用于测量来自注射器的流体流量的系统和方法与流程

用于测量来自注射器的流体流量的系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年7月1日提交的美国临时申请号62/869,139的权益和优先权，该美国临时申请的内容以引用的方式全文并入本文。


背景技术：

3.提供了一种用于测量来自注射器的流体流量的系统和方法，该系统和方法在一个实施方案中包括装置，该装置包括注射器和传感器，该传感器被构造成测量由注射器柱塞的非药物接触侧上的流体流量引起的压差。另一个实施方案涉及使用如本文所公开的装置测量来自注射器的流体流量的方法。
4.药品和治疗剂通常并非由健康专业人员施用，而是由需要治疗的患者施用。例如，糖尿病患者的治疗通常需要定期自我注射胰岛素。因此，患者对准确给药治疗剂的方案的依从性对于许多患者的长期健康至关重要。遗憾的是，缺乏可以测量以及监测患者对可注射疗法的方案的依从性的装置，该装置将向医师或其他医疗保健专业人员提供确认患者注射的准确性和一致性的机会。已经为一些特定治疗剂开发了一些装置，诸如可穿戴注射装置、注射笔、自动注射器和输液泵；然而，装置通常是复杂的并且与标准预填充注射器不相容。
5.因此，需要改善的能够监测用法和所递送剂量两者的监测患者对可注射治疗剂的方案的依从性的系统和方法。


技术实现要素：

6.在一个方面，提供了一种装置，该装置包括注射器筒体、柱塞和传感器。该注射器筒体可以包括内部容积，该内部容积包括近侧端部部分和远侧端部部分。该柱塞可以位于该注射器筒体内并且被构造成在该注射器筒体内从该近侧端部部分朝向该远侧端部部分滑动，并且在该近侧端部部分与该远侧端部部分之间提供密封。该传感器可以包括第一端口和第二端口，该第一端口与该近侧端部部分流体连通，并且该第二端口与流体源流体连通，该流体源在该注射器筒体的该近侧端部部分外部。
7.在另一个方面，提供了一种装置，该装置包括注射器筒体、柱塞、传感器和中空柱塞杆。该注射器筒体可以包括内部容积，该内部容积包括近侧端部部分和远侧端部部分。该柱塞可以位于该注射器筒体内并且被构造成在该注射器筒体内从该近侧端部部分朝向该远侧端部部分滑动，并且在该近侧端部部分与该远侧端部部分之间提供密封。该传感器可以包括第一端口和第二端口，该第二端口与流体源流体连通，该流体源在该注射器筒体外部。该中空柱塞杆可以包括由该柱塞封闭的第一端部和与该第一端口流体连通的第二端部。
8.根据另一个方面，提供了一种测量从装置排出的液体量的方法。该装置可以是如先前所述的实施方案中的一个实施方案，但是还包括在注射器筒体的远侧端部部分中的液体孔，并且该注射器筒体的内部容积的该远侧端部部分填充有液体。该方法包括：将柱塞从
近侧端部部分朝向该远侧端部部分滑动以通过该液体孔排出液体；随时间推移通过传感器检测以及记录差压；以及随时间推移根据所记录的差压来计算通过该孔排出的该液体量。
9.根据以下描述，本文所公开的各种实施方案的这些和其它方面将显而易见。
附图说明
10.将参考以下附图描述专利申请的各种方面和实施方案。应了解，附图未必按比例绘制。附图仅以举例的方式而非限制的方式描绘了根据本发明构思的一个或多个具体实施。在附图中，类似的附图标号可以是指相同或类似的元件。
11.图1是根据第一实施方案的装置的示意性侧视图。
12.图2是根据第二实施方案的装置的示意性侧视图。
13.图3a是包括在图2的第二实施方案中的延伸壳体的侧视横截面图。
14.图3b是处于关闭状态的图3a的延伸壳体的前平面图。
15.图3c是处于打开状态的图3a的延伸壳体的后视图。
16.图3d是与注射器组合处于打开状态的图3a的延伸壳体的后视图。
17.图3e是与注射器组合处于关闭状态的图3a的延伸壳体的后视图。
