CN108290005B - 无针经皮注射装置 - Google Patents

Abstract

一种用于注射物输送的设备包括：致动器，其包括联动装置、机械连接至所述联动装置的力生成机构、以及连接至所述力生成机构的控制器。所述力生成机构包括被动力生成器和主动力生成器。在操作中并且基于控制信号，所述控制器被配置为控制所述力生成机构来向所述联动装置提供输入力，其中所述输入力是所述被动力生成器所提供的第一力和所述主动力生成器所提供的第二力的组合。

Description

无针经皮注射装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年11月25日提交的美国申请14/952,056的优先权，上述申请的内容通过引用而全文并入于此。

背景技术

本发明涉及一种无针经皮注射装置。

诸如人等的生物体的皮肤用作防护屏障，其中该防护屏障防止病原体进入身体并且防止或者调节诸如血液和水等的流体离开身体以及其他作用。在现代医学领域，通常需要将诸如药物等的注射物输送通过皮肤并进入患者的血流中。传统地，将液体输送到患者体内是通过将针头通过患者皮肤插入患者体内的液体可进入患者血流的区域来实现的。

然而，使用针将液体输送到患者体内具有许多显著的缺点，诸如与被针刺穿相关联的疼痛、许多患者对针的恐惧、以及由于针的使用而发生的皮肤损伤和相关感染风险。

作为结果，已经开发出了无针经皮注射装置。这些装置使用注射液体或粉末的高压窄射流来穿透患者皮肤，从而避免用针刺穿患者皮肤的需要。

发明内容

在一般方面，一种用于注射物输送的设备包括：致动器，其包括联动装置、机械连接至所述联动装置的力生成机构、以及连接至所述力生成机构的控制器。所述力生成机构包括被动力生成器和主动力生成器。在操作中并且基于控制信号，所述控制器被配置为控制所述力生成机构来向所述联动装置提供输入力，其中所述输入力是所述被动力生成器所提供的第一力和所述主动力生成器所提供的第二力的组合。

各方面可以包括以下特征中的一个或多个。

所述控制器可被配置为控制提供至所述联动装置的输入力，包括控制所述主动力生成器所提供的第二力，以使所述致动器以目标速度移动。所述控制器可被配置为通过控制所述主动力生成器所生成的扭矩来间接地控制所述主动力生成器所提供的第二力，其中所述扭矩与所述第二力成比例。所述控制器可被配置为控制提供至所述联动装置的输入力，使得所述致动器的速度在所述设备的操作周期中实现目标速度曲线。所述设备可以包括用于测量所述致动器相对于参考位置的位移的位移传感器，其中所述控制器包括用于从所述位移传感器接收所述致动器的位移测量值的输入部，并且所述控制器被配置为基于所接收到的位移测量值来确定对所述致动器的速度的估计。

所述控制器可被配置为基于所接收到的位移测量值以及先前接收到的一个或多个位移测量值来确定对所述致动器的速度的估计。所述主动力生成器可以包括电磁马达。所述电磁马达可以包括电磁旋转马达。所述电磁马达可以包括电磁直线马达。所述被动力生成器可以包括用于储存机械能的能量存储元件，所述能量存储元件被配置为使所述被动力生成器向所述联动装置提供所述第一力。

所述能量存储元件可被配置为将机械能储存为压缩空气。所述能量存储元件可以包括用于储存所述机械能的弹簧。所述弹簧可以包括直接连接至所述联动装置的螺旋弹簧。所述螺旋弹簧能够被配置为处于所述螺旋弹簧不储存机械能的静止状态、以及处于所述螺旋弹簧储存机械能的压缩状态。所述螺旋弹簧能够被配置为处于所述螺旋弹簧不储存机械能的静止状态、以及处于所述螺旋弹簧储存机械能的展开状态。所述弹簧可以包括直接连接至所述马达并且经由所述马达间接连接至所述联动装置的扭力弹簧。所述弹簧可以包括直接连接至所述联动装置的扭力弹簧。所述弹簧可以包括梁弹簧。

所述设备可以包括用于保持注射物的腔室，其中所述致动器被设置在所述腔室内并且被配置为在操作期间经由所述联动装置对所述腔室中的注射物施加与所述输入力成比例的净力。所述联动装置可以包括滚珠丝杠。

在另外的一般方面，一种用于将腔室内所保持的流体输送至患者的设备，所述设备包括：致动器元件，用于在操作期间对所述腔室中的流体施加力；电磁马达，用于驱动所述致动器元件，所述马达在操作期间使所述致动器元件在流体传送周期期间对所述腔室中的流体施加第一力分量；能量存储元件，用于存储机械能(弹簧、压缩空气)，所述能量存储元件用于使所述致动器元件在所述流体传送周期期间对所述腔室中的流体施加第二力分量，其中所述致动器在所述流体传送周期期间对所述腔室中的流体施加的总力是所述第一力分量和所述第二力分量的总和；以及控制器，用于控制所述电磁马达在整个流体传送周期中动态地改变所述第一力分量。

