RU2820932C1 - Регулирующее устройство для перистальтического насоса, перистальтический насос, инъекционное устройство и способ управления перистальтическим насосом - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к регулирующему устройству для перистальтического насоса, перистальтическому насосу с таким регулирующим устройством, инъекционному устройству с таким перистальтическим насосом и способу управления перистальтическим насосом. Регулирующее устройство (8) для перистальтического насоса (5), которое подает среду в пульсирующих циклах давления, причем регулирующее устройство (8) выполнено с возможностью регулирования скорости перистальтического насоса (5) таким образом, чтобы обеспечить максимальный объемный расход (Q_макс) без того, чтобы при этом превысить предельное давление (р_{предельное}) в выходной магистрали (9). Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы поддерживать фактическое давление в выходной магистрали (9) как можно ближе к предельному давлению (р_{предельное}) или минимизировать расстояние до него. В качестве решения предложено для каждого цикла (Р) давления вычислять прогнозируемое давление (p_{будущее}) для ожидаемого максимального давления в течение цикла (Р) давления на основе, по меньшей мере, давления (р_факт) в выходной магистрали (9) и ограничивать максимальный объемный расход (Q_макс) с помощью указанного прогнозируемого давления таким образом, чтобы давление (р_факт) в выходной магистрали (9) не превышало предельное давление (р_{предельное}) в цикле (Р) давления. Техническим результатом изобретения является обеспечение более надежной работы перистальтического насоса при более высоком расходе среды и меньших колебаниях давления. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к регулирующему устройству для перистальтического насоса в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы, перистальтическому насосу с таким регулирующим устройством, инъекционному устройству с таким перистальтическим насосом и способу управления перистальтическим насосом.

Уровень техники

Инъекционные устройства представляют собой медицинские устройства, с помощью которых жидкие инъекционные вещества (среды) могут вводиться контролируемым образом в тело человека или животного с помощью насосного устройства. Например, под инъекционным веществом может пониматься контрастное вещество для повышения контрастности при процедуре визуализации, такой как компьютерная томография или магнитно-резонансная томография. Наряду с контролем инъектируемого объема, а также скорости потока (объемного расхода) инъекционного вещества необходимо отслеживать давление в выходной магистрали, поскольку, с одной стороны, слишком высокое давление может причинить вред организму и/или повредить инъекционное устройство. По этой причине известные инъекционные устройства предусматривают средства управления или регулирования, которые отключают инъекционное устройство или его насосное устройство при превышении допустимого предельного давления (максимального заданного давления), которое ниже заданного опасного давления. В частности, при циклически осциллирующих изменениях давления, например, в аксиально-поршневых или роликовых насосах, могут возникать максимумы давления, которые лишь кратковременно и незначительно превышают предельное значение давления, что приводит к ненужной остановке насосного устройства или прекращению процесса инъектирования. Это увеличивает во времени процесс инъектирования и излишне увеличивает общий инъектируемый объем инъекционного вещества.

Чтобы избежать преждевременного прекращения процесса инъектирования, в патентном документе US 6673033 В1 предложено определять промежуточный порог давления, при превышении которого производительность насосного устройства сначала уменьшают, а отключают насосное устройство только тогда, если после этого, несмотря на уменьшенную производительность, давление в трубопроводе инъектора превышает предельное значение давления.

Аналогично, из патентного документа DE 102013113387 А1 известно, что для перистальтического насоса в качестве критерия прекращения процесса инъектирования вместо жесткого предельного значения давления следует использовать интеграл по времени изменения давления с момента превышения предельного значения давления в качестве ориентира для прекращения процесса инъектирования, чтобы можно было допускать кратковременные скачки давления и не допускать того, чтобы кратковременное превышение предельного значения давления приводило к немедленному прекращению процесса инъектирования.

Недостатком современных способов регулирования инъекционных устройств, известных из уровня техники, является необходимость соблюдения больших интервалов безопасности, то есть предельное давление должно быть значительно ниже опасного давления, чтобы обеспечить достаточное время отклика для уменьшения мощности или отключения насосного устройства при превышении предельного давления.

Раскрытие сущности изобретения

Учитывая вышеуказанное, задачей изобретения является разработка усовершенствованного регулирующего устройства для перистальтического насоса с осциллирующим характером изменения давления (пульсацией давления), перистальтического насоса с таким регулирующим устройством, инъекционного устройства с таким перистальтическим насосом, а также способа регулирования, при котором безопасные интервалы могут быть уменьшены, а заданное предельное давление может быть подведено ближе к опасному давлению без увеличения риска причинения вреда пациентам и/или материалу инъекционного устройства. В то же время пульсации давления должны быть уменьшены.

Эта задача решена, в частности, с помощью регулирующего устройства по п. 1 формулы, перистальтического насоса по п. 14 формулы, инъекционного устройства по п. 16 формулы, а также с помощью регулирующего устройства по п. 17 формулы.

Регулирующее устройство согласно изобретению предназначено для регулирования перистальтического насоса со сжимаемым шлангом и циклически движущимися подающими элементами для подачи среды, направляемой в сжимаемом шланге, в выходную магистраль, соединенную со сжимаемым шлангом, во время процесса подачи с контролируемым объемным потоком. При этом подающие элементы циклически сжимают сжимаемый шланг, так что в выходной магистрали устанавливается давление, которое изменяется во времени и имеет циклически повторяющиеся циклы давления. Каждый цикл давления может быть определен таким образом, что он, например, проходит от минимального давления через повышение давления до максимального давления, а затем снова падает до минимального давления в последующем цикле давления. Регулирующее устройство согласно изобретению регулирует при этом скорость перистальтического насоса - в случае роликового насоса это может быть угловая скорость подающего элемента - таким образом, чтобы обеспечить максимальный объемный расход без превышения предельного давления в выходной магистрали. Предельное давление может представлять собой желаемое, но все же допустимое заданное давление. Для этого регулирующее устройство имеет по меньшей мере первый контур регулирования для регулирования максимального объемного расхода. Он получает заданный объемный расход и предельное давление в качестве заданных извне задающих величин. Регулирующее устройство выполнено таким образом, чтобы выполнять процедуру регулирования, при которой для каждого цикла давления рассчитывают прогнозируемое давление для ожидаемого максимального давления в рамках цикла давления на основе по меньшей мере давления в выходной магистрали, и с учетом прогнозируемого давления ограничивают максимальный объемный расход таким образом, чтобы давление в выходной магистрали не превышало предельное давление в цикле давления.

Целесообразно, чтобы первый контур регулирования регистрировал текущее давление в выходной магистрали в качестве параметра обратной связи, с помощью которого регулирующая часть контура регулирования заблаговременно регулирует максимальный объемный расход.