18.图4是根据第三实施方案的装置的示意性侧视图。
19.图5是根据第四实施方案的装置的示意性侧视图。
20.图6是根据第五实施方案的装置的示意性侧视图。
21.图7是组合为提供如本文所公开的装置的1ml注射器和传感器的照片。
22.图8是使用类似于图7的设备的系统计算的流速和总排出量随时间推移的曲线图。
具体实施方式
23.在以下描述中使用某些术语仅为了方便起见，而无限制之意。词语“下部”、“底部”、“上部”和“顶部”指定所参考的图中的方向。根据本公开，词语“向内”、“向外”、“向上”和“向下”是指分别朝向和远离液体输送装置的几何中心以及该液体输送装置的指定零件的方向。除非本文具体阐述，否则术语“一”、“一个”和“该”不限于一个元件，而是应理解为意指“至少一个”。术语包括以上提出的词语、其派生词以及具有类似含义的词语。
24.还应当理解，当提及本公开的部件的尺寸或特性时，本文所用的术语“约”、“大约”、“大致”、“基本上”以及类似的术语指示所述尺寸/特性不是严格的边界或参数，并且不排除其在功能上类似的微小变型。至少，包括数值参数的此类参考将包括使用本领域公认的数学和工业原理(例如，舍入、测量或其他系统误差、制造公差等)将不会改变最低有效数位的变型。
25.本领域的技术人员也将了解，在不脱离本发明的情况下，可对本文所述的例示性实施方案进行修改。本文所述的系统和设备的结构特征可替换为功能上等同的零件。此外，应了解，在不脱离本公开的情况下，实施方案的特征可彼此组合。
26.通常，根据本文所公开的各种实施方案的装置提供了监测可注射装置的药物依从性同时还提供由此类装置释放的实际药物的合理估计的装置。与专注于注射器柱塞(或柱塞杆)相对于注射器筒体上的固定点的运动的其他方法不同，根据本文所公开的各种实施方案的装置使用传感器(诸如压力传感器)来检测在药物正从注射器的相对端部释放出来
时进入注射器筒体的开口端部(即，柱塞的非药物接触侧)的流体(优选地环境空气)的流量。可以集成此类流量以给出对由注射器分配的药物量的合理估计，因为流量取决于柱塞的适当功能(不只是移动)。
27.根据本文所公开的各种实施方案的装置提供了目标装置，该目标装置监测患者对注射药物用法的依从性，不仅仅监测药物被服用了，而且还通过随着从注射器筒体的相对远侧端部部分排出药物而监测进入注射器筒体的近侧端部部分的空气来监测实际递送多少剂量。例如，本文所公开的各种实施方案可以适用于与预填充注射器、笔式注射器或自动注射器组合使用。具体地，本文所公开的装置可以提供非常适合于低容量注射器(诸如1ml(或更小)预填充注射器)的分辨率水平。在另一个示例中，本文所公开的装置的一个潜在应用可以是递送胰岛素的装置。
28.在另一个示例中，本文所公开的装置可以结合到笔式注射器或输液泵中，以提供用于在没有与用于分配药品的注射器机构的电子或机械连接的情况下估计递送药物量的装置。相反，本文所公开的装置可以简单地包括与注射器流体连通的传感器和容纳将充分密封的注射器的外壳或壳体。传感器可以放置于壳体内方便的任何位置，使得可以改装现有的注射系统而无需重大修改。具有远离注射器而定位传感器的能力可以提供避免与注射器紧密相互作用的所需溶液。
29.现在参考图1，提供了根据第一实施方案的装置，该装置包括注射器10，该注射器具有近侧端部部分12和远侧端部部分14。近侧端部部分12相对于远侧端部部分14位于注射器10的相对端部上。注射器10的远侧端部部分14可以包括毂部15，该毂部具有孔，该远侧端部部分14中所包含的药液11可以通过该孔排出。毂部15可以任选地包含在孔内或与该孔流体连通的针头或套管16。
