Stanull, Michael (Bahnhofstrasse 62 Obertshausen, D-63179, DE)
Wackenreuther, Matthias (Kisselgasse 20 Saulheim, D-55291, DE)
Schüttler, Eva-maria (Marbachweg 57 Frankfurt/Main, D-60435, DE)
Lohberg, Jochen (Frankfurter Strasse 91 Wöllstadt, D-61206, DE)
Stanull, Michael (Bahnhofstrasse 62 Obertshausen, D-63179, DE)
Wackenreuther, Matthias (Kisselgasse 20 Saulheim, D-55291, DE)
Schüttler, Eva-maria (Marbachweg 57 Frankfurt/Main, D-60435, DE)
Lohberg, Jochen (Frankfurter Strasse 91 Wöllstadt, D-61206, DE)
| 1. | Verfahren zur nichtinvasiven Innendruckmessung in elastischen Gefäßen, bei dem eine Kraft an der Man telfläche des Gefäßes gemessen und der Innendruck mit Hilfe einer Differenz aus der gemessenen Kraft und einem im voraus abgeschätzten Relaxationsver lauf des Gefäßes ermittelt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß der Relaxationsverlauf nach Beginn der Messung wiederholt überprüft wird. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Relaxationsverlauf mit Hilfe eines Mitte lungsverfahrens ermittelt wird. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mittelwertbildung auf mindestens zwei un terschiedliche Arten erfolgt, die sich durch ihre Glättungsbreite unterscheiden. |
| 4. | Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß fortlaufend eine Differenz der Mittelwerte mit unterschiedlichen Glättungsbreiten gebildet wird. |
| 5. | Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Periodizität der gemesse nen Kraft ermittelt und eine Fensterbreite der Mit telwertbildung zumindest von Zeit zu Zeit auf die Periodizität abgestimmt wird. |
| 6. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man fortlaufend eine erste Grenze bildet, die sich daraus ergibt, daß der Re laxationsverlauf monoton fällt, und eine zweite Grenze, die sich daraus ergibt, da$ die Steigung des Relaxationsverlaufs abnimmt, und eine Verände rung des Innendrucks erkannt wird, wenn der Relaxa tionsverlauf eine der beiden Grenzen überschreitet. |
| 7. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Vorhersage des Relaxa tionsverlaufs wiederholt Stützstellen bestimmt. |
| 8. | Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstellen in eine Initialisierungsphase an vorgegebenen Zeitpunkten und in einer Meßphase nach einer vorbestimmten Änderung des vorhergesag ten Relaxationsverlaufs ermittelt werden. |
| 9. | Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß Stützstellen nicht ermittelt werden, solange eine Änderung des Innendrucks erkannt wird. |
| 10. | Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Relaxationsverlauf anhand der Stützstellen mit Hilfe eines nichtlinearen Op timierungsverfahrens vorhergesagt wird. |
| 11. | Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorhersage in der Initialisierungsphase stützstellengesteuert und in der Meßphase zeitge steuert erfolgt. |
| 12. | Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Optimierung eine vorbestimmte An zahl der zuletzt ermittelten Stützstellen verwende tet wird. |
| 13. | Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß der Relaxationsverlauf anhand der Stützstellen mit Hilfe eines mathemati schen Modells des Schlauches vorhergesagt wird. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur nichtinvasiven Innendruckmessung in elastischen Gefaen, bei dem eine Kraft an der Mantelfläche des Gefäßes gemessen und der Innendruck mit Hilfe einer Differenz aus der gemessenen Kraft und einem im voraus abgeschätzten Relaxationsver- lauf des Gefäßes ermittelt wird.
In einer Reihe von Anwendungsfällen möchte man den In- nendruck in einem Schlauch oder einem anderen Gefäß er- mitteln, ohne daß man eine Verbindung zum Inneren des Schlauches herstellen muS. Dies gilt insbesondere im medizinischen Bereich, wo man die Gefahr einer Infekti- on des Patienten dadurch klein halten möchte, daß man Keimen möglichst wenig Zutrittsöffnungen schafft. An- wendungsbeispiele sind Blutwäsche bei Dialyse-Patienten oder der AnschluS einer Herz-Lungen-Maschine.
Es ist nun bekannt, daS viele der Materialien, die für die GefäGe, insbesondere für Schläuche, verwendet wer-
den, ein Kriechverhalten haben, so daß auch bei kon- stantem Innendruck mit der Zeit eine Veränderung der gemessenen Kraft auftritt. Dies täuscht den Abfall des Innendrucks im Schlauch vor.
