用于确定流体的流速和/或颗粒浓度的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种确定在腔室(2)中流动的流体的流速和/或流体的颗粒浓度的方法，该方法包括以下步骤：‑借助于第一换能器(61)产生给定频率的超声波束，使得通过超声波束与腔室(2)之间的交汇区域的所有流体成分都受到第一换能器(61)的声波作用；‑借助于第二换能器(62)接收由在腔室(2)的声波区域中的流体成分产生的多普勒频移超声信号；‑在采集时间内采集由第二换能器(62)接收的超声信号；‑获得被采集的超声信号的多普勒功率谱；‑通过一方面获得的多普勒功率谱与另一方面表示多普勒功率谱的模型之间的调整来确定流体的流速和/或流体的颗粒浓度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定流体的流速和/或颗粒浓度的方法和装置
本专利技术涉及一种利用多普勒频移超声波回波来确定在腔室中流动的流体的流速和/或颗粒的浓度的方法。本专利技术还涉及一种测量装置，用于确定在腔室中流动的流体的流速和/或颗粒的浓度。本专利技术的方法和装置可用于确定任何异质流体、乳状液或更普遍地说任何包含颗粒的流体(诸如全血、骨髓、脑脊液之类的细胞悬浮液，或诸如矿浆或泥浆之类的矿物悬浮液)的流速和/或浓度。
技术介绍
诸如标准化医疗设备内的声透析血液分离之类的新兴流体技术的实施要求非侵入性的方法来估算评估和控制过程。应选择此类方法以提供对物理参数的可靠估算，而不损害流体及其成分的完整性。在需要监测的参数中，流体流速是特别重要的，特别是对于确定流体流是否稳定。存在几种技术可以对流体的流速进行准确和稳健的估算。已知技术的例子包括光学技术或电磁技术。超声波技术，尤其是基于多普勒效应的技术，具有非侵入性、廉价和易于在各种装置中实施的优点。根据多普勒效应方程，在腔室内流体流稳定的情况下，对由流体的颗粒运动产生的多普勒功率谱(DPS)的最大频率的测量能够简单估算流体的最大速度。然后，能够通过Hagen-Poiseuille方程从这种估算中计算出流体的流速。然而，由于固有的频谱展宽，准确估算多普勒功率谱的最大频率不是一个简单的问题，即使在误差源有限的可控环境中也是如此。因此，流速和其他相关参数，如流体成分的浓度的估算是不准确的。本专利技术正是为了弥补这些缺点，提出了一种方法和装置，使能够准确地确定在腔室中流动的流体的流速和/或颗粒的浓度，与此同时易于使用和实施，并且没有现有技术的缺点。
技术实现思路
为此，根据一个方面，本专利技术的主题是一种用于确定在腔室中流动的流体的流速和流体的颗粒浓度的方法，该方法包括以下步骤：-借助于第一换能器产生在所述颗粒的散射频率范围内选择的给定频率的超声波束，使得通过超声波束和腔室之间的交汇区域I的所有流体成分都受到第一换能器的声波作用；-借助于第二换能器接收由腔室的声波区域中的流体成分产生的多普勒频移超声信号；-在采集时间内采集由第二换能器接收的超声信号；-获得所采集的超声信号的多普勒功率谱；通过在一方面获得的多普勒功率谱与另一方面表示多普勒功率谱的模型之间进行调整来确定腔室中流动的流体的流速和声波区域中的流体的所述颗粒浓度，其中表示多普勒功率谱的模型是腔室的声波区域中的流体的流速、声波区域中流体的所述颗粒浓度、垂直于流动方向的腔室横截面积以及超声波束与腔室之间的交汇区域的平行于流动方向的宽度的函数。本专利技术的方法可以通过在被测量的多普勒功率谱(DPS)和被建模的DPS之间进行调整或“拟合”，来以简单的方式确定流体的流速，其中被建模的DPS表示为流体的流速、腔室的横截面积和超声波束与腔室之间的交汇区域的宽度的函数。由于腔室的横截范围和超声波束与腔室之间的交汇区域的宽度能够通过实验固定下来，所以在被采集的DPS和被建模的DPS之间进行调整能够直接得到流体的流速。以一种有利的方式，本专利技术的方法具有有限数量的步骤，并且易于实施。该方法的计算步骤，尤其是用于对获得的DPS和被建模的DPS之间进行调整的计算步骤，可以借助任何适当的计算装置来实施。