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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Arzneimittelabgabevorrichtung mit a) einem Behälter für das Arzneimittel,
der eine Öffnung
aufweist oder zur Anordnung einer Öffnung vorbereitet ist, b)
einem Mechanismus, der so betreibbar ist, zumindest einen Teil des
im Behälter
befindlichen Arzneimittels durch die Öffnung abzugeben, c) Befestigungseinrichtungen
zum Verbinden des Behälters
mit dem Mechanismus und d) einem Sensorsystem, das dafür ausgelegt
ist, zumindest eine vorgegebene Eigenschaft des Behälters oder
seines Inhalts zu erfassen. Die Erfindung betrifft außerdem ein
Betriebsverfahren für eine
derartige Vorrichtung, Behälter
oder ein Behältersystem
zur Verwendung in der Vorrichtung sowie ein Kennzeichnungssystem
oder eine Analyseeinrichtung bezüglich
der Komponenten der Vorrichtung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Injektionseinrichtungen, die auf
einem separaten Abgabemechanismus basieren, der an austauschbaren
Behältern
anbringbar ist, haben auf vielen Gebieten, etwa bei medizinischen
Abgabesystemen, weit verbreitete Anwendung gefunden, und zwar aufgrund
der Flexibilität
und Wirtschaftlichkeit, die in der Möglichkeit enthalten sind, eine
wieder verwendbare pumpenartige Einrichtung mit einer mehr oder
weniger fortschrittlichen Maschinerie zur Vorbereitung, Dosierung,
Steuerung und Überwachung des
Injektionsvorgangs bereitzustellen, wobei die Merkmale der austauschbaren
Behälter
auf diejenigen begrenzt werden können,
die zum sicheren Einschluss und einfachen Ausstoß des Pharmazeutikums erforderlich
sind, Merkmale, die überdies
an jeden individuellen Arzneimitteltyp angepasst werden können.
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Es sind Abgabevorrichtungen zur Verwendung
in permanenteren Anordnungen bekannt, z. B. für stationäre Behandlungssituationen,
wobei es wenige Konstruktionsbeschränkungen gibt und der Pumpenabschnitt
angesichts motorisierter Manipulationseinrichtungen, prozessorgesteuertem
Betrieb und Datenerfassung sowie einem möglichen Anschluss an andere
verfügbare
Instrumente äußerst hoch
entwickelt sein kann. Häufig
wird die konstruktionstechnische Freiheit auch dafür genutzt,
den Pumpenabschnitt kompatibel mit einem oder mehreren bestehenden
oder genormten Patronen-, Spritren- oder Injektionseinrichtungstypen
zu machen, wodurch der Anwendungsbereich für das Instrument erhöht und die
Anpassungskosten für
den Patronenabschnitt verringert werden.
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Für
ambulante Zwecke sind die Konstruktionsbeschränkungen strenger, insbesondere
für freistehende
Einrichtungen ohne verbindbare Halterung. Größen- und Gewichtsbeschränkungen
schränken die
Anzahl und den Entwicklungsgrad der einschließbaren Funktionen ein. Automatisierung
als Alternativmaßnahme
zur Erhöhung
der Sicherheit und Vermeidung von Missbrauch ist in ähnlicher
Weise durch die zusätzlichen
motorisierten Einrichtungen und das Betriebsrepertoire aufgrund
der beschränkten
Kapazität
der Energiespeichereinrichtungen begrenzt. Obgleich handliche und
tragbare Injektoren mit einem Minimum an Halterungsmerkmalen entworfen
werden können,
die erforderlich sind, um all die vorstehend genannten Anforderungen
und Probleme durch einen qualifizierten Bediener sicher steuern
zu können,
besteht bei der Langzeit-Medikation ein allgemeiner Trend darin,
die Verabreichungsverantwortlichkeit dem Patienten selbst aufzuerlegen,
auch im Falle eines Kindes oder einer behinderten Person, z. B.
durch Verwendung von stiftartigen Injektoren. Ein hoher Grad an
Automatisierung und Steuerung ist dann erwünscht, um Fehler zu vermeiden,
und zwar nicht nur bei den reinen Injektionsschritten, sondern auch
bei den kritischen Initiierungs- und Vorbereitungsschritten. Patienten,
die auf tägliche
Verabreichungen angewiesen sind, haben außerdem ein legitimes Bedürfnis nach
Bequemlichkeit und Einrichtungen, die diskret genug sind, um sie
im täglichen
Leben mit sich zu führen.
Die widersprüchlichen
Anforderungen an hoch entwickelte und dennoch kleine und praktische
Einrichtungen müssen
von neuartiger Technologie erfüllt
werden.
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Abgabeeinrichtungen, sowohl zum permanenten
als auch zum ambulanten Gebrauch, benötigen ein zuverlässiges Sensorsystem
zur Steuerung und Verifikation des Behälters im weiteren Sinne. Der bloße Umfang
an Behältertypen
an sich, die an Allzweckpumpen zum stationären Gebrauch anbringbar sind,
schafft ein Steuerproblem und bei tragbaren Einrichtungen erfordert
die Möglichkeit
einer Selbstverabreichung durch den Patienten eine betriebssichere
Steuerung und die weit verbreitete Verteilung von Pumpen und Behältern entsprechende
Sicherheitsmaßnahmen
gegen beabsichtigten und unabsichtlichen Missbrauch oder falschen
Gebrauch. Das Vertrauen in die Automatisierung für die meisten Funktionen in
den Einrichtungen setzt eine Eingabe an den Prozessor voraus, beispielsweise
hinsichtlich dem Vorhandensein eines Behälters, der Überprüfung seines Zustandes, der
Verifikation seines ungebrauchten Zustandes sowie Informationen
bezüglich Behältertyp,
Inhalt, Konzentration, Ablaufdatum etc. Es kann außerdem erwünscht sein,
individuelle Patientendaten und Verabreichungsschemata einzugeben.
Sogar wenn die Pumpeinrichtung nur für einen einzelnen oder einige
wenige Behältertypen
oder -inhalte vorgesehen ist, sollte die Pumpe nicht mit diesen
Behältern
betrieben werden können,
auch wenn absichtlich versucht wird, die Sicherheitssysteme zu umgehen.
Es ist klar, dass die erwünschten Steuerungen
von ziemlich unterschiedlicher Natur sein können. Reine Informationen können von
einer maschinenlesbaren Kennzeichnung auf dem Behälter an
die Vorrichtung übertragen
werden, welche Informationen in keinem Zusammenhang mit dem Behälter stehen
können,
wie es bei Patientendaten oder einem Sicherheitscode der Fall ist,
oder damit in Zusammenhang stehen können, wie es bei Kennzeichnungen
der Fall ist, die die Art und das Volumen des Behälterarzneimittels
darstellen. Eine Steuerung der physischen Behältercharakteristika, wie etwa
Größe und Ausrichtung,
sowie der funktionellen Eigenschaften, wie etwa das Vorhandensein
eines Arzneimittels und die Kolbenstellung, kann eine nicht normgerechte
Bauart des Behälters
mit speziellen Erfassungsmerkmalen, einem äußerst hoch entwickelten Allzwecküberwachungssystem
oder mehreren spezialisierten Sensoren für jedes zu erfassende Merkmal erfordern,
wobei sämtliche
Alternativen nicht mit den vorstehend genannten Anforderungen kompatibel sind,
die stationären
oder tragbaren Pumpsystemen auferlegt werden.
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Übliche
informationstragende Kennzeichnungstechniken sind nicht für die erwähnten Zwecke geeignet.
Die Beschreibungen der Patente
US 4,978,335 und
WO 93/02720 schlagen unter anderem die Verwendung eines Strichcodes
und eines Strichcodelesers für ähnliche
Zwecke vor. Strichcodes tragen nur wenige Informationen auf einer
gegebenen Oberfläche,
erfordern einen Leser von beträchtlicher
Größe, der
nicht bequem in kleinen Einrichtungen untergebracht werden kann,
nutzen ein komplexes Strahlungssystem und der Code selbst ist leicht
zu manipulieren und daher nicht fälschungssicher. Schließlich kann
das System nicht zum Erfassen eines anderen Behältercharakteristikums als der spezifizierten
Codierung verwendet werden. Ähnliche
Nachteile und Einschränkungen
sind bei Kennzeichnungssystemen vorhanden, die auf dem Lesen alphanumerischer
Zeichen, Magnetstreifen etc. basieren.
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Sensoren für physische oder funktionelle
Behältereigenschaften
scheinen im Stand der Technik selten vorzukommen. Systeme, die auf
Schaltern basieren, wie etwa in
US
4,838,857 offenbart, welche durch einen Behälter aktiviert
werden, wenn sich dieser in der ordnungsgemäßen Stellung befindet, ergeben
ein äußerst unflexibles
Erfassungssystem, sofern nicht eine Vielzahl von Schaltern angeordnet wird,
und ein System, das anfällig
für Verschleiß und Verunreinigung
ist. Auch Systeme, die auf dem gegenseitigen Verrasten von zusammengehörigen Strukturen
basieren, wie beispielsweise in
EP
549 694 offenbart, sind unflexibel, ungenau und leicht
zu überlisten
und, in dem Maße,
in dem spezielle Schlüsselmerkmale
auf dem Patronenabschnitt bereitgestellt sind, nicht kompatibel
mit Standardbehältern.
Bekannte Prinzipe schei nen hoch spezialisiert, leicht zu manipulieren
und nicht zur komplementären Informationsablesung
anpassbar zu sein.
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Demgemäß besteht weiterhin Bedarf
an einem Erfassungssystem, das dazu in der Lage ist, die verschiedenen
Anforderungen, insbesondere bei medizinischen Abgabevorrichtungen,
zu erfüllen
und das mit den typischen Einschränkungen bei derartigen Anwendungen
kompatibel ist. Obgleich die vorliegende Erfindung einen allgemeineren
Nutzen hat, wird sie hauptsächlich
vor diesem Hintergrund beschrieben.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein Hauptriel der vorliegenden Erfindung
besteht darin, ein Sensorsystem bereitzustellen, das die vorstehend
genannten Nachteile von bekannten Anregungen einschränkt. Ein
spezifischeres Ziel besteht darin, ein System bereitzustellen, das
bei medizinischen Abgabevorrichtungen verwendbar ist. Ein anderes
Ziel ist es, ein System bereitzustellen, das zur Verwendung in tragbaren
Vorrichtungen geeignet ist, indem es eine geringe Größe, ein
geringes Gewicht und einen niedrigen Energieverbrauch hat. Ein weiteres
Ziel besteht darin, ein zuverlässiges
und schwer zu manipulierendes System bereitzustellen. Ferner besteht
ein weiteres Ziel darin, ein System bereitzustellen, das Kennzeichnungsinformationen
auf zuverlässige
Weise erfassen kann. Ein anderes Ziel ist es, ein System bereitzustellen,
das eine Vielzahl von funktionellen Eigenschaften erfassen kann.
Noch ein weiteres Ziel besteht darin, ein System zu entwerfen, das
sowohl Kennzeichnungsinformationen als auch funktionelle Eigenschaften
erfassen kann. Ein weiteres Ziel ist es, ein Sensorsystem anzubieten, das
mit Automation und Verarbeitung seines Ausgangs durch Mikrocontroller
kompatibel ist.
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Diese Ziele werden mit einem System
erreicht, das die in den anhängigen
Ansprüchen
aufgeführten
Charakteristika aufweist.