30.注射器10包括注射器筒体20，该注射器筒体具有由柱塞18分离的内部容积。柱塞18被插入到注射器10的筒体20中，并且被构造成从远侧端部部分14朝向注射器的近侧端部部分12滑动(如由箭头a所指示)。为了致动柱塞18，柱塞杆19可以具有附接到柱塞18的第一端部，并且用户可以通过向柱塞杆19的相对第二端部上的拇指垫21施加力来按压柱塞杆19。柱塞18优选地由弹性体材料制成，并且其外径略大于筒体20的内径，以提供防止药液11从远侧端部部分14泄漏到近侧端部部分12中的密封。
31.注射器(诸如预填充注射器)的近侧端部部分12通常向大气敞开；然而，如图1所示，根据第一实施方案的装置可以包括固定阻隔件22，使得近侧端部部分12至少部分地与环境大气密封。固定阻隔件22可以包括中心开口，柱塞杆19滑动通过该中心开口，同时围绕柱塞杆19的外圆周表面和注射器10的筒体20的内圆周表面提供密封表面。固定阻隔件22可以由各种材料制成并且以实心壁、弹性垫圈、导流板或挡板形式提供，并且优选地充分地密封筒体20的近侧端部部分12内的内部容积，使其与外部环境大气隔绝。
32.该装置还包括传感器24，该传感器具有两个开口端部或端口，可以通过该开口端部或端口抽吸来自外部大气的空气通过传感器24。为了检测在分配药物时进入注射器的环境空气的流量，传感器24应具有与注射器筒体20的近侧端部部分12流体连通的一个端口，并且另一个端口向大气敞开，两个端口优选地由足以在传感器上产生压降的流的阻隔件(诸如阻隔件22)分离。例如，在一种构造中，传感器24可以附接到注射器10的与阻隔件22相邻的壁，使得传感器24的端口中的一个端口附接到柱塞18与阻挡件22之间的某一点，并且
与注射器10的近侧端部部分12内的内部容积流体连通，而传感器24的另一个端口与外部大气流体连通。然后，环境空气可以流动通过传感器24(如用箭头b所指示)并且流入注射器10的近侧端部部分12中，并且当柱塞18被推进时产生可检测的压降。传感器24优选地与天线和足够的电源相关联，使得由传感器24收集的数据可能以无线方式发射。
33.传感器上的压降应大到足以可检测到，但不会大到阻碍注射器操作或可用性。根据本文所公开的各种实施方案的装置应被构造成使得压降引起有限的空气流穿过传感器。抽吸到注射器的近侧端部部分中的总空气量可以通过将来自传感器的压力读数发射到控制器来确定，该控制器具有存储数据以及随时间推移计算流速以产生流动曲线的能力，根据该流动曲线可以集成抽吸到注射器的近侧端部部分中的总量。该总量应大约等于穿过注射器毂部中的孔离开注射器的药液量或至少与该药液量成正比，因为注射器是具有在柱塞的两侧基本上相同的几何形状的大体上刚性容器。在柱塞两侧上的排量实质上相等，除了柱塞杆在注射器筒体的内部容积的近侧端部部分内占据有限容积之外。然而，例如，可以通过控制器容易地计算或估计占据内部容积的柱塞杆的部分的尺寸。
34.如先前所述，本文所公开的实施方案利用随着柱塞在注射器筒体内移动而进入该注射器筒体的开口端部的小但有限的空气流。本文所公开的装置优选地结合接近注射器的传感器并且包括注射器筒体内的流体流的阻隔件，该阻隔件允许柱塞推进。作为一个示例，用作阻隔件的平坦垫圈可以用于在传感器上提供足够的压降。另选地，在次优选的实施方案中，压降可以实现为模制到流动路径中的壁或一系列导流板，使得进入注射器的近侧端部部分中的环境空气流的最小阻力路径通过传感器。在此类实施方案中，例如在控制器的计算中将考虑由壁或导流板占据的容积。在下面更详细地描述的另一个实施方案中，整个注射器可以包围在壳体中，该壳体具有流体路径以及位于该流体路径中的传感器，该流体路径连接注射器的近侧端部部分与大气，并且该壳体可以被构造成用作阻隔件。此类构造可以用于自动注射器中例如来监测注射器操作而不需要对注射器进行任何特殊改动。