Es ist daher in EP 0 501 234 B1 vorgeschlagen worden, der eigentlichen Meßzeit eine Vorbereitungszeit vorzu- schalten, in der der Schlauch aber einen längeren Zeit- raum verformend vorgespannt wird. Man nimmt dabei an, daß nach dieser Zeit keine Kriechvorgänge mehr auftre- ten und das ermittelte Signal, nämlich die Reaktions- kraft, eine zutreffende Aussage über den tatsächlich im Schlauch herrschenden Innendruck gibt.
Eine verbesserte Messung ergibt sich bei einem Verfah- ren, das in der nachveröffentlichten DE 197 47 254 A1 beschrieben ist. Hier geht man davon aus, daß das Mate- rial des Gefäßes auch nach einer gewissen Zeit noch kriechen wird. Man berücksichtigt dieses Verhalten, das auch Relaxationsverhalten genannt wird, durch eine Funktion, für die die nötigen Parameter vor der Messung ermittelt werden. Bei der Messung berücksichtigt man dann die Differenz zwischen den gemessenen Werten und der mit Hilfe der Parameter vorhergesagten oder im vor- aus abgeschätzten Relaxationsfunktion, um den eigentli- chen Innendruck zu errechnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einfacher Innendruckmessung eine gute Genauigkeit zu erzielen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge- nannten Art dadurch gelöst, daß der Relaxationsverlauf nach Beginn der Messung wiederholt überprüft wird.
Mit der Relaxationsfunktion macht man im Grunde eine Vorhersage über das künftige Verhalten des Gefäßes. Er- findungsgemäß wird nun nach Beginn der Messung aber- prüft, ob die Vorhersage zutrifft oder nicht. Im letz- ten Fall wird die Vorhersage korrigiert, so daß man das Relaxationsverhalten des Gefäßes mit einer höheren Zu- verlässigkeit vorhersagen kann. Bei der weiteren Mes- sung kann man dann davon ausgehen, da3 die Differenz zwischen dem Relaxationsverlauf des Gefäßes und der ge- messenen Kraft um so genauer ist, je kürzer die letzte Vorhersage des Relaxationsverlaufs zurückliegt. Hierbei kommt hinzu, daß im Laufe der Zeit immer mehr Meßwerte zur Verfügung stehen. Je mehr Meßwerte zur Verfügung stehen, desto genauer kann man den Relaxationsverlauf nachbilden. Je genauer die Nachbildung ist, desto grö- ßer ist die Wahrscheinlichkeit, daß zumindest für die nähere Zukunft die Vorhersage"stimmt". Damit läßt sich auf einfache Art und Weise eine höhere Genauigkeit bei der Innendruckmessung erzielen. Da die Meßwerte der Kraft ohnehin zur Verfügung stehen, ist lediglich ein geringfügig höherer Aufwand bei der Verarbeitung der Meßwerte erforderlich. Dieser Aufwand läßt sich aber mit heute zur Verfügung stehenden Prozessuren leicht bewältigen.
Vorzugsweise wird der Relaxationsverlauf mit Hilfe ei- nes Mittelungsverfahrens ermittelt. Dies ist insbeson- dere dann von Vorteil, wenn der Innendruck selbst pul- siert oder sich annähernd periodisch verändert, wie es beispielsweise bei der Verwendung von peristaltischen Pumpen oder Kolbenpumpen zur Förderung eines Fluids durch das Gefäß der Fall ist. Dann wird die Erfassung der Relaxation aufgrund der Pulsation zwar nicht unmög- lich, aber schwierig. Diese Schwierigkeit kann man auf einfache Art und Weise dadurch umgehen, daß man-aber
eine vorbestimmte Zeit den Mittelwert oder einen Durch- schnittswert der gemessenen Kräfte bildet oder die ge- messenen Werte filtert. Der Zeitraum, in dem der Mit- telwert gebildet wird, wird als Zeitfenster mitgeführt.
Der Mittelwert bezieht sich also immer auch auf einen Zeitraum mit vorbestimmter Länge vor dem aktuellen Zeitpunkt.
Vorzugsweise erfolgt eine Mittelwertbildung auf minde- stens zwei unterschiedliche Arten, die sich durch ihre Glättungsbreiten unterscheiden. Beispielsweise verwen- det man für die eine Mittelwertbildung einen Zeitraum, der doppelt so lang ist wie der für die andere Mittel- wertbildung. Damit bekommt man eine verbesserte Kon- trolle und kann vor allem Fehler und Störungen schnel- ler erkennen.