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Durch Verwendung des allgemeinen
Prinzips der Sendung von Strahlung auf das zu erfassende Objekt
und des Empfangs von durch das Objekt beeinflusster Strahlung zur
weiteren Analyse in dem erfindungsgemäßen System werden einige der
vorstehend genannten Ziele erreicht. Mechanischer Kontakt zwischen
Sensor und Objekt ist nicht erforderlich, wodurch die Positionierungs-
und Anwendungsflexibilität
erhöht
werden, während
Probleme hinsichtlich Verschleiß und
Verunreinigung verringert werden. Flexibilität wird auch durch die Vielzahl
an verfügbaren
wechselseitigen Sender/Empfänger-Positionierungsmöglichkeiten
bereitgestellt. Das Ermitteln von funkti onellen Objekteigenschaften
basierend auf einem Vergleich der empfangenen Strahlung mit einer
vorgegebenen Darstellung derselben macht das System äußerst flexibel
und anpassbar an viele Objekteigenschaften, wobei derselbe Empfänger zum
Ermitteln mehrerer Eigenschaften verwendet werden kann. Die Kriterien
zum Definieren der vorgegebenen Darstellung können dem Benutzer unbekannt
und demgemäß von unautorisierten
Personen schwierig zu erfüllen
sein. Die Verwendung von nicht bilderzeugender oder sogar defokussierter
Strahlung hat mehrere Vorteile. Sehr einfache und kostengünstige Komponenten
können
verwendet werden. Eine große
Aufnahmefläche
sowohl in der Breite als auch in der Tiefe erleichtert das Positionieren
der Komponenten und ermöglicht
es aus unterschiedlichen Tiefen empfangener Strahlung, die Antwort
mit gleicher Bedeutung zu beeinflussen, was beispielsweise bei transparenten
Objekten von Wert ist, wie etwa bei üblichen medizinischen Behältern. Beim
Erfassen von funktionellen Eigenschaften ergeben diese Flexibilität sowie
die Möglichkeit,
jede Grenzfläche
die Antwort beeinflussen zu lassen, einen breiten Umfang an potenziell
ermittelbaren Eigenschaften, die von einem einzelnen oder einigen
wenigen Empfängern abgedeckt
werden können,
und ermöglichen
außerdem
eine Überwachung
der sich dynamisch verändernden
Eigenschaften. Beim Erfassen von Kennzeichnungsinformationen kann
eine große
Aufnahmefläche
eingesetzt werden, um Fehlablesungen aufgrund von Verunreinigungen
zu verringern, die Informationsmenge durch Verwendung von mehreren analogen
Antwortniveaus zusätzlich
zu den Strukturen in der Kennzeichnung zu erhöhen und die Sicherheit durch
Verwendung von Kennzeichnungsmerkmalen, die nicht leicht durch visuelle
Inspektion zu erkennen sind, stark zu verbessern. Letzterer Punkt kann
durch Verwendung von Strahlung in nicht sichtbaren Frequenzbereichen
weiter verbessert werden. Es ist klar, dass dasselbe System zum
Erfassen sowohl von funktionellen Eigenschaften als auch von Kennzeichnungsinformation
verwendet werden kann, die typischerweise bei medizinischen Abgabeanwendungen
benötigt
werden, und das dort wo Größe, Gewicht,
Wirtschaftlichkeit und Energieverbrauch von Bedeutung sind, etwa
bei tragbaren Gegenständen, äußerst vorteilhaft
ist. Die Automationsanpassung ist aufgrund der wenigen benötigten Komponenten,
dem einfachen Antrieb derselben, der Kompatibilität mit Abtasttätigkeiten
oder dynamischen Arbeitsgängen
und der leichten Verarbeitung, auch in Echtzeit, eines sequenziellen
Ausgangs des Empfängers
einfach.
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Weitere Ziele und Vorteile gehen
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung hervor.
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Genaue Beschreibung
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Allgemeines
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"System", wie hierin verwendet,
ist so zu verstehen, dass es allgemein die Erfindung betrifft, einschließlich seiner
Teile, wie etwa Einrichtungen, Betriebsverfahren, Kennzeichnungsprinzipe
und wichtige Komponenten, wie etwa Pumpenabschnitte und Behälter.
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Wie in der Einführung angedeutet, können das
Sensorsystem und die Kennzeichnungsprinzipe desselben, wie hierin
beschrieben, für
eine Vielzahl von Zwecken auf dem medizinischen Gebiet und darüber hinaus
sowie für
jede beliebige Art von Arzneimittel, wie etwa Chemikalien, Zusammensetzungen oder
Gemische, in jedem beliebigen Behälter verwendet und für jeden
beliebigen Zweck abgegeben werden. Aus den genannten Gründen hat
das System in Verbindung mit medizinischen Abgabevorrichtungen bestimmte
spezielle Vorteile, wobei auch die Konstruktionsbeschränkungen
strenger als bei den meisten anderen Anwendungen sind. Aus praktischen
Gründen
wird die Erfindung im Hinblick auf diese Anwendung beschrieben.
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Die Prinzipe der vorliegenden Erfindung
können
für Abgabevorrichtungen
oder – systeme
im weiteren Sinne verwendet werden. Die Abgabeeinrichtung der Vorrichtung
kann ein Infusionskanal oder eine beliebige Leitungseinrichtung,
wie etwa ein Schlauch oder ein Katheter, eine Nadel oder Kanüle oder
ein nadelloses System, das auf einem Flüssigkeitsstrahl basiert, oder
eine Partikelkanone mit einem Treibgas sein. Der Behälterinhaltsstoff
sollte unter Verwendung eines Abgabemechanismus abgegeben werden
können,
wobei jeder Stoff verwendet werden kann, der diese Anforderung erfüllt. Normalerweise
ist der Stoff ein Fluid und bevorzugt eine Flüssigkeit, einschließlich Stoffe,
die sich wie Flüssigkeiten
verhalten, wie etwa Emulsionen oder Suspensionen. Diese Beobachtungen
beziehen sich auf das endgültige
Präparat,
wobei andere Komponenten, insbesondere Feststoffe, vor dem endgültigen Präparat vorhanden
sein können.
Die Art des Behälterinhalts
ist ebenfalls so zu verstehen, dass Medikamente im weiteren Sinne
und zum Beispiel natürliche Komponenten
und Körperflüssigkeiten
eingeschlossen sind, die zuvor in den Behälter gefüllt oder hineingezogen wurden,
obgleich das Medikament üblicherweise
in der Fabrik vorbereitet wird. Die Erfindung kann dazu beitragen,
spezielle Probleme im Zusammenhang mit empfindlichen Verbindungen
zu lösen, die
unter mechanischer Belastung, wie etwa hohen Scherkräften, anfällig für Qualitätsverlust
und Denaturierung sind. Verbindungen mit hoher relativer Molekülmasse können von
dieser Art sein, etwa Hormone mit hoher relativer Molekülmasse,
beispielsweise Wachstumshormone oder Prostaglandine. Die Erfindung
kann auch bei der Lösung
spezieller Probleme im Zusammenhang mit Medikamenten hilfreich sein, die
unmittelbar vor der Infusion einen Vorbereitungsschritt benötigen, typischerweise
ein Vermischen von zwei oder mehr Komponenten, die alle flüssig sein oder
einen Feststoff umfassen können,
etwa beim Auflösen
eines gefriergetrockneten Pulvers in einem Lösungsmittel, wie etwa Hormone
oder Prostaglandine.
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Die Art der Verabreichung kann ebenfalls
innerhalb breiter Grenzen variieren und eine vollständig kontinuierliche
Infusion, eine kontinuierliche Infusion mit veränderlichem Strom oder unterbrochene Infusionen
oder Injektionen mit mehreren entweder gleichen oder veränderlichen
Dosen umfassen. Insbesondere in Kombination mit Automationseinrichtungen
kann die Verabreichungsart in bevorzugter Art und Weise leicht durch
Adaptionen der Software oder einer ähnlichen Ablaufsteuerung variiert
werden. Bei tragbaren Vorrichtungen ist die unterbrochene Verabreichung üblich. In ähnlicher
Weise sind sie, obgleich Abgabevorrichtungen auch für einen
einzigen Dosierungsbetrieb denkbar sind, im Allgemeinen für mehr als
eine oder mehrere einzelne Dosen zur unterbrochenen Verabreichung
ausgelegt.
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Zusätzlich zu den grundlegenden
Funktionen für
Abgabezwecke kann das Abgabesystem bevorzugt andere wertvolle Merkmale
umfassen, etwa zum Initiieren des Behälters und seines Inhalts sowie zum
Bereitstellen verschiedener Überprüfungen und Steuerungen
des Behälters
wie auch der Pumpenabschnittselektronik und -mechanik.
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Wie in der Einführung erwähnt, können die Prinzipe der Erfindung
auf Abgabevorrichtungen in stationären oder permanenten Anordnungen
angewendet werden. Aufgrund der bereitgestellten Einfachheit bietet
die Erfindung unter anderem spezielle Vorteile für Abgabevorrichtungen für ambulante
Zwecke, insbesondere für
solche, die autonom sind und über
integrierte Energiespeicher-, Motor- und Prozessoreinrichtungen
verfügen,
und im Besonderen für
kleine Handeinrichtungen von wahrhaft tragbarer Art.
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Eine bevorzugte Arzneimittelabgabevorrichtung
kann allgemein zumindest einen Behälter für das Arzneimittel, der eine Öffnung aufweist
oder zur Anordnung einer Öffnung
vorbereitet ist, einen Mechanismus, der so betreibbar ist, zumindest
einen Teil des im Behälter
befindlichen Arzneimittels durch die Öffnung abzugeben, Befestigungseinrichtungen zum
Verbinden des Behälters
mit dem Mechanismus und ein Sensorsystem umfassen, das dafür ausgelegt
ist, zumindest eine vorgegebene Eigenschaft des Behälters oder
seines Inhalts zu erfassen.
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Der Behälter
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Der Behälterabschnitt ist im weiteren
Sinne zu verstehen und kann eine Vielzahl von Formen annehmen, wie
etwa jede beliebige Art von Schlauch, Gefäß, flexiblem Beutel, Phiole,
Ampulle, Patrone, Carpoule, Spritzenkörper etc. Es gibt gewisse Vorteile
bei der Verwendung von Behältern,
die zumindest an ihrer Öffnung
oder denn Abschnitt starr sind, der zur Befestigung am Mechanismus
dient, jedoch bevorzugt allgemein starr sind, wie etwa Phiolen,
Ampullen oder Spritzenkörper.
Es sind außerdem
gewisse Vorteile beim Einsatz der Erfindung in Verbindung mit Behältern vorhanden,
die zumindest lichtdurchlässig
und bevorzugt wenigstens teilweise transparent sind, und zwar bevorzugt
im Wesentlichen bei der Frequenz der verwendeten Strahlung. Übliche Behältermaterialien,
wie etwa Glas oder Kunststoff, können
bevorzugt verwendet werden. Der Behälter kann eine einstückige oder
zusammengesetzte Struktur haben, die etwa ein äußeres Gehäuse oder eine beliebige andere
mehrteilige Konstruktion für Verschlüsse, Befestigungseinrichtungen,
Schutzeinrichtungen etc. umfasst, wobei "Behälter", wie hierin verwendet,
immer so zu verstehen ist, dass ein beliebiges vorhandenes Zusatzelement
eingeschlossen ist.
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Der Behälter weist zumindest eine Öffnung auf,
durch die das Arzneimittel während
des Hauptabgabebetriebes der Vorrichtung hindurch tritt, und zwar
entweder vom Behälterinneren
zur Umgebung, z. B. zur Verabreichung des Arzneimittels ein den
Patienten, oder zum Behälter
hin, im Falle einer Aspiration von Körperflüssigkeiten, oder bei Vorbereitungsschritten,
wie etwa dem Einfüllen,
Vermischen oder Auflösen
in den/dem Behälter,
wobei die Öffnung
während
dieser Arbeitsschritte vorhanden sein muss. Es ist möglich und
sogar in vielen Situationen bevorzugt, dass bestimmte Vorrichtungsbetriebsschritte,
wie etwa das Lesen von Etiketten, Steuerung oder Initiierung des
Behälters,
stattfinden bevor die Verbindung hergestellt wird, wobei die Öffnungsanforderung
dann durch die Vorbereitungseinrichtungen zum Herstellen der Verbindung
als erfüllt zu
betrachten ist, wie etwa das Vorhandensein eines entfernbaren Verschlusses
oder eines durchstoßbaren
oder zerreißbaren
Abschnitts am Behälter
selbst, wie es bei einer Ampulle oder einem Beutel oder speziell
konstruierten Abschnitt der Fall ist, etwa bei durchstoßbaren Membranen
oder Trennwänden.
Die gesamte Strömungsverbindung
kann durch eine Öffnung
erfolgen, z. B. sowohl der Arzneimitteldurchtritt als auch der Druckausgleich
in einem starren Behälter,
oder durch Abgabe aus einem Behälter,
der flexibel ist oder einen beweglichen oder verformbaren Abschnitt
aufweist, wobei jedoch nichts dagegen spricht, dass weitere Öffnungen
für ähnliche
Zwecke bereitgestellt werden, die mit der zumindest einen Öffnung identisch,
jedoch auch völlig
unterschiedlich und beispielsweise für einen anderen Zweck ausgelegt
sein können,
z. B. zur Infusion oder spritzenartig mit einer beweglichen Wand
oder einem Kolben.