各方面可以具有以下优点中的一个或多个。

除其它优点外，由于能量存储元件所提供的附加力(在一些示例中，以及关联的扭矩)，因此各方面能够使用较小且较便宜的马达来驱动致动器元件。

由于较小马达的使用，因此各方面可以得到较小的注射装置。

由于较小马达的使用，因此各方面可以需要较少的电力来驱动致动器元件。

由于马达和能量存储元件的组合使用，因此各方面能够向致动器元件施加较大的峰值力。

根据以下描述和所附权利要求书，本发明的其它特征和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是可控的无针经皮注射装置的示意图；

图2是滚珠丝杠致动器的剖视图；

图3是图1的可控的无针经皮注射装置的框图；

图4是图2的控制器的框图；

图5示出实现第一目标力曲线的弹簧和马达的组合力贡献的一个示例；

图6示出实现第一目标力曲线的弹簧和马达的组合力贡献的另一示例；

图7示出实现第二目标力曲线的弹簧和马达的组合力贡献的另一示例；

图8是可控的无针经皮注射装置的可选结构的示意图；

图9是可控的无针经皮注射装置的另一可选结构的示意图；

图10是可控的无针经皮注射装置的另一可选结构的示意图；

图11是可控的无针经皮注射装置的另一可选结构的示意图。

具体实施方式

1.无针经皮注射装置

参考图1，用于将注射物(例如，处于诸如液体状态或粉末状态等的多种状态中的任一种状态的药物或疫苗)传送通过患者皮肤的可控的无针经皮注射装置100包括从壳体102伸出的无针经皮注射器头104。该注射器头104包括用于保持注射物的腔室106以及被设置在腔室102的远端110的喷嘴108。喷嘴108包括头部112以及从中将注射物的射流从腔室106排出的开口114。在操作中，当排出注射物时，将开口114放置成靠近或抵靠皮肤115。在注射物的传送(例如，注射)压力方面，包括开口114的内径的喷嘴的尺寸是重要的因素。在一些示例中，开口的内径在50μm～300μm的范围内。在一些示例中，喷嘴的长度在500μm～5mm的范围内。在一些示例中，喷嘴108的头部112的外径向着开口114缩小。在其它示例中，可以使用多种不同喷嘴形状中的任一种形状(例如，喷嘴108的头部112的外径可以是恒定的，或者喷嘴的头部112可以具有圆形形状)。

腔室106具有近端116和远端110。致动器(即，活塞或柱塞120)可滑动地设置在腔室106内。柱塞120沿纵轴122在任一方向上的移动可以影响腔室106内的压力。在一些实施例中，腔室106集成到装置100。在其它实施例中，腔室106可单独附接至装置100。

1.1力生成机构

注射装置100包括力生成机构124，所述力生成机构124包括主动控制的力生成装置126(在图1的实施例中为电磁马达)和被动力生成装置128(在图1的实施例中为弹簧)，这两者都经由联动装置130向柱塞120施加力以将腔室106中的注射物通过皮肤进行注射。在一些示例中，联动装置是滚珠丝杠致动器130。然而，应当理解，注射装置不限于使用滚珠丝杠致动器作为联动装置。实际上，可以使用诸如导螺杆、直线运动轴承以及蜗杆传动件等的许多不同类型的联动装置来代替滚珠丝杠。在一些示例中，联动装置的选择取决于不同联动装置的成本和重量。

参考图2，滚珠丝杠致动器130的一个示例包括螺杆332和(连接至图1中的壳体的)螺母334，其各自具有匹配的螺旋槽336。多个微型滚珠338在槽336之间滚动，从而提供螺母334和螺杆332之间的唯一接触。螺母334包括返回系统(未示出)和偏转器(未示出)，其中该偏转器在螺杆332或螺母334旋转时使微型滚珠338偏转到返回系统中。滚珠338沿连续路径通过返回系统而行进至螺母334的相对端。然后滚珠338从滚珠返回系统退出到槽336中。以这种方式，随着螺杆332相对于螺母334移动，滚珠338在闭合回路中连续地再循环。

在一些示例中，电磁马达126是从多种旋转电动马达(例如，无刷DC马达)中选择的类型。电磁马达126被配置为通过向滚珠丝杠致动器的螺杆332或螺母334施加扭矩(即，τ_M)来使滚珠丝杠致动器130的螺杆332沿着纵轴122来回移动。扭矩致使螺杆332或螺母334旋转，这进而致使与马达所施加的扭矩成比例的力F_M(t)被施加至螺杆332。

