CN106794304B - 用于探测医疗流体容器中的活塞的感测系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定流体容器内的柱塞的位置的感测系统。该感测系统包括光源、光探测器和控制器。光源构造成向流体容器的筒体壁中发射光以使得筒体壁用作用以引导光在其中沿轴向行进的波导。光探测器定位成探测由光源发射、行进通过用作波导的筒体壁并且然后从柱塞的表面反射的反射光。控制器与光探测器通信以基于来自光探测器的所探测出的反射光的数据来确定柱塞表面的轴向位置。

Description

用于探测医疗流体容器中的活塞的感测系统
技术领域
本发明涉及流体传送装置，具体涉及一种用于确定流体容器内的柱塞的位置的感测系统。
背景技术
用于向患者传送流体药物的各种已知类型的装置采用具有可移动柱塞的药物填充容器，此类容器包括料筒和注射器。这些类型的装置包括但不限于诸如胰岛素泵的输注泵和诸如注射笔的药物注射器。药物料筒包括可移动柱塞，该可移动柱塞将药物在柱塞前方密封料筒的筒体内。料筒柱塞在通过料筒可安装在其中的传送装置的驱动机构行进时将药物从料筒压送通过料筒的出口以传送到用户。
知道柱塞在容器内的轴向位置允许用户可潜在地获得各类信息。例如，柱塞的绝对位置可允许确定容器中剩余的药物的数量。此外，柱塞的轴向位置的变化可允许确定从容器分配的剂量。
过去已研发了各种系统以采用某种方式确定容器内的柱塞的位置。一个这种类型的系统使用光学特性。美国专利No.6113578公开了容许注射器中的光学剂量测量的多种设计。虽然潜在地有用，但这些设计并非没有缺点。例如，这些设计由于它们需要大量工作构件而相对复杂。该复杂性会引起更大的与制造相关的成本。再者，该复杂性可能增加潜在失效模式的数量，并且需要比结合在希望保持小、紧凑和便携的装置中时期望多的空间。
因此，希望提供一种柱塞感测系统，或采用这种感测系统的装置，其能克服现有技术的这些和其它缺点中的一个或多个缺点。
发明内容
在其一种形式中，本发明提供了一种用于确定流体容器内的柱塞的位置的感测系统，该流体容器包括由透光材料制成的筒体，该筒体在前出口端与后端之间沿轴向延伸，柱塞具有与筒体的壁的内表面不透流体地接合以将流体在柱塞前方密封在筒体中的至少一个周面区域，并且柱塞可在筒体内沿轴向朝前出口端前移以通过前出口端分配来自流体容器的流体。感测系统包括光源、光探测器和控制器。光源构造成向筒体壁中发射光以使得筒体壁用作用以引导光在其中沿轴向行进的波导。光探测器定位成探测由光源发射、行进通过用作波导的筒体壁并且然后从至少一个周面区域反射的反射光。控制器与光探测器通信以基于来自光探测器的所探测出的反射光的数据来确定所述至少一个周面区域在流体容器内的轴向位置。
在其另一种形式中，本发明提供了一种药物输送装置，其包括：壳体，该壳体包括容器保持器；被保持在容器保持器内的药物容器，该药物容器包括筒体和柱塞，筒体由透光材料制成并且在前出口端与后端之间沿轴向延伸，该柱塞具有与筒体的壁的内表面不透流体地接合以将药物在柱塞前方密封在筒体内的至少一个周面区域；在壳体内的前移机构，该前移机构可操作成使柱塞在筒体内前移以通过前出口端分配来自药物容器的药物；光源，该光源安装在壳体内以向筒体壁内发射光，使得筒体壁用作用以引导光在其中沿轴向行进的波导；光探测器，该光探测器安装在容器保持器内以探测由光源发射、经用作波导的筒体壁行进并且然后从至少一个周面区域反射的反射光；和安装在壳体内的控制器，该控制器与光探测器通信以基于来自光探测器的所探测出的反射光的数据来确定所述至少一个周面区域在药物容器内的轴向位置。
本发明的一个优点在于可提供简单以便具有相对低的制造成本的用于感测容器内的柱塞的系统。
本发明的另一个优点在于可提供一种允许确定容器内的柱塞位置和移动的用于感测容器内的柱塞的系统。
本发明的再另一个优点在于可提供允许确定柱塞的压缩的用于感测柱塞的系统。
本发明的再另一个优点在于可提供用于感测容器内的柱塞的系统，该系统需要有限的空间以便允许该系统结合在其中的输送装置保持紧凑并且容易操纵。
附图说明
通过参照以下结合附图对本发明的实施例的描述，本发明的上述和其它优点和目的以及实现它们的方式将变得更加明显，并且本发明本身将更好理解，在附图中：
图1是本发明的感测系统以及有利地与这种系统联用的容器的示意图；
图2是在部分截面侧视图中示出的以操作构型设置在药物料筒周围的图1的感测系统的选择性构件的概略图；
图3是图2的构件和料筒的概略图，其中示出了光路；
