2006/57– 14.12.2006
Vlastnosti peristaltického čerpadla v režimu nízkých dávek při použití v infuzních zařízeních Mgr. L. Zavadil, J. Dušek Dis., Ing. V.Hoppe, Ing. J. Mencl, Ing. V. Kuhn SEV Litovel s.r.o. Palackého 34, 784 01 Litovel
Článek je věnován možnostem využití kontrolního tlakového čidla Honeywell Micro Switch jako snímače pro dynamické řízení dávkovacího procesu v extremních režimech dávkování infuzní pumpy vyráběnou společností SEV Litovel, s.r.o.
Obsah: Úvod Měření vlastnosti peristaltického čerpadla Řešení eliminace poklesu tlaku dávkování infuze Závěr Literatura
1. Úvod Infuzní pumpy pracující s peristaltickými čerpadly si stále nalézají na trhu své místo, i když se tento způsob dávkování zdá již zastaralý. Aby bylo peristaltické čerpadlo konkurence schopné i v budoucnu je třeba zamezit nepřesnostem dávkování v extrémních režimech provozu. Rotor čerpadla je vybaven dvěma kladkami sloužícími ke stlačování hadičky setu při dávkování kapaliny. Problémem u dvoukladkových rotorů je, že v okamžiku výstupu jedné kladky ze záběru okluzní dráhy dojde k poklesu tlaku, do té doby, než druhá kladka vstoupí do okluzní dráhy a tlak vyrovná. Tento cyklus je zcela přirozený pro tento typ peristaltických čerpadel a není na závadu při dávkování relativně velkých dávek léčiva. Tento jev se však svoji negativitou projeví až při dávkování pod 5 ml/hod. Abychom mohli využít dynamické řízení pomocí tlakového snímače [4], který zaznamená pokles tlaku na výstupu a dá pokyn řídícímu systému k příslušným změnám otáček rotoru peristaltického čerpadla, je nutno znát dobu poklesu tlaku při extrémně malých dávkách a jeho linearitu v závislosti na změně průtoku.
2. Měření vlastnosti peristaltického čerpadla Dle předepsané normy byl simulován protitlak, jakoby set byl zaveden do artérie pacienta tím, že hadice byla zvednuta nad úroveň pracovního stolu do výšky 1,33m což vytvořilo protitlak 13.3kPa. Na výstupu z okluzní dráhy peristaltického čerpadla bylo sériově zapojeno průmyslové tlakové čidlo a toto bylo svým elektrickým výstupem zapojeno na vyhodnocovací systém One.
57-1
2006/57– 14.12.2006 Cíl měření: Cílem měření bylo stanovit dobu poklesu tlaku při výstupu kladky z okluzní dráhy peristaltického čerpadla do doby než vstoupí do záběru druhá kladka, při dávkách pod 5ml/hod a zjistit zda je tento pokles lineární v závislosti na poklesu průtoku. Uspořádání měření : Příslušný set byl nainstalován obvyklým způsobem na infuzní pumpu 2P SEV Litovel. Ze snímače tlaku byly vyvedeny vodiče do vyhodnocovacího systému One.
Obr. 1 Uspořádání měření Měření bylo opakováno se stejným setem, pro průtoky 10ml/hod, 7, 5, 3 a 1ml/hod. Výsledky měření jsou zobrazeny v grafech 1 - 10. Grafy označené lichým číslem ukazují hodnoty poklesu tlaku mezi dvěma kladkami listu rotoru čerpadla při příslušném průtoku. Grafy označené sudým číslem ukazují detail průběhu poklesu tlaku při výběhu jedné z kladek rotoru a detail nárůstu tlaku, který je způsoben počínajícím záběrem druhé kladky. U všech tlaků jsou zobrazeny orientační časové hodnoty průběhu tlaku. Pro porovnání zda je pokles tlaku lineární v závislosti na změně průtoku byly hodnoty tlakové prodlevy vyneseny do grafu a porovnány s hodnotami vypočtenými. Toto porovnání je zobrazeno v grafu 11.