在一些示例中，弹簧128是螺旋线圈型弹簧，其第一端锚定至壳体102的一部分并且第二端锚定至螺杆332。在图1的结构中，在对经皮注射装置100进行致动之前，弹簧128处于其储存机械能的拉伸状态。在致动时，随着弹簧128返回至静止状态，弹簧128通过压缩逐渐释放其机械能。在一些示例中，从弹簧128释放机械能导致在沿纵轴122的方向上向滚珠丝杠130的螺杆332施加力F_S(t)＝-kx(其中k是弹簧的弹簧常数，并且x是弹簧相对于其静止位置的位移)。向螺杆332施加F_S(t)导致根据下式来向螺杆332相应地施加扭矩τ_S：

其中P是螺杆332的导程，该导程被定义为螺杆332通过滚珠丝杠130的螺母334的一整圈(即，2π弧度)前进的轴向距离，并且η是滚珠丝杠130的效率(即，输出功与输入功的比率)。

在一些示例中，F_M(t)和F_S(t)的组合被称为提供至联动装置(例如，滚珠丝杠130)的输入力。

施加输入力(即，F_M(t)和F_S(t)的总和)导致向螺杆332施加净扭矩τ_N。净扭矩τ_N是由马达施加至螺杆332的扭矩τ_M以及由弹簧施加至螺杆332的扭矩τ_S的总和。被施加至螺杆332的净扭矩τ_N导致向柱塞120施加净力F_N，这进而导致柱塞120沿着纵轴122以目标速度V_T移动。根据下式来确定净力F_N：

1.2控制回路

再次参考图1，在一些示例中，经皮注射装置100还包括位移传感器140和控制器142。一般来说，位移传感器140测量滚珠丝杠致动器130的螺杆332和/或柱塞120的位移x(t)。在一些示例中，位移传感器140通过储存初始位移值(即，x(0))并且随时间监视与开始的值的偏差，来测量螺杆332的增量位移。在其它示例中，位移传感器140测量螺杆332的绝对位移。

位移传感器140所测量到的位移x(t)被提供作为控制器142的输入。如以下更详细所述，控制器处理位移x(t)以确定马达控制信号y(t)。马达控制信号y(t)被提供至马达126，这导致向螺杆332施加马达扭矩τ_M(t)，从而导致螺杆332在沿纵轴122的方向上移动。

1.3系统图

参考图3，图1的系统的示意图示出向滚珠丝杠130施加了净扭矩τ_N 344。如上所述，给定时刻t₁的净扭矩τ_N(t₁)344是受控的马达126在时刻t₁提供的扭矩τ_M(t₁)与被动储能装置346(例如，图1的弹簧128)在时刻t₁提供的扭矩τ_S(t₁)的总和。向滚珠丝杠130施加净扭矩τ_N(t₁)344导致向滚珠丝杠130的螺杆332施加净力F_N(t₁)345，这进而导致螺杆332的位移x(t₁)348。

通过位移传感器340来测量滚珠丝杠130的螺杆332的位移x(t₁)348，并将位移x(t₁)348反馈给控制器142。由于储能装置(例如，弹簧128)基于螺杆332的位移x(t₁)348(例如，根据胡克定律)施加了不同量的力(以及关联的扭矩)，因此螺杆332的位移x(t₁)348还作为机械反馈被隐式地反馈给被动储能装置346。

如以下更详细所述，控制器142处理测得的位移x(t₁)348以确定被供给至马达126的马达控制信号y(t₁)。马达控制信号y(t₁)使马达126在时刻t₂向滚珠丝杠130的螺杆332施加扭矩τ_M(t₂)，使得在时刻t₂处马达所施加的扭矩τ_M(t₂)和被动储能装置346所施加的扭矩τ_S(t₂)的总和达到期望的净扭矩τ_N(t₂)。如上所述，被施加给螺杆332的净扭矩τ_N导致向柱塞120施加净力F_N，其中净力F_N是如下确定的：

参考图4，在一些示例中，控制器142包括与目标力曲线成比例的目标速度曲线450、速度估计器455、求和块452、以及马达驱动器454。更通常地，控制器142从位移传感器340接收位移值x，并将该位移值x提供至目标速度曲线450和速度估计器455两者。目标速度曲线450处理位移值x以确定目标柱塞速度值V_T。

在一些示例中，目标速度曲线450包括针对注射周期或操作周期(即，装置的柱塞120移动的时间或距离范围)的位移值和目标速度值之间的映射。例如，图4所示的目标速度曲线450具有映射到较小位移值的范围(即，R₁)的高目标速度值以及映射到较大位移值的范围(即，R₂)的相对较低目标速度值。在一些示例中，使用图4中的目标速度曲线450以在注射的初始时间段期间提供高速度的脉冲(例如，以克服皮肤的初始阻力)并且在注射的剩余时间段中提供大幅降低的恒定速度(例如，将注射物输送通过皮肤)。注意，由于速度的变化不是瞬时的，因此柱塞120的实际速度曲线V_P并不精确地跟随理想目标速度曲线V_T。

速度估计器455处理位移值x以确定对柱塞速度V_P的估计。一般来说，速度估计器455确定柱塞速度V_P的估计，即从编码器(例如，位于例如马达上或者位于滚珠丝杠的螺母上的直线式绝对编码器或增量式旋转编码器)读取的值。