Dies gilt insbesondere dann, wenn fortlaufend eine Dif- ferenz der Mittelwerte mit unterschiedlicher Glättungs- breite gebildet wird. Ein Mittelwert, der aber einen größeren Zeitraum gebildet wird, reagiert träger auf eine Änderung des Verhaltens als ein Mittelwert, der aber einen kürzeren Zeitraum gebildet wird. Wenn man unterstellt, daß die Messung der Kräfte in beiden Fäl- len mit der gleichen zeitlichen Auflösung erfolgt, dann kann man auch davon ausgehen, daß bei einer größeren Anzahl von Meßwerten der Mittelwert dem eigentlichen Verlauf mit einer größeren Trägheit folgt als bei einer kleineren Anzahl von Meßwerten. Im"ungestörten"Fall spielt die Trägheit keine Rolle. Die Mittelwerte werden also weitgehend übereinstimmen. Die Unterschiede liegen dann nur in einem zulässigen Toleranzbereich. Wenn je- doch der Innendruck stark ansteigt, beispielsweise in Form eines"Sprunges", dann werden sich die beiden Mit- telwerte mit unterschiedlicher Glättungsbreite sehr
stark unterscheiden. Anhand dieser Differenz kann man einen derartigen Sprung dann erkennen.
Vorzugsweise wird eine Periodizität der gemessenen Kraft ermittelt und eine Fensterbreite der Mittelwert- bildung wird zumindest von Zeit zu Zeit auf die Peri- odizität abgestimmt. Die Periodizität kann man bei- spielsweise ermitteln, indem man die Minima aber einen gewissen Zeitraum zählt. Man kann dann dafür sorgen, daß die Mittelwertbildung aus einer vorbestimmten An- zahl von ganzen Perioden erfolgt. Dies verbessert die Genauigkeit der Mittelwerte. Da sich die Periodizität unter Umständen ändern kann, kann man beispielsweise vorsehen, daß man eine vorbestimmte Anzahl von Mittel- wertbildungen mit gleicher Glättungslänge vornimmt und dann die Periodizität neu bestimmt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, da$ man fortlaufend eine erste Grenze bildet, die sich dar- aus ergibt, daß der Relaxationsverlauf monoton fällt, und eine zweite Grenze, die sich daraus ergibt, daß die Steigung des Relaxationsverlaufs abnimmt, und eine Ver- änderung des Innendrucks erkannt wird, wenn der Relaxa- tionsverlauf eine der beiden Grenzen überschreitet. Die Änderung der gemessenen Kräfte kann zwei Ursachen ha- ben. Zum einen ändern sich die Kräfte aufgrund des Re- laxationsverhaltens des Gefäßes. Zum anderen ändern sich die gemessenen Kräfte dann, wenn sich der Innen- druck ändert. Diese Änderung kann auf verschiedene Ar- ten erfolgen. Sie kann beispielsweise sprungartig sein.
Diese Änderung wird durch die Differenzbildung von Mit- telwerten mit unterschiedlicher Glättungsbreite recht zuverlässig erkannt. Die Änderung kann aber auch durch einen sich langsam ändernden Innendruck erfolgen, bei- spielsweise dann, wenn sich eine Infusionsnadel langsam
zusetzt. Diese Änderung kann durchaus so klein sein, daß sie die durch das Relaxationsverhalten bedingten Änderungen der Meßwerte nur geringfügig überschreitet.
Derartige Änderungen kann man aber dadurch erkennen, daß man ein"Steigungsdreieck"in den Relaxationsver- lauf legt und überprüft, ob die gemessenen Werte noch in diesem Dreieck liegen. Man weiß nämlich, daß der Re- laxationsverlauf monoton fällt. Wenn also Meßwerte, ge- nauer gesagt, der Mittelwert aus den Meßwerten, an- steigt, dann kann dies nicht mit der Relaxation zu er- klären sein. Umgekehrt ist bekannt, daß die negative Steigung des Relaxationsverlaufs betragsmäßig immer kleiner wird, sich also asymptotisch einer Geraden an- nähert. Wenn dieses Gefälle nun auf einmal größer wird, dann kann dies auch nicht am Relaxationsverhalten des Gefäßes liegen, sondern deutet auf eine Innendruckver- änderung hin. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnis- se kann man dann die Verarbeitung der gemessenen Kräfte entsprechend steuern.