35.根据本文所公开的实施方案的装置可以通过与注射器的机械联接来实现，但这并非要求。而且，虽然抽吸到注射器筒体中的环境流体可能是空气，但是本文所公开的实施方案也适用于可利用液体池来加压注射器筒体的近侧端部以推进柱塞的装置。此外，不存在对装置可检测的量的范围的限制；因此，装置可以包括各种尺寸的注射器。最后，进入注射器的环境空气的有限量是传感器应能够成功并且准确地支持预期用途(即监测以及记录患者对治疗方案的依从性)的足够量。
36.除了上面列出的方面之外，如本文所公开的装置可以检测关于注射器或其操作的其他信息，特别是对于自动注射器或利用马达来施加一致且恒定的力以推进柱塞的类似装置。此类附加的信息可用于向患者或医疗保健提供方提供警告或警报。例如，可能完全地基于在使用期间观察到的流动异常来检测药物内气泡和/或颗粒物质的存在。气泡随着经过针头而具有立即增加流速的趋势，而颗粒降低流速。
37.小针孔对粘性药物呈现的高阻抗自然地将自动注射器的柱塞速度限制在取决于粘性的范围。因此，在另一个示例中，可能通过检测超出预期范围的柱塞速度来监测药物粘性的变化。例如，较冷的温度往往增加药物粘性。因为某些药物在使用前要冷藏并不罕见，所以使用此类药物的患者在使此类药物达到室温之前可能经历较慢的柱塞速度，该柱塞速度可能超出所需范围。针孔尺寸也影响柱塞速度。如此，在针头弯曲或阻塞的情况下可能发
生的针头几何形状的任何变化也可能导致检测到超出预期范围的柱塞速度。
38.如先前所述，根据本文所公开的实施方案的装置能够计算一系列注射器直径的排出流体量，并且随着注射器容积增加，所测量的量的分辨率不会减小。如果尝试通过感测或检测柱塞的轴向位移来计算从注射器排出的药液量，那么所计算的量取决于注射器的直径。例如，典型的1ml注射器每35mm柱塞行程位移大约1ml液体，或28.5pl/mm。典型的3ml注射器每40mm柱塞行程位移大约2.5ml，或62.5pl/mm。因此，与检测到柱塞的轴向位移的小增量变化相关联的难度或不准确性将随着注射器的直径增加而导致所计算的排出量的更多不确定性，即较低分辨率。因为根据本文所公开的实施方案的装置在不依赖于检测柱塞位移而是依赖于环境空气吸入量的情况下来计算排出量，所以随着注射器的直径增加而维持所计算的排出量中的分辨率。
39.在另一个方面，因为泄漏的液体将占据原本应由环境空气填充的容积，所以使用如本文所公开的装置也可以检测到具有缺陷密封的柱塞，该缺陷密封导致药液泄漏到注射器筒体的近侧端部部分中。依赖于轴向柱塞位移来确定所递送药品量将不会检测到此类泄漏，从而产生对患者可能不利的情况。当依赖于柱塞位移来确定排出量时，在柱塞被推进到注射器筒体的端部时，即使发生泄漏，仍将认为已经给患者递送所有药品。
40.预填充的注射器不太可能重复使用。在先前所述的实施方案中，将阻隔件结合到注射器筒体中；因此，在施用药液之后，用户将可能丢弃整个装置。然而，根据本文所公开的各种实施方案的装置可以被构造成可重复使用的。例如，参考图2和图3a至图3e，提供了根据第二实施方案的装置。类似于先前所述的装置，图2的装置包括注射器筒体20和被构造成在注射器筒体20内滑动的柱塞18。附接到柱塞18的柱塞杆19使得柱塞18能够位移。柱塞杆19的相对端部包括拇指垫21，使得柱塞杆19和柱塞18可以容易地被推进。与先前所述的实施方案不同，阻隔件未安装到注射器筒体20的近侧端部部分12中。相反，可以将单独的可重复使用的延伸壳体28附接到与近侧端部部分12相邻的注射器筒体20。延伸壳体28设置有内部阻隔件22，该内部阻隔件类似于先前所述的阻隔件，使得阻隔件22大体上垂直于注射器筒体20的纵向轴线并且具有中心定位的孔口23，柱塞杆19可以延伸通过该孔口。传感器24可以附接到延伸壳体28的壁，使得传感器24的单个端口在阻隔件22的一侧上与壳体28的内部容积流体连通，而另一个端口与阻隔件22的相对侧上的内部容积流体连通。在推进柱塞18时，环境空气通过传感器24被抽吸到近侧端部部分12中。