将目标柱塞速度V_T与来自速度估计器455的对柱塞速度V_P的估计一起提供至求和块452。求和块452从目标柱塞速度V_T减去对柱塞速度V_P的估计以获得误差信号V_E。将误差信号V_E提供至马达驱动器454，其中马达驱动器454将误差信号转换为用于驱动马达126的马达控制信号y。

在操作中，图4的控制器142使用反馈控制方法来确保由于马达126施加至滚珠丝杠130的螺杆332的受控扭矩τ_M以及由于被动储能装置342(例如，弹簧)施加至滚珠丝杠130的螺杆332的扭矩τ_S的组合使柱塞的速度V_P在螺杆332位移时跟随目标速度曲线450。即，控制马达126以在螺杆332上施加用于补充或抵消由被动储能装置342施加至螺杆332的扭矩的扭矩，从而针对螺杆332的给定位移实现目标柱塞速度V_T。

2目标速度曲线

参考图5～图7，三个典型目标力曲线示出分别来自马达126的力分量(即，F_M)和来自弹簧128的力分量(即，F_S)，其中这些力分量实现了与柱塞120的目标速度(即，V_T)成比例的目标净力(即，F_T)。虽然为便于清楚地解释而将图5～图7的目标曲线示出为目标力曲线，但应当注意，在这里所述的装置中，目标曲线可以被表示为(如图4中的)速度曲线。

参考图5，在一个示例中，目标力曲线550具有映射到较小位移值的第一范围(即，R₁)的相对高的目标净力值以及映射到较大位移值的第二范围(即，R₂)的相对较低的目标净力值。在图5的目标力曲线550中，在注射开始的第一范围的最开始，由被动储能装置342施加在螺杆332上的力F_S是最大的，但是并不大到足以实现针对螺杆332的初始位移的目标净力F_T。因此，控制器142控制马达126施加补充力F_M，该补充力F_M等于目标净力F_T和由被动储能装置342施加在螺杆332上的力F_S之间的差。

随着螺杆332的位移在第一范围内增加，由被动储能装置342施加在螺杆332上的力的量以第一速率减小(即，根据胡克定律)。为了在由被动储能装置342施加在螺杆332上的力的量减小时保持施加在螺杆332上的目标净力F_T(以及目标速度V_T)，控制器142控制马达126以使由马达126施加在螺杆332上的补充力F_M以第一速率增加。

在螺杆332的位移经过第一范围的末端并且移动至第二范围之后，被动储能装置342在到达其静止位置之前停止对螺杆332施加力。例如，可以通过停止构件(未示出)来机械地限制被动储能装置342的运动范围(例如，弹簧的展开或收缩范围)，使得被动储能装置342在其达到静止位置之前从螺杆332脱离或者以其它方式不再对螺杆332施加力。在操作中，在到达其有限的运动范围的末端之前，被动储能装置342接合在螺杆332上并且对该螺杆332施加力(例如，弹簧推动螺杆332的底部)。一旦被动储能装置342到达停止构件，被动储能装置342就从螺杆332脱离并停止对该螺杆332施加力。在被动储能装置342从螺杆332脱离的情况下，控制器142控制马达126以在螺杆332移动通过第二范围时保持相对恒定的目标力F_T(以及目标速度V_T)。

在一些示例中，在柱塞的高加速度是驱动设计因素的情况下，使用图5的目标曲线。

参考图6，在另一示例中，与以上在图4和图5中所述类似的目标力曲线650具有映射到较小位移值的第一范围(即，R₁)的相对高目标净力值以及映射到较大位移值的第二范围(即，R₂)的相对较低目标净力值。在注射开始的第一范围的最开始，由被动储能装置342施加在螺杆332上的力F_S是最大的，并且超过针对螺杆332的初始位移的目标力F_T(因此超过目标速度V_T)。因此，控制器142控制马达126施加抵消力F_M，该抵消力F_M等于目标净力F_T和由被动储能装置342施加在螺杆332上的力F_S之间的差。

随着螺杆332的位移在第一范围内增加，由被动储能装置342施加在螺杆332上的力的量以第一速率减小(即，根据胡克定律)。为了在由被动储能装置342施加在螺杆332上的力的量减小时保持施加在螺杆332上的目标净力F_T(以及目标速度V_T)，控制器142控制马达126以使马达126施加在螺杆332上的抵消力F_M以第一速率减小。以这种方式，由被动储能装置342施加在螺杆332上的过剩的力由马达126来抵消。

在螺杆332的位移经过第一范围的末端并且移动至第二范围中之后，被动储能装置342在到达其静止位置之前从螺杆332脱离，并且因此停止对螺杆332施加力。控制器142控制马达126在螺杆332移动通过第二范围时保持相对恒定的目标力F_T(以及目标速度V_T)。

