CN106662097A - 双闭锁微型阀 - Google Patents

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Abstract

一种结合微流装置使用的阀，其包括安全特征，以使得即使在停电的情况下流动仍是受控的，因此可应用于重要的应用中，例如药物随时间的准确输送。所述阀可与多个输送药物的管结合使用，并可与诸如电化学泵的泵结合使用，以提供动力以移动含有用于输送的药物的流体。在某些应用中，可使用单个泵以及多个容器和阀来独立地输送和计量多于一种药物。

Description

双闭锁微型阀
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年8月14日提交的题为“多功能微阀”的美国临时专利申请62/037,474的优先权。该申请的全文以援引方式加入到本申请中。
背景技术
本发明的领域是用于微流应用的阀，特别是这种微阀用于从容器中安全并可控地输送流体的用途。
流体微阀可由形状记忆合金制备。例如，美国专利7260932教导了使用形状记忆合金的流体控制夹管阀，其接收电流以开启或关闭夹管阀。类似地，美国专利6843465教导了形状记忆线致动的控制阀，其中形状记忆线与电平台连接并与传送机构机械耦合。致动器通过将电流传导通过形状记忆线来致动，所述电流导致所述线收缩，从而致动所述传送机构，所述传送机构与流体控制阀操作性地耦合，使得所述传送机构的致动和停止开启和关闭所述阀。美国专利6742761教导了用于通过致动器机构来开启和关闭微型闭锁阀的提升阀，其包括形状记忆合金线。形状记忆合金线的形状的改变导致提升阀移向或离开阀座，从而关闭或开启所述阀。美国专利6840257教导了使用形状记忆合金致动器的比例阀，其具有在形状记忆合金致动构件的控制下能够轴向地移离或移向阀座的挡板。
阀是微流系统的重要组成部分。微型阀可与微型泵结合，用于输送微升或纳升体积(或更小)的溶液的脉冲和/或恒定流动。阀本身必须很小，并只需很小的电力来启动。通过使用不需要电力来保持在任何状态下的闭锁阀可以节省额外的电力。闭锁阀不是设计成通常开启或通常关闭的状态，而是可以停留在任一状态下。在药物输送和其他应用中，适当设置的闭锁阀是重要的安全特征，因为在系统故障的情况下，它们可防止从大型容器到患者的直接流动路径。
发明内容
本发明总体上涉及阀，以及使用阀的系统，以可控地输送流体并提供故障安全(failsafe)，以便即使在停电或其他故障时仍能保持阀的状态。在某些实施例中，这在诸如随时间向患者准确地输送药物的应用中提供了某些好处。在某些实施例中，所述阀可与多个输送药物的管结合使用，并可与诸如电化学泵的泵结合使用，以移动含有用于输送的药物的流体。在某些应用中，可使用单个泵以及多个容器和阀来独立地输送和计量多于一种药物。
通过以下对本发明的详细说明、附图和权利要求，可以更好地理解本发明的这些以及其他特征、目的和好处。本节发明内容和以下详细说明及附图均是示例性的，其目的是进一步说明本发明的各种实施方式，而并不限制由权利要求限定的本发明的保护范围。
附图说明
图1是单滑动闭锁镍钛诺阀在开启(a)和关闭(b)位置的示意图(基于现有技术US7260932B1)。
图2是表示随图1中所示的单滑动闭锁镍钛诺阀开启和关闭而流经流体传感器的流体流速的图表。
图3是双滑动闭锁镍钛诺阀在入口开启/出口关闭(a)和出口开启/入口关闭(b)位置的示意图。
图4是双枢转闭锁镍钛诺阀的示意图。
图5是表示流经图4中所示的双枢转闭锁阀的流体流速的图表。
图6是表示与图4中所示的双枢转闭锁阀连接的注射泵输送到2psi下的压力容器的结果的图表。
图7显示用于控制来自往复泵的流体的流速的一个双闭锁阀。
图8显示具有双侧往复电化学泵的两个双闭锁阀，并显示药物输送中的两个步骤。
图9显示具有双侧往复电化学泵的两个双闭锁阀，其用于向患者输送可控量的两种不同的药物。
具体实施方式