特别地，计算装置可以是计算机或任何电子计算单元，其有利地与用于通过该方法采集所需测量值的采集系统连接，并且包括用于根据被采集的测量值执行该方法全部或部分计算步骤的计算装置。本专利技术的用于估算流体流速的方法的可靠性已被证明是强大的，甚至在约0.1mL/min的低流速下也是如此。根据一个实施例，该方法使得多普勒频移超声信号是由腔室2的所述声波区域中的流体成分产生的，而所述声波区域中的流体的所述颗粒浓度具有已知的浓度值，并且该方法包括以下步骤：通过在一方面获得的多普勒功率谱与另一方面表示多普勒功率谱的模型之间进行调整来确定在腔室中流动的流体的流速，其中表示多普勒功率谱的模型是腔室的声波区域中流体的流速、声波区域中流体的所述颗粒浓度、垂直于流动方向的腔室横截面积以及超声波束与腔室之间的交汇区域的平行于流动方向的宽度的函数，其中所述声波区域中的流体的所述颗粒浓度被固定为所述已知的浓度值。根据另一方面，本专利技术主题是一种方法，其中，多普勒频移超声信号是由腔室2的声波区域中的流体成分产生的，而在腔室中流动的流体的流速具有已知的流速值，并且该方法包括以下步骤：通过在一方面获得的多普勒功率谱与另一方面表示多普勒功率谱的模型之间进行调整来确定所述声波区域中的流体的所述颗粒浓度，其中表示多普勒功率谱的模型是腔室的声波区域中的流体的流速、所述声波区域中的流体所述的颗粒浓度、垂直于流动方向的腔室横截面积以及超声波束与腔室之间的交汇区域的平行于流动方向的宽度的函数，其中腔室的所述声波区域中的流体的流速被固定为所述已知的流速值。根据这个方面，本专利技术可以通过在被测量的多普勒功率谱(DPS)与被建模的DPS之间进行调整或“拟合”，来以简单的方式确定流体的流速和液体的颗粒浓度，其中被建模的DPS是流体的流速、声波区域中的流体的颗粒浓度、腔室的横截面积和超声波束与腔室之间的交汇区域的宽度的函数。由于腔室的横截面积和超声波束与腔室之间的交汇区域的宽度能够通过实验固定下来，所以在被采集的DPS和被建模的DPS之间进行调整能够直接得到流体的流速和流体的颗粒浓度。该方法的优点是步骤的数量有限，并且能够借助适当的计算装置轻松实施。本专利技术的方法，在上述它的任何方面中，都适用于确定低至0.1mL/min的流速。特别地，与现有技术中已知的方法相比，本专利技术的方法在低流速下的灵敏度较高。根据另一个方面，本专利技术的主题是一种方法，其包括以下步骤：-在包括多普勒功率谱最大频率的整个频率范围内计算获得的多普勒功率谱的积分；-通过在获得的多普勒功率谱的积分与表示多普勒功率谱的积分模型之间进行调整来确定所述声波区域中的流体的颗粒浓度，其中表示多普勒功率谱的积分的模型是所述声波区域中的流体的所述颗粒浓度的函数，例如校准函数。根据这个方面，本专利技术可以通过在多普勒功率谱的积分与模型之间进行调整或“拟合”来确定流体的颗粒浓度。这种调整能够直接得到液体的颗粒浓度。在具体实施例中，该方法使得流体是血液，并且通过计算获得的多普勒功率谱的最大频率来确定红细胞的体积浓度H(血细胞比容)。根据一个实施例，在获得的多普勒功率谱与模型之间进行调整，或者在多普勒功率谱的积分与模型的积分之间进行调整，是通过使用优化算法实现的。特别地，优化算法可以包括使用预定准则表示的成本函数的最小化。这样的优化算法在本专利技术的上下文中易于使用，流速和/或颗粒浓度是使成本函数最小的参数。对于本专利技术的方法，在其上述任一方面中，可以使用解调方法获得所采集的超声信号的多普勒功率谱。本专利技术能够用于任何异质流体、乳状液或任何包含颗粒的流体，诸如全血、骨髓、脑脊液之类的细胞悬浮液，或诸如矿浆或泥浆之类的矿物悬浮液。