzt wird.