参照图1(基于现有技术US7260932B1)，所示为在开启(图1(a))和关闭(图1(b))位置的单滑动闭锁镍钛诺阀。管115位于阀臂109和位置固定的阀座121之间的开放接收区中。为关闭阀，附接于阀臂109的镍钛诺线101由相连电路103激活，以拉动阀臂109，从而挤压管115使其关闭，如图1(b)所示。闭锁臂112上的弹性构件，例如弹簧106，推动闭锁臂112以使其阻碍阀臂109的回复，使得管115保持被挤压而关闭，而不需要任何额外的电力。为开启阀，使电流通过电路104，以激活附接于闭锁臂112的镍钛诺线102。弹簧105推动阀臂109至其开启位置，以阻碍闭锁臂112的回复路径，使得阀保持开启而不需任何额外电力。因此，可使用形状记忆合金线来构建单滑动阀，形状记忆合金线可在所需位置无限期停留而不需要额外的外部电力，直到阀被从关闭位置移动到开启位置，或从开启位置移动到关闭位置。一旦设定在任一位置上，阀就不再依赖电力。在包括往复泵的药物输送装置中，可使用两个这种阀，一个作为入口阀，一个作为出口阀。在这种情况下，任一阀的开启或关闭没有限制，因此在任一时间点上，可以两个阀都开启，或者两个阀都关闭，或者一个开启而另一个关闭。如果由于系统故障而导致两个阀都开启，则会形成从容器到输送部位的开放路径，这在药物输送应用中可造成灾难性的后果。
图2的图表显示图1中所示的阀开启和关闭的实验结果。由图2可见，通过阀的操作可快速及有效地开启和关闭流经管115的流动。
图3示出了与图1中的阀相比的创造性，其中同一个流体路径的两段(或两个独立的流体路径)305和307不能同时位于开启位置。在图3(a)的设置中，管305开启而管307被挤压而关闭。在图3(b)的设置中，管305被挤压而关闭而管307开启。图3的双滑动闭锁镍钛诺阀设计成在切换状态时两个阀都关闭，并且管305和307机械上不可能同时开启，从而随时防止流体在故障情况下意外地流经系统。
为从图3(a)的设置移动到图3(b)的设置，使电流通过相连电路103来激活附接于入口阀臂301的镍钛诺线101。这导致阀臂301向上移动，挤压入口管305并允许弹簧106将出口阀臂302推至使出口管307开启的位置，并且阻止入口阀臂301回复至其初始位置。为回复至图3(a)的设置，使电流通过相连电路104来激活附接于出口阀臂302的镍钛诺线102。如图所示，这导致出口阀臂302向右移动，从而挤压出口管307使其关闭并允许弹簧105将入口阀臂301推至使入口管305开启的位置，并且阻止出口阀臂302回复至其开启位置。可见，在每次切换期间，有一段短暂的时间入口管305和出口管307都是关闭的；但是，在任何时间入口管305和出口管307都不能同时开启，因为机械上阻止了这种操作。这种设置防止在故障情况下的流动，这在使用阀来从容器向患者输送药物时是至关重要的。
图4示出了上述设计的变体，其中使用了双枢转闭锁镍钛诺阀。如图所示，出口管409位于被出口阀臂404挤压而关闭的位置。为改变阀的位置，激活附接于入口臂401的镍钛诺线101，以移动入口臂401以挤压入口管405。此时，弹簧407推动出口臂404以开启出口管409(入口管405关闭)，并且出口臂404阻止入口臂401回复至其正常位置。此后，附接于出口臂404的镍钛诺线102的激活使阀回复至图4所示的开启位置(入口管405开启且出口管409关闭)。可见，与图3中所示的情况相同，在该过程中的任何时间管405和409都不能同时开启。阀的设计从机械上阻止了这种操作，从而提供了阀故障情况下的安全机制。使用枢转臂在机械上的好处是可以减小切换阀位置所需的镍钛诺线101和102的长度。因此可以制作更小且能效更高的阀。
虽然本文中根据与流体(特别是药物)的输送相关的具体应用描述了本发明的多个实施例，但显然本发明并不限于这些实施例。例如，双阀安全机制也可通过棘轮动作或适当形状的凸轮来实现。此外，可使用任何致动机构来切换耦合阀的阀状态，包括螺线管，磁力、气动或液压控制器，步进电机，或手动操作。此外，以上描述集中于滑动或枢转构件的二维布置，但是，本发明可拓展至以非平面方式布置的致动构件。可使用双闭锁阀的更大或更小的实施方式，以在任何尺度上实现安全性增强的流体控制。