57-2
2006/57– 14.12.2006 Výsledky měření Výsledky všech realizovaných měření dle výše uvedeného postupu jsou v níže uvedených grafech. Výsledky hodnot se neliší od hodnot vypočtených. Stejně tak nebyl prokázán vliv změny průtoku na celkovou linearitu poklesu tlaku při přechodu kladek rotoru.
Graf 1: Průběh poklesu tlaku mezi dvěma kladkami listu rotoru čerpadla při průtoku 1ml/hod
Graf 2: Detail průběhu poklesu tlaku při výběhu jedné z kladek (nárůst tlaku je způsoben počínajícím záběrem druhé kladky).
57-3
2006/57– 14.12.2006
Graf 3: Průběh poklesu tlaku mezi dvěma kladkami listu rotoru čerpadla při průtoku 3ml/hod
Graf 4: Detail průběhu poklesu tlaku při výběhu jedné z kladek (nárůst tlaku je způsoben počínajícím záběrem druhé kladky). Průtok 3ml/hod
57-4
2006/57– 14.12.2006
Graf 5: Průběh poklesu tlaku mezi dvěma kladkami listu rotoru čerpadla při průtoku 5ml/hod
Graf 6: Detail průběhu poklesu tlaku při výběhu jedné z kladek (nárůst tlaku je způsoben počínajícím záběrem druhé kladky). Průtok 5ml/hod
57-5
2006/57– 14.12.2006
Graf 7: Průběh poklesu tlaku mezi dvěma kladkami listu rotoru čerpadla při průtoku 7ml/hod
Graf 8: Detail průběhu poklesu tlaku při výběhu jedné z kladek (nárůst tlaku je způsoben počínajícím záběrem druhé kladky). Průtok 7ml/hod
57-6
2006/57– 14.12.2006
Graf 9: Průběh poklesu tlaku mezi dvěma kladkami listu rotoru čerpadla při průtoku 10ml/hod
Graf 10: Detail průběhu poklesu tlaku při výběhu jedné z kladek (nárůst tlaku je způsoben počínajícím záběrem druhé kladky). Průtok 10ml/hod
57-7
2006/57– 14.12.2006
Graf 11: Časové porovnání naměřených a vypočtených hodnot poklesu tlaku hodnot skutečných a hodnot vypočítaných. Křivky se téměř neliší, a tedy měření prokázala teoretické předpoklady závislost času poklesu tlaku na průtoku infuze.
3. Řešení eliminace poklesu tlaku dávkování infuze Na základě naměřených výsledků jsme zjistili, že změna tlaku nemá prokazatelný vliv na nelinearitu průběhu poklesu tlaku při přechodu jedné kladky rotoru a náběhem druhé. Výsledky měření jsou v grafech 1-10. Také bylo provedeno porovnání naměřených hodnot pro všechny průtoky s hodnotami vypočtenými. Výsledky měření ukazuje (graf 11). Vypočtené hodnoty se prakticky neliší od hodnot naměřených. Na obr.2 je zobrazeno uspořádání magnetů s pólovými nástavci a permanentními magnety v horním plastovém výlisku, jenž je součástí sestavy rotoru peristaltického čerpadla.