Благодаря заблаговременному регулированию скорость перистальтического насоса, в частности, подающих элементов перистальтического насоса, при угрозе превышения предельного давления, заблаговременно и упреждающе адаптируют, в частности, уменьшают. Поскольку прогнозирование давления увеличивает периоды реагирования, резервы безопасности увеличиваются. Допустимые предельные давления могут быть затем приближены к критическим значениям давления, таким как опасное давление, что, в свою очередь, означает увеличение объемного расхода и, следовательно, сокращение, например, продолжительности инъектирования для заданного объема инъектирования. Кроме того, поскольку при заблаговременном регулировании важность механики с высокой скоростью реакции снижается, для перистальтического насоса можно использовать компоненты с меньшей скоростью реакции, что удешевляет производство перистальтического насоса. При правильной конструкции регулирующего устройства нет необходимости в калибровке процедуры регулирования.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения первый контур регулирования включает в себя схему определения фазы давления, посредством которой определяют конец предыдущего цикла давления и начало следующего цикла давления. Определение может выполняться на основе характеристической величины изменения давления в выходной магистрали, в частности, определенного падения давления по сравнению с максимальным давлением в предыдущем цикле давления. Например, начало цикла давления может быть определено в момент времени, в который падение давления по сравнению с (абсолютным) максимумом давления предыдущего цикла давления происходит больше чем на определенную относительную величину, например, приблизительно по меньшей мере на 1/6, % или 1/3 или - независимо от предыдущего максимального давления - на абсолютную величину, например, по меньшей мере на 2 бар. При этом падение давления предпочтительно выбирают таким большим, чтобы это падение давления происходило только один раз в конце цикла давления. В этом случае возникновение этого падения давления является достаточно достоверным, чтобы указывать на начало последующего цикла давления. Если в типичном цикле давления наблюдаются большие колебания давления, можно в качестве замены использовать большие падения давления и/или инкрементные счетчики, которые подсчитывают количество падений давления на определенную минимальную величину, чтобы таким образом определить начало следующего цикла давления.

В начале каждого цикла давления заново инициируется регулирование максимального объемного расхода и, в частности, актуализируются промежуточно сохраненные (кэшированные) значения, такие как промежуточно сохраненное максимальное давление за предыдущий цикл давления.

Для дальнейшего совершенствования регулирующего устройства выгодно, чтобы каждый цикл давления был разделен на последовательные фазы давления на основе предварительно заданных характеристик, а схема определения фазы давления определяла начало каждой фазы давления, при этом прогнозируемое давление для регулирования максимального объемного расхода в первом контуре регулирования использовалось только на определенных фазах давления и игнорировалось или не использовалось на других фазах давления. Таким образом, регулирование является периодическим (прерывистым).

Преимущество такого регулирования, зависящего от фазы давления, заключается в том, что прогнозирование давления можно точно использовать в фазах давления, при которых изменение давления в выходной магистрали является динамическим, и превышение предельного давления может происходить сравнительно внезапно, так что на этих фазах давления максимальный объемный расход регулируют консервативно, в то время как на других фазах давления его регулируют более агрессивно поскольку внезапное превышение предельного давления на этих других фазах давления не ожидается. Другим преимуществом является то, что для разных фаз давления могут быть реализованы различные схемы регулирования, например, с включением или отключением дополнительных контуров регулирования, наложенных на первый контур регулирования, и/или с изменением параметров регулирования первого контура регулирования, например, коэффициентов усиления, используемых в нем, и т.п.

Вышеупомянутые предварительно заданные характеристики могут представлять собой абсолютные или относительные изменения давления и/или абсолютную или относительную скорость изменения давления в выходной магистрали. При этом под предварительно заданными характеристиками не обязательно понимают точечные значения. Например, можно выбрать скользящие средние за определенные промежутки времени, например, 0,1, 0,2 или 0,5 секунды.

Определение отдельных фаз давления с помощью схемы определения фазы давления может быть выполнено на основе предварительно заданных характеристик. Однако, в качестве альтернативы, отдельные фазы давления также могут быть определены с помощью схемы определения фазы давления по положению подающих элементов перистальтического насоса, поскольку положения подающих элементов, как более подробно описано ниже, коррелируют с отдельными фазами давления. Аналогичным образом, для схемы определения фазы давления можно комбинировать определение по предварительно заданным характеристикам и определение положения подающих элементов, идет ли речь одновременно об избыточном (резервном) определении отдельных фаз давления или речь идет об определении отдельных фаз давления по заданным характеристикам и других фаз давления по положению подающих элементов. Предпочтительно, чтобы определение фазы давления выполнялось с резервированием для повышения надежности. За счет этого снижаются подверженность ошибкам и, в частности, требования к отказоустойчивости отдельных компонентов и, как следствие, затраты на компоненты.

В одном варианте осуществления изобретения цикл давления характеризуется пятью последовательными фазами давления, причем первая фаза давления характеризуется быстрой потерей давления, вторая фаза давления характеризуется быстрым повышением давления, третья фаза давления характеризуется небольшим повышением давления, четвертая фаза давления характеризуется умеренным повышением давления, а пятая фаза давления характеризуется плато давления, по существу, с постоянным давлением, и каждую фазу давления определяют с помощью схемы определения фазы давления. Такое разделение цикла давления является хорошим приближением для циклов давления в инъекционных устройствах для внутривенного введения, например, контрастных веществ. При этом за отдельные фазы давления отвечают статическое и динамическое сопротивления давлению в выходной магистрали (и последующих линиях), которые, в частности, получаются вследствие открывающихся и закрывающихся обратных клапанов, дросселей, инерции масс транспортируемой среды и других воздействий. Для других применений фазы давления также могут быть определены иначе, чем в приведенном выше примере.

Предпочтительным является, если в первом контуре регулирования прогнозируемое давление для регулирования максимального объемного расхода используется только на четвертой фазе давления, то есть на фазе давления перед плато давления с (абсолютным) максимумом давления внутри цикла давления. Четвертая фаза давления предпочтительно определена в диапазоне, который колеблется от примерно 50% до примерно 80% продвижения фазы цикла давления. Под продвижением фазы понимают цикл давления во временном разрешении, т.е. цикл давления начинается при 0% продвижения фазы - это соответствует, например, минимальному давлению - и заканчивается при 100% - это соответствует минимальному давлению в последующем цикле давления. Поскольку прогнозируемое давление на четвертой фазе давления для расчета максимального объемного расхода "переключается" на первый контур регулирования, а в противном случае "отключается", это означает, что регулятор является периодическим (прерывистым). Такое ограничение на использование прогнозируемого давления позволяет отказаться от трудоемкого вычисления прогнозируемого давления на других фазах давления.

Прогнозируемое давление может быть определено в простом и, следовательно, предпочтительном варианте путем линейной экстраполяции текущего повышения давления в выходной магистрали на определенное (расчетное) продвижение фазы, которое предпочтительно может находиться в диапазоне от 80% до 95% общего продвижения фазы и, например, на уровне 80%, 90% или 95% общего продвижения фазы и, в частности, на уровне 87% общего продвижения фазы. При использовании прогнозируемого давления только на четвертой фазе давления точность прогнозирования линейной экстраполяции является достаточно точной даже при сильно осциллирующем характере изменения давления в цикле давления. Также возможны другие способы вычисления для определения прогнозируемого давления, в частности экстраполяция на основе временного ряда.

При этом целесообразно, чтобы определенное (расчетное) продвижение фазы, используемое для определения прогнозируемого давления, было выбрано фиксированным образом и составляло, например, постоянно 87% общего продвижения фазы. Это определенное продвижение фазы может - но не обязательно - соответствовать реальному продвижению фазы, при котором наблюдаются реальные максимальные давления в циклах давления. Таким образом, фактические максимальные давления могут возникать при фактических продвижениях фазы, которые предшествуют или даже отстают от определенного (расчетного) продвижения фазы, составляющего в примере 87% общего продвижения фазы.

Определенное продвижение фазы предпочтительно выбирают и устанавливают вычислительным образом таким образом, чтобы получать прогнозируемые давления, которые максимально точно отражают фактические максимальные давления в последовательных циклах давления. Определенное (расчетное) продвижение фазы, на которое экстраполируется прогнозируемое давление, может быть при этом смещено в сторону реального продвижения фазы, при котором наблюдается реальное максимальное давление, если в результате получается лучшее прогнозируемое давление.