Zur Vorhersage des Relaxationsverlaufs bestimmt man vorzugsweise wiederholt Stützstellen. Die Verarbeitung von einzelnen Werten, nämlich den Werten an den Stütz- stellen, ist wesentlich einfacher als die Verarbeitung einer fortlaufenden Funktion mit theoretisch unendlich vielen Werten. Es hat sich herausgestellt, daß man auch mit einer bestimmten Anzahl von Stützstellen die nöti- gen Informationen gewinnen kann, um den Relaxationsver- lauf zuverlässig genug vorhersagen zu können.
Vorzugsweise werden die Stützstellen in einer Initiali- sierungsphase an vorgegebenen Zeitpunkten und in einer Meßphase nach einer vorbestimmten Änderung des vorher- gesagten Relaxationsverlaufs ermittelt. In der Initia- lisierungsphase liegt beispielsweise Atmosphärendruck
im Innern des Gefäßes an. Man kann nun in einem relativ kurzen Zeitpunkt eine ausreichende Anzahl von Meßwerten an den Stützstellen ermitteln, weil diese Stützstellen zeitlich festgelegt sind. Mit den ermittelten Meßwerten läßt sich der Relaxationsverlauf zumindest für die nä- here Zukunft vorhersagen. Beispielsweise reichen be- reits vier Stützstellen aus, um eine erste Vorhersage treffen zu können. Mit weiteren sechs Stützstellen läßt sich dann die Vorhersage so stabilisieren, da$ mit der Messung begonnen werden kann. Mit zunehmender Zeitdauer werden allerdings die relaxationsbedingten Unterschiede der Meßwerte (bei der Messung geht man zur Ermittlung des Relaxationsverlaufes von den eigentlichen Meßwerten ab und verwendet statt dessen Mittelwerte) immer klei- ner, so daß aufgrund von Me$ungenauigkeiten die Gefahr einer Verfälschung der Ermittlung besteht. Man wartet daher ab, bis davon auszugehen ist, da$ der Relaxati- onsverlauf um einen Wert abgenommen ist, der mit aus- reichender Genauigkeit ermittelt werden kann. Die nach- ste Stützstelle wird dann erst zu diesem Zeitpunkt vor- gesehen.
Vorzugsweise werden Stützstellen nicht ermittelt, so- lange eine Änderung des Innendrucks erkannt wird. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn zumindest ein Mittelwert einen Verlauf mit einer Steigerung auf- weist, die ein vorbestimmtes Ma$ übersteigt. In derar- tigen Rampenabschnitten ist davon auszugehen, da$ sich den Änderungen der Meßwerte bzw. der Mittelwerte, die durch das Relaxationsverhalten des Gefäßes bedingt sind, Änderungen überlagert, die durch den Innendruck bedingt sind. Da eine saubere Trennung dieser beiden Einflußfaktoren in der Regel nicht oder nur unter Schwierigkeiten möglich ist, verzichtet man in diesen Zeitabschnitten auf die Bildung von Stützstellen.
Vorzugsweise wird der Relaxationsverlauf anhand der Stützstellen mit Hilfe eines nichtlinearen Optimie- rungsverfahrens vorhergesagt. Derartige Verfahren sind an und für sich bekannt. Beispielsweise kann man die Evolutionsstrategie, das Simulated Annealing, das Treshholding Accept, das Randomcost-Verfahren und das Self Adapted Annealing verwenden. Diese Verfahren er- lauben es, aus der jüngeren Vergangenheit eine Vorher- sage für die nähere Zukunft zu treffen.
Vorzugsweise erfolgt die Vorhersage in der Initialisie- rungsphase stützstellengesteuert und in der Meßphase zeitgesteuert. Damit erreicht man in der Initialisie- rungsphase eine relativ schnelle Vorhersage. In der Meßphase wird die Vorhersage nach vorbestimmten Zeitab- ständen wiederholt. Dies reicht in der Regel aus. Al- lerdings kann es hierbei vorkommen, daß aufeinanderfol- gende Vorhersagen auf den gleichen Stützstellen basie- ren, weil zwischenzeitlich keine neue Stützstelle ein- gerichtet worden ist.
Vorteilhafterweise wird zur Optimierung eine vorbe- stimmte Anzahl der zuletzt ermittelten Stützstellen verwendet. Man verwendet also beispielsweise immer die an den letzten zwanzig Stützstellen ermittelten Werte.
