JPH10513395A - 液体ライン中の空気のための光学的検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 チューブと共に使用される光学的気泡検出器からの読み取りにおける曖昧さが、該チューブをプリズムの形へと形作ることによって減少でき、それによりチューブの異なった内容物が異なった屈折率を有し、該チューブを出る光のビームの射出角に明瞭な差異がある。圧迫されたチューブとしては、三角形状のプリズム形が好ましい。光学的気泡検出器は、Ｖ字形窪みを備えるよう形成された光学的ブロック、及びクランプブロックを特徴とする。光学的ブロック及びクランプブロックは、協力して可撓性チューブをＶ字形の窪みへと押し込み又は「挟み込み」、それを三角形プリズムの断面へと変形させる。発光体（５８）及び光センサを含んだほぼＵ字形光学的遮断材要素が、光のビームが放射状に三角形状のチューブ部分に導かれるような仕方で、光学的ブロック内に嵌合する。クランプブロックは、薄い光の経路のみ透過が許容されるよう、光学的遮断材からの、透過しそして受け取られる光に「窓を開いている」。これは、測定に際した光学的ノイズを最小にする。チューブ内に食塩水があるときには、光は光学的ブロック及びチューブを通るかなりな程度に直線的である経路に従う。しかしながら、チューブ内に空気があるときには、光は屈折されて光センサから遠ざかり、低い読み取り強度を与える。光センサにおいて受け取られた光の量を測定することにより、空気と食塩水の何れがチューブ内にあるかを判定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 液体ライン中の空気のための光学的検出器 発明の分野 本発明は、一般的には、液体ライン中の気泡の検出に関し、そして特に、空気 と食塩溶液の屈折率の差に基づいて、可撓性チューブのある部分において空気と 食塩溶液とを識別する光学的検出器に関する。 背景 医療目的で液体を分配するに際して、例えば食塩溶液を患者の血管内に静脈注 入するに際して、気泡によって妨げられない液体の流れを保証することは重要で ある。そのような気泡は、液体ボトルと静脈内針との間のチューブライン中にお いて、意図した液体の連続的投与を妨げるのみならず、もしも気泡が血流内に入 った場合には患者にとって危険であり得、それは塞栓症を引き起こしうる。医療 的分析機器においても、気泡を検出することは重要である。 JENSENの米国特許第4,366,384 号より、液体を移送する透明なチューブを通る 光のビームを検出し、液体と空気とを、該チューブから出てくる光の強度を測定 することによって識別することが知られている。しかしながら、使用されている 液体が澄明である場合、この方法では曖昧さのない読み取り値を得ることは困難 である。 SMITH の米国特許第4,859,864 号より、液体がチューブ内にあるときには光は 検出されず気泡がチューブ内にある時に光が検出されるような仕方で、透明なチ ューブの内部表面から光のビームを反射 させることが知られている。 CROUSE等の米国特許第4,884,065 より、円筒状のチューブ部分１２Ａ又は１２ ＢをＶ字形窪み２４内にクランプしそして、チューブからの光のビームの射出角 に基づいて液体と水とを識別することが知られている。しかしながら、この設計 においては、クランプすることによるチューブ形状の「捩れ」が生じがちである （colt 8，第４行と対比）。 PASCAL/HEMOCARE S.A．French の未審査の出願2660755 A1は、光学的検出器を 開示しており、それにおいては、液体が存在しないときには（図３）、光は種々 の方向１８に散乱されて検出器４に到達できず、一方液体が存在するときには（ 図４）、光は検出器４に到達する曲線１５に従う。 PLATT 等の公開されたＰＣＴ出願WO 86-04409（1986年７月31日）は、光学的 検出器を開示しており、それにおいては、チューブ１２が、チューブが空気を含 んでいるときには光のビームがセンサ１２に到達するがチューブが液体を含んで いるときには光のビームは屈折又は散乱されてセンサ１２には至らないような仕 方で、プラットホーム又は受け台上１６に配置されている。