В конкретном применении изобретения регулирующее устройство регулирует роликовый насос. Преимущество роликовых насосов заключается в том, что они не меняют направления, поэтому роликовые насосы особенно хорошо подходят для точного дозирования инъектируемых доз в инъекционных устройствах. Кроме того, поскольку транспортируемая среда в роликовых насосах транспортируется в сжимаемом шланге, в роликовых насосах отсутствует непосредственный контакт между транспортируемой средой и насосом, что является преимуществом по гигиеническим соображениям. Кроме того, сжимаемый шланг можно легко заменить.

Поэтому объектом изобретения также является роликовый насос с вращающимся ротором, несколькими подающими элементами для сжимания сжимаемого шланга, выполненными в виде роликов (сжимающих роликов), расположенных на роторе, при этом сжимаемый шланг расположен вдоль ложа шланга с входной зоной и выходной зоной, причем при вращении ротора подающие элементы, каждый, последовательно герметично сжимают один участок сжимаемого шланга при вхождении подающих элементов в ложе шланга на высоте входной области и до выхода подающих элементов из ложа шланга на высоте выходной зоны и, тем самым, проталкивают среду, находящуюся в сжимаемом шланге, в направлении вращения противоположно динамическому давлению в выходной магистрали, в выходную магистраль, соединенную со сжимаемым шлангом, причем роликовый насос содержит регулирующее устройство согласно изобретению.

При этом каждый объем сжимаемого шланга, находящийся перед выходной зоной, сжимается с максимального объема до минимального объема, пока подающий элемент не выйдет из ложа шланга на высоте выходной зоны, высвобождая участок сжимаемого шланга, сжатый этим подающим элементом, и, таким образом, объем сжимаемого шланга, находящийся перед выходной зоной, увеличивается с минимального объема до максимального объема. Уменьшение объема и увеличение объема, расположенного перед выходной зоной, в совокупности представляют собой полный цикл давления.

Кроме того, роликовый насос имеет предпочтительно n равномерно распределенных в радиальном направлении подающих элементов, так что роликовый насос при полном обороте ротора на 360° выполняет n ходов насоса с n циклами давления. Количество роликовых элементов, например, равно трем.

Поскольку каждый подающий элемент принимает участие в цикле давления только на определенном угловом участке, а именно на угловом участке, в котором подающий элемент играет „ведущую" роль по отношению к выходной зоне или, соответственно, к выходной магистрали, то в этом угловом участке угловое положение подающего элемента коррелирует с продвижением фазы цикла давления. Таким образом, отдельные угловые диапазоны углового положения подающих элементов в пределах углового участка также коррелируют с отдельными фазами давления в цикле давления.

Это выгодным образом обеспечивает возможность определения фазы давления по угловому положению одного из подающих элементов, в частности, "ведущего" подающего элемента. Вместо подверженного ошибкам определения фазы давления по предварительно заданным характеристикам, которые могут быть ненадежными, целесообразно, чтобы схема определения фазы давления регулирующего устройства определяла начало по меньшей мере одной фазы давления в цикле давления по угловому положению подающего элемента.

Чтобы избежать использования датчиков положения для определения углового положения подающих элементов, угловое положение целесообразно определять опосредованно, например, путем интегрирования по времени угловой скорости подающих элементов или ротора роликового насоса. Угловая скорость ротора обычно доступна непосредственно с помощью управляющего устройства роликового насоса. Как показано выше, абсолютное угловое положение ведущего подающего элемента может быть приблизительно определено за счет падения давления на минимальную величину.

В дальнейшем варианте осуществления изобретения первый контур регулирования содержит фильтр средних значений, который адаптирует максимальный объемный расход в зависимости от максимального давления, промежуточно сохраненного (кэшированного) в регулирующем устройстве, в цикле давления, непосредственно предшествующем текущему циклу давления. Это позволяет компенсировать ошибки в измерении давления в выходной магистрали. Кроме того, фильтр средних значений может демпфировать колебательные характеристики контура регулирования и, в частности, может быть предотвращен или по меньшей мере уменьшен выброс регулируемой величины. Целесообразно, чтобы предыдущее измеренное максимальное давление возвращалось в первый контур регулирования как отношение измеренного максимального давления к предельному давлению (заданному давлению), и на основе этого устанавливался новый заданный объемный расход. Таким образом, отклонение между фактически возникающим максимальным давлением и предельным давлением (заданным давлением) может уменьшаться с каждым циклом.

Предпочтительно, первый контур регулирования представляет собой ПИД-регулятор с пропорциональным звеном, интегральным звеном и дифференциальным звеном. С помощью ПИД-регулятора возможно быстрое и точное приближение регулируемой величины к задающим величинам.

В дифференциальном звене предпочтительно обрабатывают прогнозируемое давление для регулирования максимального объемного расхода. Однако в дифференциальном звене могут учитываться и другие параметры обратной связи, например, скорость изменения скорости вращения ротора перистальтического насоса и/или скорость изменения объемного расхода.

Дифференциальное звено предпочтительно устанавливают равным 0 в определенные фазы давления. Это позволяет при необходимости отключить упреждающее регулирующее воздействие.

Кроме того, регулирующее устройство может включать в себя средство управления для сглаживания пиков давления в циклах давления. Средство управления предпочтительно представляет собой адаптер скорости.

Адаптер скорости предпочтительно выполнен таким образом, чтобы при каждом определенном продвижении цикла давления заданная скорость подающего элемента перистальтического насоса по сравнению со средней заданной скоростью перед завершением цикла давления понижалась на определенную величину до пониженной заданной скорости и/или после завершения цикла давления повышалась на определенную величину до повышенной заданной скорости и удерживалась в каждом случае в течение определенного периода удержания.

Поскольку при переходе от одного цикла давления к следующему циклу давления давление - и, следовательно, затраты на подачу - быстро падает, требования к производительности перистальтического насоса также резко меняются. Следовательно, для поддержания постоянным заданного объемного расхода, при переходе между предыдущим и последующим циклами давления необходимо уменьшить или даже обратить (затормозить) производительность перистальтического насоса. Это вредно не только с энергетической точки зрения. Предлагаемое средство управления позволяет на короткое время увеличить скорость вращения перистальтического насоса или подающих элементов и, соответственно, на короткое время увеличить максимальный объемный расход при изменении цикла давления. За счет увеличения заданного объемного расхода или скорости вращения в начале цикла давления может быть уменьшено падение давления, а затем может быть быстрее достигнут уровень давления, необходимый для инъектирования. За счет уменьшения заданного объемного расхода или скорости вращения в конце цикла давления повышение давления может быть растянуто во времени. Это создает дополнительные запасы надежности.

Скорость подающих элементов скачкообразно увеличивается до повышенной заданной скорости после завершения цикла давления и затем линейно снижается по истечении периода удержания до пониженной заданной скорости подающего элемента. Это позволяет снизить пики нагрузки.

Все периоды удержания могут быть одинаковой или разной продолжительности. Увеличение и уменьшение заданной скорости целесообразно равны в количественном отношении. Например, скорость перистальтического насоса может быть увеличена или уменьшена в процентах на заданную долю средней заданной скорости, причем изменение скорости предпочтительно составляет от 20% до 40% от средней заданной скорости и, в частности, может быть на 20%, 30% или 40% выше или ниже средней заданной скорости.

Особенно предпочтительно, чтобы средство управления накладывалось посредством адаптера скорости на первый контур регулирования. Это позволяет учитывать изменение, вызванное средством управлением, в качестве модифицированной задающей величины заданной скорости вращения в первом контуре регулирования. При этом скорость вращения и заданный объемный расход рассматриваются в рамках данного изучения как прямо пропорциональные друг другу и, следовательно, взаимозаменяемые. Как оказалось, влияние первого контура регулирования со схемой прогнозирования давления и влияние средства управления при этом взаимно усиливаются, так что добротность регулирования регулирующего устройства может быть сверхпропорционально увеличена.