Werte, die zu vorherliegenden Stützstellen gehören, kann man in der Regel verwerfen, weil ihr Einfluß auf die Vorhersage für die nähere Zukunft zu gering ist.
Vorzugsweise wird der Relaxationsverlauf anhand der Stützstellen mit Hilfe eines mathematischen Modells des Schlauches vorhergesagt, beispielsweise eines Abel- Kerns. Die Optimierung wird dann einfacher und zuver- lässiger.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug- ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich- nung beschrieben. Hierin zeigen : Fig. 1 einen Relaxationsverlauf mit Stützstellen und Drucksprüngen, Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt des Verlaufs aus Fig. 1, Fig. 3 einen Verlauf von Meßwerten mit Sprüngen, Fig. 4 eine Darstellung der Differenzen von Mittelwer- ten mit unterschiedlichen Glättungsbreiten und Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Meßanord- nung.
Zur nichtinvasiven Schlauchdruckmessung, d. h. zur nichtinvasiven Permanent-Innendruckbestimmung in ela- stischen Gefäßen, wie Rohren, Schläuchen etc., wird ei- ne in Fig. 5 schematisch dargestellte Vorrichtung ver- wendet. Einzelheiten hierzu sind in DE 197 47 254 A1 beschrieben. Die Innendruckbestimmung erfolgt mit Hilfe einer Kraft-oder Druckmessung an der Au$enwand des Ge- fates 1. Nichtinvasiv bedeutet hier, da$ die GefäSober- fläche weder verändert werden muß, noch eine Verbindung zwischen dem Gefäßinneren und der Meßsensorik erforder- lich ist, etwa in Form einer T-Abzweigung. Zu fördernde Medien können Flüssigkeiten und Gase sein, allgemein Fluide. Als Mittel zur Erzeugung des Drucks können bei- spielsweise Rollerpumpen, peristaltische Pumpen oder Zentrifugalpumpen verwendet werden. Das Meßprinzip kann überall dort angewendet werden, wo eine Verbindung oder ein Kontakt zwischen dem geförderten Fluid und der Um-
gebung unerwünscht oder gefährlich ist. Besonders be- vorzugte Anwendungsgebiete sind solche, wo eine Kontaminierung des Fluids bzw. eine Infektionsgefahr der Außenwelt, beispielsweise medizinisches Pflegeper- sonal, auszuschließen ist. Verwendet werden kann das Meßverfahren beispielsweise in der Hämodialyse, in der Infusionstechnik, bei Herz-Lungen-Maschinen, in der Le- bensmitteltechnologie oder in der allgemeinen Verfah- renstechnik.
Als Beispiel für das Gefäß wird ein'Schlauch 1 verwen- det, der in unverformtem Zustand gestrichelt und in verformtem Zustand dick ausgezogen und schraffiert dar- gestellt ist. Der Schlauch 1 liegt auf einer Auflage 2 auf, die im Bereich des Kontakts mit dem Schlauch 1 ei- nen Kraftsensor 3 aufweist. Ein Stempel 4 wirkt auf den Schlauch 1 und verformt ihn, indem der Stempel aber ei- ne Strecke Ad in Richtung auf die Auflage 2 bewegt wird. Ausgangspunkt für die Strecke Ad ist der Außen- durchmesser d des Schlauches 1 in unverformtem Zustand.
Die Zustellbewegung des Stempels 4 kann normiert werden auf Ad - d Im Schlauch 1 herrscht ein Druck Pi.
Die Kombination des Innendrucks Pi mit der Verformung des Schlauchs 1 durch den Stempel 4 führt zu einer Kraft oder einer Reaktionskraft, die man am Kraftsensor 3 ermitteln kann. Selbstverständlich ist es auch mög- lich, den Kraftsensor in der Stirnfläche des Stempels 4 unterzubringen. Die Zustellbewegung s ist hier aber- trieben groß dargestellt. Im Grunde ist lediglich eine
Bewegung erforderlich, die ausreicht, um bei den auf- tretenden Drücken Pi im Innern des Schlauches 1 eine meßbare Kraft am Sensor 3 zu erzeugen.