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Der Behälter kann eine einfache Flasche, Phiole
oder ein Beutel sein, sofern die Abgabevorrichtung, wie definiert,
dafür ausgelegt
ist, abgemessene Mengen kontinuierlich oder unterbrochen zur Abgabe
daraus zu entziehen. Häufig
und insbesondere in Verbindung mit Selbstverabreichung ist der Behälter von
komplizierterer Art und hat üblicherweise
die Form einer Patrone, die der Behälterabschnitt eines spritzenartigen
Abgabesystems ist, welcher im Falle von Mehrkammernpatronen sogar
noch komplizierter sein kann. Patronenartige Behälter werden noch näher beschrieben,
da sie im Allgemeinen zusätzliche
Initiierungs- oder Steuerschritte erfordern, für die die Prinzipe der Erfindung
bevorzugt genutzt werden können.
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Eine Patrone für die vorliegenden Zwecke kann
allgemein ein Gefäß umfassen,
das einen vorderen Abschnitt und einen rückwärtigen Abschnitt, welche eine
allgemeine Patronenachse definieren, einen Auslass für das Arzneimittel,
der am vorderen Abschnitt angeordnet ist, und zumindest eine bewegliche
Wand aufweist, die am rückwärtigen Abschnitt angeordnet
ist, wobei eine Verschiebung dieser Wand bewirkt, dass das Arzneimittel
zum Auslass bewegt oder durch diesen ausgestoßen wird. Die Gefäßform und
die bewegliche Wand müssen
aneinander angepasst werden. Das Gefäß kann sehr frei gestaltet
werden, wenn die Wand eine) flexibles) oder übergroßes) Membran oder Diaphragma
ist, die/das sich durch Bewegung oder Umformung an die Innenflächen des
Gefäßes anpassen
lässt,
in welchem Fall ein Fluidkissen oder nachgiebiges Material zwischen der
Wand und der Kolbenstange erforderlich sein kann, um den ausgeübten Druck
zu vergleichmäßigen. Das
Gefäß hat jedoch
bevorzugt einen im Wesentlichen konstanten inneren Querschnitt mit
einer ähnlich
konstanten Gefäßachse zwischen
den vorderen und rückwärtigen Abschnitten,
was ein im Wesentlichen rohrförmiges
Gefäß ergibt,
wobei der Querschnitt besonders bevorzugt von üblicher kreisförmiger Art
ist, die im Wesentlichen ein zylindrischen Gefäß ergibt. Die bewegliche Wand
ist dann bevorzugt ein im Wesentlichen formbeständiger, wenn auch möglicherweise
elastischer, Körper,
der dicht an die Gefäßinnenfläche angepasst
und bevorzugt nach Art eines Kolbens ausgeführt ist, der eine ausreichende
Länge hat,
um sich während
seiner Bewegung längs
dem Gefäß selbst
gegen Taumeln zu stabilisieren. Der Auslass des vorderen Abschnitts
kann jede beliebige bekannte Bauart haben und zum besseren Zugriff
bei bestimmten Anwendungen seitlich ausgerichtet, wie auch stirnseitig,
jedoch nicht koaxial mit der Gefäßachse,
oder, wie es am üblichsten
ist, frontal und koaxial angeordnet sein. Der Auslass kann integral
mit dem Gefäß ausgeführt sein
oder das vordere Ende der Patrone in konventioneller Weise mit einer
Befestigungseinrichtung dafür
versehen werden, bevor die Verbindung mittels einer zerbrechlichen
oder penetrierbaren Dichtung hergestellt wird.
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Im Allgemeinen benötigen die
beschriebenen Patronen mehrere Arten von Initiierungstätigkeiten,
die von einer Verschiebung der beweglichen Wand abhängig sind,
um die Vorrichtung zurückzustellen
und mögliche
mehrmalige und reproduzierbare Dosierungen durchzuführen, die
hohe Präzisionsanforderungen
erfüllen.
Bei ihrer ersten Bewegung nach der Lagerung kann die bewegliche
Wand eine außergewöhnliche
Abtrennkraft benötigen,
um sowohl den inneren Umformwiderstand als auch eine erhöhte Wandreibung
aufgrund der Haftung oder Erschöpfung
des Schmiermittels an den Kontaktstellen zu überwinden. Auch in Bezug auf
die schwächere reguläre Injektionskraft
müssen
elastische und nicht elastische Verformungen und Toleranzen in der
beweglichen Wand, der Patronenhülle,
den Auslassbefestigungen etc. ausgeglichen werden. Die Arzneimittel
selbst können
kompressible Einschlüsse
aufweisen, wie etwa Gasbläschen.
Eine Entlüftung
und ein Vorabausstoß sind
erforderlich, um in der Gefäßkammer
befindliches Gas zu entfernen und Freiräume beispielsweise an den vorderen
Dichtungen, Auslassbefestigungen und im Innenraum der Auslasseinrichtungen
oder Nadeln auszufüllen.
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Zwei- oder Mehrkammernpatronen sind
bekannt, z. B. für
Arzneimittel, die ein Vermischen von zwei oder mehr Komponenten
oder Vorläufersubstanzen
vor der Verabreichung erfordern. Die Komponenten werden durch eine
oder mehrere Zwischenwände
unterschiedlicher bekannter Bauart voneinander getrennt gehalten,
welche Wände
das Gefäß in mehrere
Kammern unterteilen und manchmal parallel zur Patronenachse, meistens
jedoch übereinander
längs der
Achse, angeordnet sind. Eine Vereinigung der Komponenten kann durch
Zerbrechen, Durchstoßen
oder Öffnen
einer Ventilkonstruktion in den Zwischenwänden stattfinden, beispielsweise
durch Einführen
eines Stifts oder einer Nadel durch die Patronenvorderseite, durch
die oder an der rückwärtige(n)
bewegliche(n) Wand oder durch Einrichtungen an der Patronenaußenseite
(vgl. z. B. die genannte WO 93/02720). Bei einer anderen bekannten
Bauart sind die Zwischenwand oder -wände kolbenartig ausgeführt und
die Strömungsverbindung zwischen
den Kammern wird durch Bewegen des Kolbens zu einem Umgehungsabschnitt
hergestellt, wo die Innenwand einen oder mehrere vergrößerte Abschnitte
oder mehrere Umfangsrillen und -stege in solcher Weise aufweist,
dass der Inhalt der rückwärtigen Kammer
bei einer Verschiebung der rückwärtigen beweglichen
Wand in die vordere Kammer fließen
kann (vgl. z. B.
US 4,968,299 oder
WO 93/20868 und WO 95/11051). Die Kammern können Gas, Flüssigkeit
oder Feststoffe enthalten. Im Allgemeinen ist wenigstens eine Flüssigkeit
vorhanden. Üblicherweise
sind bei pharmazeutischen Anwendungen nur zwei Kammern vorhanden,
die typischerweise eine Flüssigkeit
und einen Feststoff enthalten, wobei letzterer während des Mischvorganges aufgelöst und rekonstituiert
wird.
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Eine Initiierung der Mehrkammernpatronen erfordert,
dass alle der beschriebenen allgemeinen Schritte durchgeführt werden,
wenn auch aufgrund der vorhandenen zusätzlichen Wände und Freiräume unter
erschwerten Bedingungen. Für
eine effiziente Vermischung muss im Allgemeinen zusätzlich zu dem
von den Komponentenvolumen eingenommenen Raum ein Mischraum vorgesehen
werden. Pulverige Komponenten in Schüttform benötigen ebenfalls den zusätzlichen
Raum, der in den Zwischenräumen
zwischen den Partikeln vorhanden ist. Der Mischschritt kann Schaum
oder Gaseinschlüsse
erzeugen, die Platz brauchen, um sich abzusetzen. Kolbenartige Zwischenwände müssen im
Allgemeinen wenigsten über
ihre eigene Länge
verschoben werden, um die nicht abgedichtete Stelle in der Umgehung
zu erreichen. Insgesamt benötigen
Mehrkammernpatronen lange bewegliche Wandhübe im Initiierungsschritt,
und zwar sowohl beim Vermischen als auch bei der anschließenden Entlüftung, und
profitieren in besonderer Weise von den Vorteilen der vorliegenden
Erfindung.
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Die Patronengrößen können in Abhängigkeit von der beabsichtigten
Anwendung stark variieren, wobei es schwierig ist, allgemeine Größenbereiche anzugeben.
Typische Größen bei
der bevorzugten Selbstverabreichungsanwendung unter Verwendung von
tragbaren Vorrichtungen haben einen Innendurchmesser von 2 bis 30
mm und bevorzugt von 3 bis 20 mm.
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Der Mechanismus
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Der Mechanismus zur Abgabe eines
Arzneimittels durch die Behälteröffnung sollte
grundsätzlich zumindest
eine Art von Pumpeinrichtung umfassen, die möglicherweise für die spezielle
Art des verwendeten Behälters
und Arzneimittels ausgewählt
werden muss. Die Pumpeinrichtung kann jede beliebige Art von Druckquelle,
etwa einen mechanischen oder elektrolytischen Druckaufbau, im Behälter und
geeignete Ventileinrichtungen zur Steuerung umfassen, welches Verfahren
mit praktisch jeder Art von Behälter
und Produkt angewandt werden kann, wie etwa eine transdermale Pulverabgabe,
wie zum Beispiel in WO 94/24263 offenbart, eine ähnliche Abgabe durch Flüssigkeitsstrahle,
wie zum Beispiel in WO 94/2188 offenbart, oder eine reguläre Schlauchinfusion,
wie zum Beispiel in WO 88/09187 offenbart. Jede beliebige Art von
Behälter
kann außerdem
mit Pumpen verwendet werden, die auf peristaltischer oder zentrifugaler
Tätigkeit
basieren, obgleich auch Allzweckpumpen, die auf einer kontrollierten
positiven Verdrängung
basieren, bevorzugt sind und insbesondere Pumpen, die auf einer
separaten Zylinder/Kolben-Tätigkeit
basieren, wie zum Beispiel in
US
5,480,381 für Flüssigkeitsstrahle
oder in
US 4,564,360 für eine manuell
betätigte,
auf Nadeln basierende Vorrichtung offenbart. Der übliche spritzenartige
Behälter
benötigt ein
spezialisiertes Pumpsystem. Der Mechanismus ist entweder dafür ausgelegt,
auf vollständige
Spritzen einzuwirken, die ihre eigenen Kolbenstangen haben, indem
er die Stange in Eingriff bringt und axial verschiebt, wie zum Beispiel
in der zu Beginn genannten
US
4,978,335 offenbart, was bevorzugt sein kann, wenn es erwünscht ist,
Spritzen vieler unterschiedlicher Arten und Größen aufzunehmen, oder der Mechanismus
hat eine Kolbenstange, die mehr oder weniger direkt auf den Kolben
eines spritzenartigen Behälters
einwirkt, wie zum Beispiel in WO 95/26211,
EP 143,895 oder
EP 293,958 offenbart, welcher kleiner
ausgeführt
werden kann und besser an tragbare Vorrichtungen angepasst ist.
Auch Zwei- oder Mehrkammernpatronen können eine ähnliche Einrichtung für ihre unterschiedlichen
Phasen verwenden, wie zum Beispiel in der zu Beginn genannten WO
93/02720 offenbart. Obgleich die besprochenen verschiedenen Pumpmechanismen
mechanische Einrichtungen zum Beeinflussen des Arzneimittels oder
eines Kolbens umfassen können,
kann die Einrichtung, wie etwa eine Kolbenstange, durch jedes beliebige
bekannte Mittel, wie etwa Gasdruck, Vakuum, Hydraulik, Federn oder
manuellen Betrieb, betätigt
werden. Es ist bevorzugt, die Pumpeinrichtung durch elektrische
Einrichtungen, wie etwa einen Elektromotor, indirekt oder bevorzugt
direkt zu betätigen,
unter anderem weil sich diese leicht an eine vollständig automatisierte
Vorrichtung anpassen lassen.