Процесс подачи перистальтического насоса регулярно включает в себя более одного, в частности, более пяти и, особенно предпочтительно, более десяти циклов давления.

Согласно другому аспекту изобретения, предложено инъекционное устройство для введения инъекционного вещества в организм животного или человека с помощью перистальтического насоса, выполненного в виде роликового насоса, которое содержит регулирующее устройство в соответствии с изобретением для регулирования роликового насоса. С помощью инъекционных устройств с таким регулирующим устройством для роликовых насосов могут быть достигнуты равномерные циклы давления с малыми амплитудами давления.

Согласно еще одному аспекту изобретения, предложен способ регулирования для перистальтического насоса, который имеет сжимаемый шланг и циклически перемещающиеся подающие элементы для подачи среды, направляемой в сжимаемом шланге, во время процесса подачи с контролируемым объемным расходом в выходную магистраль, соединенную со сжимаемым шлангом, при этом подающие элементы циклически сжимают сжимаемый шланг, так что в выходной магистрали устанавливается давление, которое изменяется во времени и имеет циклически повторяющиеся циклы давления, причем каждый цикл давления имеет минимальное давление, повышение давления, максимальное давление и падение давления, при этом в способе регулирования скорость перистальтического насоса регулируют таким образом, чтобы обеспечить максимальный объемный расход без того, чтобы при этом превысить предельное давление в выходной магистрали, при этом способ регулирования содержит первый контур регулирования для регулирования максимального объемного расхода, который принимает в качестве задающих величин заданный объемный расход и предельное давление, причем для каждого цикла давления вычисляют прогнозируемое давление для ожидаемого максимального давления в цикле давления на основе давления в выходной магистрали. Затем максимальный объемный расход ограничивают с учетом прогнозируемого давления таким образом, чтобы давление в выходной магистрали не превышало предельное давление в цикле давления.

Прочие признаки и выгодные варианты осуществления изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы и нижеследующего описания, в котором изобретение иллюстрируется на примере вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых в равной степени упоминаются регулирующее устройство согласно изобретению, способ согласно изобретению, а также роликовый насос согласно изобретению и инъекционное устройство согласно изобретению.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1: схематическое изображение инъекционного устройства для инъектирования контрастного вещества с роликовым насосом,

Фиг. 2: подробное изображение роликового насоса с подающими элементами,

Фиг. 3: диаграмма типичного временного изменения давления роликового насоса, а также связанных с ним фаз давления и временного изменения угла поворота подающих элементов,

Фиг. 4: диаграмма типичного изменения давления в роликовом насосе, регулируемом в соответствии с изобретением, со схемой определения фазы, а также схемой прогнозирования давления,

Фиг. 5: принципиальная схема регулирующего устройства в соответствии с изобретением,

Фиг. 6: изменение давления в случае выходной магистрали, связанной с регулирующим откликом регулирующего устройства с фиг. 5,

Фиг. 7А: диаграмма зависящего от фазы давления управления максимальным объемным расходом в регулирующем устройстве согласно изобретению, а также

Фиг.7В: диаграмма изменения давления, объемного расхода и угловой скорости для роликового насоса с управлением объемным расходом, показанным на фиг. 7А (слева), и без управления объемным расходом (справа).

Осуществление изобретения

На фигурах одинаковые или сопоставимые компоненты, функции или элементы снабжены одинаковыми или сопоставимыми ссылочными обозначениями. При повторяющемся использовании ссылочных обозначений делается ссылка на соответствующее описание, приведенное ранее.

На фиг. 1 показано инъекционное устройство 1 для внутривенного введения инъекционного вещества. Инъекционное устройство 1 имеет основной корпус, закрепленный на роликах, на верхнем конце которого расположены несколько контейнеров 2а, 2b, 2с для инъекционных веществ. В контейнерах 2а, 2b, 2с для инъекционных веществ хранятся контрастные вещества и физиологический раствор. Контейнеры 2а, 2b, 2с для инъекционных веществ соединены со сжимаемым шлангом 4 через линию 3 подачи. Сжимаемый шланг 4 вложен в ложе 6 шланга роликового насоса 5 и со стороны выхода соединен с выходной магистралью 9, которая, в свою очередь, может быть подсоединена через соединяющуюся с ней (не показанную на рисунке) трубку пациента и через катетер к системе кровообращения пациента.

Роликовый насос 5 имеет три ролика 5-1, 5-2, 5-3, установленных с возможностью поворота на приводимом с помощью электродвигателя роторе 7, которые проходят вдоль показанного на фиг. 2 ложа 6 шланга перистальтического насоса 5, и при этом сжимаемый шланг 4 на некоторых участках прижимается к упору в ложе 6 шланга, так что при вращении ротора 7 вокруг его оси вращения инъекционное вещество, находящееся в сжимаемом шланге 4, подается порциями в выходную магистраль 9 противоположно динамическому давлению в выходной магистрали 9. Инъекционное устройство 1 содержит регулирующее устройство 8 для регулирования роликового насоса 5 (и других компонентов инъекционного устройства 1).

На фиг. 2 показан подробный вид в аксонометрии роликового насоса 5. Как видно из фиг. 2, сжимаемый шланг 4 проходит на угол около 260° - относительно оси X вращения роликового насоса 5 - между входной зоной 6-1 ложа 6 шланга и выходной зоной 6-2 ложа 6 шланга. Поскольку три ролика 5-1, 5-2, 5-3 расположены на роторе 7 равномерно на угловом расстоянии 120° друг от друга, по меньшей мере два ролика всегда находятся между входной зоной 6-1 и выходной зоной 6-2 ложа 6 шланга и прижимают сжимаемый шланг 4 к упору ложа 6 шланга. Таким образом, сжимаемый шланг 4 всегда сжимается по меньшей мере в двух местах во время работы роликового насоса.

Ротор 7 перистальтического насоса вращается в направлении вращения - на изображении фиг. 2 по часовой стрелке - так, чтобы сжатые участки сжимаемого шланга 4 перемещались в направлении вращения вместе с роликами 5-1, 5-2, 5-3. При этом между двумя сжатыми участками образуется герметичный для жидкости участок шланга с определенным объемом, так что находящееся в нем инъекционное вещество, заключенное между двумя роликами 5-1, 5-2, 5-3, перемещается в направлении вращения до выходной зоны 6-2. Когда в выходной зоне 6-2 ролик 5-1 начинает отрываться от ложа 6 шланга, инъекционное вещество может подаваться в участок шланга противоположно динамическому давлению, которое имеется в остальной части выходной магистрали 9. На фиг. 2 ролик 5-1 уже полностью вышел из выходной зоны 6-2 в направлении вращения (таким образом, сжимаемый шланг 4 больше не сжимается роликом 5-1), и инъекционное вещество подается в участок шланга противоположно динамическому давлению, которое имеется в остальной части выходной магистрали 9.

В выходной магистрали 9 расположен показанный на фиг. 5 датчик 9-1 давления, который непрерывно измеряет имеющееся в нем давление р_факт и передает его в регулирующее устройство 8.

В результате циклического выхода ролика 5-1 в выходной зоне 6-2 в выходной магистрали 9 получается характерное изменение давления р_факт с циклически повторяющимися циклами Р давления. Характерное изменение давления р_факт с несколькими циклами Р, Р', Р'' давления показано в качестве примера на фиг. 3 сверху в виде кривой, изменяющейся во времени. В течение цикла Р давления давление колеблется между минимальным давлением р_мин в начале цикла Р давления, сначала быстро увеличивается, затем переходит в область умеренного повышения давления и достигает кратковременного плато давления или максимального давления р_макс перед тем, как давление резко упадет и начнется следующий цикл Р' давления.

