CN111295516A - 旋转泵驱动的药物输送装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于药物输送装置的旋转泵，其中，所述泵具有背板，背板具有内表面，并且转子壳体邻近背板定位并且具有周壁。前板支撑件连接到背板，并且柔性前板位于前板支撑件和转子壳体之间。使用行星齿轮传动装置使泵旋转，其中，偏心轴操作地连接到行星齿轮机构。转子旋转地固定到偏心轴并且可移动地定位在转子壳体内。转子具有三个叶瓣，其中，每个叶瓣具有共用公共顶点的两个周边弯曲表面，其中，每个周边表面的邻近顶点的第一部分限定非平滑曲面。

Description

旋转泵驱动的药物输送装置
技术领域
本公开涉及一种旋转泵并且涉及一种用于将一种或多种液体药物施用给患者的医疗装置，该医疗装置使用旋转泵机构经由针或其它管道供应药物。旋转泵使用独特设计的转子来输送准确的药物体积流量，该转子防止药物从一个腔室到另一个腔室的不期望或意外的传送。
背景技术
基于最初的汪克尔内燃发动机设计的旋转式泵的使用是已知的，但没有广泛的商业用途。例如，美国专利公开2017/0072132公开了一种使用具有双叶瓣转子的旋转泵的医疗注射系统，并且美国专利No. 4,551,073公开了一种在临床过程期间用于泵送血液的旋转泵中使用的余摆线转子活塞。在通常用于医疗领域的已知类型的旋转泵中，所有的旋转泵都使用标准的汪克尔三叶瓣转子设计或二叶瓣设计。这些转子设计的特征在于，活塞转子的每个叶瓣的表面由终止于叶瓣的顶点的两个连续的平滑形状的边缘限定。在一些情况下，柔性密封件定位在顶点处以改进密封能力。因为转子的平滑弯曲形状的边缘不能很好地与转子壳体的内周壁对应，所以在腔室之间出现间隙，这导致药物从期望的腔室到空的腔室的不期望的传送。然后，这种不期望的传送减少了所预期的最终从腔室排出的体积。当使用这种泵在注射和/或单次剂量注射过程中向患者输送药物时，这种体积的损失或低于所预期的排出量对于剂量准确度是有害的。
因此，强烈需要开发一种旋转泵设计，其消除或显著减少药物从一个腔室到另一个腔室的不期望传送的量，使得药物能准确地输送到患者。
如下文所呈现的，本公开解决了现有和已知的旋转泵设计的上述问题，并提供了一种泵转子设计，其满足了向患者输送准确体积流量的药物的需求和要求。
发明内容
在一个可能的实施例中，药物输送装置由旋转泵驱动，该旋转泵具有背板，该背板具有内表面，其中，转子壳体邻近背板定位并且具有周壁。前板支撑件连接到后板，并且柔性前板位于前板支撑件和转子壳体之间。
使用行星齿轮传动装置使泵旋转，其中，偏心轴操作地连接到行星齿轮机构。转子旋转地固定到偏心轴并且可移动地定位在转子壳体内。转子具有三个叶瓣，其中，每个叶瓣具有共用公共顶点的两个周边弯曲表面，其中，每个周边表面的邻近顶点的第一部分限定非平滑曲面。
周壁限定具有余摆线形壁的双叶瓣转子壳体，并且具有至少第一和第二叶瓣。取决于转子（尤其是顶点）相对于余摆线壁的位置，双叶瓣泵腔室可具有四个单独的腔室。行星齿轮传动装置优选地具有定位在背板上的静止的正时小齿轮以及与转子成一体的环形齿轮，其中，环形齿轮具有与正时小齿轮上的协作齿啮合的齿，使得环形齿轮围绕正时小齿轮偏心地旋转。
叶瓣的每个周边弯曲表面优选地终止于与两个顶点等距的中点处，并且其中，周边弯曲表面的第二部分位于第一部分和中点之间并限定平滑曲面。转子壳体优选地具有入口端口和排放端口，每个端口具有中心点和纵向轴线，其中，入口端口中心点从排放端口的中心点偏移。该偏移优选地具有足够的距离，使得转子不能同时打开入口端口和出口端口二者。在一些情况下，入口和出口的纵向轴线彼此平行。在这种情况下，纵向轴线偏移足够的距离，使得转子不能同时打开入口端口和出口端口二者。图4中示出了这种构造。