图4是与图2相似但示出采用滤光元件的本发明的替代感测系统的概略图；
图5是配备有本发明的感测系统的注射笔的透视图，该笔被示出装载有药物料筒；
图6是图5的选择性构件的分解透视图；
图7是适于不同地构成的料筒的本发明的替代感测系统的选择性构件的在概念上与图2相似的概略图；
图8是适于另一不同地构成的料筒的本发明的再另一替代感测系统的选择性构件的在概念上与图2相似的概略图；
图9是本发明的再另一替代感测系统的选择性构件的在概念上与图2相似的概略图；
图10是本发明的再另一替代感测系统的选择性构件的在概念上与图2相似的概略图；以及
图11是通过相对于未设置诸如凸起的表面变化的筒体成规定角度引导其光的向筒体壁——光被引导到其中——中发射光的光源的视图。
在全部若干视图中对应的附图标记表示对应的部件。虽然附图表示本发明的实施例，但附图不一定按比例绘制，并且在一些附图中某些特征可能被夸大或省略以更好地图示和说明本发明。
具体实施方式
在图1中，示意性地示出了供总体上以25表示的容器使用的总体上以20表示的本发明的感测系统的第一实施例。感测系统20包括光源30、光探测器35和控制器40。光源30定位成通过如虚线42所示向容器壁中提供光而与容器25可操作地交互。光探测器35定位成通过探测如虚线44所示从容器反射的光而与容器25可操作地交互。控制器40控制感测系统20的操作并且可以是系统20可安装在其中的装置的总控制系统的一部分。控制器40使用从光探测器35接收的数据来确定与容器有关的信息，诸如可用于计算容器内的流体的容器内的柱塞的位置，或用于确定容器的输出的柱塞位置的变化，或柱塞压缩。图1中作为控制器40示出的框也可看作用于需要外部电源来操作的感测系统20的元件的电源。
控制器40被示出在46与光源30并且在48与光探测器35可操作地连接。连接46和48允许控制器40使光源30和光探测器35仅在柱塞位置确定时工作，由此在能量由外源提供而不是如下所述由环境光提供时保存这种能量。可采用多种合适的方式中的一种或多种方式提供任何必要的电力，诸如通过固定或可充电电池，或外部电源，或超级电容器，或诸如太阳能、电感、强制/自由对流气流、无线电频率、振动或动能的能量回收系统，或热电。连接48也表示光探测器35的输出用以到达控制器40用于处理的数据线。
参照图2，光源30和光探测器35被抽象地示出并且处于沿感测系统20有益地适用的一种形式的流体容器25的操作位置。感测系统20基于光学特性并且构造成使用容器25的壁作为波导以便允许容器柱塞的一个或多个部分的位置确定。容器25在图2中被示出为可用于例如药物注射笔中的标准药物填充料筒。由于感测系统20可适于探测其它不同地构成的容器中、例如具有从柱塞延伸并且突伸超出注射器筒体的可驱动杆的常规注射器中的柱塞，所以图2所示的容器和文中对其的说明应认为是说明性的而不是限制性的。
光源30提供沿轴向被引导到容器壁中以便引起料筒柱塞的与料筒筒体密封地接触的部分的照明的可见光。在替代实施例中，代替可见光，光波长可改为在红外至紫外波长范围内，感测系统的其余部分和料筒的材料被选择成与其适合即可。
合适的光源30可以是与筒体壁对齐并且仅在容器筒体的外周的一小段处将其光导入容器壁内的单个灯。合适的光源30可以替代地由多个灯而不是仅一个灯提供。移动通过用作波导的料筒壁的来自光源30的光对于该光的要通过光探测器35测量的从密封柱塞部分反射的部分而言足够强。通过光源30引导的光的强度也大于入射在筒体的直接在光探测器35与柱塞52之间的任何部分或沿料筒筒体50的任意点上的任何以其它方式存在的光的强度。
提供窄光束的发光二极管(LED)优选作为光源30。也可使用激光或其它光源，诸如荧光灯或白炽灯。光束可以是白色或彩色光，诸如红色、蓝色或绿色，它可由光探测器35识别或探测即可。一种合适的LED可作为HLMP-Q106从Avago Technologies购得。可设置专用透镜或一组透镜以将来自光源的光束聚焦到筒体厚度中。
光探测器35是用于在沿探测器长度的不同点登记从料筒25反射的光的感测元件。特别地，光探测器35定位成在反射到料筒外部的光束已在波导内行进之后感测反射到料筒外部的光束，所述波导在通过光源30产生之后由料筒壁提供。已发现这种反射与柱塞的与料筒壁的内表面流体密封接合的一个或多个部分的对应性最高。光探测器35被示出定位成相对于料筒25的轴线与光源30径向对齐，尽管未直接在其径向外侧。不需要这种对齐，因为光探测器在与光源成角度地隔开时光探测器可能是有效的。光探测器35将登记的反射光转换为经由线路48传输到控制器40的电信号。