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Der Mechanismus kann bevorzugt weitere Komponenten
umfassen. Der Mechanismus kann beispielsweise spezielle Einrichtungen
zum Sichern der abgegebenen Dosen umfassen, z. B. durch direktes
Abmessen des abgegebenen Arzneimittels, obgleich es im Allgemeinen
bevorzugt ist, die Pumpeinrichtung direkt oder indirekt dafür zu nutzen,
z. B. durch Überwachen
der axialen Verschiebung oder der Drehung einer Kolbenstangenachse
in einer an sich bekannten Art und Weise. Insbesondere ist es bevorzugt,
dass der Mechanismus ein Steuersystem umfasst, das so betreibbar
ist, zumindest teilweise die vorstehend angegebenen Verabreichungsmuster, Initiierung
von Behältern
oder Patronen, Eigensteuerung oder Überwachung und mögliche Aufzeichnung von
durchgeführten
Betriebsschritten auszuführen. Derartige
Systeme sind im Stand der Technik bekannt, zum Beispiel aus
US 4,529,401 , und können auf
vielfältige
Weise ausgeführt
werden. Für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das
Steuersystem zumindest einen Teil des Sensorsystems steuert und überwacht
und die von diesem erhaltenen Daten verarbeitet.
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Die Befestigungseinrichtungen
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Die Mindestanforderung an die Befestigungseinrichtungen
besteht darin, den Behälter
mit dem Mechanismus derart zu verbinden, dass der Mechanismus seine
Pumpfunktion ausführen
kann. Die Art des gewählten
Pumpe/Behälter-Prinzips
kann bestimmen, wie kritisch die relative Positionierung zwischen
Behälter
und Mechanismus ist. Im Allgemeinen ist, wenn der Mechanismus auf
einem separaten Pump- oder Steuerventilprinzip mit einer Leitung
zum Behälter
basiert, die relative Positionierung nicht kritisch. Wenn der Behälter selbst
Teil des Pump- oder Dosierprinzips ist, wie etwa bei spritzen- oder
patronenartigen Behältern,
und wenn der Mechanismus direkt auf den Behälter einwirkt, kann die relative
Positionierung äußerst kritisch
sein, wobei sie einen direkten Einfluss auf die Dosiergenauigkeit
hat. In unkritischen Situationen ist es denkbar, dass der Behälter lose
oder flexibel mit dem Mechanismus verbunden ist, z. B. über einen
Schlauch, obgleich es bevorzugt ist, zumindest bei tragbaren Vorrichtungen,
den Behälter
starr am Mechanismus zu befestigen, wie es auch bei den vorstehend
genannten kritischen Situationen der Fall ist. Wenn der Mechanismus
im Wesentlichen in stationäre
Teile, die z. B. Betätigungseinrichtungen,
Gestelle und Kraftübertragungseinrichtungen
umfassen, und funktionelle bewegliche Teile unterteilt ist, beispielsweise
den aktiven Teil einer Pumpe, wie etwa eine Kolbenstange, oder einen Abgabesteuerventilmechanismus,
ist es bevorzugt, den Behälter
direkt oder indirekt in Bezug auf die stationären Teile zu befestigen, obgleich
es auch möglich
ist, den Behälter
während
der Abgabe zum Mechanismus zu bewegen. Ein bequemer Weg zur Umsetzung
der indirekten relativen Befestigung zwischen stationären Teilen
und dem Behälter
besteht darin, ein Gehäuse
bereitzustellen, in dem zumindest die stationären Mechanismusteile in relativer
Unbeweglichkeit eingeschlossen sind und an welchem Gehäuse der
Behälter
befestigt ist. Wenn vorhanden, sollte das Gehäuse als Referenzpunkt für Bewegungen
betrachtet werden, sofern nicht anders angegeben.
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Die vorstehend besprochene relative
Positionierung gilt für
die Phase, in der der Mechanismus Arzneimittel durch die Behälteröffnung abgibt.
Während
anderer Phasen können
die Befestigungseinrichtungen mit dem Mechanismus zusammenarbeiten,
um andere Funktionen zu erfüllen.
Eine solche bevorzugte Funktion besteht darin, eine Bewegung des
Behälters
zu bewirken. Der Behälter
bewegt sich bevorzugt zumindest in Bezug auf die stationären Teile
des Mechanismus und bevorzugt ebenfalls in Bezug auf das Gehäuse, sofern
vorhanden. Eine derartige Bewegung kann beispielsweise bei einem Kopplungsmanöver der
Patrone verwendet werden, das beispielsweise ein Anziehen und Verrasten
des Behälters
umfasst. Alternativ dazu oder in Kombination damit kann sich der
Behälter
in Bezug auf die beweglichen Teile des Mechanismus bewegen. Eine derartige
Bewegung kann bevorzugt dazu verwendet werden, eine Tätigkeit
am Behälter
auszuführen,
insbesondere zum Initiieren eines Behälters oder einer Patrone, wie
bereits beschrieben. Ein bevorzugtes Verfahren und eine bevorzugte
Vorrichtung für
letzteren Zweck ist in unserer parallelen Anmeldung gleichen Datums
mit dem Titel "Injection
device and method for its operation" (Injektionsvorrichtung und Verfahren
zum Betrieb derselben) offenbart, die hierin durch Bezugnahme gewürdigt wird.
Ein weiteres Ziel jeder der vorstehend genannten Bewegungen besteht
darin, den Behälter
relativ zum Sensorsystem zu bewegen, obgleich dies auch durch Bewegen
des Sensorsystems relativ zum Mechanismus oder Gehäuse erreicht
werden kann. Die Relativbewegung zwischen den Sensoren und dem Behälter wird
hierin nachfolgend als "Abtastung" bezeichnet. Die
Abtastung kann für
verschiedene Erfassungszwecke verwendet werden, die nachfolgend
näher ausgeführt sind,
wie etwa eine Sensorablesung von Informationen oder die Verwendung
desselben Sensors für
verschiedene Zwecke, und zwar räumlich
oder sequenziell. Im vorliegenden Zusammenhang ist zu beachten,
dass bevorzugt jede Bewegung für
Abtastrwecke mit Bewegungen für
jeden der vorstehend genannten Zwecke kombiniert werden kann, um
die Vorrichtung und den Betrieb insgesamt zu vereinfachen, wie etwa eine
parallele Initiierung einer Patrone und Ablesung und Überprüfung derselben.
Eine Bewegung für
jeden der erwähnten
Zwecke kann sowohl Axial- als auch Drehverschiebungen umfassen,
was im Hinblick auf einen Behälter
von allgemeiner Rotationssymmetrie zu verstehen ist, wie etwa eine
Phiole oder eine Patrone. Beispielsweise kann die Initiierung oder
Anziehung eine Axialbewegung erfordern, während eine Drehbewegung zum
Verrasten verwendet werden kann. Für Abtastzwecke kann eine Axialbewegung
sowohl der Ablesung als auch der Steuerung von funktionellen Eigenschaften
längs dem
Behälter
dienen, während
eine Drehbewegung zum Ablesen von weiteren Informationen dienen kann,
die über
die Behältermantelfläche verteilt
sind, oder dazu den Abtastzweck zu wechseln.
-
Die Abtastgeschwindigkeiten können frei
gewählt
werden. Das Sensorsystem ist im Wesentlichen mit den meisten Geschwindigkeiten
kompatibel, sogar mit stationären
Ablesungen, wobei sich die Geschwindigkeiten bevorzugt an die anderen
erwähnten
Zwecke anpassen lassen. Die Bewegung findet typischerweise mit weniger
als 100 cm/sec, bevorzugt mit weniger als 10 cm/sec und besonders
bevorzugt mit weniger als 1 cm/sec statt. Geeigneterweise liegen
die Geschwindigkeiten über
0,1 und auch über 0,5
mm/sec.
-
Wenn ein Gehäuse vorhanden ist, kann es erwünscht sein,
das Gehäuse
zumindest teilweise und bevorzugt im Wesentlichen über den
gesamten Behälter
auszudehnen, beispielsweise zum Zweck des Schutzes des Behälters, der
Bereitstellung von Führungsmerkmalen,
um ihn während
seiner Bewegung statisch oder dynamisch zu stabilisieren, oder insbesondere
um Sensoreinrichtungen anzuordnen, sofern diese nicht auf eigenen
stationären
oder beweglichen Trägern
positioniert sind, welche Gehäuseumschließung auch
dazu dienen kann, Streustrahlung aus der Umgebung zu reduzieren.
Selbstverständlich
kann das Gehäuse
als zusammengesetzte oder einheitliche Struktur ausgeführt werden.
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Die Natur der physischen Einrichtungen
zur effektiven Befestigung des Behälters am Mechanismus oder Gehäuse ist
im Allgemeinen nicht entscheidend für die vorliegenden Ziele und
kann von jeder beliebigen herkömmlichen
oder bekannten Art sein, etwa basierend auf Reibung, Schubverriegelung,
Unterschneidung, Bajonettverriegelung, Gewinden oder jeder beliebigen
anderen Passung.
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Das Sensorsystem
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Das erfindungsgemäße Sensorsystem basiert auf
dem Senden und Empfangen von Strahlung. Bei der bevorzugten Anwendung
wird die Strahlung zum Behälter
oder einer beliebigen Kennzeichnung desselben gelenkt, obgleich,
wie angegeben, die Prinzipe einen allgemeineren Nutzen als ein analytisches
System für
Objekte im Allgemeinen oder ein System für maschinenlesbare Informationen
im Allgemeinen haben können.
Im Hinblick auf die bevorzugte Anwendung wird die Beschreibung des
Sensorsystems in die Strahlungstechnik, die Sensoranwendungen und
die Signalverarbeitung unterteilt.
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Strahlungstechnik
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Zu Beginn wird darauf hingewiesen,
dass, obgleich der Sender und der Empfänger im vorliegenden Zusammenhang
beschrieben wurden als diskrete Komponenten oder integrale Komponenten,
die beides unter einem gegenseitigen Abstand enthalten, die Terminologie
so zu verstehen ist, dass "Sende-Empfangsgeräte" eingeschlossen sind,
d. h. Komponenten, die beide Funktionen gleichzeitig oder wechselweise
ausführen,
und zwar entweder mit derselben aktiven Komponente, die beide Funktionen aus führt, oder
zur besseren Anpassung bevorzugt mit separaten Komponenten, die
in demselben Gehäuse
untergebracht sind. Sender, Empfänger
und Sende-Empfangsgeräte
werden hierin nachfolgend kollektiv "aktive Elemente" bezeichnet. Alle Komponenten sind im
weiteren Sinne zu verstehen, wobei beispielsweise jede Komponente,
die zur Ausgabe einer Antwort auf Strahlveränderungen ausgelegt ist, als
Empfänger
und jede beliebige natürliche,
bevorzugt jedoch künstliche
Strahlungsquelle, die vom Empfänger
benutzt wird, als Sender anzusehen ist.
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Jede Art von Strahlung, die in ermittelbarer Weise
durch den Behälter
oder eine Kennzeichnung beeinflusst werden kann, kann im Sensorsystem
verwendet werden. Die Strahlung ist bevorzugt elektromagnetische
Strahlung mit einem geeigneten Frequenzbereich zwischen Ultraviolett
und Mikrowellen und liegt besonders bevorzugt im optischen und infraroten
Bereich. Wie zuvor erwähnt,
gibt es bei der Verwendung von Strahlung im nicht sichtbaren Bereich
Sicherheitsvorteile. Der Sender kann ein Maser oder Laser sein,
aus Leuchten oder besonders bevorzugt Leuchtdioden (LEDs) bestehen,
die bevorzugt für
den sichtbaren und besonders bevorzugt für den infraroten Frequenzbereich
verwendet werden, etwa zwischen 300 und 3000 Nanometern oder zwischen
500 und 2000 Nanometern. Gute Ergebnisse wurden im sichtbaren Bereich
sowie im Infrarotbereich bei 950, 870 und 875 Nanometern erzielt.
Der Empfänger
sollte an den Sender angepasst sein, wobei der Empfänger für die vorstehend
angegebenen Typen ein Photowiderstand oder besser eine Photodiode
oder ein Phototransistor sein kann. Der Empfänger sollte in der Frequenz
an den Sender angepasst sein oder bei Fluoreszenz an jede beliebige daraus
resultierende Frequenz. Sowohl für
den Sender als auch für
Empfänger
kann die Frequenzanpassung durch die Typauswahl durchgeführt werden, und
zwar unter Verwendung von optischen Filtern oder Anwendung von elektronischen
Filtern. Bei Vorrichtungen, die nicht im sichtbaren Bereich arbeiten, ist
es angebracht, einen Tageslichtfilter einzubauen, um unbeabsichtigte
Umgebungseinflüsse
zu beseitigen. Die spezifische Auswahl von Komponenten hängt davon
ab, welches Bilderzeugungsprinzip verwendet werden soll.