偏心轮优选地直接连接到偏心驱动轴的端部，偏心驱动轴本身被轴颈连接（journaled）到位于后板中的轴承。偏心轮允许转子连接到偏心驱动轴，使得转子旋转地固定到偏心驱动轴。优选地，转子由柔性材料制成，使得顶点不需要单独的密封构件。在最优选的组件中，柔性材料是硅。如果前板支撑件包括开口区域和实心支撑区域，则也是有利的。
如所述的，转子壳体是具有第一叶瓣和第二叶瓣的双叶瓣式的，其中，每个叶瓣优选地具有与入口端口流体连通的入口钻孔以及与排放端口流体连通的出口钻孔。在一些情况下，所期望的是每个端口具有纵向轴线，其中，入口端口定位成使得纵向轴线平行于排放端口的纵向轴线并从排放端口的纵向轴线偏移。本公开的一个可能的实施例是一种泵，其具有背板和转子壳体，背板具有内表面，转子壳体定位成邻近背板并且具有周壁。前板支撑件连接到背板，并且柔性前板位于前板支撑件和转子壳体之间。
该泵还包括行星齿轮传动装置，该行星齿轮传动装置连接到偏心轴，该偏心轴可由马达装置驱动。行星齿轮传动装置可具有定位在背板上的静止的正时小齿轮以及与转子成一体的环形齿轮，其中，环形齿轮具有与正时小齿轮上的协作齿啮合的齿，使得环形齿轮围绕正时小齿轮偏心地旋转。
转子旋转地固定到偏心轴并且可移动地定位在转子壳体内，转子包括三个叶瓣，其中，每个叶瓣具有共用公共顶点的两个周边弯曲表面，其中，每个周边表面的邻近顶点的第一部分限定非平滑曲面。每个周边弯曲表面可终止于与两个顶点等距的中点处并且可包括周边弯曲表面的第二部分，该第二部分位于第一部分和中点之间并限定平滑曲面。优选地，转子由柔性材料制成，使得顶点不需要单独的密封构件。一种这样的柔性材料是硅。
周壁限定具有余摆线壁的泵腔室，并且可具有第一腔室和第二腔室。转子壳体可包括各自具有纵向轴线的入口端口和排放端口，其中，入口端口纵向轴线平行于排放端口的纵向轴线并且从排放端口的纵向轴线偏移。纵向轴线的这种偏移优选地具有足够的距离，使得转子不能同时打开入口端口和出口端口二者。
本公开的另一可能实施例是一种药物输送装置，用于将测定量的液体药物从储器通过导管输送至终点（例如患者）或输送至注射部位。药物输送装置具有壳体，壳体具有入口和出口，该入口通过管道连接到药物的储器，该出口连接到排放装置，其中，壳体具有背板，背板具有内表面。转子壳体邻近背板定位，并且转子旋转地固定到偏心轴并且可移动地定位在转子壳体内。优选地，转子具有三个叶瓣，其中，每个叶瓣具有共用公共顶点的两个周边弯曲表面，其中，每个周边表面的邻近顶点的第一部分限定非平滑曲面。驱动装置（优选地为电马达）连接到偏心轴，以在药物输送期间使偏心轴旋转，其中，当转子相对于转子壳体转动时，药物通过入口从储器被吸入转子壳体内的腔室中，并且药物通过出口排出并进入排放装置中。
从本公开的以下详细描述并且从附图，本公开的这些和其他方面以及优点将变得明显。
附图说明
在本公开的以下详细描述中，将参考附图，附图中
图1示出了本领域已知的并且如美国专利4,551,073中所描绘的常规汪克尔转子设计；
图2是本公开的旋转泵的一个实施例的分解透视图；
图3A示出了根据本公开的一个实施例的转子设计的放大示意图；
图3B示出了已知转子设计的放大示意图；
图4是本公开的转子壳体的剖视图，示出了两个入口和两个出口，其中，入口的纵向轴线从出口的纵向轴线偏移；
图5是曲线图，示出了与已知汪克尔型转子相比本公开的转子的一个叶瓣的一部分的曲率；
图6A至6E图示了本公开的旋转泵的实施例内的腔室的填充和排放；
图7A和7B图示了在已知的汪克尔型泵（图7A）中药物从一个腔室到另一个腔室的不期望的传送问题，并且示出了使用本公开的转子设计没有这种传送；并且
图8示出了本公开的旋转泵的另一实施例，其具有两个入口和两个出口。