しかしながら、この 装置ではチューブの変形はない。 発明の要約 本発明は、チューブと共に用いられる光学的な気泡検出器による読み取りにお ける曖昧さが、チューブの異なった内容物が異なった屈折率を有するときチュー ブを出る光のビームの射出角が明瞭に異なるようチューブをプリズムの形へと形 成することによって、減らすことができることを発見した。三角形状のプリズム が好ましい。 従って、本発明は、Ｖ字形の窪みを有する光学的ブロック及びクランプブロッ クを特徴とする。この光学的ブロック及びクランプブロックは、可撓性チューブ をＶ字形の窪み内へと押し込み又は「挟み込み」、それを三角形状のプリズム的 断面へと変形させる。発光体及び光センサを含んだ概略Ｕ字形の光学的遮断要素 が、光のビームが放射状に三角形状のチューブ部分へと導かれるような仕方で、 該光学的ブロックに嵌め込まれている。クランプブロックは、薄い光の経路のみ 透過させるよう、光学的遮断材から透過しそして受け取られる光に、「窓を開く 」。これは、測定に際して光学的ノイズを最小にする。 食塩水がチューブ内にあるとき、光は、光学的ブロック及びチューブを通るか なりな程度に直線的である経路に従う。しかしながら、チューブ内に空気がある とき、光は、屈折して光センサから離され、低い読み取り値をもたらす。光セン サにて受け取られる光の量を測定することにより、空気と食塩水の何れがチュー ブ内にあるかを判定することができる。空気及び食塩水にそれぞれ対応する測定 値は、不当なまでの実験なしに、当業者によって決定されることができる。 図面の簡単な記述 図１は、電気的リード線を取り去った状態の、本発明の気泡検出器の４つの主 要な機械的モジュールの分解透視図であり、 図２は、一つに組み立てた後の図１の部品の断面図であり、 図３及び４は、それぞれ、図１に示した光学的ブロックの上面及び底面透視図 であり、 図５及び６は、それぞれ、その上面及び側面図であり、 図７は、その底面図であり、そして図７Ａ〜７Ｅは、図７に示した各線に沿っ てとられた断面図であり、 図８及び９は、それぞれ、図１に示したクランプブロックの上面及び底面透視 図であり、 図１０及び１１は、それぞれ、その底面図及び側面図であり、 図１２は、その上面図であり、図１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｄは、図１２に示し た各切断線に沿ってとられた断面図であり、そして１２Ｅは、その端面図であり 、そして１２Ｃは図１２Ｅに示した切断線に沿ってとられた断面図であり、 図１３〜１６は、それぞれ、発光体／光センサモジュールの側面図、端面図、 上面図及び底面図であり、 図１７は、チューブの内部でビームが通過する媒体の屈折率の関数として、光 のビームの射出角が如何に異なるかを概念的に図解している光線図であり、そし て 図１８は、センサ較正プロセスのフローチャートである。 詳細な記述 図１は、クランプブロック又は支持ブロック４０（これは一対のＣ字形の垂直 な突起４１及び４２を有し、その長い面が通路の側面を形成している）の上面よ り規定された通路中に配置された可撓性チューブ１０の一部を概念的に図解して いる。光のビームを通過させるために、これらの長い面の各々を通る小さい窓４ ３がある。窪み２８の形成されている光学的ブロック又は成形型２０が、チュー ブ１０を覆って押し下げられ、チューブを変形させて望みの断面形状へと変形さ せる。チューブ１０は、内径0.063 インチ（0.160 ｃ ｍ）、壁厚0.0114 インチ（0.0356ｃｍ）±10｀及び外形約0.091 インチ（0.231 14 ｃｍ）を有する、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）コポリマー、90デ ュロメータ、又はポリウレタンで作られている。 しかしながら、標準のチューブセットとの互換性を犠牲にしてよいなら、本発 明を、永久的に形成された所望の断面形状の透明なチューブを用いて実施するこ とができる。可撓性チューブの元々は円筒状の断面を三角形状の断面へと形成す ることは、三角形状の断面を有する他の要素を導入するより有利である。