图5的图表示出了图4的双枢转闭锁镍钛诺阀开启和关闭的归一化结果。由图5可见，与图2相同，该阀能高效地切换流经出口管409和入口管405的流动。此外，图5还显示，任一阀的开启总是直接对应另一阀的关闭。在该图中，y轴的0表示无流动，1表示有流动。x轴表示在开启和关闭之间循环交替切换两个阀臂。在任何时间流体都不能同时流经两个阀，因为在任何时间出口管409和入口管405都不能同时开启，从而阻止流体同时流经两个阀。
图6的图表示出了使用注射泵作为流体排量源并结合图4的双枢转闭锁阀的实验结果。从提供重量读数的天平移走流体并输送至压力维持在2psi的容器。由图6可见，以阶梯的方式从天平输送流体，交替进行从天平移走流体的操作和关闭阀且将流体输送到天平外的容器的操作，从而实现随时间相对均匀的输送。该数据还显示，没有从压力容器到天平的回流，这说明在任何时间两个阀臂都不会同时开启。
图7示出了本发明描述的双闭锁阀结合电化学泵或“ePump”725的应用。例如，美国专利7,718,047、8,343,324和8,187,441教导了适用于本发明的电化学泵，这些专利以援引方式加入到本申请中。在本实施例中，双闭锁阀用于以可控剂量向患者821输送流体，例如药物。在第一步中，入口阀臂开启(出口阀关闭)，使用ePump将一剂量的流体沿流动路径705抽到室706中。在第二步中，出口阀开启(入口阀关闭)，使用ePump将流体从室706推送到患者821中。请注意，在任何时间都没有从容器到患者的开放路径，这是药物输送中的重要安全特征。
图8示出了使用双侧ePump 825结合两个双闭锁阀来接近连续地以可控剂量向患者821输送流体(例如药物)的应用。双侧ePump 825具有两个室806和816。当泵将流体抽进上室806时，它将流体从下室816排出。反之，当泵将流体抽进下室816时，它将流体从上室806排出。由图8可见，有两条从容器801到患者821的不同的流体路径：805-806-807和815-816-817。正如图4中所描述的，当入口阀401开启时，出口阀404必须关闭。而当出口阀404开启时，入口阀401必须关闭。这个重要的控制和安全特征只允许输送流体的计量剂量(室806的体积)，并防止形成从容器801到患者的开放通道的可能性。入口阀411和出口阀414有相同的设置，以控制沿路径815-816-817的流体流动。
或者，可使入口管805和出口管817均通过阀臂401，并使出口管807和入口管815均通过阀臂404，则只需要一个双闭锁阀就可提供从容器801到患者821的流动。同样地，在这种设置下，在任何时间都没有从容器到患者的开放流体流动路径。
以下步骤描述如何将流体的计量剂量以接近连续的方式从容器801输送到患者中。在本实施例中，系统已被灌满，因此两个流体路径都充满流体。在步骤(1)中，入口阀401和出口阀414开启，而出口阀404和入口阀411关闭。当ePump 825启动时，它首先通过流动路径805从药物容器801抽取流体到室806中，并将其储存在室806中。同时，ePump 825将储存在室816中的流体通过路径817排出到患者中。在步骤(2)中，阀被反转，即输出阀404和输入阀411开启，而输入阀401和输出阀414关闭。在这种情况下，泵通过流动路径815从容器801抽取流体到室816中，并将其储存在室816中。同时，(在步骤1中)储存在室806中的流体的计量剂量被通过流动路径807排出到患者中。重复步骤1和2便可实现接近连续地(或间歇性地)将可控剂量的流体(在本实施例中是药物)安全地输送到患者中。