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Wie hierin verwendet, ist ein "Bilderzeugungssystem" als System zu verstehen,
das dazu in der Lage ist, ein Objekt mit Einzelheiten in zumindest zwei
Dimensionen zu reproduzieren, was normalerweise ein System erfordert,
das im Objekt in den zwei Dimensionen eine Auflösung von Pixeln, Punkten oder
Linien bereitstellen kann, was auf unterschiedliche Weise geschehen
kann. Ein "fokussierendes" Bilderzeugungsverfahren
kann verwendet werden, bei dem ein linsenartiges System eine wahrheitsgetreue
Reproduktion des Objekts erzeugt, welche Reproduktion, die beispielsweise
auf einer Elektronenstrahlröhre
oder einem strahlungsempfindlichen Halbleiter abgebildet wird, wie
etwa einem ladungsgekoppelten Bauelement, um z. B. eine Pixelkarte oder
eine linienweise zweidimensionale Ausgabe zur späteren Analyse zu erzeugen.
Das fokussierende Verfahren kann effizient eine verfügbare Strahlung verwenden
und auf verschiedene interessierende Tiefen fokussiert werden. Alternativ
kann ein "abtastendes" Bilderzeugsverfahren
verwendet werden, bei dem das Objekt Punkt für Punkt abgetastet wird, das allgemeinere
Tiefeninformationen und eine sequenzielle Ausgabe erzeugen kann.
Die Abtastung kann durch Bestrahlen des Objekts mit einer Weitwinkelstrahlung
stattfinden, wobei der Empfang durch eine Abschirmung oder Linsenfokussierung
auf einen schmalen Abtastpunkt beschränkt ist. Ein bevorzugteres
Verfahren besteht darin, das Objekt mit einem schmalen Abtastpunkt
zu bestrahlen, entweder mit einem dünnen parallelen Strahl beispielsweise
von einem laserartigen Sender oder mit einem abgeschirmten oder
linsenfokussierten Punkt von einer divergenten Strahlungsquelle,
und Strahlung vom Objekt mittels eines Empfängers zu empfangen, der einen
schmalen Aufnahmewinkel haben kann, bevorzugt jedoch eine Weitwinkelempfangsfläche hat.
Damit die Bilderzeugung zu einem Ergebnis kommt, sollte eine Anordnung
zum Bereitstellen einer Abtastung zumindest des schmalen Punktabschnitts
vorhanden sein, z. B. durch Bewegen des aktiven Elements selbst,
seiner Abschirmung oder seines fokussierenden Abschnitts, wie erwähnt, oder
eines separaten ablenkenden Teils, wie etwa ein Spiegel, eine Linse
oder ein Prisma.
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Ein "nicht bilderzeugendes" oder integrierendes
System ist als System zu verstehen, das dafür ausgelegt ist, mit einem
einheitlichen oder einzelnen Signal auf die von einer Objektfläche empfangene Gesamtstrahlung
zu antworten. Ein nicht bilderzeugendes Prinzip hat den Vorteil
einer erheblichen Vereinfachung des Sensorsystems, und zwar sowohl
im Hinblick auf die Hardware als auch auf die Nachbearbeitung. Dennoch
erzielt das nicht bilderzeugende System mit den erfindungsgemäßen Verfahren
hinreichende Steuerergebnisse und ist für die meisten der vorliegenden
Zwecke bevorzugt. Ein nicht bilderzeugendes System muss keine Abtastanordnung
zur Rekonstruktion eines zweidimensionalen Bildes aufweisen, es
ist jedoch bevorzugt, dass die aktiven Elemente, nach jeder der
beschriebenen Modifikationen, eine Sendung bzw. einen Empfang mit
stabiler Achsenausrichtung in Bezug auf die Halterung des aktiven
Elements bewirken. Bei einer statischen Erfassung der Behälterposition
ist die Halterung in Bezug auf den Behälter befestigt. Bei der beschriebenen Abtastung
zwischen Sensor und Behälter
kann die Achsenausrichtung noch immer stabil, die Halterung und
der Behälter
jedoch in Bezug aufeinander beweglich sein, wobei der Sensor bevorzugt
fixiert und der Behälter
in Bezug auf ein Gehäuse
beweglich ist, wie beschrieben. Alles in allem ist eine fixe Anordnung
der Achsenaus richtung und der Halterung des aktiven Elements in
Bezug auf den Mechanismus oder ein Gehäuse im Hinblick auf die einfachste
Gesamtbauart bevorzugt.
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Obgleich auch beim nicht bilderzeugenden Verfahren
ein fokussiertes Bild auf den Empfänger fallen kann, hat dies
nur eine geringe Bedeutung, da eine einheitliche Antwort abgegeben
wird. Es ist allgemein bevorzugt, die "defokussierte" Strahlung auf den Empfänger fallen
zu lassen, wobei dann bevorzugt zumindest die Strahlung vom vordersten
Abschnitt des Objekts, der dem Empfänger am nächsten ist, und besonders bevorzugt
im Wesentlichen aus allen Tiefen empfangene Strahlung defokussiert werden
sollte. Dies kann es erforderlich machen, dass die zum Empfänger gelenkte
Strahlung defokussiert konvergent, parallel oder bevorzugt divergent
ist. Es ist bevorzugt, dass auch der Sender eine defokussierte Strahlung
in dem Sinne abgibt, dass eine flächendeckende Strahlung verwendet
wird, wie etwa ein breiter Strahl paralleler Strahlung, eine defokussierte
konvergente Strahlung oder bevorzugt eine divergente Strahlung.
Die/Der vom Sender abdeckte Fläche
oder Winkel kann bevorzugt größer als die
Fläche
oder der Winkel sein, die/der vom Empfänger abgedeckt wird. Zusätzlich zu
einer möglichen wertvollen
Vereinfachung des Sensorsystems hat das defokussierte Strahlungsverfahren
den Vorteil, dass aus einem beträchtlichen
Raum sowohl in der Breite als auch der Tiefe des Objekts eine Antwort abgegeben
wird. Dieses Prinzip ermöglicht
es dem System, eine zusammengesetzte "Fingerabdruck"-Antwort des beobachteten Objektabschnitts aufzuzeichnen,
was nicht nur höchst
einzigartig, sondern auch äußerst schwierig
nachzuahmen ist, insbesondere wenn die Aufzeichnung im nicht sichtbaren
Frequenzbereich erfolgt. Diese Vorteile werden verstärkt, wenn
die vom Empfänger
abgedeckte Fläche
in Bezug auf das Objekt relativ groß ist und wenn die abgedeckte
Fläche
nicht hart, sondern weich oder allmählich, von nicht abgedeckten
Flächen
abgegrenzt ist. Da die Objektart und dessen Zielabschnitt stark
variieren können,
sind absolute Flächenwerte schwer
anzugeben. Ein geeigneter Raumwinkel, wobei beliebige Korrekturmittel
vorhanden sind, der mit seinem Scheitelpunkt an der Empfängerachsenbasis gezeichnet
wird und dessen breites Ende die Aufnahmefläche abdeckt, kann beispielsweise
mehr als 10, bevorzugt mehr als 30 und besonders bevorzugt mehr
als 34 Grad betragen. Der Winkel kann sehr groß sein, beträgt jedoch
im Allgemeinen weniger als 180 Grad, bevorzugt weniger als 160 und
besonders bevorzugt weniger als 140 Grad. Die Aufnahmefläche ist üblicherweise
und bevorzugt kreisförmig, wenn
dies jedoch nicht der Fall ist, beziehen sich diese Werte auf eine
kreisförmige
Fläche
gleicher Größe wie die
tatsächliche
Fläche.
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Die Auswahl der Hardware hängt davon
ab, welches der vorstehenden Sensorsystemprinzipe gewählt wird.
Wie angegeben, kann ein Abtastpunkt durch eine abgeschirmte divergente
Quelle erhalten werden, besser noch durch ein Linsensystem oder eine
laserartige Einrichtung. Ein paralleler Strahl kann durch ein Kollimatorlinsensystem
oder eine laserartige Einrichtung erhalten werden. Ein divergenter
Strahl kann aus Gründen
der Einfachheit mittels eines gewöhnlichen Diffusionssenders
oder eines Linsensystems zur besseren Steuerung erhalten werden.
In ähnlicher
Weise kann der Empfängerempfangswinkel
durch Abschirmen eingestellt werden, besser jedoch durch ein Linsensystem
aus Gründen der
Steuerung und Energieeffizienz.
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Zwischen der Sendung und dem Empfang sollte
die Strahlung durch das Objekt beeinflusst werden, was auf vielfältige Weise
geschehen kann. Im Allgemeinen sind die dabei eine Rolle spielenden Phänomene Reflexion,
Sendung, Absorption und Streuung. Beispielsweise wird Strahlung,
die eine Änderung
im Brechungsindex hinsichtlich der verwendeten Strahlungsfrequenz
erfährt,
in einem höheren
oder geringeren Ausmaß reflektiert.
Die Reflexion kann diffus sein, wenn Unregelmäßigkeiten vorhanden sind, oder
anderweitig eine Wellenfront beibehalten und eine bilderzeugende
spiegelartige Reflexion ergeben. Nicht reflektierte Strahlung kann durch
die Oberfläche
gesendet und möglicherweise gebrochen
werden. Der Durchtritt kann dann eine Absorption, einen grob exponentiellen
Energieabfall über
die Sendelänge,
welche Absorption wie die Reflexion diffus sein kann, wenn Unregelmäßigkeiten vorhanden
sind, oder eine anderweitige Bilderzeugung bewirken. Eine Streuung
kann durch diffuse Reflexion und Sendung verursacht werden.
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Das Ausmaß, in dem diese Phänomene die Strahlung
beeinflussen, kann stark frequenzabhängig sein, was dazu verwendet
werden kann, erwünschte
Unterschiede zu verstärken.
Im Prinzip kann dies in zwei Extremen durchgeführt werden. Es wird entweder
eine Strahlung mit schmaler Bandbreite oder sogar eine monochrome
Strahlung mit der Frequenz gewählt,
die den erwünschten
Effekt maximiert. Eine schmale Bandbreite kann durch Herausfiltern,
durch Absorption oder Brechung, einer einzelnen Frequenz aus einer
im Wesentlichen Breitbandstrahlungsquelle unter Verwendung eines
laserartigen Senders, Emissionsspektralbanden oder jedes beliebigen
anderen Verfahrens erhalten werden. Ein Vorteil von schmalen Bandbreiten
besteht in hohen Rauschabständen
und einem geringen Einfluss von zufälliger Hintergrundstrahlung.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass entweder die Sender- oder
die Empfängerkomponente
aus einfachen Breitbandtypen ausgewählt werden kann, da die Ausgabe
noch immer durch die einzelne gemeinsame Frequenz bestimmt wird.
Ein spezifischer Vorteil besteht darin, dass eine spektroskopische
Analyse beispiels weise eines Behälterinhalts
möglich
ist, die eine Messung von mehr als einer einzelnen Frequenz oder
das Abstimmen einzelner Frequenzen über einen Bereich erfordern
kann, etwa das Einrichten eines Infrarotspektrums über der
Komponente. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit,
eine Frequenzänderung zu
ermitteln, die aus Kennzeichnungszwecken absichtlich vorgenommen
wird, wie etwa Fluoreszenz. Im anderen Extrem kann eine Breitbandstrahlung verwendet
werden, bevorzugt durch die Wahl von Breitbandkomponenten sowohl
für den
Sender als auch für
den Empfänger.
Breitbandkomponenten, wie etwa Leuchten, Leuchtdioden und Photodioden oder
Phototransistoren, sind leicht erhältlich, kostengünstig und
energiesparend. Eine Breitbandstrahlung ermöglicht es ferner mehreren Objektcharakteristika,
die Strahlung zu beeinflussen. Es kann beispielsweise eine Analyse
durchgeführt
werden, die einer Farbanalyse im sichtbaren Bereich entspricht. Bei
den meisten Anwendungen ist ein Breitbandansatz bevorzugt. Eine
geeignete Breite ist dann zumindest ein Variationskoeffizient von
1 Prozent, bevorzugt von mindestens 5 Prozent und besonders bevorzugt
mindestens 10 Prozent, plus/minus der Sollfrequenz, definiert bei
der Frequenz, bei der das Niveau auf weniger als 30 Prozent des
Maximalniveaus gefallen ist.