在一个实施例中，光探测器35可以是互补金属氧化物半导体元件(CMOS)的直线阵列，其大小确定为至少沿料筒长度的希望探测料筒柱塞密封部的位置的部分轴向地延伸。光探测器35可沿筒体主体部60的全部轴向长度延伸。其它类型的光探测器可替代地用于探测反射光，诸如线性电荷耦合器件阵列(CCD)、光电二极管阵列、光敏电阻阵列、位置感应二极管，并且可使用更多二维图像传感器。
在另一实施例中，代替直接探测器，CMOS探测器可采用非线性布置布设在料筒主体周围，诸如采用如图8所示的螺旋图案。这种螺旋图案可用于适应空间制约。此外，螺旋图案可允许更大的探测分辨率，因为随着料筒的轴向长度越长，阵列可包括越多的探测器元件。
料筒25被示出为标准3毫米药物料筒，包括筒体50和可沿筒体的轴向长度的一部分移动的密封柱塞52。筒体50呈在前端55与后端57之间沿轴向延伸的圆筒形式一体地形成。对前和后的谈及涉及在药剂分配期间认为柱塞52在料筒筒体内向前移动的方向命名公约。筒状筒体50限定出内部中空部72。筒体50包括主体部60和阶梯式降低的颈部区段62，在该颈部区段的前端有隔壁支承套环64。
筒体主体部60由轴向地延伸的圆筒状壁61形成，该壁61具有内表面70，柱塞52的密封面与内表面70接合并以不透流体的方式沿其滑动。内部中空部72的在柱塞52前方的部分充填有用于分配的药物74。当柱塞52在筒体内沿前轴向或在图2中向左前移时，药物通过在筒体50的前端55经过筒体50的由中空部72的开口前端形成的出口而从容器25分配。
对于所示的用于与针联用的料筒25而言，筒体出口由通过锯齿形密封件82固定的隔壁80罩住。当柱塞52被向前驱动时，以84抽象地示出的双端针刺穿隔壁80以提供药物74可用以从筒体出口经过隔壁80的通道。针84通常与能可移除地安装在例如料筒25安装在其中以使用的注射笔上的注射针组件相关。
筒体50由在筒体壁内传输通过光源30施加的光的材料制成。透光或半透光的玻璃或聚合物是合适的筒体材料。筒体50被示出为在其外周周围具有均匀的结构。这引起感测系统20可针对料筒25相对于轴向的任何角取向工作，从而实现感测系统20相对不复杂的料筒安置。感测系统20可供不是这样均匀地构成的料筒使用，这种料筒的与光源30和光探测器35对齐的部分构造成允许如以下更充分地描述的光传输/透光性。
在图2的截面图中未示出的柱塞52被设计成具有与筒体内表面70不透流体接合以密封来自筒体后端57的药物74的至少一个外周面区域。在所示的实施例中，柱塞52由单片弹性或弹性体材料如溴丁基橡胶形成。柱塞52包括本体90，该本体90具有各自都横向于柱塞本体90的长度沿其延伸的轴向取向的前端92和后端94。前端92和后端94各者的面是平坦的，但有一系列突出的凸块96，其有助于防止多个柱塞在制造过程中粘在一起。前端92的端面与料筒25的药物内含物74直接接触。
端部92和94之间的本体90除三个径向地突出的密封肋98之外具有大体圆筒形的外周。各密封肋98围绕本体90的全部外周延伸并且横向于轴向取向。每个肋98都在其径向外侧包括弧形密封表面。在三个肋的弧形密封表面之中，前肋密封表面为100a，后肋密封表面为100c，并且中间肋密封表面为100b。如常规的那样，肋98大小确定和成形为使得密封表面100a-c以可滑动地不透流体的密封接合方式压靠在筒体表面70上。本体90的轴向地位于肋98之间的部分不与筒体表面70接触。
密封肋98被示出为三个并且沿本体长度成轴向地间隔开的关系，从而得到提供与筒体表面70不透流体接合的三个轴向地间隔开的外周面区域100a-c的用于柱塞的三个不同密封环。肋98和得到的表面如表面100a-c的数量可由本领域的技术人员根据柱塞的总体设计来选择以提供合适的密封特性。此外，密封环的安置位置越靠近柱塞的前面，柱塞的前面与药物接触的实际位置的探测越好。结果，可提供不同数量的这些肋和密封表面，诸如两个，或少至一个，或多于三个，并且感测系统20可有益地适用于各种这样的柱塞设计。
光源30典型地定位成在料筒后端57处在轴向上尽可能地靠近筒体壁61的后边缘65，并且其产生的光通过边缘65定向在轴向上。来自光源30的所产生的光的中心在筒体壁边缘65的径向厚度的中间。在替代实施例中，光源可定位成从后边缘65被移除，但仍构造成向后边缘65提供它的光。例如，诸如当将光源定位成更靠近轴向位置与容器间隔开的电源或控制源并且结果充分远离后边缘时，该光源可将它的光导入光纤、光管或波导中，所述光纤、光管或波导又将其传输的光引导到筒体壁后边缘65。这种居间的光纤、光管或波导以及光源可以替代地设置在料筒的保持器内。