在一些示例中，在使马达的大小以及针对无针经皮注射装置的机电组件的需求最小化是驱动性的设计因素的情况下，使用图6的目标曲线。

参考图7，在另一示例中，目标力曲线750具有不规则形状。在这种情况下，被动储能装置342在螺杆322的整个位移期间对该螺杆332施加力，并且是施加在螺杆上的力的主要来源。使用马达126以稍微增大以及抵消由被动储能装置342施加的力。

在位移值的第一范围(即，R₁)中以及在位移值的第三范围(即，R₃)中，由被动储能装置342施加在螺杆332上的力并不足够大以达到针对这些范围中的位移值的目标净力F_T(或目标速度V_T)。因此，在第一范围以及第三范围中，控制器142控制马达126以施加补充力F_M，该补充力F_M等于目标净力F_T和由被动储能装置342施加在螺杆上的力F_S之间的差。

在位移值的第二范围(即，R₂)中，由被动储能装置342施加在螺杆332上的力F_s超过针对该范围中的位移的目标净力值F_T。因此，在第三范围中，控制器142控制马达126，使得马达126向螺杆332施加抵消力F_M，该抵消力F_M与由被动储能装置342施加在螺杆332上的过剩的力大小相等且方向相反。

使用诸如图7所示的目标曲线的一个优点是，通过使用被动储能装置342作为主要的力生成器，可以减小马达126的大小、成本和功率要求。

应当注意，图5～图7的目标力曲线仅仅是可用于实现目标速度曲线的目标力曲线的几个示例，并且可以根据无针经皮注射装置的具体应用而使用实际上无限数量的目标力曲线。在一些示例中，目标力曲线基于马达和被动储能装置可以提供的最大力而受到限制。

一般来说，可以通过选择主动力生成装置(例如，马达)和被动力生成装置(例如，弹簧)各自的重量、大小和成本来针对给定应用优化无针经皮注射装置的设计，使得实现最优性准则(例如，低功率操作)和目标力曲线两者。例如，为了实现低功率操作的最优性准则，可以使用弹簧来补充相对较小的马达所生成的力。

3可选的无针经皮注射装置结构

参考图8，可控的无针经皮注射装置800包括可选的力生成机构824。该可选机构824包括弹簧828(例如，螺旋线圈型弹簧)，其第一端锚定至壳体102的一部分，并且第二端锚定至滚珠丝杠130的螺杆332。在经皮注射装置800的致动之前，弹簧828处于压缩状态，其中在该压缩状态中，弹簧828储存机械能。在致动时，随着弹簧828返回至静止状态，其通过解压缩逐渐释放其机械能。在一些示例中，从弹簧828释放机械能导致在沿纵轴122的方向上向滚珠丝杠130的螺杆332施加力F_S(t)＝-kx。正如先前示例中的情况，向螺杆332施加F_S(t)导致根据下式向螺杆332施加扭矩τ_S：

其中P是螺杆332的导程，该导程被定义为螺杆332通过滚珠丝杠130的螺母334的一整圈(即，2π弧度)前进的轴向距离，并且η是滚珠丝杠130的效率(即，输出功与输入功的比率)。

被施加至螺杆332的净扭矩τ_N是马达向螺杆332施加的扭矩τ_M与弹簧向螺杆332施加的扭矩τ_S的总和。被施加至螺杆332的净扭矩τ_N导致向柱塞120施加净力F_N。根据下式来确定净力F_N：

正如先前示例中的情况，控制器142控制马达126在螺杆332上施加用于补充或抵消由被动储能装置828施加至螺杆332的扭矩的扭矩，从而实现针对螺杆332的给定位移的目标净力F_T和相应的目标柱塞速度V_T。

参考图9，可控的无针经皮注射装置900包括另一可选的力生成机构924。该可选的力生成机构924包括螺旋线圈扭力弹簧928，其第一端锚定至马达126的主体并且第二端锚定至马达126的轴927。在经皮注射装置900的致动之前，弹簧928处于扭曲状态，其中在该扭曲状态中，弹簧928储存机械能。在致动时，随着弹簧928返回至静止状态，该弹簧928通过解扭曲逐渐释放其储存的机械能。在一些示例中，随着弹簧928解扭曲，马达126的轴927旋转，从而致使经由马达126向滚珠丝杠130的螺杆332施加扭矩τ_S(t)＝-kθ(其中k是弹簧的扭转系数，并且θ是相对于弹簧的静止位置的扭曲角度)。被施加至螺杆332的净扭矩τ_N是马达直接向螺杆332施加的扭矩τ_M与弹簧经由马达126向螺杆332施加的扭矩τ_S的总和。被施加至螺杆332的净扭矩τ_N导致向柱塞120施加净力F_N。根据下式来确定净力F_N：

正如先前示例中的情况，控制器142控制马达126在螺杆332上施加用于补充或抵消由被动储能装置928经由马达126施加至螺杆332的扭矩的扭矩，从而实现针对螺杆332的给定位移的目标净力F_T和相应的目标柱塞速度V_T。