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Die Strahlung kann durch die vorstehend
beschriebenen Phänomene
an mehreren Stellen der Objekte beeinflusst werden. Neben einer
Fläche,
die durch den Sender und den Empfänger abgedeckt wird, kann der
Einfluss an unterschiedlichen Tiefen des Objekts stattfinden, wie
etwa den zwei Oberflächen
der vorderen Behälterfläche, dem
Inhalt des Behälters
und den zwei Oberflächen
der Wand auf der anderen Seite des Behälters, möglicherweise mehrmals an beliebigen
Gehäuseflächen sowie
an jedem Riss oder jeder anderen Unregelmäßigkeit in diesen Abschnitten.
Alternativ kann die Strahlung an einer ersten Oberfläche durch
eine Strahlungsbarriere blockiert werden, wie etwa Metall, bei optischer
und infraroter Strahlung. In ähnlicher
Weise kann die Strahlung durch wiederholte Reflexion oder wiederholte Streuung
beeinflusst werden, z. B. vom Behälter oder einem umgebenden
Gehäuse,
etwa eine hohlraumfüllende
diffuse Strahlung. Es ist außerdem
möglich, aktive
Maßnahmen
zum Erzeugen von ermittelbaren Unterschieden vorzunehmen. Der Gehäuseabschnitt kann
beispielsweise mit einem Charakteristikum versehen werden, welches
kennzeichnend für
den Patronenabschnitt ist, um eine Ermittlung des Vorhandenseins
eines Behälters
zu ermöglichen,
oder ein bestimmter funktioneller Abschnitt eines Behälters oder
einer Patrone kann zur Ermittlung gekennzeichnet werden. Ein Abschnitt
kann beispielsweise dafür ausgelegt
sein, Strahlung zu reflektieren, und ein anderer Abschnitt dafür, Strahlung
zu absorbieren. Beispielsweise kann bei sichtbarer oder infraroter elektromagnetischer
Strahlung Ruß für das Absorptionsvermögen und
Metall oder Titanoxid als reflektierende Materialien verwendet werden.
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Weitere Freiheit besteht in der relativen
Positionierung der aktiven Elemente, sowohl in Bezug aufeinander
als auch bei den aktiven Elementen in Bezug auf das Objekt. Um der
Beschreibung willen wird der Sender unter Bezugnahme auf seine Hauptstrahlachse
beschrieben, die je nachdem die Mittelachse, Symmetrieachse oder
Achse der maximalen Intensität
sein kann, nachdem der Strahl durch Abschirmung, ein Linsensystem
etc., sofern vorhanden, eine Bündelung
erfahren hat. In ähnlicher
Weise sollte die Hauptempfängerachse
des Empfängers
seine Mittelachse, Symmetrieachse oder Achse der maximalen Intensitätsaufnahme
sein, nach einer möglichen
Korrektur durch Abschirmung, ein Linsensystem etc. Eine Achsenebene
ist als Ebene zu verstehen, in der die Achse liegt. Geht man zunächst davon aus,
dass sowohl die Senderachse als auch die Empfängerachse in derselben Ebene
liegen, können
sie miteinander eine Vielzahl von Winkeln bilden. Beide können bei
im Wesentlichen parallelen Achsen, d. h. mit einem Winkel von ungefähr null
Grad zwischen den Achsen, wie etwa bei einem aktiven Element nach
Art eines Sende-Empfangsgeräts,
im Wesentlichen in dieselbe Richtung weisen. Diese Anordnung ist
vorteilhaft, wenn man sich auf reflektierte Strahlung vom Objekt
konzentriert, sie kann jedoch auch für gesendetes Licht verwendet
werden, sofern etwas Reflexion in oder hinter dem Objekt vorhanden ist,
z. B. durch eine installierte spiegelartige Oberfläche. Die
aktiven Elemente können
einander gegenüber
angeordnet werden, so dass der Senderstrahl in die Empfängeraufnahmeachse
gelenkt wird, d. h. mit einem Winkel von ungefähr 180 Grad zwischen den Achsen.
Diese Anordnung ist vorteilhaft, wenn man sich auf durch das Objekt
gesendete Strahlung konzentriert, beispielsweise wenn die Absorption
ein zu ermittelnder Hauptparameter ist. Der Empfänger kann überall zwischen den vorstehend
erwähnten Extremen
platziert werden, um einen beliebigen spitzen oder stumpfen Winkel
zwischen 0 und 180 Grad, wie etwa ungefähr 90 Grad, zur Senderachse
zu bilden. Diese Anordnung kann vorteilhaft sein, wenn man sich
auf die Ermittlung gestreuter Strahlung vom Objekt konzentriert,
beispielsweise um Unregelmäßigkeiten
oder Unklarheiten zu ermitteln. Es ist möglich, mehrere aktive Elemente
um den Kreis anzuordnen, der durch Drehen der Empfängerachse
um 0 bis 360 Grad in Bezug auf die Senderachse in der vorstehend
beispielhaft angegebenen Weise gebildet wird. Bei einem oder mehreren
Sendern kann es beispielsweise von Interesse sein, einen Empfänger bei ungefähr null
Grad, einen bei ungefähr
180 Grad und einen bei ungefähr
90 Grad anzuordnen, um drei Signale zu erhalten, welche die Antworten
für reflektierte,
absorbierte bzw. gestreute Strahlung maximieren, was interessant
sein kann, um einen detaillierten Objektfingerabdruck zu erhalten
oder im Hinblick auf die verschiedenen Antwortkomponenten mögliche Korrekturen
in der empfangenen Strahlung durchzuführen, z. B. Eliminierung des
Einflusses von gestreuter Strahlung.
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Es wurde vorstehend davon ausgegangen, dass
sowohl die Sender- als auch die Empfängerachse in derselben Ebene
liegen, was nicht notwendig, jedoch im Allgemeinen für die stärkste Antwort
optimal ist. Räumliche
Einschränkungen
können
es erforderlich machen, die Ebenen leicht zu verschieben, obgleich
sie im Wesentlichen noch immer parallel sind. Die Ebenen können auch
miteinander einen Winkel bilden, was nützlich sein kann, um den verfügbaren Raum
zu nutzen oder eine halbgesendete oder halbreflektierte Antwort
von einem großen
Objekt zu erhalten, etwa längs
einer Patronenachse.
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Es ist möglich, die aktiven Elemente
in Bezug auf einander beweglich auszuführen und Einrichtungen zum
Ausführen
derartiger Bewegungen vorzusehen, z. B. um eine tomographische Abtastung des
Objekts zu erhalten, es einem einzelnen aktiven Element zu ermöglichen,
die Tätigkeit
mehrere Elemente auszuführen
oder eine dynamische Komponente mit einer statischen Messung zu überlagern, um
die Signalverarbeitung zu erleichtern oder zu verbessern. Bei den
meisten Anwendungen ist es jedoch ausreichend und bevorzugt, die
aktiven Elemente im Hinblick auf eine einfache Bauart gegenseitig
statisch anzuordnen. Wie vorstehend erwähnt, kann es außerdem von
Interesse sein, eine Relativbewegung zwischen den aktiven Komponenten
und dem Objekt zuzulassen, was durch eine bewegliche Anordnung der
aktiven Elemente in Bezug auf die Vorrichtung, bevorzugt jedoch
durch bewegliches Anordnen des Objekts in Bezug auf die Vorrichtung durchgeführt werden
kann. Die Abtastgeschwindigkeiten können innerhalb breiter Grenzen
ausgewählt und
beispielsweise anhand anderer Überlegungen, die
nicht den Sensor betreffen, bestimmt werden, wie etwa die zuvor
in Bezug auf Patronenbewegungen angeregten. Es ist ein Vorteil,
dass niedrige Geschwindigkeiten verwendet werden können, sogar eine
Geschwindigkeit von null im Falle von stationären Messungen.
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Sensoranwendungen
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Wie erwähnt, kann das Sensorsystem
dafür verwendet
werden, Informationen abzulesen, die im Allgemeinen in Form einer
maschinenlesbaren Kennzeichnung vorliegen. Das Sensorsystem kann
außerdem
physische funktionelle Eigenschaften des beobachteten Objekts ermitteln.
Eine Kennzeichnung kann auch dazu dienen, die Ermittlung einer funktionellen
Eigenschaft zu erleichtern, etwa eine Kennzeichnung ei ner kritischen
Objektposition. Für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind die "Eigenschaften" des Objekts im Hinblick auf die Ermittlung so
zu verstehen, dass sie alle diese Möglichkeiten einschließen.
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Die Natur der von einem maschinenlesbaren Kennzeichnungssystem übermittelten
Informationen kann von beliebiger Art sein und schränkt die
Grundlagen der Erfindung nicht ein. Bei der bevorzugten medizinischen
Abgabevorrichtungsanwendung können
derartige Informationen von allgemeiner Natur sein, wie etwa Sicherheitscodes,
Patientencodes, Verabreichungsschemata, Kalibrierdaten etc. Die Daten
können
in irgendeiner Weise den Behälter
betreffen, wie etwa die Behälterart-
oder -größenidentifikation,
die Hublänge
oder den Nadeltyp für
Patronen, Art, Volumen und/oder Konzentration des Arzneimittelinhalts,
Verteilungsdaten, Chargennummer, Speicherkapazität, Temperaturempfindlichkeit,
Haltbarkeitsdaten, Klassifikation nach offiziellen Standards etc.
Die Informationen können
für eine
Vielzahl von Zwecken verwendet werden, wie etwa eine einfache Anzeige
von Informationen für
den Benutzer, Einstellung von Prozessorparametern, als Basis für die Annahme
oder Zurückweisung
des befestigten Behälters,
in Betrieb nehmen oder außer
Betrieb setzen der Vorrichtung in Antwort auf Patientendaten und
Sicherheitscodes, Auswahl oder Download von Verabreichungsmustern,
Berechnung von Dosen etc.
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Zur Erzielung der in Bezug auf die
Kennzeichnungsablesung erwähnten
Vorteile ist es bevorzugt, ein nicht bilderzeugendes Sensorsystem
zu verwenden, wie bereits definiert, und besonders bevorzugt ein
defokussiertes Strahlungsverfahren, wie bereits definiert. Der Empfänger hat
bevorzugt einen divergenten Aufnahmewinkel für empfangene Strahlung, der
einen Raumwinkel von beispielsweise zwischen 10 und 150 Grad, besser
zwischen 20 und 120 Grad und besonders bevorzugt zwischen 30 und
90 Grad haben kann. Die durch einen derartigen Empfang auf der Kennzeichnung
abgedeckte Fläche kann
noch immer durch den Abstand zwischen dem Empfänger und der Kennzeichnung
gesteuert werden. Um die Kennzeichnungsfläche zu konzentrieren, beträgt der Abstand
typischerweise weniger als 25 mm, bevorzugt weniger als 15 und besonderes bevorzugt
weniger als 10 mm. Eine bestimmte Flächengröße ist erwünscht, um Fluktuationen auszugleichen
und eine gleichmäßige Strahlung
zu ermöglichen,
wobei der Abstand bevorzugt mehr als 0,1 mm, bevorzugt mehr als
1 mm und besonders bevorzugt mehr als 2 mm beträgt. Die Form der vom Empfänger abgedeckten
Fläche
kann aufgrund von Strahlungsbeschränkungen, der Geometrie des Empfängers oder
seiner Abschirmung und jedweder Krümmung des Objektes selbst variieren.
Die absolute Größe der abgedeckten
Fläche,
ausgedrückt
als der Durchmesser eines Kreises mit entsprechender Fläche, kann
Indikativ zwischen 0,1 und 20 mm, bevorzugt zwischen 0,5 und 15
mm und besonders bevorzugt zwischen 1 und 10 mm im Durchmesser betragen.
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Die Informationen werden von ermittelbaren Unterschieden
in einer der vorstehend besprochenen, möglichen optischen Eigenschaften
getragen. Die vom Empfänger
abgedeckte Fläche
ergibt im Allgemeinen eine einheitliche und entsprechend integrierte
Antwort, wodurch es möglich
ist, dass die vorstehend genannte Größe der vom Empfänger abgedeckten
Fläche
zu jeder Zeit uneinheitlich ist, dass sie beispielsweise einen Gradienten
hat, dann bevorzugt jedoch ein Gitter oder Rastermuster aufweist, wie
sie z. B. beim Drucken und in der Graphik verwendet werden, obgleich
die abgedeckte Fläche
bevorzugt im Wesentlichen mit der verwendeten Strahlung übereinstimmt.