光探测器35优选定位成在径向上尽可能靠近筒体壁61的外周。在其中同样的部件使用角分符号表示的图4所示的替代实施例中，并且尽管光探测器35’仍以其它方式定位成尽可能靠近筒体壁61’，在光探测器35’与筒体壁61’之间介设有滤光元件36。
滤光元件36具有微型百叶窗箔以限制通过其中的光的路径，使得从柱塞52’反射的较宽光束通过删除非垂直光路、特别是相对于料筒25’的径向而沿单一方向被引导到直路径中。该滤光用于为光探测器35’提高对比度。替代方案可以是将从柱塞反射的传播光转换为朝光探测器取向的更异形和聚焦的光束的任何类型的透镜或透镜的阵列。例如，可使用准直透镜。
根据另外参考图3所示的光路对感测系统20可工作的一种方式的描述，将进一步理解感测系统20的结构。当需要与柱塞52的一个或多个密封部100a-c的料筒筒体部60内的轴向位置有关的细节时，感测系统20启动。光源30将以105表示的窄光束沿轴向发射到筒体壁61中，该光由于轴向地延伸的筒体壁61用作波导而沿以108表示的轴向大体在壁61内部行进。在筒体壁61中轴向地移动的光将以如以110a、110b和110c所示的照射柱塞52的密封部100a-c的方式反射。这些光束110a-c以及被径向向外反射的轴向地经过筒体壁61内的来自光源30的其它光由光探测器35沿探测器长度或路径感测。反射光110a-c具有比沿筒体长度在其它地方向外反射的来自光源30的任何光的强度高的强度，该强度由于反射光离光源30的距离而倾向于从110c至110b至110a降低。光探测器35产生与在沿其长度的各个点感测出的光强度水平对应的电信号，这些电信号经由连接48被发送到控制器40。
控制器40然后将这样从光探测器35接收的反射光数据处理合成与柱塞位置或状态有关的信息，该信息可被存储在控制器40内，诸如为了进一步使用，和/或被传输。信息可被传输到例如用户可见的与料筒使用相关的显示器，或跟踪使用信息的计算机网络。这种与控制器40相关的传输装置在图1中未示出，但是常规的并且可属于有线或无线类型。
控制器40被编程成考虑沿探测器长度的感测光数据中的峰值来确定密封部100a-c的位置。例如，控制器40可首先分别针对期望的柱塞位置操作感测系统多次，诸如十次，从而得到十个在沿探测器长度的每个像素或感测点的感测光数据的值。对于各像素而言，然后将十个值平均，并且沿与它们对应的探测器长度标示平均像素值。得到的标示包括三次明显的向上振荡，每次振荡都与不同密封部100a-c对应。
控制器然后分析这些振荡。在一个基础系统中，控制器搜索每次振荡内振幅最高或最大的像素，并且控制器认为该像素的沿探测器长度的轴向位置是可应用的柱塞密封部的位置。
对该基础系统的细化方案也可由控制器使用。在一个细化方案中，使用多项式曲线拟合或最小二乘方拟合方案，其中使用多项式函数来粗略估计每次振荡的峰值区域。在基础系统的探测出的最大像素位置周围限定出一个区域。在该区域中计算多项式拟合，从而获得多项式系数。然后通过过采样像素来评价该多项式，并且计算细化的最大位置并且认为它是可应用的柱塞密封部的位置。适合于多项式拟合的值是5度多项式(5th degreepolynomial)，在最大位置的每一侧有40个像素的拟合区域，过采样为100。
在一个替代细化方案中，对每次振荡使用面积中心计算。在基础系统各探测出的最大像素位置周围，或可能地在如前面通过多项式曲线拟合细化方案细化的最大像素位置周围，限定了一个区域。合适的区域是在这种最大位置的每一侧的40个像素。在该区域中，利用下式计算最大位置：
Figure BDA0001235702050000091
认为计算出的最大位置值是可应用的柱塞密封部的位置。
在一个替代细化方案中，可将整个柱塞的位置作为传感器的输出与存储在控制器中的预定波形之间的交叉相关函数(cross-correlation function)的最大值的位置计算。
再者，控制器可被编程为隐藏否则可能导致控制器提供不正确的读数的与在筒体颈部处的反射相关的探测器感测数据的部分。
可由控制器40确定的信息可以是如基于筒体部60内的密封区域100a的轴向位置在注射期间经历的变化而计算出的在该次注射期间从料筒25压出的药物74的量。假设控制器40已知其它料筒或历史细节，则柱塞的位置也可被用于确定从料筒25输送的全部药物或料筒25中剩余的全部药物。