具体实施方式
常规的或已知的汪克尔型旋转泵设计（见图1）尚未用于将药物准确且精确地输送给患者。这可能是因为已知的设计内在固有地不能重复地输送准确剂量的药物，而这在所有注射或泵型医疗装置中都是极其重要的。本公开的旋转泵设计1在双叶瓣式腔室16内使用三叶瓣转子2，其与常规汪克尔型转子的不同之处在于，三个叶瓣2a、2b和2c（或侧面）中的每一个都包含两个单独的区段（见图3A）。这与转子的每侧仅具有单个连续弯曲区段的常规汪克尔设计（见图3B）形成对比。本公开的转子2还具有共用公共顶点22的成对的两个周边弯曲表面20，其中，每个周边表面21的邻近顶点的第一部分限定非平滑曲面。图5中示出了常规汪克尔设计的平滑曲面与本公开相比的比较结果。本公开的非平滑曲面21确保了外转子表面26与转子壳体3的周壁6之间的密封。这种密封防止了流体（例如药物）从一个腔室到另一个腔室的不期望的传送，这种传送对剂量准确度具有不利影响。对于已知的汪克尔转子设计，这种不期望的传送（即溢出区域）在图7A中示出。图7B示出了本发明的非平滑弯曲部分21形成转子2与转子壳体3的紧密密封，这防止流体28的有害传送。从这些图中，明显的是，已知的汪克尔几何结构与本公开的旋转泵设计之间的差异不涉及转子叶瓣的顶点与转子壳体的周壁之间的密封，而是涉及终止于顶点处的转子区段之间的密封。
图2示出了本公开的旋转泵设计的至少一个可能实施例的分解图。在该设计中，转子壳体3是双叶瓣式的，即具有两个叶瓣30a、30b，每个叶瓣具有入口端口14a、14d和出口端口14b、14c。在一些情况下，所期望的是使用一组入口/出口端口来监视泵性能，而不是实际上使流体移入和移出由转子在一个或另一个壳体叶瓣内的位置所限定的腔室31、32（见图6A）。换句话说，在旋转泵的一些实施例中，仅存在单个入口端口14a和单个出口端口14b，这二者都与同一个壳体叶瓣30b相关联，并且二者都用于使流体（药物）28移入和移出泵。在具有一个入口和一个出口的这种实施例中，在某些时候在相对的壳体叶瓣30a中出现大的空腔室32。为了补偿在空腔室中形成真空的可能性，可能期望具有能够用作压力补偿器的附加端口。图6A示出了一个可能的实施例，其中，包含药物28的多个剂量的储器50经由管道51连接到旋转泵的入口14a。出口14b经由管道52与排放装置连接，排放装置例如是注射针、导管、喷嘴、喷射器或能够将药物28的单个剂量或单次剂量或连续流引入注射部位的类似部件。
如所述的，转子壳体3可包括单组入口和出口端口，优选地构造为转子壳体壁6中的钻孔14a、14b。管道和/或配件可以连接到这些钻孔以形成和限定入口和出口端口（见图4）。在其它实施例中，具有两组入口和出口端口是有利的。入口和出口端口还可包括止回阀34a、34b、34c和34d，以确保通过旋转泵的药物的适当流动方向和/或加压。为了剂量准确度的目的，钻孔必须定位成使得转子能够完全关闭入口并且不允许药物的任何泄漏。同样，出口钻孔应当相对于转子定位成确保由转子外表面完全封闭。由于这些原因，优选的是，这些钻孔位于转子壳体的周壁中。已知的现有旋转泵设计要求入口和出口二者至少在某些时候同时打开。本公开的旋转泵不具有该特征。换句话说，本公开的泵从来不会使入口和出口二者同时打开。要么入口是打开的，要么出口是打开的，但不是二者都打开。这确保了第一腔室内的药物流体完全从与该腔室流体连通的出口排出，而不会被带到下一个或第二腔室。
限定转子壳体3的周壁6的构造和形状遵循具有平滑曲面的传统双叶瓣余摆线形状。转子壳体3中的平滑弯曲壁允许在三个转子顶点22中的每一个之间在它们围绕周边壳体壁旋转并接触周边壳体壁时保持良好的液体和压力密封。为此，不希望改变转子壳体的周壁，例如，使壁区段具有非平滑曲面。改变周壁设计可能导致泄漏，其中，顶点可能与壁失去接触。