图9示出了图8的设置的变体，其中可将两种不同的药物从两个不同的容器901和902输送到患者中。通过图8描述的步骤，交替地输送容器901中的药物A和容器902中的药物B。但是，可能希望输送较多剂量的药物A和较少剂量的药物B。例如，胰岛素结合胰高血糖素可用于治疗糖尿病，但可能需要以与胰高血糖素相比较大(或较小)的体积和/或较高(或较低)的频率来输送胰岛素。以下步骤允许只使用一个双侧ePump和两个双闭锁阀来差异化地及可控地输送两种药物。例如，需要将9个剂量的容器901中的药物A和1个剂量的容器902中的药物B输送到患者中。开始时系统已灌满，流体路径805-806-807和815-816-817分别充满流体：药物A和药物B。在步骤1中，入口阀401和411均开启，而出口阀404和414均关闭。ePump825的第一个动作是从容器A抽取计量的流体到室806中，并将其储存在室806中。同时，室816中的流体通过唯一开放的路径被排出：回到容器902中。在步骤2中，上双闭锁阀切换位置，即入口阀401关闭，而出口阀404开启。这意味着ePump 825的第二个动作是将储存在容器806中的流体通过路径807排出到患者821中。重复步骤1和2使得只有来自容器901的流体(药物A)被输送到患者中，而来自容器902的流体(药物B)在容器902和室816之间来回循环，这种来回循环可对容器中的物质有混合或搅拌的作用。当需要将来自容器902的流体输送到患者821中时，下双闭锁阀切换位置，即入口阀411关闭，而出口阀414开启，从而将储存在室816中的流体排出到患者821中。与上述相反的步骤可将来自容器B的流体重复地输送到患者中，而使来自容器A的流体在容器901和室806之间来回循环。通过选择性地操作两个双闭锁阀，可按需要将每种药物选择性地泵回其初始容器或泵到患者中。
虽然本文中根据与流体(特别是药物)的输送相关的具体应用描述了本发明的多个实施例，但显然本发明并不限于这些实施例，相反本发明可应用于需要以故障安全的方式准确输送流体的其他领域。此外，虽然本文中描述了结合ePump使用的本发明的多个实施例，但显然本发明并不限于这些实施例，其他类型的泵也可与本发明的阀结合使用。此外，虽然本文中描述的某些实施例中使用镍钛诺作为形状记忆合金，但应理解，可用其他形状记忆合金或材料或致动方法来代替，而不超出本发明的范围。
除非另有说明，本文中使用的所有技术和科学术语具有本领域普通技术人员通常理解的意思。虽然与本文中描述的相似或等同的任何系统或材料均可用于实践或测试本发明，但本文中描述了若干示例性的系统和材料。本领域技术人员将会理解，本发明可有更多的修改，而不偏离本发明的构思。本文中使用的所有术语都应根据上下文以最宽松的方式理解。本文中所述的所有范围均包括所述范围内的所有具体数值，以及所述范围内的所有子范围。
参照上述具体实施例描述了本发明。这些实施例仅是示例性的，并不限制本发明的整体范围。上述说明可有多种变体和修改。本发明的范围仅由权利要求限制。

Claims (20)

1.一种双闭锁微型阀，包括：
a.第一阀臂，所述第一阀臂包括第一阀臂端，并且还包括适于接收可压缩的第一管的第一阀臂接收区；
b.第一阀座，所述第一阀座位于所述第一阀臂的所述第一阀臂接收区中并与所述第一管相邻以形成第一阀；
c.第二阀臂，所述第二阀臂包括第二阀臂端，并且还包括适于接收可压缩的第二管的第二阀臂接收区，其中所述第二阀臂相对于所述第一阀臂定位以使得所述第二阀臂端与所述第一阀臂端接合；
d.第二阀座，所述第二阀座位于所述第二阀臂接收区中并与所述第二管相邻以形成第二阀；
e.附接于所述第一阀臂的第一致动机构；
f.附接于所述第二阀臂的第二致动机构；以及
g.至少一个电源，所述电源在电路中与所述第一致动机构和所述第二致动机构中的一个或多个电连接，