再者，控制器也可使用通过探测器感测出的在筒体颈部处的反射，该反射否则可能成为如上所述的隐藏数据，以确定料筒中剩余的药物。例如，控制器可使用通过探测器感测出的筒体颈部反射作为基准点，从而允许控制器通过将柱塞的位置与该基准点进行比较来确定料筒中剩余中的药物的量。如果控制器将这样使用筒体颈部反射，则可设置在与在料筒筒体中处于底部的柱塞相关的点对料筒筒体颈部的制造变化以更精确地确定这种基准点。突出了在该点的反射的这些制造变化可以是筒体壁中的沟槽或缺口，或其上的凸起。
可由控制器40确定的信息同样或可替代地可以是柱塞52的压缩量。控制器40可被编程为判断在于密封区域100a和100c之间感测出的距离小于这些密封区域之间的这种距离的存储值的情况下，该存储值是否是为该距离的通常值或紧在注射之前的值。柱塞压缩信息可用于确定剩余分配剂量或监视柱塞52在使用料筒25的注射已发生之后何时已返回其注射前状态，此时料筒用户可被告知不存在剩余剂量并且注射完成。
现在参照图5和6，示出了以总体上表示为130的笔形的药物注射装置的一种形式可操作地安装的与系统20相似的感测系统。该类型的注射装置是众所周知的，并且装置130的描述仅仅是说明性的，因为感测系统可适于在其中希望柱塞探测的以各种方式构成和工作的装置中使用。
药物注射装置130通常绝大部分是这种包括支承装置的内部构件的壳体的装置。壳体被显示为具有保持以141抽象地表示的机械驱动机构的后壳体部135。剂量设定套环137在被转动以设定注射剂量时从图5所示的位置从壳体部135被拧出，并且用户在套环137所带的按钮140上施加推进力使按钮和套环移动回到它们在图5中所示的轴向位置，这致使驱动机构141将其输出部件从壳体部135伸出以使柱塞144在料筒146内前移。
感测系统包括带LED162的套筒160，该套筒牢靠地安装在后壳体部135的前端内。套筒160的中心开口允许驱动机构输出部件穿过其中。LED162用作感测系统的光源并且与壳体内的电源和感测系统控制器电连接，电源和感测系统控制器共同以165抽象地表示。
装置壳体还包括由基部区段152和顶部区段154形成的两部分料筒保持器或前壳体部150。保持器150在其中组装有料筒146时被固定在后壳体部135上，以相对于驱动机构和LED162将料筒146保持在工作位置。
顶部区段154被显示为透明盖，具有前筒状部165，成形为配合在料筒146上的弯曲凸缘167从该前筒状部向后延伸。部分165确定尺寸和成形为料筒146的带有锯齿形密封件147的前端插入其中，使得料筒隔壁149可穿过开口166到达。壳体部165在169处具有外螺纹以将未示出的注射针组件的毂旋拧在其上，所述注射针组件在安装在部分165上时提供穿过料筒隔壁149延伸成与料筒内部容积连通以采用常规方式向装置130的用户输送药物的注射针。
基部区段152提供料筒146配合在其中的中空部172。中空部172的基部由用作感测系统的光探测器的轴向地延伸的CMOS阵列175形成。当前壳体部150安装在后壳体部135上时，装置的未示出的连接器引起CMOS阵列175与以165表示的电源和感测系统控制器电气连通和数据通信。
顶部区段154和基部区段152可构造成以图5所示的布置关系连接在一起，以在与后壳体部135一体地连接之前保持料筒146，诸如将分开的部件卡合在一起或经由销连接在一起的部件的一起枢转。或者，顶部区段154或基部区段152可构造成是后壳体135的延伸部，另一区段在料筒安置之后与其连接或与后壳体135连接。例如，带CMOS阵列175的基部区段152可在后壳体部135上固定地安装成自其向前延伸或突出，其中料筒安装通过将料筒146安置在基部区段152上并且然后将顶部区段154在料筒146上方固定在例如后壳体部135上而发生。这种设计可有利于提供控制器165与CMOS阵列175之间的连接。
由于用作允许用户察看料筒的检查窗的透明盖的存在，环境光可能影响CMOS阵列175的测量。为了避免这种情况，可使用自行转动90度的两个偏振滤光镜，一个安置在检查窗上且一个层叠在CMOS阵列的顶部上，诸如连同可设置在CMOS阵列的顶部上的微百叶窗箔一起。这样，用户可看到料筒，所述阵列可探测肋的反射，但外部光不会到达这些阵列。
装置130还包括被示出设置在壳体部135侧并与控制器165电连接的电子显示器180，诸如液晶显示器。该显示器可替代地设置在其它地方，诸如壳体基部区段152中。由控制器165使用LED162和CMOS阵列175确定的柱塞位置信息可被显示在装置的用户可看到的显示器180上。例如，显示器180可显示在装置130的最近一次注射使用中输送了多少单位的数值指示，或基于料筒146的柱塞是否被压缩而确定的注射尚未完成或已完成的图形或字母数字通知。