57-8
2006/57– 14.12.2006
Obr.2. Uspořádání magnetů s pólovými nástavci a permanentními magnety v plastovém výlisku rolny. Magnetické pole permanentních magnetů spolu s pólovými nástavci má tvar úzkých svazků, které je díky uspořádání ve výlisku polarizováno shodně (např. oba póly S). Toto uspořádání musí být dodrženo, jinak by použitý IO s Hallovým snímačem neidentifikoval správně průchod kladky rotoru každých 180°. Vlastní elektronika s Hallovým snímačem na malé DPS včetně vysoce svítivé LED (optická indikace identifikace polohy rotoru čerpadla) je namontována poblíž výstupního kanálu okluzní dráhy peristaltického čerpadla uvnitř plastového výlisku bočnice infuzní pumpy. Tímto způsobem snímání a montáže bude rovněž zabezpečeno elektrické krytí dle požadavků na el. bezpečnost (viz ČSN EN 60 601-1). Navržený způsob identifikace polohy rotoru peristaltického čerpadla bude možno využít v součinnosti s řídícím softwarem k okamžité korekci rychlosti průtoku dávkované kapaliny s využitím informace o okamžitém tlaku v hadičce IV setu z tlakového čidla. Samozřejmě lze současně použít k této korekci i vhodnou formu aproximace nelinearity průběhu tlaku v IV setu z obr. 11. Toto vše bude možno přesně realizovat, korigovat a přesně doladit s použitím testeru infuzních pump fy METRON (USA) typ Lagu, který byl pro tyto účely zakoupen a uveden do testovacího provozu. Navrženým způsobem bude možno velice přesně korigovat chybovost dávkování (dodržení tolerancí povolených odchylek průtoku při nízkých rychlostech dávkování - trubkový diagram - viz ČSN EN 60 601-2-24) rotačního peristaltického čerpadla v oblasti malých průtoků, zejména v oblasti 1 až 10ml/hod. Výhody: V závislosti na zadané hodnotě průtoku v rozsahu 1 až 10ml/hod bude možno v kombinaci se zadanou hodnotou tohoto průtoku, identifikací polohy kladky rotoru peristaltického čerpadla a okamžité sejmuté hodnoty tlaku v hadičce IV setu, provést pomocí řídícího software motoru korekci rychlosti pohybu rotoru v okluzní dráze, a tím kompenzovat možnou chybu v dávkování při zvoleném průtoku a pohybu kladky rotoru v oblasti výstupního kanálu okluzní dráhy peristaltického čerpadla. Nevýhody:
57-9
2006/57– 14.12.2006 Tento způsob kompenzace chyby dávkování je poměrně složitý, zejména kompenzace rychlosti pohybu kladky rotoru v oblasti výstupního kanálu okluzní dráhy pro různé hodnoty rychlosti dávkování bude třeba velmi přesně stanovit korekční faktory. Pro dosažení požadovaných hodnot přesnosti dávkování i na počátku dávkování bude nutné zajistit vhodným ošetřením software i jiným způsobem definování výchozí polohy rotoru čerpadla, tak aby přesnost dávkování byla zajištěna již na začátku dávkování.
4. Závěr Článek byl věnován možnostem využití kontrolního tlakového čidla Honeywell Micro Switch jako snímače pro dynamické řízení dávkovacího procesu v extremních režimech dávkování infuzní pumpy vyráběnou společností SEV Litovel, s.r.o. Základním problémem bylo zjistit čas kdy dojde k poklesu tlaku během přechodu kladek rotoru peristaltického čerpadla pro různé průtoky pod 10ml/hod. Bylo zjištěno, že s klesajícím množstvím dávek dochází k prodlužování doby poklesu tlaku takřka lineárně. Dále na základě již provedeného podrobného rozboru problematiky eliminace nelinearity a velké chyby dávkování rotačního peristaltického čerpadla v oblasti nízkých hodnot průtoků viz lit. [1], bylo v souvislosti s návrhem řešení elektroniky řízení pohonu tohoto rotačního peristaltického čerpadla navrženo a realizováno výše popsané řešení přesné identifikace polohy rotoru čerpadla (resp. jeho přítlačné kladky) vůči výstupnímu kanálu. Tento systém identifikace polohy rotoru čerpadla bude využit pro další zpřesnění řízení pohybu rotoru čerpadla v oblasti dávkování nízkých průtoků k eliminaci chyby dávkování peristaltického čerpadla.
5. Literatura Hoppe. V.: Úvod do problematiky nízkých průtoků rotačního peristaltického čerpadla pro medicínské účely - ČSN EN 60 601-2-24. http://www.elektrorevue.cz/. Patentový spis CZ 292 594 Rotační peristaltické čerpadlo s přesným, zejména [2] mechanickým lineárním dávkovačem. [3] Patentový spis CZ 292 309 Peristaltické rotační čerpadlo s přesným dávkováním Zavadil L., Hoppe V.: Závislost výstupního tlaku na napětí u tlakového čidla Honeywell [4] Micro Switch, infuzní pumpy 2P.http://www.elektrorevue.cz/. [1]
V článku jsou uvedeny poznatky, které byly získány při řešení grantu AVČR 1ET110540521.
57-10