Selbst wenn es möglich
ist, dass die Kennzeichnung nur einen Teil der vom Empfänger abgedeckten
Fläche
bedeckt, ist es im Hinblick auf die stärkste Antwort im Allgemeinen
bevorzugt, dass die gesamte Fläche
gekennzeichnet ist.
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Aufgrund der analogen Antwort ist
es möglich,
eine Mehrzahl von ermittelbaren Informationsniveaus von einer einzelnen
Kennzeichnungsfläche
zu erhalten. Diese informationstragenden Niveaus können ein
wahrhaft analoges Signal bilden, indem sie so ausgeführt werden,
dass ein Kontinuum möglicher Niveaus
abgedeckt wird, beispielsweise um ein ebenso wahrhaft analoges Charakteristikum
darzustellen, wie etwa Volumen oder Konzentration des Behälterinhalts,
z. B. indem es zwischen vollständiger
Reflektion/Sendung und vollständiger
Absorption dargestellt wird. Aus Signalverarbeitungsgründen ist es
häufig
bevorzugt, das Kennzeichnungssystem so auszuführen, dass für eine einfache
Nachbearbeitung eine Mehrzahl diskreter Informationsniveauantworten
abgegeben wird, d. h. als digitales System. Aufgrund der zahlreichen
ermittelbaren Niveaus, sollte ein derartiges digitales System bevorzugt
nicht binär
sein, sondern auf mehr als zwei unterschiedlichen Niveaus basieren,
bevorzugt zumindest auf drei und besonders bevorzugt auf mehr als
drei diskreten Niveaus, beispielsweise auf hunderten von Niveaus. Zur
Erleichterung der binären
digitalen Nachbearbeitung des Signalausgangs, kann es vorteilhaft
sein, die Mehrzahl möglicher
Niveaus an die binäre
Skala anzupassen und die durch Strahlung ermittelbaren Niveaus der
Kennzeichnung beispielsweise mit einem beliebigen 2n-Wert,
wobei n größer als
1 ist, etwa mit 4, 8, 16, 32, 64, 128 oder 256 diskreten Niveaus,
auszuführen.
-
Trotz der Menge an Informationen,
die aus einem einzelnen Kennzeichnungsflächenpunkt extrahiert werden
kann, kann es erwünscht
sein, mehrere derartige Informationsflächenpunkte einzubeziehen, um
die möglichen
Kombinationen immer wieder zu vervielfachen. Auch wenn bei einer
spezifischen Anwendung die Alternativen einer Fläche ausreichend sind, kann
es vorteilhaft sein, eine Steuerfläche einzuschließen, bevorzugt
mit einem anderen Niveau. Demgemäß ist es
bevorzugt, mehr als eine Fläche
zu verwenden. Bei einer wahrhaft analogen Systemausführung kann
eine derartige Vielzahl an Flächen
einen kontinuierlichen Gradienten bilden. Die Flächen sind jedoch bevorzugt
voneinander getrennt, um bei sequenzieller Ablesung einen Stufenunterschied
zu erzeugen, möglicherweise
durch Standardniveauflächen,
die jede informationstragenden Fläche abtrennen, um die Unterscheidung
zwischen den Flächen zu
erleichtern. Die individuellen Flächen in einem derartigen Satz
können
von mehreren individuellen Empfängern
abgelesen werden, obgleich es bevorzugt ist, einen einzelnen Empfänger zu
verwenden, oder einige wenige zur Steuerung, um den Flächensatz
durch eine Relativbewegung in Übereinstimmung
mit den zuvor beschriebenen Mechanismen abzutasten. Eine Abtastung
kann statisch oder halbstatisch stattfinden, indem der Empfänger zu
einer Fläche
bewegt wird und ihr Niveau aufzeichnet oder bevorzugt indem der
Empfänger
kontinuierlich über die
Flächen
bewegt wird, um eine sich dynamisch verändernde Antwort zu erhalten,
oder durch eine Kombination dieser Verfahren.
-
Die Kennzeichnung kann die Strahlung
in jeder beschriebenen allgemeinen Art und Weise beeinflussen, etwa
durch Unterschiede in der Reflexion oder Streuung, bevorzugt werden
jedoch Unterschiede in der Absorption verwendet. Häufig ist
es ausreichend, Unterschiede in der Gesamtabsorption über der
verwendeten Bandbreite zu verwenden, ungeachtet jeglicher Frequenzabhängigkeit,
bevorzugt durch Verwendung von Absorptionsmitteln, die alle Frequenzen
in der verwendeten Bandbreite ungefähr gleich beeinflussen, was
eine einfache Signalverarbeitung und die Verwendung von monochromer Strahlung
ermöglicht.
Alternativ oder zusätzlich
können
Absorptionsmittel verwendet werden, die die Frequenzverteilung verändern, um
eine Übereinstimmung
mit Farben im sichtbaren Bereich zu erzeugen, was die Anzahl der
Kombinationen erheblich erhöht. Die
Frequenzunterschiede können
durch einen Empfänger,
der dazu in der Lage ist, die verschiedenen Bandbreitenfrequenzen
abzustimmen, oder bevorzugt durch Verwendung von mehr als einem
Empfänger
verursacht werden, die auf unterschiedliche Banden ansprechen. Absorptionsunterschiede
können
in gesendeter Strahlung durch Verwendung von Pigmenten oder bevorzugt
Farben ermittelt werden, werden jedoch bevorzugt in reflektierter
oder gestreuter Strahlung ermittelt, etwa durch Platzieren des Senders
und Empfängers
nahe derselben Seite der Kennzeichnung. Obgleich es möglich ist,
die Kennzeichnung über
einem anderen Objektmerkmal anzuordnen, um davon eine kombinierte
Antwort zu erhalten, ist es allgemein bevorzugt, die Kennzeichnungsantwort
von anderen Ein flüssen
zu isolieren und hinter der Kennzeichnung beispielsweise eine undurchsichtige
oder bevorzugt reflektierende Hinterlegung zu verwenden, wie etwa
eine Metalltafel. Wie erwähnt,
besteht ein geeignetes Pigmentsystem im sichtbaren und infraroten
Bereich aus Russ und Titanoxid, die einen relativ gleichmäßigen Einfluss über einen
breiten Frequenzbereich haben. Die Kennzeichnung kann direkt auf
das Objekt aufgebracht werden, beispielsweise durch Sprühen oder
Auftragen, oder die Kennzeichnung kann indirekt durch Verwendung
eines Etiketts oder Aufklebers aufgebracht werden, wobei ein übliches
Druckverfahren verwendet werden kann und die Aufbringung von Hinterlegungsmaterialien
erleichtert wird.
-
Bei einem medizinischen Abgabesystem kann
das Kennzeichnungsprinzip beispielsweise dazu verwendet werden,
einen Satz oder ein System von zumindest zwei und bevorzugt mehr
Behältern bereitzustellen,
die zumindest in gewisser Hinsicht unterschiedliche Eigenschaften
aufweisen, und die Behälter
mit einer maschinenlesbaren Kennzeichnung der beschriebenen Art
zu versehen, die dafür ausgelegt
ist, Informationen zu tragen, die eine Unterscheidung zwischen den
unterschiedlichen Behältereigenschaften
ermöglichen.
Die Behälter
können sich
beispielsweise im Hinblick auf die Präparatart, -konzentration, -volumen,
Größe, Patronendurchmesser,
Sicherheitscodes, Haltbarkeitsdaten etc. voneinander unterscheiden.
Allgemein würde
die Kennzeichnung eine Maschinenidentifizierung des Behältertyps
für jeden
beliebigen Zweck ermöglichen,
etwa zur Zurückweisung
von Behältern
mit abgelaufenen Haltbarkeitsdaten, Herstellung der Verbindung zwischen
einem spezifischen Sicherheitscode und einem spezifischen Patienten
oder maschinellen Aussonderung, Auswahl oder Sortierung von Behältern hinsichtlich
jeder seiner Eigenschaften, z. B. bei der Herstellung, dem Vertrieb
oder der Lagerung. Für
gewöhnlich
sind die Behälter
einander auch in irgendeiner Hinsicht ähnlich, etwa in jeder vorstehend
erwähnten
Hinsicht. Die Behälter
sind sich bevorzugt in der Hinsicht ähnlich, dass sie zur Verwendung
in derselben medizinischen Abgabevorrichtung ausgelegt sind, etwa
indem sie ähnliche
Merkmale zur Verbindung mit den Befestigungseinrichtungen aufweisen,
die Größen zur
Verwendung in der Vorrichtung ausgeführt sind und sie eine Geometrie
haben, die zum Ablesen ihrer Kennzeichnung durch dasselbe Sensorsystem
ausgelegt ist. Dies ermöglicht
es der Vorrichtung beispielsweise, Behälter zurückzuweisen, die nicht zur Verwendung
vorgesehen sind, und zulässige
Behältertypen
zu verwenden.
-
Kennzeichnungsinformationen können der Vorrichtung
auf beliebige Weise zugeführt
werden, beispielsweise über
einen Sensor, der dafür
ausgelegt ist, derartige Informationen spezifisch von einem separaten
Informationsstreifen zu empfangen, oder über einen gekennzeichneten
Attrappenbehälter.
Für höchste Sicherheit
ist es bevorzugt, die Informationen der Vorrichtung über eine
Kennzeichnung zuzuführen,
die physisch am Behälter
angebracht ist, zumindest wenn die Informationen, wie beschrieben,
in irgendeiner Weise den Behälter
betreffen.
-
Das Sensorsystem kann auch dazu verwendet
werden, eine funktionelle Eigenschaft des Objekts zu ermitteln.
Im Gegensatz zu der vorstehend behandelten "Kennzeichnung" ist eine "funktionelle" Eigenschaft als beliebiges Charakteristikum
eines Objekts zu verstehen, das nicht zum Übermitteln von Informationen
an die Vorrichtung verwendet wird, sondern für den beabsichtigten Betriebszweck
der Vorrichtung vorhanden oder das Ergebnis der Objektherstellung
oder Gebrauchsgeschichte ist. Bei der bevorzugten Anwendung von
medizinischen Abgabevorrichtungen dient die Erfassung einer funktionellen
Eigenschaft normalerweise dem Zweck, den geeigneten Zustand des
zu verwendenden Behälters zu
bestimmen oder zu verifizieren, z. B. um es dem Steuersystem zu
ermöglichen,
den Behälter
anzunehmen oder zurückzuweisen
oder sich an seine(n) spezifischen Bedingungen oder Zustand anzupassen oder
einen darin stattfindenden Vorgang zu überwachen. Die funktionelle
Eigenschaft ist im Allgemeinen eine physische Eigenschaft des Behälters oder
seines Inhalts und als solche schwierig zu fälschen. Dennoch ist es aus
Sicherheitsgründen
wichtig, dass die Ermittlung zuverlässig ist.
-
Um festzustellen, ob die funktionelle
Eigenschaft an einem behälterartigen
Objekt vorhanden ist oder nicht, wird die Behälterposition bestrahlt und
die beeinflusste Strahlung empfangen und mit einer vorgegebenen
Darstellung des zu ermittelnden Charakteristikums verglichen. Normalerweise
befindet sich der Behälter
in der Behälterposition,
er kann jedoch auch fehlen, beispielsweise wenn das System nach einer
nicht vorhandenen Patrone sucht, wenn ein Kalibriersignal für die Position
als solche zu bestimmen ist oder wenn eine Messung an einer Attrappe
durchgeführt
wird. Da eine physische Eigenschaft schwierig zu fälschen ist,
kann jede beliebige Art von Strahlungssensorsystemprinzip verwendet
werden. Ein Bilderzeugungssystem, auch im sichtbaren Bereich, kann
verwendet werden, um beispielsweise einen Konturabschnitt der Patrone
oder eine Diskontinuität im
Behälter
oder Inhalt zu ermitteln, was beim Vergleich mit einer Darstellung
des ordnungsgemäßen Zustands
einen Defekt oder eine Verunreinigung signalisiert. Häufig ist
es jedoch bevorzugt, ein nicht bilderzeugendes System oder besonders
bevorzugt ein System zu verwenden, das auf defokussierter Strahlung
basiert, um die beschriebenen inhärenten allgemeinen Vorteile
auszuschöpfen,
z. B. um einen einzigartigen Fingerabdruck von mehreren Strahlungsbeiträgen zu erhalten
oder in einem einfachen System von hoher Sicherheit zu kombinieren,
das dazu in der Lage ist, sowohl Kennzeichnungsinformationen als
auch funktionelle Eigenschaften zu erfassen. Obgleich funktionelle
Eigenschaften häufig
durch eine Antwort ermittelt werden, die von aus unterschiedlichen
Tiefen empfangener Strahlung abhängig
ist, ist es bevorzugt, Strahlung von ungefähr gleichen Antwortwinkeln
und -flächen
zu empfangen, wie zum allgemeinen Gebrauch oder zur Verwendung mit Kennzeichnungsinformationen
angegeben, sofern es sich dabei um die Fläche des Behälterabschnitts handelt, die
den aktiven Elementen am nächsten
ist.