参照图7，示出了适于与本领域中公知的以不同方式构成的容器联用的本发明的另一实施例。该感测系统包括与图2的光探测器相同的光探测器235，和除了其相对于以不同方式构成的料筒225的定位以外与光源30相似的光源230。料筒225包括具有筒体壁261的筒体250，和密封柱塞252，这些部件与它们在图2的实施例中的对应部件全都相似。筒体250的不同之处在于它包括与筒体壁261一体地形成的径向凸起269。凸起269的形式是在筒体壁261的后边缘265附近从筒体壁261径向地突出到筒体250的内部的周向圆形肋。光源230位于筒体250内并且构造成相对于轴向地延伸的主料筒壁261沿径向照射直接入射至凸起269的光。
光源230优选诸如通过其靠近凸起269的安置和它发射的光束的狭窄而构造成不从筒体内部直接在筒体250的内表面的任何部分上投射光束，紧邻控制器可借助于通过探测器235探测出的光识别为被这样照射的凸起269的潜在部分除外。可设置专用透镜或一组透镜以将来自光源230的光束聚焦到凸起269中。
已确定，当光这样通过光源230引导到凸起269中时，筒体壁261将用作波导将该光轴向地发送到筒体壁261内以便照射柱塞225的密封部以由与参照图2所述的感测系统一样的感测系统探测。
参照图8，示出了适合与以不同方式构成的容器联用的本发明的又一实施例。料筒325包括具有筒体壁361的筒体350，和密封柱塞352，这些部件与它们在图2的实施例中的对应部件全都相似。在其后端，筒体壁351与呈正交地取向的凸缘369的形式的径向向外延伸的凸起一体地形成。凸缘369延伸超出筒体350的外周，但不必是围绕该筒体的圆周连续的。凸缘369可用于在充填过程中保持料筒。可代之以可由手指抓握的较大凸缘，诸如在凸缘是在注射器柱塞的手动推进期间由手指抓握的注射器的一部分的情况下。
光源330将光向内引导到凸缘369的径向外端，从而引起光经过凸缘的长度内。光源可以是环绕料筒的环形光源。探测器335是沿柱塞352可移动通过的筒体的长度延伸的螺旋地构成的探测器。尽管被显示为延伸通过三整圈，但使用的螺旋图案可涵盖更多或更少的圈数，在需要时可仅包括不足一圈。光源330优选构造成不将任何光束直接投射在筒体350的外表面的任何部分上。如果允许来自光源330的一部分光直接照射在筒体350的外表面上，则它将仅仅是入射光，该入射光不会妥协探测器335精确地确定由于来自光源330的光相对于主料筒筒体350沿径向穿过凸缘369并且然后轴向地穿过用作波导的筒体壁361而引起的对柱塞密封部的照射的能力。因此，并且除了来自光源330的光在用作波导的筒体壁361内轴向地移动之外，在确定光源330的位置时，光源330的构型仅仅引起其光的最低限度或入射部分达到柱塞352移动通过的筒体350的部分。
虽然光探测器35、35’、175、235和335被显示为仅位于料筒筒体的径向上，但本发明的光探测器可定位成通过一部分位于料筒筒体的径向上并且另一部分位于料筒筒体的轴向上来探测从密封柱塞反射的光。例如，如图9所示，本发明的光探测器可包括透光部402和感测部410，其中透光部402设置在料筒筒体425的径向外侧并且感测部410设置在料筒筒体425的轴向后方。感测部410以截面图示出并且被设置为呈环形布置在料筒400的后端附近的CMOS元件等的阵列。感测部410从感测系统的光源440被径向地遮蔽，该光源440是与料筒筒体425的环形端部对齐成与感测部410同心但在其径向内侧的发光二极管的环形阵列。
透光部402被设置为从感测部410围绕料筒筒体425向前延伸的由透光材料制成的套筒。透光部402用作在套筒402的材料内沿轴向发送光以便使径向地输入透光部402中的反射光返回感测部410的波导。这种有关的反射光将是在已首先由光源440发射并且然后行进通过料筒筒体425之后从柱塞430的密封表面反射的光。筒状滤光元件420被示出在透光部402与料筒筒体425之间，该滤光元件420选择或允许仅严格地径向的光通过。透光部402可位于注射笔的料筒保持器内或形成其主要部分。
透光套筒402设置有用于反射从料筒径向地导入其中以轴向地移动通过套筒壁到达感测部410的光的特征结构。这些特征结构是以螺旋图案设置在套筒402的外表面中的一系列缺口。一个这样的缺口以404示出，但代表螺旋系列中的其它缺口的设计。缺口的形状和角度将基于套筒材料的特性来确定，但被示出为具有成45度角的表面406。从料筒直接反射到缺口404的径向内侧的光将进入套筒402并且撞击表面406，该表面406倾向于轴向向后直接地部分反射该光以经套筒402的壁内来到传感器410。