41.参考图3a至图3e，延伸壳体28可以例如包括通过铰链27彼此附接的两个件，使得壳体28可以类似于蛤壳构造打开以及关闭。优选地，壳体28相对于铰链27的相对侧包括锁定特征部，诸如扣钩(未示出)，以在使用期间将壳体28维持处于关闭状态。为了安装延伸壳体28，将延伸壳体28打开(图3c)，用户确保柱塞杆19位于孔口23内，并且注射器筒体20的近侧端部部分12中的开口端部位于阻隔件22的一侧上的壳体28内部(图3d)，并且然后最终将延伸壳体关闭(图3e)。优选的是，延伸壳体28的内径大约等于注射器筒体20的外径，以确保两个部件之间的闭式过盈配合。另选地，可以将弹性体密封件(诸如o型环)插入在注射器筒体20的外部表面与延伸壳体28的内部表面之间。在一些实施方案中，延伸壳体28的外表面可任选地设置有指状凸缘(未示出)以促进柱塞杆19的致动。在施用注射器筒体20中的药液之后，可以打开延伸壳体28以移除以及丢弃使用过的注射器。然后可以在下一个预定剂量之前将延伸壳体28附接到新的注射器。因为实施方案是可重复使用的，所以延伸壳体28可
以还包括功率存储装置，诸如可再充电的蓄电池(未示出)，该功率存储装置可以提供足够的能量以用于收集以及发射由传感器24检测的信息。
42.在另选的实施方案中，延伸壳体可以被设置作为不包括铰链的单件。为了附接以及移除延伸壳体，可以例如通过从柱塞拧下柱塞杆的端部来将柱塞杆与柱塞拆卸。在此类构造中，柱塞杆和延伸壳体两者都将是可重复使用的。新的包含药品的预填充注射器可以包括不具有柱塞杆的柱塞，使得可重复使用的柱塞杆可以螺纹连接到新的柱塞中，并且延伸壳体附接到新的注射器筒体的近侧端部部分。
43.在另一个实施方案中，用于确定排出流体量的传感器可以完全结合在柱塞杆内。例如，参考图4，提供了装置，该装置与先前所述的实施方案的相似之处在于该装置包括注射器筒体20和被构造成在注射器筒体20内滑动的柱塞18。附接到柱塞18的柱塞杆19使得柱塞18能够位移。柱塞杆19的相对端部包括拇指垫21，使得柱塞杆19和柱塞18可以容易地被推进。类似于先前所述的阻隔件的固定阻隔件22位于注射器筒体20的近侧端部部分12内，并且包括柱塞杆19延伸通过的中心孔口。与先前所述的实施方案不同，柱塞杆19是有意中空的，并且包括开口17，该开口邻近附接到柱塞18的端部并且与注射器筒体20的近侧端部部分12的内部容积流体连通。柱塞杆19的相对端部附接到容纳在拇指垫21内的传感器24(诸如隔膜传感器)的端口中的一个端口，使得传感器24与中空柱塞杆19流体连通。传感器24的第二端口向环境大气敞开。阻隔件22被构造成使得当柱塞18被推进时，进入注射器筒体20的近侧端部部分12的环境空气的最小阻力路径通过流量传感器24、柱塞杆19并且最终从开口17出来，从而在流量传感器24上产生可检测到的压降。该构造使得能够将大部分电气部件(例如，传感器、天线、功率存储装置等)容纳在拇指垫21内。对于一些应用，通过以下操作来重复使用柱塞杆可以是可接受的：在施用药液之后将柱塞杆从柱塞拆卸，丢弃空的注射器，以及将柱塞杆重新附接到新的注射器的柱塞。
44.在一些实施方案中，不必在柱塞杆中邻近柱塞处结合开口。例如，图5中所示的实施方案包括中空柱塞杆19，类似于先前所述的实施方案。然而，中空柱塞杆19的一个端部由弹性体柱塞19封闭。传感器24包括附接到中空柱塞杆的一个端部的端口，而另一个端口向大气敞开。然而，当柱塞18被推进时，空气不能流动通过传感器24。相反，推进柱塞18使柱塞18偏转，压缩柱塞杆19内的密封容积内的空气。因此，传感器24通过将中空柱塞杆19内的压力与环境大气压进行比较来检测差压的变化，该环境大气压是参考压力。为了限制传感器24对环境大气压的波动的灵敏度，可以在柱塞杆19中设置小孔洞，这允许它缓慢平衡到本地大气压。