其中，以来自所述电源的电流对所述第二致动机构充电导致所述第二阀臂移动并允许所述第一阀臂端抵靠所述第二阀臂端移动，从而在所述闭锁臂接收区中向所述第二阀座压缩所述第二管，并将所述第二管保持在压缩状态，从而关闭第二阀，并允许所述第一管保持在非压缩状态，从而允许所述第一阀保持开启，而不需要增加来自所述电源的额外电力，以及，以来自所述电源的电流对所述第一致动机构充电导致所述第一阀臂移动并允许所述第二阀臂端抵靠所述第一阀臂端滑动，从而允许所述第二管在所述第二阀臂接收区中保持非压缩，从而允许所述第二阀保持开启，并在所述第一阀臂接收区中向所述第一阀座压缩所述第一管，并将所述第一管保持在压缩状态，从而关闭第一阀，而不需要增加来自所述电源的额外电力。
2.根据权利要求1的双闭锁微型阀，其还包括：
a.与所述第一阀臂接合以将所述第一阀臂向所述第一阀座偏压的第一弹性构件；以及
b.与所述第二阀臂接合以将所述第二阀臂向所述第二阀座偏压的第二弹性构件。
3.根据权利要求2的双闭锁微型阀，其中所述第一和第二弹性构件包括弹簧。
4.根据权利要求1的双闭锁微型阀，其中所述第一致动机构和所述第二致动机构中的一个或多个包括形状记忆材料。
5.根据权利要求1的双闭锁微型阀，其中所述第一阀和第二阀均应用于经过所述第一和第二管的同一个流动路径，其中当所述第一和第二阀中的一个打开时，所述第一和第二阀中的另一个必须关闭。
6.根据权利要求1的双闭锁微型阀，其中所述第一致动机构和第二致动机构选自由以下组成的组：螺线管、马达、气动致动机构、以及液压致动机构。
7.根据权利要求1的双闭锁微型阀，其中所述第一致动机构和所述第二致动机构中的一个或多个包括凸轮或棘轮。
8.根据权利要求5的双闭锁微型阀，其还包括：
a.用于容纳流体的容器；以及
b.通过所述第一管与所述容器流体连接的计量室，
其中当所述第一阀开启且所述第二阀关闭时，所述流体被从所述容器抽到所述计量室，并且当所述第二阀开启且所述第一阀关闭时，所述流体被从所述计量室推送到患者中。
9.根据权利要求8的双闭锁微型阀，其中所述流体是药物，并且其中所述计量室的最大体积的尺寸设置成容纳被输送到所述患者的所述药物。
10.根据权利要求9的双闭锁微型阀，其中基于输入信号定时从所述计量室输送所述药物。
11.根据权利要求8的双闭锁微型阀，其中所述第一阀和第二阀设置成在所述容器和所述计量室之间形成混合作用。
12.一种用于向患者输送第一药物的阀机构，包括：
a.第一双闭锁阀；
b.第二双闭锁阀；
c.双侧泵，所述双侧泵与所述第一双闭锁阀和第二双闭锁阀流体连接，以接近连续地向所述患者输送所述药物。
13.根据权利要求12的阀机构，其还包括与所述双侧泵流体连接的第一药物容器，其中所述机构通过所述第一双闭锁阀和第二双闭锁阀的放置设置成从来没有从所述第一药物容器到所述患者的直接流体路径。
14.根据权利要求12的阀机构，其中所述第一双闭锁阀和第二双闭锁阀设置成向所述患者间歇性地输送多个剂量的所述第一药物。
15.根据权利要求13的阀机构，其还包括用于容纳第二药物的第二容器，其中所述第二容器与所述双侧泵流体连接，从而所述第一双闭锁阀和第二双闭锁阀设置成控制向所述患者独立输送所述第一药物和第二药物。
16.根据权利要求15的阀机构，其中所述第一双闭锁阀和第二双闭锁阀设置成从所述第一容器向所述患者输送多个剂量的所述第一药物，而从所述第二容器向所述患者输送较少剂量的所述第二药物或不输送所述第二药物。
17.根据权利要求15的阀机构，其中所述第一双闭锁阀和第二双闭锁阀设置成在所述第一容器和所述第二容器之间形成混合作用。
18.根据权利要求15的阀机构，其中所述双侧泵是电化学泵。
19.根据权利要求15的阀机构，其中所述第一双闭锁阀和第二双闭锁阀通过致动机构连接，以使得所述第一双闭锁阀和第二双闭锁阀不能同时开启。
20.根据权利要求19的阀机构，其中所述致动机构包括凸轮或棘轮，随着所述凸轮或棘轮绕轴旋转，在第一位置上，所述凸轮或棘轮开启所述第一双闭锁阀并同时关闭所述第二双闭锁阀，而在第二位置上，所述凸轮或棘轮关闭所述第一双闭锁阀并同时开启所述第二双闭锁阀。
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