如上文所述，本专利技术的方法尤其适用于确定不透明流体的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定在腔室(2)中流动的流体的流速和流体的颗粒浓度的方法，所述方法包括以下步骤：/n-借助于第一换能器(61)产生在所述颗粒的散射频率范围内选择的给定频率的超声波束，使得通过所述超声波束与腔室(2)之间的交汇区域(I)的所有流体成分都受到第一换能器(61)的声波作用；/n-借助于第二换能器(62)接收由腔室(2)的声波区域中的流体成分产生的多普勒频移超声信号；/n-在采集时间内采集由第二换能器(62)接收的超声信号；/n-获得所采集的超声信号的多普勒功率谱；/n-通过在一方面获得的多普勒功率谱与另一方面表示多普勒功率谱的模型之间进行调整来确定腔室(2)中流动的流体的流速和声波区域中的流体的所述颗粒浓度，其中表示多普勒功率谱的模型是腔室的声波区域中流体的流速、声波区域中流体的颗粒浓度、垂直于流动方向的腔室横截面积以及超声波束与腔室之间的交汇区域的平行于流动方向的宽度的函数。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181221 EP 18306815.41.一种用于确定在腔室(2)中流动的流体的流速和流体的颗粒浓度的方法，所述方法包括以下步骤：
-借助于第一换能器(61)产生在所述颗粒的散射频率范围内选择的给定频率的超声波束，使得通过所述超声波束与腔室(2)之间的交汇区域(I)的所有流体成分都受到第一换能器(61)的声波作用；
-借助于第二换能器(62)接收由腔室(2)的声波区域中的流体成分产生的多普勒频移超声信号；
-在采集时间内采集由第二换能器(62)接收的超声信号；
-获得所采集的超声信号的多普勒功率谱；
-通过在一方面获得的多普勒功率谱与另一方面表示多普勒功率谱的模型之间进行调整来确定腔室(2)中流动的流体的流速和声波区域中的流体的所述颗粒浓度，其中表示多普勒功率谱的模型是腔室的声波区域中流体的流速、声波区域中流体的颗粒浓度、垂直于流动方向的腔室横截面积以及超声波束与腔室之间的交汇区域的平行于流动方向的宽度的函数。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多普勒频移超声信号是由腔室(2)的所述声波区域中的流体成分产生的，而所述声波区域中的流体的所述颗粒浓度具有已知的浓度值，以及
所述方法包括以下步骤：通过在一方面获得的多普勒功率谱与另一方面表示多普勒功率谱的模型之间进行调整来确定在腔室(2)中流动的流体的流速，其中表示多普勒功率谱的模型是腔室的声波区域中的流体的流速、声波区域中流体的所述颗粒浓度、垂直于流动方向的腔室横截面积以及超声波束与腔室之间的交汇区域的平行于流动方向的宽度的函数，其中所述声波区域中的流体的所述颗粒浓度被固定为所述已知的浓度值。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多普勒频移超声信号是由腔室(2)的声波区域中的流体成分产生的，而在所述腔室(2)中流动的流体的流速具有已知的流速值，以及
所述方法包括以下步骤：通过在一方面获得的多普勒功率谱和另一方面表示多普勒功率谱的模型之间进行调整来确定所述声波区域中的流体的所述颗粒浓度，其中表示多普勒功率谱的模型是腔室的声波区域中的流体的流速、所述声波区域中的流体的所述颗粒浓度、垂直于流动方向的腔室横截面积以及超声波束与腔室之间的交汇区域的平行于流动方向的宽度的函数，其中腔室的所述声波区域中的流体的流速被固定为所述已知的流速。


4.根据权利要求1或3所述的方法，包括以下步骤：
-在包括所述多普勒功率谱的最大频率在内的整个频率范围内计算获得的多普勒功率谱的积分；
-通过在获得的多普勒功率谱的积分和表示多普勒功率谱的积分的模型之间进行调整来确定所述声波区域中的流体的颗粒浓度，其中表示所述多普勒功率谱的积分的模型是所述声波区域中的流体的所述颗粒浓度的函数，例如校准函数。


5.根据权利要求1或3所述的方法，其中，所述流体是血液并且红细胞的体积浓度通过计算获得的多普勒功率谱的最大频率来确定。


6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：让·普罗沃，耶利米·加什兰，巴普蒂斯特·皮亚洛，奥利弗·库蒂尔，伊曼纽尔·文森特，
申请(专利权)人：艾尼蒂斯科技公司，国立卫生研究所，法国国家科学研究中心，巴黎工业物理化学学校，
类型：发明
国别省市：法国;FR