Fig. 1 zeigt nun mit einer relativ dicken Linie 10 die vom Sensor 3 ermittelten Kraftwerte. Um diese Kraftwer- te verfolgen zu können, auch wenn der Innendruck Pi pulsiert, wird aus den gemessenen Kraftwerten der Mit- telwert gebildet, d. h. ausgehend vom aktuellen Zeit- punkt werden die einzelnen Kraftwerte aber einen vorher festgelegten zurückliegenden Zeitraum aufsummiert und durch den Zeitraum dividiert. Dementsprechend ergibt sich auch bei einem pulsierenden Innendruck, dessen Pulsationsamplitude aber im wesentlichen konstant ist, eine relativ glatte Kurve 10. Allerdings sind in dieser Kurve 10 Sprünge erkennbar, an denen sich das Druckni- veau deutlich ändert.
Für die nachfolgende Erläuterung wird angenommen, da$ ein von Atmosphärendruck verschiedener Druck nur in den Zeitbereichen anliegt, in denen die Sprünge erkennbar sind. Die übrige Änderung des Mittelwertes ist durch die Relaxation des Schlauches 1 bedingt. Die Ermittlung des eigentlichen Drucks erfolgt dann mit Hilfe einer Differenz aus den gemessenen Kraftwerten und der durch die Relaxationskurve gebildeten"Null-Linie".
Um diese Kurve zu ermitteln, d. h. den Relaxationsver- lauf, wird der Innendruck Pi des Schlauches 1 zunächst auf den Atmosphärendruck gesetzt und durch Zustellung des Stempels 4 eine vorbestimmte Kraft am Sensor 3 er- zeugt und dort gemessen. Diese Kraft wird in kurz auf- einanderfolgenden Zeitpunkten an sogenannten Stützstel- len 20 gemessen. In der Initialisierungsphase, die der eigentlichen Messung vorausgeht, können beispielsweise
vier Stützstellen festgelegt sein. Anhand des Relaxati- onsverlaufes an diesen vier Stützstellen 20 kann man nun den weiteren Relaxationsverlauf vorhersagen, der durch eine Kurve 30 dargestellt ist. Zur Vorhersage des Relaxationsverlaufes 30 kann man im Grunde jedes nicht- lineare Optimierungsverfahren verwenden. Erfolgreich getestet wurden beispielsweise die Evolutionsstrategie, das Simulated Annealing, das Treshholding Accept, das Randomcost-Verfahren und das Self Adapted Annealing.
Sobald der Relaxationsverlauf 30 vorhergesagt werden kann, kann man zu jedem Zeitpunkt die benötigte Diffe- renz aus den gemessenen Werten und dem vorhergesagten Relaxationsverlauf bilden.
Aus Gründen der Deutlichkeit wurde in Fig. 1 ab dem Zeitpunkt 2000 (horizontale Achse) der Verlauf 10 der Mittelwerte etwas über dem Relaxationsverlauf 30 ge- zeigt. In Wirklichkeit stimmen aber außerhalb der Sprünge die beiden Verläufe 10 und 30 überein, würden also aufeinanderliegen.
Die bis zum Zeitpunkt TO bestimmte Vorhersage ist le- diglich eine grobe Wiedergabe des Relaxationsverhal- tens, welche zum Zeitpunkt T1 stabilisiert wird.
Auch nach Beginn der Messung zum Zeitpunkt Tl werden weitere Stützstellen 25 gebildet und der vorhergesagte Relaxationsverlauf wird anhand dieser Stützstellen überprüft.
Hierbei ist zu bemerken, daS die Stützstellen in der Initialisierungsphase auf festgelegten Zeitpunkten lie- gen. Nach der Initialisierungsphase werden Stützstellen nur dort etabliert, wo aufgrund des vorhergesagten Re-
laxationsverlaufes anzunehmen ist, daß die Relaxations- werte an diesen Stützstellen eine Differenz haben, die groß genug ist, um mit ausreichender Zuverlässigkeit gemessen zu werden.
Es ist daher erkennbar, daß die Abstände zwischen ein- zelnen Stützstellen immer größer werden.
Man ermittelt also zunächst die Kurve 10 aus den Mit- telwerten aber ein vorbestimmtes Zeitfenster. Aus die- ser Kurve 10 ermittelt man an den Stützstellen 20,25.
Für die Vorhersage des Relaxationsverlaufes oder Trends verwendet man dann die Werte an den letzten zwanzig Stützstellen. Falls noch keine zwanzig Stützstellen vorhanden sind, verwendet man eben alle zurückliegenden Stützstellen.
Wie bereits erläutert worden ist, ist es in manchen Fällen schwierig zu erkennen, ob eine Änderung der Meß- werte, die vom Sensor 3 aufgenommen werden, auf eine Änderung des Innendrucks Pi oder auf das Relaxations- verhalten des Schlauches 1 zurückzuführen ist.