Начало цикла Р давления при этом коррелирует с выходом первого ролика 5-1 из ложа 6 шланга в выходной зоне 6-2, и в этот момент второй ролик 5-2 находится в угловом положении, обозначенном на фиг. 2 ссылочным обозначением ϕ₀. Этот второй ролик 5-2 в этот момент (и до выхода через выходную зону 6-2) представляет собой ведущий ролик и при дальнейшем вращении продолжает уменьшать объем находящегося перед ним сжимаемого шланга 4 противоположно динамическому давлению в выходной магистрали 9, что приводит к характеристическому повышению давления. Когда этот второй ролик покидает ложе 6 шланга в выходной зоне 6-2, т.е. примерно в угловом положении, обозначенном на фиг. 2 ссылочным обозначением ϕ_120°, сжатие сжимаемого шланга 4 в этой области прекращается, так что объем увеличивается практически мгновенно до следующего третьего ролика 5-3. Это приводит к характерному падению давления в конце цикла Р давления.

Как видно на фиг. 3, изменение давления в начале цикла давления является сравнительно крутым (область II), пока обратный клапан 9-2, расположенный в выходной магистрали 9 (см. фиг. 5), все еще закрыт. Как только будет достигнуто давление начала закрытия обратного клапана 9-2, обратный клапан 9-2 откроется, и в результате повышение давления уменьшится (область III). В этот момент времени необходимо привести в движение столб жидкости инъекционного вещества в выходной магистрали 9 и трубке пациента, расположенной ниже по потоку, противоположно инерции масс и прочим дроссельным сопротивлениям, что является причиной дальнейшего повышения давления. Дальнейшее повышение давления происходит в области IV, что связано с еще одним обратным клапаном в катетере. После преодоления сопротивления давлению устанавливается квазистатическое состояние потока с приблизительно постоянным давлением (область V), прежде чем давление снова упадет при выходе ролика из ложа 6 шланга (область I).

Таким образом, за один полный оборот ротора 7 каждый из трех роликов 5-1, 5-2, 5-3 один раз пройдет через диапазон углов между ϕ_0° и ϕ_120°, обозначенный как ϕ_р, создавая цикл Р давления. Таким образом, диапазон ϕ_Р углов здесь включает в себя угол ϕ_i° между 0° и 120°, называемый углом фазы давления, причем подстрочным индексом i обозначается угол. Очевидно, что угол ϕ_i° фазы давления при этом непосредственно связан с угловым положением ϕ ротора 7 или отдельного ролика через модульное соотношение ϕ_i°=ϕ mod 120°.

Для наглядности изменение во времени угла ϕ_i° фазы давления показано на фиг. 3 снизу.

Для того чтобы фактический объемный расход Q_факт в выходной магистрали 9 был как можно ближе к заданному объемному расходу, необходимо подвести фактическое изменение давления р_факт как можно ближе к все еще допустимому предельному давлению р_{предельное}. При этом, в настоящем примере осуществления изобретения роликовый насос 5 должен быть отрегулирован на максимальный объемный расход Q_макс без того, чтобы превысить допустимое предельное давление р_{предельное}. Предельное давление р_{предельное}, следовательно, также можно рассматривать как (максимальное) заданное давление для давления р_факт. Выше предельного значения р_{предельное} на фиг. 3 дополнительно изображено опасное давление р_{опасное}, при котором наносится непоправимый вред устройству или пациенту. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы опасное давление р_{опасное} ни в коем случае не превышалось.

В отличие от шприцевых насосов, в которых поршень вдвигается в цилиндр с контролируемой скоростью, в роликовых насосах из-за пульсаций давления соблюдение предельного давления р_{предельное} значительно затрудняется. По этой причине известные роликовые насосы должны регулярно выдерживать высокие давления, соответствующие запасу прочности (расстояние между р_{предельное} и р_{опасное}), чтобы избежать того, что в случае превышения предельного давления р_{предельное} уже в начале цикла давления опасное давление р_{опасное} не будет достигнуто или даже превышено во время дальнейшего протекания цикла давления.

Чтобы устранить этот системный недостаток, регулирующее устройство 8 в этом примере выполнения предусматривает регулирование в соответствии со схемой регулирования, показанной на фиг. 5. Регулирующее устройство 8 содержит второй контур 10 регулирования для регулирования (угловой) скорости ω вращения ротора 7 роликового насоса 5, регулятор скорости насоса (ПИД-регулятор скорости насоса), который в качестве задающей величины принимает максимальный объемный расход Q_макс и преобразует его в заданную (угловую) скорость ω_{заданная} вращения или соответствующее ей вращающееся поле для управления роликовым насосом. Фактическая (угловая) скорость ω_факт вращения возвращается в виде измеряемой величины, а отклонение между заданной и фактической (угловой) скоростью вращения минимизируется с помощью обратной связи.

Для определения максимального объемного расхода Q_макс ко второму контуру 10 регулирования подключен первый контур 11 регулирования, которому в качестве задающих величин извне задают заданный объемный расход Q_{заданный}, а также допустимое предельное давление р_{предельное}. В качестве параметров обратной связи берут - без изменений - заданный объемный расход Q_{заданный}, измеренное в выходной магистрали 9 давление р_факт, и измеренную на роликовом насосе 5 угловую скорость ω_факт вращения ротора 7 роликового насоса 5 в первом контуре 11 регулирования. От измерения и возврата фактического объемного расхода Q_факт в выходной магистрали 9 можно отказаться.

Первый контур 11 регулирования выполнен в виде периодического (прерывистого) ПИД-регулятора, который по-разному регулирует регулируемую величину максимального объемного расхода Q_макс в зависимости от того, в какой фазе давления находится цикл давления.

Первый контур 11 регулирования включает в себя схему 12 определения фазы давления с помощью коммутационного детектора 12-1 фаз давления и переключателя 12-2 фаз давления, схему 13 прогнозирования давления, а также первую регулирующую часть 14 и вторую регулирующую часть 15.

Коммутационный детектор 12-1 фаз давления предназначен для определения начала фазы давления. Для этого он постоянно сравнивает текущее давление р_факт с эталонным значением, а именно с промежуточно сохраненным (кэшированным) максимальным давлением р_макс предыдущего цикла Р давления, и устанавливает начало цикла Р давления в момент времени, когда происходит падение давления р_факг в выходной магистрали 9 более чем на 1/6 по сравнению с промежуточно сохраненным (кэшированным) максимальным давлением р_макс. В этот момент времени один из роликов 5-1, 5-2, 5-3 роликового насоса 5 будет находиться примерно в угловом положении, обозначенном как ϕ_0° на фиг. 2. Угол ϕ_i° фазы давления устанавливают равным нулю, т.е. ϕ_0°=0^o, и он служит эталонным значением для определения последующих фаз давления во время дальнейшего протекания цикла Р давления. В качестве текущей фазы давления устанавливают "Фазу I".

Переключатель 12-2 фаз давления переключает или увеличивает номер отдельных фаз давления со II по V. Отдельные фазы давления или начало отдельных фаз давления определяют по углу ϕ_i°. Угол ϕ_i° фазы давления, в свою очередь, регистрируют или аппроксимируют, исходя из эталонного значения ϕ_0°, посредством интегрирования по времени фактической угловой скорости вращения роликового насоса.

Различные фазы давления с I по V определяют следующим образом:

Начало первой фазы I давления определяют по падению давления более чем на 1/6 по сравнению с максимальным давлением в предыдущем цикле давления. Начало второй фазы II давления назначают на момент времени, в который или после которого достоверно начнется повышение давления. Это достоверное повышение давления можно установить и определить с помощью соответствующего показателя изменения давления. Третья фаза III давления соответствует первой фазе сжатия, начало которой определяют при угле фазы давления 45° (это соответствует продвижению фазы 37,5% от полного диапазона ϕ_Р углов). Четвертую фазу IV давления определяют при угле фазы давления 60° (продвижение фазы 50%). Начало пятой фазы V давления устанавливают при угле фазы давления 97,2° (продвижение фазы 81%).