缺口的螺旋图案扩展了配合在料筒400的料筒柱塞430在使用期间可位于其中的部分周围的套筒402的轴向长度。螺旋图案跨越360度以下，但越接近360度允许越大的分辨率，前提是感测部410内的传感器元件的环形阵列充分密集，并且在螺旋图案的起点和终点处的缺口致使光到达感测部410的情况下引起的光干涉是可接受的。
感测元件410在套筒402上的角取向在制造期间是固定的，优选地被视为在环形感测部410的起点处的感测元件与在轴向上最靠近感测部410的缺口角对齐，并且环形感测部410内的特定角向上的连续感测元件与远离感测部410沿轴向的连续缺口对应。这允许控制器将特定像素与沿套筒长度和因此料筒长度的特定位置关联，从而允许确定柱塞430的密封部的位置。
套筒402可以是圆筒形套筒并且因此在图9的截面图中被显示为在缺口404的前方轴向地延伸。由于套筒402的在一系列缺口的前方延伸的该部分未用于将光传输回到感测部410，所以可省略这种前部。在这种修改设计中，应理解套筒402将看上去是从感测部410向前延伸的部分圆筒形套筒，但该套筒具有螺旋形状的前缘。再者，代替圆形的内周和外周，套筒402可具有多边形形状，其中该多边形的不同表面与感测部410的感测元件的不同表面角对齐。
参照图10，示出了本发明的又一实施例。在此实施例中，除锯齿形密封件的变化和光源的不同定位以外，所有部件都与关于图2的实施例示出和描述的部件相同，因此这里相对于图2的部件使用双角分符号表示。光源30”定位成将其光经设置在修改的锯齿形密封件420的周边中的开口或透明部419引导到套环64”中。套环64”用作与筒体壁61”一体地形成的径向凸起。在使用期间，来自光源30”的光沿径向通过锯齿形密封件420的开口419并进入套环64”，并且光继续通过用作波导的颈部区段62”和壁61”以照射柱塞52”的料筒壁密封部，该照射由探测器35”感测并且如上文以其它方式所述使用。对于正确的操作而言，为了使来自光源30的光进入开口419，设置了用以使用单个光源30将料筒相对于所示的感测系统取向的系统以对齐这种窗口和光源。
尽管已将本发明示出和描述为具有优选设计，但本发明可在本公开的精神和范围内进行修改。例如，虽然系统被示出与具有圆筒形式的容器筒体联用，但它可与具有不同形状的筒状形式——诸如正方形或长方形或椭圆形——的容器筒体联用，和/或与不同形状的柱塞联用。再者，该系统可与具有用于反射光以轴向地移动通过料筒筒体壁的特征结构的以不同方式构成的料筒联用或适合与其联用。虽然以上将凸起描述为适合将光正确地导入筒体壁中以便该壁用作波导，但可替代地使用诸如凹槽或沟槽的特征结构。与凸起或凸缘功能相似，凹槽或沟槽用作到达容器筒体壁以用作用于光轴向地行进至其柱塞的目标反射接触面的波导的装置。再者，在替代实施例中，这种凸起或凹槽等可安置在料筒的颈部区段上以允许光诸如经由定位成将其光直接照射到这种凸起中的光源引导到其中，以使用筒体壁作为波导来照射料筒柱塞密封部。再者，在另一未示出的实施例中，光源可定位在料筒的颈部区段附近并且设置成将其光束沿轴向向后引导到筒体厚度中，该光束在存在或不存在任何凸起或凹槽等的情况下穿过过渡到筒体壁的料筒颈部区段的插入部，并且在光探测器的径向内侧进入筒体厚度中以使得筒体壁用作波导。在又一实施例中，并且如图11所示，代替光束如上所述在筒体筒状壁61的任一端进入筒体壁厚度中或如上所述进入凸起或凹槽等中，光源可构造成通过相对于筒体成规定角度引导其光来向筒体壁中发射光，包括相对于筒体的颈部区段成一定角度引导其光。该光应当定向在探测器元件的平面中，或换言之沿探测器元件的轴线并经该轴线延伸到筒体中的平面中。该角度可利用斯内尔定律确定以计算最佳角度，藉此大部分光将折射到筒体壁厚度中，以然后将其波导效应用于随后通过CMOS探测器元件探测来自柱塞的反射光。斯内尔定律定义为：n1sinθ1＝n2sinθ2，其中n1是空气的折射率，n2是筒体材料的折射率，θ1是分配到筒体上的光的角度，并且θ2是折射到筒体壁厚度中的光的角度。波导全反射角(Critical Waveguide Angle)对于包括筒体材料的不同材料相对于空气而言是已知的并且可指定为θc。参照图11，通过已知角度θc以及空气和筒体材料的折射率的其它已知值，可以确定指向例如筒体的颈部区段的光相对于筒体壁的角度θ1。在大多数优化的实施例中，当所有角度都以度为单位时，θ2必须始终小于90-θc。本申请因此旨在涵盖使用本发明的一般原理的本发明的任何变型、用途或调整。此外，本申请旨在涵盖此类处于本发明所属领域的公知常识内的与本公开内容的偏离。