Eine Möglichkeit, um hierüber eine Entscheidung zu treffen, ist in Fig. 2 offenbart. Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1. Eingezeichnet ist hier die Linie 10, die die Mittelwerte darstellt. Die Mittelwerte werden auch als bewegter Mittelwert oder gleitender Mittelwert bezeichnet, weil diese Mittelwer- te immer aber ein Zeitfenster vorbestimmter Länge in die Vergangenheit zurückgemittelt werden.
Man bildet nun zwei Grenzen, die durch Linien 40,50 dargestellt sind. Die erste Grenze 40 beruht auf der Tatsache, daß der Relaxationsverlauf monoton fällt.
Jegliches Ansteigen der Mittelwerte 10 kann dann nicht auf die Relaxation zurückzuführen sein, sondern muS auf einer Veränderung des Innendrucks beruhen. Natürlich wird man hier einen gewissen Abstand einhalten, weil die Mittelwerte einen gewissen Streubereich haben, der durch Meßungenauigkeiten verursacht wird.
Die andere Grenze 50 wird aufgrund der Voraussetzung festgelegt, daß der Betrag der Steigung des Relaxati- onsverlaufes immer abnimmt. Das Gefälle wird also im Laufe der Zeit immer schwächer. Wenn sich die Mittel- werte 10 stärker abschwächen, als es die Grenze 50 er- laubt, dann liegt ebenfalls eine Veränderung des Innen- drucks Pi vor. Man kann in Fig. 2 erkennen, daS die Kurve 10 der Mittelwerte zu einem Zeitpunkt T2 den Be- reich zwischen den beiden Grenzen 40,50 verlassen hat.
Dies muß dann auf einen Drucksprung zurückzuführen sein. Zu einem Zeitpunkt T3 tritt die Kurve 10 der Mit- telwerte wieder in den Bereich zwischen den beiden Grenzen 40,50 ein. Ab diesem Zeitpunkt T3 kann man mit guter Näherung davon ausgehen, da$ Änderungen in den Mittelwerten 10 durch die Relaxation des Schlauches 1 bedingt sind. Zu einem Zeitpunkt T4 tritt wieder ein Drucksprung auf, der dadurch festgestellt wird, daß die Kurve 10 den Bereich zwischen den Grenzen 40,50 ver- läßt.
Mit dieser Überprüfungsmöglichkeit kann man aber nicht nur Sprünge ermitteln, sondern auch langsame Druckände- rungen, die sich beispielsweise dadurch ergeben können, da$ eine Infusionsnadel sich im Laufe der Zeit zusetzt.
Eine weitere Möglichkeit, um Sprünge im Druckverlauf zu entdecken, zeigen die Fig. 3 und 4. Die Sprünge sind ein besonders kritisches Kriterium.
Fig. 3 zeigt eine Kurve 60 der Meßwerte, d. h. der am Sensor 3 tatsächlich ermittelten Kraftwerte. Es ist zu erkennen, daß die Kraft zwischen den Zeitpunkten T2 und T3 positiv auf eine höhere Amplitude springt und dort schwingt, während sie zwischen den Zeitpunkten T4 und T5 gegenüber der vorhergesagten Relaxation auf einen negativen Wert springt.
Man bildet nun zwei Mittelwerte 32,34. Der Mittelwert 32 wird beispielsweise über die letzten fünfzig Ab- tastwerte gebildet, der Mittelwert 34 über die letzten hundert Abtastwerte. Beide Mittelwerte 32,34 werden selbstverständlich fortlaufend gebildet und bei jedem neuen Abtastwert aktualisiert. Dementsprechend reagiert der Mittelwert 32, der eine geringere Glättungsbreite hat als der Mittelwert 34, schneller auf Änderungen des Meßsignals 60, als der Mittelwert 34. Dies ist in Fig.
3 bereits klar erkennbar. Noch deutlicher wird die Si- tuation allerdings, wenn man sich Fig. 4 betrachtet. In Fig. 4 ist die Differenz der Mittelwerte als eine Kurve 36 aufgetragen. Zusätzlich ist die Kurve 60 der MeSsi- gnale eingezeichnet.
Es läßt sich klar erkennen, daß die Kurve 36 der Diffe- renzen der Mittelwerte 32,34 normalerweise im Bereich der Null-Linie liegt. Dort, wo die Meßsignale 60 pul- sieren, also zwischen den Zeitpunkten T2 und T3 bzw. T4 und T5, pulsiert auch die Differenz 36.