Отдельные фазы давления с I по V из нескольких последовательных циклов Р, Р', Р'' давления показаны на фиг. 4.

Посредством схемы 12 определения фазы давления активируют первую регулирующую часть 14, когда текущий цикл Р давления находится в четвертой фазе IV давления. Во всех остальных фазах давления (с I по III и на V) первая регулирующая часть 14 отключена, т.е. установлена на ноль.

Первая регулирующая часть 14 представляет собой дифференциальное звено ПИД-регулятора. В нем рассчитывается поправочный коэффициент Q_D, который вычитается из заданного объемного расхода Q_{заданный}. Он рассчитывается как отношение прогнозируемого давления реющее (или Р_{прогнозируемое}) и предельного давления р_{предельное}, умноженное на текущий рассчитанный максимальный объемный расход Q_макс по формуле:

где K_D представляет собой фиксированный коэффициент усиления.

При этом прогнозируемое давление р_{будущее} постоянно предоставляют с помощью схемы 13 прогнозирования давления. Прогнозируемое давление р_{будущее} определяют как линейную экстраполяцию текущего давления р_факт в определенный угол фазы давления 105° (или при продвижении фазы 87,5%) по формуле

причем определяет производную по времени измеренного давления р_факт, определяет отношение текущего угла фазы давления ϕ_i=t в момент времени t и угла фазы давления при продвижении фазы 87,5% (это соответствует углу фазы давления 105° при полном диапазоне ϕ_Р углов, равном 120°). Прогнозируемое давление представляет собой прогноз ожидаемого максимального давления в текущем цикле давления при заданном угле фазы давления. Прогнозируемое давление p_{будущее} показано с течением времени на фиг. 4.

Термины "прогнозное давление" и "прогнозируемое давление" следует понимать как синонимы.

Вторая управляющая часть 15 представляет собой пропорционально-интегральное звено ПИД-регулятора. В нем рассчитывается поправочный коэффициент Q_I, который вычитается из заданного объемного расхода Q_{заданный} и рассчитывается по трем компонентам α, β, γ:

Первая компонента а второй управляющей части 15 представляет собой фильтр средних значений, который адаптирует максимальный объемный расход Q_макс посредством отношения максимального давления р_макс непосредственно предшествующего цикла Р давления к предельному давлению р_{предельное}, умноженного на коэффициентусиления К_I, в соответствии с формулой

Максимальное давление р_макс каждого цикла давления для этого промежуточно сохраняется (кэшируется) в памяти регулирующего устройства 8. Ошибки измерения давления р_факт могут быть сглажены с помощью фильтра средних значений.

Вторая компонента β второй регулирующей части 15 представляет собой пропорциональное звено, которое увеличивает (усиливает) поправочный коэффициент Q_D, рассчитанный в предыдущем цикле Р давления первой регулирующей частью 14, на коэффициент усиления K_D→I в соответствии с формулой

Поскольку первая регулирующая часть 14 вычисляет поправочный коэффициент Q_D только на фазе IV давления, вторая компонента β второй регулирующей части 15 равна нулю, когда цикл давления выходит за пределы фазы IV давления.

Третья компонента у второй регулирующей части 15 представляет собой интегральное звено, рассчитываемое из суммы предыдущих поправок объемного расхода Q_ln-1 отдельных фаз давления текущего цикла давления по формуле

где n описывает количество циклов давления, a Q_ln-1 описывает поправку объемного расхода последовательных циклов давления.

Три компоненты α, β, γ второй регулирующей части складывают в поправочную величину Q_I (Q_I=α+β+γ), и затем указанную поправочную величину Q_I вычитают из заданного объемного расхода Q_{заданный}.

Таким образом, максимальный заданный объемный расход Q_макс получается из заданного объемного расхода Q_{заданный} за вычетом поправочных величин Q_D и Q_I первой и второй регулирующих частей 14 и 15 (Q_макс=Q_{заданный} - Q_I - Q_D).

Выполненное таким образом регулирующее устройство 8 позволяет заблаговременно регулировать и адаптировать производительность роликового насоса 5 или скорость ω его вращения. Поскольку максимальный объемный расход Q_макс на фазах давления с I по III и V рассчитывают иначе, чем на фазе IV давления, говорят о периодическом (прерывистом) регулировании.

Регулирующий отклик в случае пережатой, непроницаемой для жидкости выходной магистрали 9 показан на диаграмме фиг. 6, содержащей шесть последовательных циклов давления от А до F измеренного давления р_факт, прогнозируемое давление р_{будущее}, рассчитанное с помощью схемы 13 прогнозирования давления, и соответствующие фазы давления с I по V отдельных циклов давления от А до F. В результате пережатия выходной магистрали 9 абсолютное максимальное давление р_макс постоянно увеличивается в каждом цикле давления: р^А _макс<р^В _макс<р^С _макс<Р^D _макс и т.д.

При этом прогнозируемое давление p_{будущее} превышает предельное давление р_{предельное} в четвертой фазе IV давления впервые в цикле F давления. Остальные превышения прогнозируемым давлением р_{будущее} предельного давления р_{предельное} в других фазах, например, в цикле D давления в фазе II давления, не учитываются, поскольку регулирующее устройство 8 с помощью регулирующей части 14 учитывает прогнозируемое давление р_{6удущее} только в фазе IV давления.

Поскольку каждая четвертая фаза IV давления начинается уже с угла фазы давления 60° (или при продвижении фазы 50%), максимальный заданный объемный расход Q_макс в цикле F давления и, следовательно, скорость ω_факг вращения уменьшается регулирующим устройством 8 с началом фазы IV давления в цикле F давления. Уменьшение (дросселирование) скорости ω_факт вращения в начале фазы IV хорошо видно на фиг. 6. Превышение предельного давления р_{предельное} не возникает из-за достаточного времени между обнаружением надвигающегося превышения предельного давления р_{предельное} и появлением максимального одавления р^F _макс<p_{предельное}.

Для достижения выравнивания изменения давления p_факт, т.е. для уменьшения амплитуды, регулирующее устройство 8 согласно примеру осуществления, показанному на фиг. 5, может быть дополнено не показанным на фиг. 5 средством управления, что позволяет увеличить или уменьшить максимальный заданный объемный расход Q_{заданный} в зависимости от продвижения фазы. При этом это средство управления управляет задающей величиной заданного объемного расхода Q_{заданный} таким образом, чтобы заданный объемный расход Q_{заданный} к началу цикла давления был увеличен на 30% до повышенного заданного объемного расхода Q₊, а к концу цикла давления уменьшен на 30% до пониженного заданного объемного расхода Q.. При этом измененный заданный объемный расход Q_{заданный} каждый раз удерживают в течение периода удержания х-hold. При этом период удержания x-hold может соответствовать некоторому продвижению фазы, например 25%, или продолжительности фазы I. За счет аналогичной адаптации к повышенному или пониженному заданному объемному расходу Q₊ или Q. средний заданный объемный расход остается неизменным в течение цикла Р давления. Соответствующее задание заданного объемного расхода показано на фиг. 7А для цикла Р давления с фазами давления с I по V. Как видно из фиг. 7А, при этом заданный объемный расход Созданный в начале цикла Р давления резко увеличивается до объемного расхода Q₊, а затем линейно уменьшается до пониженного заданного объемного расхода Q. Измененная таким образом задающая величина заданного объемного расхода Q_{заданный}, которая теперь является переменной во времени в течение цикла Р давления, подается в первый контур 11 регулирования.