参考图10，可控的无针经皮注射装置1000的另一示例包括可选的力生成机构1024。该可选的力生成机构1024包括直线电动马达1026(在这种情况下为洛伦兹力直线电动马达)以及一个或多个螺旋弹簧1028。

在一些示例中，直线电动马达1026包括连接至壳体102的金属鞘1058。磁体1060设置在金属鞘1058内并且附接至该金属鞘1058。马达1026还包括线圈组件1062，其中该线圈组件1062被设置在金属鞘1058内，包围磁体1060，并且连接至柱塞120。线圈组件1062包括线圈1064和线圈壳体1066。线圈组件1062可以通过向线圈1064施加电压来沿着装置1000的纵轴122移动(其中电压的极性控制线圈组件1062的方向移动)。由于施加至线圈1064的电压而造成的线圈组件1062的移动致使在沿着纵轴122的方向上向柱塞120施加力F_M(t)。

一个或多个弹簧1028各自具有锚定至线圈组件1062的第一端以及(例如，经由金属鞘1058)锚定至壳体102的第二端。在经皮注射装置1000的致动之前，弹簧1028处于压缩状态，其中在该压缩状态中，弹簧1028储存机械能。在致动时，随着弹簧1028返回至静止状态，该弹簧1028通过解压缩逐渐释放其机械能。在一些示例中，从弹簧1028释放机械能导致在沿着纵轴122的方向上(经由线圈组件1062)向柱塞120施加力F_S(t)。被施加至柱塞120的净力F_N(t)是弹簧1028所施加的力F_S(t)和马达1028所施加的力F_M(t)的总和。

一般来说，控制器142控制被施加至线圈1064的电压以补充或抵消由弹簧1028施加至线圈组件1062的力，从而实现针对柱塞120的给定位移的目标净力F_T和相应的目标柱塞速度V_T。

参考图11，可控的无针经皮注射装置1100的另一示例包括可选的力生成机构1124。该可选的力生成机构1124包括直线电动马达1126(在这种情况下为洛伦兹力直线电动马达)以及一个或多个螺旋弹簧1128。

在一些示例中，直线电动马达1126包括连接至壳体102的金属鞘1158。线圈组件1162经由(如图11所示的)金属鞘1158或者直接地连接至壳体102。线圈组件1162包括线圈1164和线圈壳体1166。被设置在线圈组件1162内的磁体1160连接至壳体102(例如，经由弹簧1128)和柱塞120这两者。磁体1160可以通过向线圈1164施加电压来沿着装置1100的纵轴122移动(其中电压的极性控制磁体1160的方向移动)。由于施加至线圈1164的电压而造成的磁体1160的移动致使在沿着纵轴122的方向上向柱塞120施加力F_M(t)。

弹簧1128具有锚定至磁体1160的第一端以及(直接或经由金属鞘1158)锚定至壳体102的第二端。在经皮注射装置1100的致动之前，弹簧1128处于压缩状态，其中在该压缩状态中，弹簧1128储存机械能。在致动时，随着弹簧1128返回至静止状态，该弹簧1128通过解压缩逐渐释放其机械能。在一些示例中，从弹簧1128释放机械能导致在沿着纵轴122的方向上(经由磁体1160)向柱塞120施加力F_S(t)。被施加至柱塞120的净力F_N(t)是由弹簧1128所施加的力F_S(t)和由马达1126所施加的力F_M(t)的总和。

一般来说，控制器142控制被施加至线圈1164的电压以补充或抵消由弹簧1128施加至磁体1160的力，从而实现针对柱塞120的给定位移的目标净力F_T和相应的目标柱塞速度V_T。

4可再使用的无针经皮注射装置

在一些示例中，无针经皮注射装置是可再使用的。在这样的示例中，在进行注射之后，被动储能装置已释放了其所储存的能量的一部分或全部，并且需要被重置(例如，再压缩、再拉伸或再扭曲)。可以使用多种不同技术来施加用以使被动储能装置重置的机械能、人工能量或电能。

在一些示例中，使用无针经皮注射装置的马达来重置被动储能装置。即，马达可以与被动储能装置接合，然后可以生成用于重置被动储能装置的扭矩(以及相应的力)。即使在马达并非特别强力的情况下，也可以在相对长的持续时间内使用马达来重置被动储能装置。在一些示例中，无针经皮注射装置包括用于储存电能的一个或多个电能存储元件(例如，电容器或电池)。电能存储元件中所储存的电能可以用于注射周期(有时称为操作周期)并且用于(例如，通过向马达供电来)重置被动储能装置。在一些示例中，在装置插入电插座(例如，壁式插座)的情况下，电能存储元件可被充电并且用于重置被动储能装置。