An den"Sprungstellen", also an den Zeitpunkten T2-T5, steigen die Differenzen 36 allerdings ausgesprochen stark an, so daß Sprünge des Innendrucks Pi klar er- kennbar sind.
Zur Auswertung der Meßwerte vom Sensor 3 wird also zu- nächst der Relaxationsverlauf 30 vorhergesagt. Die not- wendigen Informationen hierzu erhält man aus den Werten an den Stützstellen 20 in der Initialisierungsphase.
Wenn ein Sprung auftritt, dann wird die gemessene Amplitude um den vorhergesagten Wert des Relaxations- verlaufs vermindert. Aus dieser Differenz kann man dann den eigentlichen Innendruck-Wert errechnen. Wie aus Fig. 3 erkennbar ist, unterliegen auch die erhöhten Meßwerte zwischen den Zeitpunkten T2 und T3 einer ge- wissen Abnahme, die auf die Relaxation zurückzuführen ist. Da die"Sprunghöhe"am Anfang bekannt ist, kann man nun auch weitere Stützstellen 25 (Fig. 1) verwen- den, um den Relaxationsverlauf 30 erneut vorherzusagen.
Hierzu legt man die beispielsweise an den letzten zwan- zig Stützstellen ermittelten Werte in einem Schiebere- gister ab und verwendet diese zwanzig Werte in einem der oben genannten nichtlinearen Optimierungsverfahren, um den Relaxationsverlauf 30 oder den Trend für die nä- here Zukunft vorherzusagen. Da auf diese Weise der Re- laxationsverlauf fortlaufend überprüft und korrigiert werden kann, erhält man auch bei länger anhaltenden Messungen stets ein zuverlässiges Meßergebnis, das die Relaxation des Schlauches 1 berücksichtigt.
Das Verfahren läßt sich also kurz wie folgt zusammen- fassen : Es werden kontinuierlich Meßsignale aufgenommen und Stützstellen gespeichert. Man ermittelt Rampen und schleichende Druckanstiege mit Hilfe der Mittelwerte und/oder des Steigungsdreiecks. Das mathematische Mo- dell wird mit Hilfe eines nichtlinearen Optimierungs- verfahrens zur Vorhersage der Relaxation anhand der letzten Stützstellen angepaßt. Die Anpassung wird zy-
klisch. wiederholt und verbessert. Stützstellen werden nicht generiert, wenn Innendruckänderungen erkannt wer- den, beispielsweise in den Zeiträumen, in denen Rampen bzw. schleichende Druckänderungen erfaßt werden. Der Innendruck wird aus der Differenz zwischen den Meßsi- gnalen und der vorhergesagten Relaxation ermittelt.
Von der beschriebenen Vorgehensweise kann in vielerlei Hinsicht abgewichen werden, ohne den Kerngedanken der Erfindung zu verlassen.
Beispielsweise kann man die Optimierung stets zeitge- steuert starten, wobei die Zeitabstände zwischen den einzelnen Stützstellen differieren. Die ersten beiden Optimierungen werden dann mit sehr kurzen Abständen vorgenommen, um einen schnellen Meßbeginn zu ermögli- chen. Dies bedeutet sehr kleine Zeitabstände der Stütz- stellen, um innerhalb eines Schieberegisters stets ei- nen Teil alte und einen Teil neue Werte zur Anpassung des Modells zur Verfügung zu haben. Unterschiedliche Zeitabstände sind jedoch keine generelle Voraussetzung für das Verfahren. Sie haben allerdings den Nutzen, daß sie den Meßbeginn früher ermöglichen.
Es ist auch nicht zwingend erforderlich, die Stützstel- len zeitgesteuert zu ermitteln und die Anpassung zeit- gesteuert zu starten. Es muß lediglich sichergestellt werden, daß die Überprüfung bzw. Anpassung des Relaxa- tionsverlaufs von Zeit zu Zeit verbessert wird, bzw. neue Stützstellen eingefügt werden. Die gemischte Vor- gehensweise, d. h. zeitgesteuert einerseits und stütz- stellengesteuert andererseits, ist jedoch für einige Anwendungen vorteilhaft.
Next Patent: METHOD OF CORRECTING ROTATIONAL UNBALANCE OF ROTATING MECHANISM AND CORRECTING DEVICE OF THE SAME