Такое управление обеспечивает более плавное изменение давления с меньшими колебаниями давления и, в частности, сглаженными пиками давления. Это показано на фиг. 7 В: На фиг. 7 В показан график давления для нескольких циклов давления от А до F, причем заданный объемный расход Q_{заданный} в циклах давления от А до С и в начале цикла D давления был адаптирован в соответствии с переменным заданным объемным расходом Q_{заданный} согласно фиг. 7А, а в последующих циклах давления был задан постоянный заданный объемный расход. Как видно из фиг. 7 В, это позволяет снизить пики давления р_макс в циклах давления А, В и С по сравнению с пиками давления р_макс в циклах давления D, Е и F.

Другим эффектом такого управления является также то, что мощность двигателя перистальтического насоса 5 не должна быть резко снижена или даже замедлена после внезапного падения давления в конце цикла Р давления для поддержания постоянного объемного расхода. Это позволяет экономить электроэнергию и снижает шум двигателя.

Поскольку заданный объемный расход Q_{заданный} приблизительно прямо пропорционален угловой скорости ω_факт вращения перистальтического насоса 5, угловая скорость ω_факт вращения перистальтического насоса 5 (за вычетом неточностей измерений и влияния регулирующего контура) будет иметь кривую изменения, сравнимую с кривой изменения заданного объемного расхода Q_{заданный}. Следовательно, вместо заданного объемного расхода можно также увеличить угловую скорость ω_{заданная} вращения перистальтического насоса в зависимости от фазы давления до повышенной заданной скорости ω₊ в начале цикла давления и/или уменьшить до пониженной заданной скорости ω_- в конце цикла давления.

Изобретение, проиллюстрированное в раскрытых примерах осуществления, обеспечивает более надежную работу перистальтического насоса при более высоком расходе среды и меньших колебаниях давления.

Помимо перистальтических насосов, регулирующее устройство может также использоваться для других насосов с циклически повторяющимися циклами давления, таких как мембранные насосы с колеблющейся мембраной, поршневые насосы с возвратно-поступательными поршнями, синусоидальные насосы или шестеренчатые насосы. Регулирующее устройство согласно настоящему изобретению особенно подходит для применений, в которых по системным причинам невозможно использовать предохранительные клапаны, поскольку они спускают указанную среду.

Список ссылочных обозначений

I - V - Фазы давления в цикле давления

р_{предельное} - Предельное давление (заданное давление)

р_{будущее} - Прогнозируемое давление

р_{опасное} - Опасное давление

Р - Цикл давления (период)

Q_макс - Максимальный объемный расход

Q_{заданный} - Заданный объемный расход

X - Ось вращения (роликового насоса)

ϕ_i° - Угол фазы давления (при угле i)

ϕ_факт - Угловая скорость вращения роликового насоса / роликов 5-1, 5-2, 5-3 (фактическое значение)

ω_{заданная} - Угловая скорость вращения (заданное значение)

1 - Инъекционное устройство

2а-с - Контейнеры для инъекционных веществ

3, 3', 3'' - Линия подачи

4 - Сжимаемый шланг

5 - Перистальтический насос (роликовый насос)

5-1 - Ролик (сжимающий ролик)

5-2 - Ролик (сжимающий ролик)

5-3 - Ролик (сжимающий ролик)

5' - Ведущий ролик

6 - Ложе шланга

6-1 - Входная зона

6-2 - Выходная зона

7 - Ротор

8 - Регулирующее устройство

9 - Выходная магистраль

9-1 - Датчик давления (линия инъектирования)

9-2 - Обратный клапан (линия инъектирования)

10 - Второй контур регулирования (контроллер скорости насоса)

11 - Первый контур регулирования

12 - Схема определения фазы давления

12-1 - Коммутатор фаз давления

12-2 - Переключатель фаз давления

13 - Схема прогнозирования давления

14 - Первая регулирующая часть

15 - Вторая регулирующая часть

Claims (22)

1. Регулирующее устройство (8) для перистальтического насоса (5) со сжимаемым шлангом (4) и циклически движущимися подающими элементами (5-1, 5-2, 5-3) для подачи среды, направляемой в сжимаемом шланге (4), во время операции подачи с контролируемым объемным расходом в выходную магистраль (9), соединенную со сжимаемым шлангом (4), в котором подающие элементы (5-1, 5-2, 5-3) выполнены с возможностью циклического сжатия сжимаемого шланга (4) таким образом, чтобы в выходной магистрали (9) установился характер изменения давления (р_факт), который имеет циклически повторяющиеся циклы (Р) давления, причем каждый цикл (Р) давления включает в себя минимальное давление, повышение давления, максимальное давление и падение давления, причем регулирующее устройство (8) выполнено с возможностью регулирования скорости перистальтического насоса (5) таким образом, чтобы обеспечить максимальный объемный расход (Q_макс) без того, чтобы при этом превысить предельное давление (р_{предельное}) в выходной магистрали (9), при этом регулирующее устройство (8) содержит первый контур (11) регулирования для регулирования максимального объемного расхода (Q_макс), который выполнен с возможностью приема в качестве задающих величин заданного объемного расхода (Q_{заданный}) и предельного давления (р_{предельное}) и с возможностью осуществления способа регулирования,

отличающееся тем, что для каждого цикла (Р) давления предусмотрена возможность вычисления прогнозируемого давления (р_{будущее}) для ожидаемого максимального давления в течение цикла (Р) давления на основе, по меньшей мере, давления (р_факт) в выходной магистрали (9) и ограничения максимального объемного расхода (Q_макс) с учетом прогнозируемого давления (р_{будущее}) таким образом, чтобы давление (р_факт) в выходной магистрали (9) не превышало предельного давления (р_{предельное}) в цикле (Р) давления.

2. Регулирующее устройство (8) по п. 1, отличающееся тем, что первый контур (11) регулирования включает в себя схему (12) определения фазы давления, выполненную с возможностью определения конца предыдущего цикла (Р) давления и начала следующего цикла (Р') давления по характеристической величине, в частности заданному падению давления по сравнению с максимальным давлением (р_макс) предыдущего цикла (Р) давления, чтобы инициировать регулирование максимального объемного расхода (Q_макс) для последующего цикла (Р) давления.

3. Регулирующее устройство (8) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что каждый цикл (Р) давления на основе предварительно заданных характеристик, в частности изменения давления и/или скорости изменения давления (р_факт), разделен на последовательные фазы (от I до V) давления, причем схема (12) определения фазы давления выполнена с возможностью определения начала отдельной фазы (от I до V) давления либо на основании предварительно заданных характеристик и/или на основании положения подающих элементов (5-1, 5-2, 5-3) перистальтического насоса (5), причем прогнозируемое давление (р_{будущее}) для регулирования максимального объемного расхода (Q_макс) в первом контуре (11) регулирования используется только на определенных фазах давления, а на других фазах давления игнорируется или не используется.

4. Регулирующее устройство (8) по п. 3, в котором первая фаза (I) давления характеризуется быстрой потерей давления, вторая фаза (II) давления характеризуется быстрым повышением давления, третья фаза (III) давления характеризуется незначительным повышением давления, четвертая фаза (IV) давления характеризуется умеренным повышением (IV) давления, а пятая фаза (V) давления характеризуется плато давления с практически постоянным давлением, причем каждая фаза давления определяется с помощью схемы (12) определения фазы давления.

5. Регулирующее устройство (8) по п. 4, отличающееся тем, что в первом контуре (11) регулирования прогнозируемое давление (р_{будущее}) для ограничения максимального объемного расхода (Q_макc) используется только на четвертой фазе (IV) давления, при этом четвертая фаза (IV) давления предпочтительно и приблизительно перемещается в диапазоне цикла (Р) давления от 50 до 80% продвижения фазы цикла (Р) давления.