45.各种压力传感器提供不同的压力操作范围，并且可以被适当地选择用于根据本文所述的实施方案的装置中所使用的注射器。例如，隔膜型差压传感器的范围可以是
±
500pa，而气压传感器(诸如由荷兰埃因霍温市的恩智浦半导体公司(nxp semiconductors n.v.)或德国罗伊特林根市的博世传感器股份有限公司(bosch sensortec gmbh)制造的那些传感器)可以在成千上万帕的范围内操作。气压传感器也可以是优选的，因为它们以需要较小蓄电池尺寸和容量的低功率电平操作。
46.如先前所提及，如果装置的特征部可以提供合适的进入注射器筒体的近侧端部部分中的环境流的阻隔件，该阻隔件在传感器上产生压降，那么无需在注射器筒体内包括特定阻隔件。现在参考图6，示出了根据另一个实施方案的装置，该装置例如可能以自动注射
器、笔式注射器或可穿戴注射装置的形式提供。该装置与先前所述的实施方案相似之处在于该装置包括注射器筒体20，该注射器筒体具有近侧端部部分12，该近侧端部部分相对于远侧端部部分14位于注射器10的相对端部上。远侧端部部分14还可以包括毂部15，该毂部具有孔，该孔具有任选的针头16，远侧端部部分14中所包含的药液11可以通过该孔排出。在一些实施方案中，例如，注射器可包括安装在壳体内的双端套管和可更换药筒。
47.同样，注射器筒体20具有由弹性体柱塞18分离的内部容积，该弹性体柱塞通过柱塞杆19致动；然而，与先前的实施方案不同，柱塞杆19的近侧端部可以机械地附接到马达23，例如，用于推进柱塞18。
48.图6的装置的不同之处还在于近侧端部部分12不包括固定阻隔件。相反，装置包括具有壳体门26的壳体25。壳体门26提供通向壳体25的内部的入口，使得用户可以插入新的填充有药品的预填充注射器或药筒。如先前所述的，传感器24嵌入或安装在壳体内。传感器24包括两个端口，来自外部大气的空气可以通过该端口流动通过传感器24(如用箭头b所指示)。因此，传感器24应具有与注射器筒体20的近侧端部部分12流体连通的一个端口，和向在壳体25外部的大气敞开的另一个端口。传感器24可能以其它方式位于壳体25内的任何位置。壳体25和壳体门26优选地被构造成使得在关闭壳体门26时，在推进柱塞18时，环境空气进入近侧端部部分12的最小阻力路径通过传感器24，从而在传感器上产生可检测的压降。类似于先前所述的可重复使用的实施方案，优选的是装置包括足以允许传感器24收集以及发射数据的一些功率存储装置。
49.实施例
50.在考虑以下实施例时将进一步理解本文所公开的实施方案的方面，该示例旨在示出某一特定实施方案，但不旨在限制该实施方案的范围。
51.使用填充有自来水的1ml注射器制备与图7的照片中所展示的装置类似的系统。1ml注射器的开口端部装配有壳体以用作阻隔件。注射器和相关联的壳体安装到板上并连接到差压，使得传感器的一个端口通过壳体与注射器的开口端部连接，并且传感器的第二端口向大气敞开。传感器连接到位于单独的板上的微控制器，该微控制器使用与微控制器或pc相关联的定制的固件来启用传感器读数的操作和记录。柱塞的单个按压排出注射器中的1ml水，并且使用通用异步接收器发射器(uart)来记录随时间推移由传感器测量的压降，这允许在pc上收集传感器数据。
52.在图8的曲线图中呈现根据由传感器测量的压降计算的随时间推移的流速。在图8中也标绘了在随时间推移排出的对应总量的情况下随时间推移集成流速的曲线图。结果展示，传感器能够准确地监测和记录从注射器排出1ml液体。
53.本领域的技术人员应了解，在不脱离本发明的广泛发明构思的情况下，可对上述实施方案进行改变。因此，应当理解，本发明并不限于所公开的特定实施方案，而是旨在涵盖如所附权利要求中限定的本发明的实质和范围内的修改。