在一些示例中，不是使用无针经皮注射装置中的马达来重置被动储能装置，而是提供了基站以用于重置被动储能装置。在一些示例中，基站接收线路电能，并且包括用于重置(潜在更大的)被动储能装置的更大更强力的马达。基站可被配置为容纳无针经皮注射装置，使得该基站中所包括的更大更强力的马达接合被动储能装置。一旦基站的马达与被动储能装置接合，该基站的马达就可以用来快速重置被动储能装置。在一些示例中，一旦基站的马达与被动储能装置接合，基站就自动重置该被动储能装置。在一些示例中，操作员必须(例如，通过按压按钮来)使基站致动以开始通过基站对被动储能装置进行重置。

在一些示例中，使用手动操作的装置(例如，手动操作的基站)来重置被动储能装置。例如，手动操作的基站可被配置为容纳无针经皮注射装置，使得被动储能装置与手动操作的基站的手动重置机构接合。然后操作员可以通过例如打开或闭合手动操作基站的盖子来手动地对手动重置机构进行致动，从而手动地重置被动储能装置。

5可选例

在一些示例中，可以将除弹簧以外的储能装置用于被动储能装置。例如，可以使用经压缩的空气或弹性材料(例如，橡皮带)来储存和释放机械能。在一些示例中，使用诸如C形碳纤维构件等的柔性件(例如，梁弹簧)。例如，装置可以包括被布置在装置的两个或更多个侧上并且被配置为向滚珠丝杠(或其它合适的力传送装置)施加力的多个(例如，两个)梁弹簧。在一些示例中，可以使用气体弹簧或其它气体活塞作为被动储能装置。在这样的示例中，可以对整体进行加压，并且可以使用腔室内的压力来对气体弹簧进行加压。

在一些示例中，可以使用磁体作为被动储能装置。例如，连接至滚珠丝杠的磁体的正极可被保持在连接至壳体的磁体的正极附近，从而储存机械能。在致动时，连接至滚珠丝杠的磁体可被释放并且(由于两个磁体之间的斥力而)被允许远离连接至壳体的磁体而移动，从而向滚珠丝杠施加力。

在一些示例中，仅使用弹簧的操作范围的一部分(例如，弹簧线性操作的操作范围的一部分)。例如，弹簧能够施加0N～300N范围内的力，但是可以仅在200N～300N范围中线性操作。因此，无针经皮注射装置可以使用该200N～300N范围。

在一些示例中，仅测量位移和净力其中之一，并将其反馈至控制器。例如，基于根据经验推导出的数据，可能存在用于将位移值映射至相应的马达控制信号y的预定查找表或映射函数。

在使用根据经验确定的数据来消除对净力或位移的一个或多个测量值的需求的示例中，可能存在例如基于注射位置的多组根据经验确定的数据。例如，在向患者手臂进行注射时，可以使用一组根据经验确定的数据，而在向患者臀部进行注射时，可以使用不同的一组根据经验确定的数据。

虽然以上示例描述了基于闭环反馈控制的方法，但在一些示例中，可以使用开环控制。例如，基于根据经验推导出的数据，可以预确定马达的基于时间的速度曲线。然后，在不反馈任何与力或位移相关的信息的情况下，马达可以在注射过程中调节马达控制信号。

在一些示例中，如果被动储能装置能够在整个注射过程中提供足够的力，则可控的无针经皮注射装置可以完全省略使用马达。例如，可以使用可控的制动系统来抵消被动储能装置所施加的力，以实现目标速度曲线。

在使用滚珠丝杠的一些示例中，滚珠丝杠的螺杆或螺母连接至壳体。在螺杆连接至壳体的情况下，螺母能够沿着螺杆移动。在螺母连接至壳体的情况下，螺杆能够通过螺母来回移动。

应当注意，在整个说明书中使用的术语“匣”不旨在限制对用于保持注射物的任何特定容器或装置的应用。在本说明书的上下文中，术语“匣”应被理解为与用于保持诸如药剂等的流体或允许对该流体的提取的任何容器有关。应当理解，以上说明旨在示出而非限制本发明的范围，其中本发明的范围由所附权利要求的范围来限定。其它实施例在所附权利要求书的范围内。

Claims (14)

1.一种用于注射物输送的设备，所述设备包括：

致动器，其包括联动装置、机械连接至所述联动装置的力生成机构、以及连接至所述力生成机构的控制器，

其中，所述力生成机构包括被动力生成器和主动控制力生成装置，所述被动力生成器包括用于储存机械能的弹簧，所述被动力生成器被配置为在致动时释放机械能作为对所述联动装置的第一力，所述第一力随着所述弹簧接近静止状态而减小，所述主动控制力生成装置包括至少一个电磁马达，所述至少一个电磁马达被配置为响应于来自所述控制器的控制信号而对所述联动装置施加第二力，其中，在根据目标速度曲线在注射物输送期间驱动所述联动装置时，所述被动力生成器所释放的所述第一力补充来自所述主动控制力生成装置的所述第二力，从而导致作为所述第一力和所述第二力的总和的对所述联动装置的净力；以及