なぜな ら、円筒状のチューブの長さの中間に別の要素を導入することは、「継ぎ合わせ 」その他の移行点において、不可避的に不規則な表面を作り出すからである。そ のような不規則な表面は、気泡を捕らえる傾向があり、本発明が検出し対処する よう設計されているセンサの誤った読み又は気泡の増加につながる。 発光体／光センサモジュール５０が、次いで、ビームの通路を画するよう発光 体及び光センサが窓４３と整列するまで、組み立てられた光学的ブロック及びク ランプブロック内にスライドする。要素２０、４０、５０の左右の縁は、それら を一つに固定する固定具を挿入することを許容するよう、それぞれの左の垂直な 穴２４、４４、５４及びそれぞれの右の垂直な穴２５、４５、５５を備えるよう 形成される。モジュール５０は好ましくは、発光体５８を含んだ左側の下方への 突起５６及び光センサ５９を含んだ右側の下方への突起５７とを備えるよう形成 される。これらの突起５６、５７は、整列を更に容易にするために、光学的ブロ ック２０中に対応して形成されたウェル２６、２７内へ嵌合する。更に、クラン プブロック４ ０は、２つの上方へと突出したピン４６、４７を有し、それらは、光学的ブロッ ク２０の下側にある対になる窪み内に嵌合する。要素２０は、好ましくは、ポリ スルホンプラスチックよりなり、一方、要素４０は、好ましくは、ポリカーボネ ートプラスチックよりなる。要素５０は、合致する熱膨張係数（ＣＴＥ）を有す る如何なる標準的プラスチックであってもよい。これは射出成形を容易にする。 図２は、組み立てた状態での上記のモジュールの断面図である。チューブ１０ は圧迫されてほぼ正三角形の断面形状となっている。モジュール５０の突起５６ 、５７は、発光体及び光センサがクランプブロック４０の窓４３と整列した状態 で、ブロック２０及び４０の内側ウェル５０内に収まっている。モジュール５０ の橋部分５１は、２つの突起５６、５７を連結しており、そしてそれぞれの対の 発光体電極５２ａ及び光センサ電極５２ｂが、図１に概念的に示された評価回路 ５への接続のためにモジュールの最上部から突出している。評価回路としては、 例えば、その一部を形成しているアナログ／デジタル交換機（ＡＤＣ）への10ビ ット入力を有する、MOTOROLAマイクロコントローラモデル68HC16Z1CFC16 を用い ることができよう。光の強度の測定値をデジタル型で得ることは、較正及び更な る処理を容易にする。 図３は、やはり左右の垂直な穴２４、２５を示している光学的ブロック２０の 上面透視図である。 図４は、クランプブロック４０のピン４６を受け入れる窪み２１及びクランプ ブロック４０のピン４７を受け入れる窪み２２を示している、光学的ブロック２ ０の底面透視図である。 図５は、光学的ブロック２０の上面図であり、ほぼ長方形の形の ウェル２６、２７を示している。 図６は、光学的ブロック２０の側面図であり、窪み２８が各末端においてほぼ 半円筒状であるが、その中央の長手部分に沿ってＶ字形となっていることを示し ている。 図７は、光学的ブロック２０の底面図であり、続く断面図のための切断線を示 している。 図７Ａは、図７の線７Ａ−７Ａに沿った断面図であり、窪み２８内のＶ字形の 溝を示している。 図７Ｂは、図７の線７Ｂ−７Ｂに沿った断面図であり、窪み２８の半円筒状の 部分を示している。 図７Ｃは、図７の線７Ｃ−７Ｃに沿った断面図であり、ウェル２７のテーパの ある側壁を示している。 図７Ｄは、図７の線７Ｄ−７Ｄに沿った断面図であり、窪み２１の形状を示し ている。 図７Ｅは、Ｖ字形溝の拡大断面図であり、それが好ましくは、Ｙ字の二股間に 60°の角度を備えたＹ字形の要素７を有することを示している。要素７は、光学 的要素２０の残り部分内に収まっている。 図８は、クランプブロック４０の上面透視図であり、図９は、その底面透視図 である。図１０は、その底面図であり、図１１はその倒置側面図である。 図１２は、上面図であり、続く図において使用された切断線を示す。 図１２Ａは、図１２の線１２Ａ−１２Ａに沿った断面図であり、突起４１、４ ２にある窓４３の末広がりの断面を示す。図１２Ｂは 、図１２のずれた線１２Ｂ−−１２Ｂに沿った断面図であり、突起４１の高さを 示す。