图3A示出了优选的转子2设计，其在每个顶点22之间具有两个不同的弓形区段20。这与已知的汪克尔型转子形成对比，已知的汪克尔型转子在每个顶点之间仅具有一个弓形部分，如图3B与图3A进行比较所示的。已知的转子设计的平滑曲面内在固有地在某些转子位置处导致腔室之间的药物的不期望的传送。如所述的，这对剂量准确度是有害的。本公开的非平滑曲面确保了腔室总是彼此密封分开。这样，腔室的每次填充是精确的，并且具有相同的已知体积的药物，该药物最终被输送到患者。优选地，两个周边弯曲表面具有一个非平滑的几何形状，所述两个周边弯曲表面共用公共的顶点，所述公共的顶点与转子壳体的周壁的给定几何形状配合。
正时小齿轮38和环形齿轮10的直径的比率可以变化，但是必须与偏心率和余摆线匹配。否则，偏心轴12不能被转动以致动本公开的旋转泵1。一种可能的比例是3:1。另一个可以调节的参数是轴的旋转轴线Sc 11到偏心旋转轴线Ec 9的偏移距离39（见图2）。尽管偏移距离39不是唯一的数字，但它必须是对直径的比率和余摆线有效的距离。
偏心轴12由任何已知的机械马达装置驱动和旋转。优选地，可以使用具有可旋转连接的电马达15，其在电马达的一侧上与偏心轴12连接，使得偏心轴由马达使用行星齿轮传动装置42旋转，行星齿轮传动装置42包括偏心轮8、环形齿轮10、偏心轴12和正时小齿轮38。所能够使用的电马达15可以是任何常规的高速低转矩类型的电马达，即，具有或不具有电刷或换向器的交流或直流马达。行星齿轮传动装置42传递马达的旋转驱动力以使转子2在转子壳体2内旋转。该行星齿轮传动装置的一个示例在图2中示出，其中，偏心轴12连接到偏心轮8，该偏心轮8进而连接到转子2。当马达轴15a使所连接的偏心轴12旋转时，偏心轮8和转子2也必须旋转。转子2内侧上的环形齿轮10与附接到背板4的静止小齿轮38啮合。当转子2旋转时，环形齿轮10围绕小齿轮38运动，并且轨迹为转子壳体3的外摆线形状，即双叶瓣式腔室16。
转子2的构造材料优选地是柔性材料，从而避免在转子或周边壳体壁中使用插入的密封件。优选地，转子由一种或多种柔性材料制成或者由柔性和非柔性材料的组合制成。一种优选的柔性材料是硅，然而，在制造过程中也可以使用其它材料，只要转子的与药物流体接触的部分是生物相容的并且对药物没有有害影响。在一些情况下，可能期望用比转子的其余部分更柔性的材料制造转子的顶点22，以确保与壁形成紧密密封。
与转子的构造材料一样，柔性前板7的构造材料必须被选择成使得其与被泵送的液体药物相容，即，制造材料不会对药物产生有害影响。优选地，构造材料被选择成使得柔性前板7能够根据需要通过挠曲和缩回来补偿压力差，以维持泵的恒定内部操作压力。前板支撑件应该是足够刚性的，以将柔性部分保持在一起并且确保充分密封以使得不会发生泄漏。为了保持一致的和可再现的剂量准确度，密封是重要的。在优选的构造中，前板支撑件可以具有需要压力补偿的一个或多个开口区域11（见图2）。前板支撑件5的实心部分被定位成确保前板7在那些位置具有稳定性。
图6A-6E中图示了本公开的旋转泵1的一个可能实施例的操作。图8中示出了另一种可能的旋转泵设计的操作。
应当理解，上文描述的和附图中示出的实施例应当仅被认为是安全组件的可能设计的非限制性示例，并且这种设计可以以许多方式修改。

Claims (17)

1.一种泵，包括：
a）背板，所述背板具有内表面；
b）转子壳体，所述转子壳体邻近所述背板定位并且具有周壁；
c）前板支撑件，所述前板支撑件连接到所述背板；
d）柔性前板，所述柔性前板位于所述前板支撑件和所述转子壳体之间；
e）行星齿轮传动装置；
e）偏心轴，所述偏心轴操作地连接到所述行星齿轮机构；以及