其中，所述控制器被配置为在重置模式中，控制所述至少一个电磁马达对所述联动装置施加重置力，以压缩所述弹簧使得将机械能储存在所述弹簧中，以及在注射模式中，通过在所述弹簧施加所述第一力期间改变来自所述至少一个电磁马达的所述第二力使得所述第二力等于目标净力和来自所述弹簧的所述第一力之间的差，来控制所述至少一个电磁马达在致动时保持对所述联动装置的净力。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，控制所述力生成机构保持对所述联动装置的所述目标净力包括控制所述至少一个电磁马达所提供的第二力，以使所述致动器以目标速度移动。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述控制器被配置为通过控制所述至少一个电磁马达所生成的扭矩来间接地控制所述至少一个电磁马达所提供的第二力，其中所述扭矩与所述第二力成比例。

4.根据权利要求2所述的设备，其中，控制所述力生成机构保持对所述联动装置的所述目标净力包括在所述设备的操作周期中根据所述目标速度曲线改变所述致动器的速度。

5.根据权利要求2所述的设备，其中，还包括用于测量所述致动器相对于参考位置的位移的位移传感器，其中所述控制器包括用于从所述位移传感器接收所述致动器的位移测量值的输入部，并且所述控制器被配置为基于所接收到的位移测量值来确定对所述致动器的速度的估计。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述控制器被配置为基于所接收到的位移测量值以及先前接收到的一个或多个位移测量值来确定对所述致动器的速度的估计。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个电磁马达包括电磁旋转马达。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个电磁马达包括电磁直线马达。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述弹簧包括直接连接至所述联动装置的螺旋弹簧。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述螺旋弹簧能够被配置为处于所述螺旋弹簧不储存机械能的静止状态、以及处于所述螺旋弹簧储存机械能的展开状态。

11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述联动装置包括滚珠丝杠。

12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述主动控制力生成装置包括注射装置壳体内的单个电磁马达，所述注射装置壳体内还具有所述弹簧和所述致动器，所述单个电磁马达被配置为在所述注射模式中施加所述第二力并且在所述重置模式中施加所述重置力以压缩所述弹簧。

13.一种用于输送流体的设备，其用于在操作周期中根据提供目标速度的目标净力来将腔室内所保持的流体输送至患者，所述设备包括：

致动器，用于在操作期间对所述腔室中的流体施加至少包括第一力分量和第二力分量的力；

电磁马达，用于驱动所述致动器，所述电磁马达响应于控制信号在操作期间使所述致动器在流体传送周期期间对所述腔室中的流体施加第二力分量；

能量存储元件，用于存储机械能，所述能量存储元件包括弹簧，所述能量存储元件在所述流体传送周期期间根据胡克定律基于所述能量存储元件的位置对所述腔室中的流体施加所述第一力分量，其中所述致动器在所述流体传送周期期间对所述腔室中的流体施加的总力是所述第一力分量和所述第二力分量的总和，其中，在注射物输送期间驱动所述致动器时，所述能量存储元件所施加的所述第一力分量补充所述电磁马达所施加的所述第二力分量，从而导致作为所述第一力分量和所述第二力分量的总和的对联动装置的净力；以及

控制器，用于在重置模式中，控制所述电磁马达对所述致动器施加重置力，以压缩所述弹簧使得将机械能储存在所述弹簧中，以及在注射模式中，控制所述电磁马达在整个所述流体传送周期中在所述弹簧施加所述第一力分量期间动态地改变所述第二力分量，使得所述第二力分量等于所述目标净力和所述第一力分量之间的差。

14.一种用于注射物输送的设备，所述设备包括：

柱塞，用于注射器；

致动器，其连接至所述柱塞，所述致动器包括联动装置、机械连接至所述联动装置的力生成机构、以及连接至所述力生成机构的控制器，

其中，所述力生成机构包括被动力生成器和主动控制力生成装置，所述被动力生成器包括用于储存机械能的弹簧，所述被动力生成器被配置为在致动时释放机械能作为对所述联动装置的第一力，所述第一力随着所述弹簧接近静止状态而减小，所述主动控制力生成装置包括至少一个电磁马达，所述至少一个电磁马达被配置为响应于来自所述控制器的控制信号而对所述联动装置施加第二力，其中，在注射物输送期间驱动所述联动装置时，所述被动力生成器所释放的所述第一力补充来自所述主动控制力生成装置的所述第二力，从而导致作为所述第一力和所述第二力的总和的对所述联动装置的净力；以及

其中，所述控制器被配置为在重置模式中，控制所述至少一个电磁马达对所述联动装置施加重置力，以压缩所述弹簧使得将机械能储存在所述弹簧中，以及在注射模式中，通过在所述弹簧施加所述第一力期间改变来自所述至少一个电磁马达的所述第二力，使得所述第二力和来自所述弹簧的所述第一力提供使所述柱塞以根据针对注射的目标速度曲线的目标速度而移动的净力，来控制所述至少一个电磁马达在致动时保持所述柱塞的所述目标速度。

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