Claims (23)

1.一种药物输送装置，包括：
壳体，所述壳体包括容器保持器；
被保持在所述容器保持器内的药物容器，所述药物容器包括筒体和柱塞，所述筒体由透光材料制成并且在前出口端与后端之间沿轴向延伸，所述柱塞具有与筒体壁的内表面不透流体地接合以将药物在所述柱塞的前方密封在所述筒体中的至少一个周面区域；
在所述壳体内的前移机构，所述前移机构能操作以使所述柱塞在所述筒体内前移，从而从所述药物容器经所述前出口端分配药物；
靠近所述筒体壁的后边缘安装在所述壳体内的光源，所述光源用于向所述筒体壁的厚度中直接发射光以使得所述筒体壁用作用以引导光在其中沿轴向行进的波导；
安装在所述容器保持器内的光探测器，所述光探测器用于探测由所述光源发射、行进通过用作波导的所述筒体壁并且然后从所述至少一个周面区域反射出来的反射光；和
安装在所述壳体内的控制器，所述控制器与所述光探测器通信以基于来自所述光探测器的所探测出的反射光的数据来确定所述至少一个周面区域在所述药物容器内的轴向位置。
2.根据权利要求1所述的药物输送装置，其中，所述光源构造成将光引导到所述筒体壁的轴向端面中。
3.根据权利要求1所述的药物输送装置，其中，所述光源构造成将光引导到所述筒体壁的位于所述后端的轴向端面中。
4.根据权利要求2或3所述的药物输送装置，其中，所述光源是单个照射元件。
5.根据权利要求2或3所述的药物输送装置，其中，所述光源是单个发光二极管。
6.根据权利要求1所述的药物输送装置，其中，所述光探测器沿所述轴向延伸以允许所述筒体沿其定位。
7.根据权利要求1或6所述的药物输送装置，还包括位于所述光探测器与所述筒体壁之间的轴向地延伸的滤光元件。
8.根据权利要求1所述的药物输送装置，其中，所述光源构造成将光引导到与所述筒体壁一体地形成并从其沿径向突出的凸起中。
9.根据权利要求1所述的药物输送装置，还包括与所述控制器电子通信以指示基于所述至少一个周面区域的所述轴向位置而确定的信息的显示器。
10.根据权利要求1所述的药物输送装置，还包括能从所述壳体的外部到达并且能手动操作以控制所述前移机构的操作的致动器。
11.根据权利要求1所述的药物输送装置，还包括第一偏振滤光器和第二偏振滤光器，所述第一和第二偏振滤光器横向于彼此取向，所述第一偏振滤光器设置在所述光探测器与所述容器之间，所述第二偏振滤光器在所述容器上方布置在所述容器保持器上以限制环境光。
12.根据权利要求1所述的药物输送装置，其中，所述光源经设置在所述光源与所述筒体之间的光纤、光管或波导将光发射至所述筒体壁中。
13.根据权利要求1所述的药物输送装置，其中，所述光探测器安装在所述容器保持器内以探测由所述光源发射、行进通过用作波导的所述筒体壁并且然后在所述前出口端从所述筒体的颈部区段反射的反射光，与所述颈部区段相关的所述探测出的反射光由所述控制器用于利用所述至少一个周面区域的确定的轴向位置计算所述药物容器中剩余的药物的量。
14.根据权利要求2或3所述的药物输送装置，其中，所述光源定位成定心在所述壁的沿径向测定的厚度上。
15.根据权利要求2或3所述的药物输送装置，其中，所述光源定位成与所述轴向端面邻接。
16.根据权利要求8所述的药物输送装置，其中，所述凸起围绕所述筒体壁的圆周连续地延伸。
17.根据权利要求8所述的药物输送装置，其中，所述光源构造成将光引导到从所述筒体壁径向向外突出的凸起中。
18.根据权利要求17所述的药物输送装置，其中，所述光源构造成将光引导到包括所述筒体壁的手指能抓握的凸缘的所述凸起中。
19.根据权利要求18所述的药物输送装置，其中，所述凸缘围绕所述筒体壁的圆周连续地延伸。
20.根据权利要求1所述的药物输送装置，其中，所述至少一个周面区域包括在轴向上间隔开的第一和第二周面区域，并且其中所述控制器确定所述第一周面区域的第一轴向位置和所述第二周面区域的第二轴向位置，所述控制器构造成基于所述第一和第二轴向位置来确定柱塞压缩。
21.根据权利要求1所述的药物输送装置，其中，所述光探测器构造成围绕所述筒体壁延伸。
22.根据权利要求21所述的药物输送装置，其中，所述光探测器具有螺旋构型。
23.根据权利要求1所述的药物输送装置，其中，所述光探测器包括位于所述容器筒体的径向上的透光部和位于所述容器筒体的轴向上的感测部。
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