図１２Ｃは、図１２Ｅの断面であり、窓４３が好ましくは、水平寸法にお いて90℃の末広がりであることを示す。 図１２Ｄは、図１２Ａの細部の拡大図であり、窓４３が好ましくは90°の垂直 方向の末広がりを有することをも示している。窓４３の好ましい寸法は、0.010 インチ（0.0254ｃｍ）−0.001 インチ（0.00254 ｃｍ）×0.08インチ（0.2032ｃ ｍ）−0.005 インチ（0.0127ｃｍ）である。 図１２Ｅは、突起４１又は４２の側面図であり、それらは本質的に互いの鏡像 である。 図１３は、光モジュール５０の拡大した、倒置側面図である。図１４は、その 端面図である。図１５は、発光体及び光センサから突出した電極を示している上 面図である。要素５０、５１、５２Ａ＋Ｂ、及び５４〜５９は、彼らの部品番号 OPB9940 の下に、OPTEK Technology，Inc.よりユニットとして調達される。発光 体５８は、好ましくは、100 ｍＷの最大電力損失及び順方向直流50ｍＡを有する 発光ダイオードである。光センサ５９は、好ましくは、コレクタ−エミッタ最高 電圧30Ｖ及びエミッタ−コレクタ最高電圧５Ｖを有するフォトトランジスタであ る。その電力損失もまた、100 ｍＷである。好ましくは、発光体５８が入力電流 約25ｍＡを有するとき、光センサ５９は出力電流を３〜９ｍＡの範囲に有する。 使用される光の波長は、好ましくは、赤外領域の約940 ｎｍであるが、他の波長 もまた適している。可視範囲外（400 〜700 ｎｍ）の波長が好ましい。 図１７は、光線ダイアグラムであり、食塩水がチューブ内にあるときには光線 又はビームの射出角が実質的に入射角と同じであり、一方、空気がチューブ内に あるときには射出角が食塩水のときに比して約12°高く、したがって空気が存在 するときにはビームは光センサ５９に達することができないことを示している。 代わりの一具体例（図示せず）においては、空気が存在するとき光を受け取り、 食塩水が存在するときにはビームを受け取らないように検出器をを整列させるこ とができる。 センサの較正及びセンサ出力信号の評価 どのセンサ出力レベルがチューブ内の空気を示しておりどのレベルがチューブ 内の食塩水を示しているかを決定するために、最初に光学的ブロック、チューブ 、及びクランプブロックを一つに組み立て、次いでセンサを較正することが必要 である。この較正は、チューブの内径（Ｉ．Ｄ．）、チューブの外形（Ｏ．Ｄ． ）、及びチューブの外表面の中心とチューブの内表面の中心との間に存在し得る 距離における製造誤差を補償する。もしも外表面及び内表面が完全に同心円を成 していないならば、これらの中心は互いに一致しない。 図１８は、較正プロセスにおける各ステップを図解している。このプロセスは 、好ましくは、上述のMOTOROLAマイクロコントローラモデル68HC16Z1CFC16 で作 動するコンピュータ言語Ｃで書かれたルーチンを用いて実行される。ステップ１ ０１においては、カウンタ及びメモリが初期化される。次いでステップ１０２に おいて、ディスプレー画面上のプロンプトに応答して液体ボトルがユーザによっ て取り付けられる。チューブラインは、ステップ１０３において、 このボトルからの液体でプライミング（充填）される。次いで、ステップ１０４ において、光センサの電気的出力信号が読まれ（サンプルされ）、２ミリ秒の遅 れの後、カウンタが増分される。ステップ１０５において、カウンタの内容が値 10に達したか否かを見るために試験が実施される。もし達していなければ、ステ ップ１０４を反復することによって、もう一回読み取りが行われる。もしその値 に達していたなら、この１０回のセンサ出力値がステップ１０６において平均化 される。ステップ１０７において、この平均値は、それが4.2 Ｖ ＤＣを超えて いるか否かを判定するために試験される。もし超えていれば、これは「エラー１ 」状態と見なされ、オペレータの介入が必要である。もし超えていなければ、判 断分枝１０９がステップ１１０へと導き、平均値を「sWater」と記憶する。次い でステップ１１１において、ボトルがユーザによって取り外され、そして、セン サの光路中に空気が存在することを補償するに十分な空気がチューブライン中に 導入される。 