f）转子，所述转子旋转地固定到所述偏心轴并且可移动地定位在所述转子壳体中，所述转子包括三个叶瓣，其中，每个叶瓣具有共用公共顶点的两个周边弯曲表面，其中，每个周边表面的邻近所述顶点的第一部分限定非平滑曲面。
2.如权利要求1所述的泵，其中，所述周壁限定具有余摆线形壁的泵腔室。
3.如权利要求2所述的泵，其中，所述泵腔室包括第一和第二腔室。
4. 如权利要求1所述的泵，其中，所述行星齿轮传动装置包括：
- 静止的正时小齿轮，所述正时小齿轮定位在所述背板上；以及
- 与所述转子成一体的环形齿轮，其中，所述环形齿轮具有与所述正时小齿轮上的协作齿啮合的齿，使得所述环形齿轮围绕所述正时小齿轮偏心地旋转。
5.如权利要求1所述的泵，其中，每个周边弯曲表面终止于与两个顶点等距的中点处，并且其中，所述周边弯曲表面的第二部分位于所述第一部分和所述中点之间并且限定平滑曲面。
6.如权利要求1所述的泵，其中，所述转子壳体还包括各自具有纵向轴线的入口端口和排放端口，其中，所述入口端口纵向轴线平行于所述排放端口的纵向轴线并且从所述排放端口的纵向轴线偏移。
7.如权利要求6所述的泵，其中，所述纵向轴线的偏移具有足够的距离，使得转子不能同时打开所述入口端口和出口端口二者。
8.如权利要求1所述的泵，其中，所述偏心轮连接到驱动轴，所述驱动轴被轴颈连接到位于所述后板中的轴承。
9.如权利要求1所述的泵，其中，所述转子由柔性材料制成，使得所述顶点不需要单独的密封构件。
10.如权利要求9所述的泵，其中，所述柔性材料是硅。
11.如权利要求1所述的泵，其中，所述前板支撑件包括开口区域和实心支撑区域。
12.如权利要求1所述的泵，其中，所述转子壳体还包括第一腔室和第二腔室，其中，每个腔室具有入口端口和排放端口，并且每个端口具有纵向轴线，其中，所述入口端口定位成使得所述纵向轴线平行于所述排放端口的纵向轴线并且从所述排放端口的纵向轴线偏移。
13.一种药物输送装置，包括：
a）壳体，所述壳体具有入口和出口，所述入口连接到药物的储器，所述出口连接到排放装置，其中，所述壳体具有背板，所述背板具有内表面；
b）转子壳体，所述转子壳体定位成邻近所述背板；
c）转子，所述转子旋转地固定到偏心轴并且可移动地定位在所述转子壳体中，所述转子包括三个叶瓣，其中，每个叶瓣具有共用公共顶点的两个周边弯曲表面，其中，每个周边表面的邻近所述顶点的第一部分限定非平滑曲面；以及
d）马达，所述马达连接到所述偏心轴，以在药物输送期间使所述偏心轴旋转，其中，当转子相对于转子壳体转动时，药物通过所述入口从所述储器被吸入所述转子壳体内的腔室中，并且药物通过所述出口排出并进入所述排放装置中。
14.如权利要求13所述的药物输送装置，还包括连接到所述背板的前板支撑件，并且柔性前板定位在所述前板支撑件和所述转子壳体之间，其中，所述转子壳体还包括周壁，所述周壁限定具有第一和第二腔室的泵腔室。
15. 如权利要求13所述的药物输送装置，其中，所述转子壳体还包括行星齿轮传动装置，所述行星齿轮传动装置包括：
- 静止的正时小齿轮，所述正时小齿轮定位在所述背板上；以及
- 与所述转子成一体的环形齿轮，其中，所述环形齿轮具有与所述正时小齿轮上的协作齿啮合的齿，使得所述环形齿轮围绕所述正时小齿轮偏心地旋转。
16.如权利要求15所述的药物输送装置，其中，每个周边弯曲表面终止于与两个顶点等距的中点处，并且其中，所述周边弯曲表面的第二部分位于所述第一部分和所述中点之间并且限定平滑曲面。
17.如权利要求16所述的药物输送装置，其中，所述转子壳体还包括各自具有纵向轴线的入口端口和排放端口，其中，所述入口端口纵向轴线平行于所述排放端口的纵向轴线并且从所述排放端口的纵向轴线偏移。
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