6. Регулирующее устройство (8) по любому из предыдущих пп. 2-5, отличающееся тем, что схема (12) определения фазы давления выполнена с возможностью определения начала по меньшей мере одной фазы цикла (Р) давления на основании изменения (Δр) давления (р_факт) и/или скорости изменения (dp/dt) давления (р_факт).

7. Регулирующее устройство (8) по любому из предыдущих пп. 2-6, отличающееся тем, что в способе регулирования определение прогнозируемого давления (р_{будущее}) предпочтительно предусмотрено как линейная экстраполяция текущего повышения давления (р_факт) на определенное расчетное продвижение фазы (ϕ_87%) цикла (Р) давления.

8. Регулирующее устройство (8) по п. 7, отличающееся тем, что в способе регулирования определенное расчетное продвижение фазы (ϕ_87%), при котором определяется прогнозируемое давление (р_{будущее}), не совпадает с фактическим продвижением фазы (ϕ_81%), при котором возникает фактическое максимальное давление (р_макс) цикла (Р) давления.

9. Регулирующее устройство (8) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что первый контур (11) регулирования включает в себя фильтр средних значений, выполненный с возможностью адаптации максимального объемного расхода (Q_макс) в зависимости от максимального давления (р_макс), промежуточно сохраненного в регулирующем устройстве (8), к циклу (Р) давления, непосредственно предшествующему текущему циклу (Р) давления.

10. Регулирующее устройство (8) по любому из предыдущих пп. 3-9, отличающееся тем, что первый контур (11) регулирования представляет собой ПИД-регулятор с пропорциональным звеном (Р), интегральным звеном (I) и дифференциальным звеном (D), причем предпочтительно дифференциальное звено на определенных фазах давления, в частности на первой фазе (I) давления, второй фазе (II) давления, третьей фазе (III) давления и пятой фазе (V) давления, установлено в ноль.

11. Регулирующее устройство (8) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что регулирующее устройство (8) включает в себя средство управления для сглаживания пиков давления (р_факт) в отдельных циклах (Р) давления, при этом это средство управления выполнено в виде адаптера скорости, посредством которого каждый раз при определенном продвижении цикла давления заданная скорость (ω_{заданная}) подающего элемента (5-1, 5-2, 5-3) перистальтического насоса (5) относительно средней заданной скорости перед завершением цикла (Р) давления снижается на определенную величину до пониженной заданной скорости (ω_-) и/или после завершения цикла (Р) давления увеличивается на определенную величину до повышенной заданной скорости (ω₊) и удерживается каждый раз в течение определенного периода удержания.

12. Регулирующее устройство (8) по п. 11, отличающееся тем, что скорость (со)подающего элемента (5-1, 5-2, 5-3) увеличивается скачкообразно на определенную величину после завершения цикла (Р) давления, а затем линейно снижается до пониженной заданной скорости (со)подающего элемента (5-1, 5-2, 5-3).

13. Регулирующее устройство (8) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что операция подачи включает в себя более одного, в частности, более пяти и, особенно предпочтительно, более десяти циклов давления.

14. Перистальтический насос в виде роликового насоса (5) с вращающимся ротором (7) и регулирующим устройством (8) по любому из предыдущих пунктов, в котором подающие элементы (5-1, 5-2, 5-3) предназначены для сжатия сжимаемого шланга (4) и выполнены в виде роликов, расположенных на роторе (7), при этом сжимаемый шланг (4) расположен вдоль ложа (6) шланга с входной зоной (6-1) и выходной зоной (6-2), и при этом подающие элементы (5-1, 5-2, 5-3) выполнены с возможностью, при вращении ротора (7), последовательного герметичного сжатия по одному отрезку сжимаемого шланга (4) при входе подающих элементов (5-1, 5-2, 5-3) в ложе (6) шланга на высоте входной зоны (6-1) и до выхода подающих элементов (5-1, 5-2, 5-3) из ложа (6) шланга на высоте выходной зоны (6-2), и тем самым с возможностью подачи среды, находящейся в сжимаемом шланге (4), в направлении вращения, противоположном динамическому давлению в выходной магистрали (9), в выходную магистраль (9),

при этом предусмотрена возможность сжатия каждого объема сжимаемого шланга (4), расположенного перед выходной зоной (6-2), от максимального объема до минимального объема до тех пор, пока один подающий элемент (5-1, 5-2, 5-3) не выйдет из ложа (6) шланга на высоте выходной зоны (6-2), и при этом участок сжимаемого шланга (4), сжатый указанным подающим элементом (5-1, 5-2, 5-3), высвобождается, и, таким образом, объем сжимаемого шланга (4), расположенный перед выходной зоной (6-2), увеличивается от минимального объема до максимального объема, при этом уменьшение объема и последующее увеличение объема, расположенного перед выходной зоной (6-2), в совокупности образуют полный цикл (Р) давления,

причем роликовый насос (5) предпочтительно имеет n радиально равномерно распределенных подающих элементов (5-1, 5-2, 5-3), так чтобы при полном повороте ротора (7) на 360° роликовый насос (5) выполнял n ходов насоса с n циклами (Р) давления,

и при этом каждая фаза (с I по V) давления цикла (Р) давления по существу соответствует определенному диапазону углов углового положения (ϕ) подающего элемента (5-1, 5-2, 5-3).

15. Насос по п. 14, отличающийся тем, что схема (12) определения фазы давления выполнена с возможностью определения начала по меньшей мере одной фазы (с I по V) давления цикла (Р) давления опосредованно по угловому положению (ϕ) подающего элемента (5-1, 5-2, 5-3).

16. Инъекционное устройство (1) для инъектирования инъекционного вещества в организм животного или человека с помощью перистальтического насоса, выполненного в виде роликового насоса (5), отличающееся тем, что инъекционное устройство (1) содержит перистальтический насос (5) по любому из предыдущих пп. 14 или 15.

17. Способ регулирования для перистальтического насоса (5) со сжимаемым шлангом (4) и циклически движущимися подающими элементами (5-1, 5-2, 5-3) для подачи среды, направляемой в сжимаемом шланге (4), во время операции подачи с контролируемым объемным потоком в выходную магистраль (9), соединенную со сжимаемым шлангом (4), при этом подающие элементы (5-1, 5-2, 5-3) циклически сжимают сжимаемый шланг (4), так что в выходной магистрали (9) устанавливается характер изменения давления (р_факт), который имеет циклически повторяющиеся циклы (Р) давления, причем каждый цикл давления имеет минимальное давление, повышение давления, максимальное давление и падение давления, причем в способе регулирования регулируют скорость перистальтического насоса (5) таким образом, чтобы обеспечить максимальный объемный расход (Q_макс) без того, чтобы при этом превысить предельное давление (р_{предельное}) в выходной магистрали (9), при этом в способе регулирования предусмотрен первый контур (11) регулирования для регулирования максимального объемного расхода (Q_макс), который принимает в качестве задающих величин заданный объемный расход (Q_{заданный}) и предельное давление (р_{предельное}),

при этом способ отличается тем, что для каждого цикла (Р) давления вычисляют прогнозируемое давление (р_{будущее}) для ожидаемого максимального давления (р_макс) в течение цикла (Р) давления на основе давления (р_факт) в выходной магистрали (9) и ограничивают максимальный объемный расход (Q_макс) с учетом прогнозируемого давления (p_{будущее}) таким образом, чтобы давление (р_факт) в выходной магистрали (9) не превышало предельного давления (р_{предельное}) в цикле (Р) давления.