ステップ１１２においては、ステップ１０４と同様に、センサ出力信号が読ま れ、そしてカウンタが増分される。１０回の読み取りが行われたか否かを確認す るために、ステップ１０５と同様な試験が実行される。もしまだであれば、判断 分枝１１４がステップ１１２へと戻る。もし既にに行われていたならば、判断分 枝１１５はステップ１１６へ行き、そこで、１０回の読み取り値のうちの最大値 が「sAir」として記憶される。その後、式５Ｖ−（５Ｖ−sWater）×2/3（ここ にＶはボルトを意味する。）を評価することによって、閾値sAilthreshが、ステ ップ１１７において計算される。最終試験１１８は、sAilthres がsAir以上であ るか否かを確認する。もし も「以上」であれぱ、「エラー２」状態が存在すると見なされ、オペレータの介 入が必要である。もしも「以上」でなければ、プロセスは判断分枝１２０に従い 、sAilthreshが正しいと見なされ、そしてこの値が、ライン中液体の状態とライ ン中空気の状態との識別のための、センサの較正済み閾値として記憶される。す なわち、センサ出力信号がsAilthres より低いときには「ライン中空気」の指示 が発生され、一方信号がsAilthreshより高いときには、「ライン中液体」状態が 存在すると見なされる。 センサが組み立てられ較正された後は、チューブの幾何学によっては、空気を 表す信号出力レベルと食塩水を表すセンサ出力レベルに殆ど変動がない。 クランプブロックにある開口４３の寸法の変化は、チューブにどれだけ多くの 光が透過されるかに影響する。スロット幅の変動は、空気信号レベルと食塩水信 号レベルの双方の拡大・縮小をもたらす。より大きなスロット幅は、より大きな 受け取り電流をもたらす（これはより低い電圧をもたらす）。拡大・縮小因子は 、較正プロセスによって対処される。 本発明の概念の範囲内において種々の変更及び修正が可能である。従って、本 発明は、提示され記述された具体的実施例に限定されるのでなく、以下の請求の 範囲によって規定される。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 かなりな程度に直線的である経路に従う。しかしなが ら、チューブ内に空気があるときには、光は屈折されて 光センサから遠ざかり、低い読み取り強度を与える。光 センサにおいて受け取られた光の量を測定することによ り、空気と食塩水の何れがチューブ内にあるかを判定す ることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 正常には液体で満たされた透明な可撓性チューブライン（１０）中の空気 を検出するための光学的検出器であって、 光のビームを放射するのに適合させた発光体（５８）と、 該光のビームを受け取るよう整列させた光センサ（５９）と、 該透明なチューブラインを該光のビームを横切るように配置する支持ブロッ ク（４０）と、そして 該ビームが第１の屈折率を有する液体を通過するか又は第２の、異なった屈 折率を有する空気を通過するかに依って該チューブラインからの該光のビームの 射出角の差を最大にするために、該チューブライン（１０）を所定の断面形状へ と圧迫する成形型（２０）と、 を含む検出器。 ２． 該所定の断面形状が三角である、請求項１の光学的検出器。 ３． 中に該発光体（５８）及び光検出器（５９）とがそれぞれ支持されている ２つの突出部（５６、５７）を有する光モジュール（５０）を更に含み、そして 該成形型（２０）が該突出部（５６、５７）が受け入れられるそれぞれのウェル （２６、２７）を備えるよう形成されているものである、請求項１の光学的検出 器。 ４． 該支持ブロック（４０）が、該発光体（５８）からの光のビームが該チュ ーブ（１０）に入る前に通過する第１の窓（４３）と、該チューブ（１０）から 出た光のビームが該光センサ（５９）に到達するために通過する第２の窓（４３ ）とを備えるよう形成されているものである、請求項１の光学的検出器。 ５． 該発光体（５８）の電極に接続された出力端子と該光センサ（５９）の電 極に接続された入力端子とを有する評価及び制御回路（５）を更に含む、請求項 １の光学的検出器。