-
Es kann außerdem vorteilhaft sein, die
Erfassung von funktionellen Eigenschaften mit einer Relativbewegung
zwischen Empfänger
und Behälter
zu kombinieren, beispielsweise um das zuvor beschriebene dynamische
Antwortsignal zu erhalten, um nacheinander sowohl Kennzeichnungsinformationen als
auch funktionelle Eigenschaften zu erfassen oder mehrere unterschiedliche
funktionelle Eigenschaften oder die Variation einer einzelnen Eigenschaft
zu ermitteln, und zwar entlang dem Behälter, beispielsweise entlang
der axialen Erstreckung eines patronenartigen Behälters. Die
Bewegung des Behälters
kann auch Teil eines durch das Sensorsystem zu überwachenden, dynamischen Vorganges
sein, etwa eines Entleerungs-, Befüllungs-, Verdünnungs-
oder Lösungsvorganges
oder eines beliebigen der vorstehend beschriebenen Initiierungsschritte
für einen
patronenartigen Behälter.
Jeder dynamische Vorgang kann entweder statisch, wobei der Behälter und
der Empfänger
gegenseitig fixiert sind, oder dynamisch verfolgt werden, wobei
eine Relativbewegung zwischen beiden stattfindet. Nachfolgend sind
einige Beispiel verschiedener Erfassungsmöglichkeiten aufgeführt.
-
Ein Konturabschnitt des Behälters kann
erfasst werden, um zu verifizieren, ob ein Behälter in die Vorrichtung eingesetzt
worden ist, dass er die vorgesehene Größe hat und ordnungsgemäß positioniert
ist, beispielsweise in Bezug auf die Befestigungseinrichtungen oder
seine voreingestellte Position, sofern er beweglich angeordnet ist.
Ein hochspezifischer Konturabschnitt, wie etwa ein Flansch oder Verschlussabschnitt,
kann ausgewählt
werden, wenn ein bilderzeugendes Sensorsystem genutzt wird. Ein nicht
bilderzeugendes System kann dazu verwendet werden, die relative
Position der Kontur zu ermitteln, welche Antwort sogar auf kleine
positionelle Unterschiede ansprechen kann, wenn der Empfangswinkel
im Vergleich zur zu ermittelnden Verschiebung klein ist und wenn
sich die Kontur normalerweise innerhalb der Winkelfläche befindet.
Wenn mehrere orthogonale Konturlinien ermittelt werden, wird die
gesamte Behälterposition
gut bestimmt.
-
Innere Merkmale können ermittelt werden, vorausgesetzt
dass der Behälter
für die
Strahlung durchlässig
ist. Im Besonderen kann es vorteilhaft sein, eine bewegliche Wand
zu ermitteln, insbesondere einen Kolben in einem patronenartigen
Behälter,
beispielsweise um einen frischen Behälter zu verifizieren, indem
bestätigt
wird, dass sich der Kolben in seiner Startstellung befindet, um
eine abgeschlossene Initiierung zu verifizieren, wie etwa eine Rekonstitution
oder Entlüftung,
indem bestätigt
wird, dass die erforderliche Verschiebung des Kolbens oder der Kontakt
zwischen den Kolben in Mehrkammernsystemen stattgefunden hat, um
die im Behälter
verbliebenen Dosen aufgrund einer Erfassung der aktuellen Kolbenstellung
oder einen leeren Behälter
durch eine verifizierte Endstellung zu bestimmen. Die Erfassung kann
bevorzugt durch die Absorption des Kolbenmaterials selbst, wahlweise
modifiziert, z. B. mit einem hinzugefügten Absorptionsmittel, und
bevorzugt in der reflektierten Strahlung erfolgen. Die Aufnahmefläche sollte
an die Kolbengröße angepasst
sein, bevorzugt derart, dass sie nur einen Teil seiner axialen Erstreckung
abdeckt, wodurch es möglich
ist, Details desselben, wie etwa Dichtringe, sogar bei nicht bilderzeugender
oder defokussierter Strahlung zu erfassen. Eine für diesen
Zweck vorgesehene Patrone kann bevorzugt eine zur Erfassung exponierte
Kolbenstellung und an einem anderen Abschnitt eine informationstragende
Kennzeichnung haben, welche Kennzeichnung bei nicht bilderzeugender
Strahlung lesbar ist und demgemäß eine Erfassung
für beide Zwecke
durch dasselbe System ermöglicht.
-
Auch der innere Behälterinhalt
kann erfasst werden. Das Vorhandensein eines Feststoffes kann durch
seine Absorption oder Streuung ermittelt werden und das Vorhandensein
einer Flüssigkeit
kann von einem Gas durch den Unterschied im Brechungsindex unterschieden
werden, beispielsweise in der gesendeten Strahlung an einer außermittigen Linie,
wo der Brechungsunterschied einen ermittelbaren Antwortunterschied
ergibt. Auch Unreinheiten in einem ansonsten homogenen Medium, z.
B. einer Flüssigkeit
oder einem Gas, wie etwa Unklarheiten oder Farbfehler oder Gas-
oder Partikeleinschlüsse, können durch
erhöhte
Streuung oder die Gesamtabsorptionsänderung aus einer kleinen Aufnahmefläche ermittelt
werden. Ähnliche
Verfahren können dazu
verwendet werden, Mängel
in den Behälterwänden zu
ermitteln, wie etwa Risse oder Verformungen. Der Präparattyp
kann durch Messungen bei spektralen Wellenlängen, die typisch für das Produkt
sind, chemisch verifiziert werden. Kennzeichnungen oder Modifikationen
können
dazu verwendet werden, die Antwort bei der Ermittlung funktioneller
Eigenschaften zu erleichtern oder zu verstärken. Beispielsweise kann,
anstelle einer Bestimmung einer Behälterposition basierend auf
einer physischen Struktur derselben, eine Kennzeichnung oder wenigstens
ein oder bevorzugt mehrere Punkte auf dem Behälter oder Etikett dazu dienen,
die Be hälterausrichtung
zu definieren. Eine Verifikation des Vorhandenseins eines Behälters kann
in ähnlicher
Weise durch die Ermittlung einer vorgegebenen Kennzeichnung durchgeführt werden.
Eine Modifikation kann auch die Form eines angebrachten Spiegels,
der einen Abschnitt des Behälters
reflektiert, oder eines Prismas haben, das eine darauf befindliche
Facette reflektiert oder bricht, der/das bevorzugt so angeordnet
ist, dass die Senderstrahlung zum Empfänger abgelenkt wird.
-
Obgleich die Erfindung in Bezug auf
Abgabevorrichtungen beschrieben worden ist, ist es klar ersichtlich,
dass die Systemprinzipe für
jeden beliebigen ähnlichen
oder vollkommen unterschiedlichen Zweck verwendet werden können. Das
Kennzeichnungssystem beispielsweise hat einen allgemeinen Nutzen
und ist nicht auf die Kennzeichnung von Behältern beschränkt, sondern
kann an jedem beliebigen Artikel oder für jeden beliebigen Informationsübertragungszweck
verwendet werden. Der Sensor zum Ablesen einer derartigen Kennzeichnung
muss nicht in einer Abgabevorrichtung enthalten sein, sondern kann
in einer beliebigen anderen Einrichtung oder einem Allzweckleser
enthalten sein. In ähnlicher Weise
muss das allgemeine Prinzip der Ermittlung einer funktionellen Eigenschaft
durch ihren Strahlungsfingerabdruck nicht auf Eigenschaften von
Behältern beschränkt sein,
sondern kann einen allgemeinen Nutzen für andere Artikel haben, z.
B. um deren Vorhandensein, Position, äußere Struktur an der Oberfläche oder
in der Tiefe in ähnlicher
Weise wie bei einer beliebigen der vorstehend beschriebenen Anwendungen
zu ermitteln, wobei der Sensor in jedem beliebigen Identifizierungssystem
enthalten sein kann. Demgemäß kann das
System als allgemeine Vorrichtung oder allgemeines Verfahren zur
Analyse eines Objekts verwendet werden, z. B. zur Farbanalyse bei
einem beliebigen Frequenzbereich oder zur Analyse der Oberflächen- oder
Tiefenstruktur oder Textur eines beliebigen Objekts.
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Signalverarbeitung
-
Die Verarbeitung des vom Empfänger empfangenen
Signals kann in einem beliebigen, an einer beliebigen Stelle befindlichen
Prozessor erfolgen, beispielsweise um das Signal durch Zwischenspeicherung
kontinuierlich oder intermittierend an einen entfernten Computer
zur Verarbeitung in Echtzeit oder künstlicher Zeit zu senden. Das
Signal wird bevorzugt einem auf der Platine befindlichen Mikrocontroller
der Vorrichtung zugeführt,
wobei es in den meisten Fällen
ebenfalls bevorzugt ist, das Signal in Echtzeit zu verarbeiten.
Die Verarbeitung wird im Hinblick auf diese Optionen beschrieben.
-
Die Signalverarbeitung für das Sensorsystem
unterscheidet sich in Abhängigkeit
davon, welches Systemprinzip genutzt wird. Ein System, das auf einem
bilderzeugenden Sensorsystem basiert, kann eine Signalverarbeitung
benötigen,
die dazu in der Lage ist, eine Verbindung zwischen empfängerunabhängigen Pixelantworten
in Raum oder Zeit und einem spezifischen Punkt im Raum herzustellen, was
eine parallele Verarbeitung aller Pixelantworten erforderlich machen
kann, eine Verbindung jeder Pixelantwort mit einer absoluten Gitteradresse
herzustellen, eine Synchronisation der Linienabtastung und absoluten
Startpositionen durchzuführen
etc.. Die Signalanalyse kann dann ein beliebiges bekanntes System
zur Bildanalyse umfassen, z. B. durch Vergleichen des Signals mit
einer vorgegebenen Darstellung der zu ermittelnden Objekteigenschaft.
-
Bei der bevorzugten Ausführungsform
eines nicht bilderzeugenden Systems kann die Signalverarbeitung
im Wesentlichen äußerst einfach
gehalten werden. Der Sender kann so ausgeführt werden, dass er eine stabile
Strahlung abgibt, und der Empfänger
derart, dass er einen Teil derselben empfängt. Der Ausgang des Empfängers kann
eine stabile Niveauantwort sein, wie etwa eine stabile Spannung, beispielsweise
wenn das Objekt unveränderlich
ist oder wenn keine Relativbewegung zwischen Empfänger und
Objekt stattfindet, wobei man sich auf eine im Wesentlichen "statische" Antwort stützt. Die vordefinierte
Darstellung der zu identifizierenden Eigenschaft kann dann in ähnlicher
Weise ein Niveau sein und das Vergleichsverfahren kann einen beliebigen
Algorithmus zum Vergleichen des gemessenen Niveaus mit einem oder
mehreren vorgegebenen Niveaus umfassen, um zu bestimmen, ob die
gesuchte Eigenschaft als vorhanden zu betrachten ist oder nicht.
Die Antwort wird bevorzugt mehrere Male oder über eine bestimmte Zeitspanne
gemessen, um etwaige kleine Störungen
oder Variationen durch Mittelwertbildung zu beseitigen.
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Eine zuverlässigere Messung kann erzielt werden,
wenn mehr als ein Abschnitt des Objekts ermittelt und verglichen
wird, bevorzugt Abschnitte mit Unterschieden im Antwortniveau. Dadurch
können eher "relative" als "absolute" Niveaus durch einen Vergleich
bestimmt werden, was unter anderem die Zuverlässigkeit erhöht. Relative
Messungen können in
einem "halbstatischen" Verfahren gemacht
werden, indem mehr als eine statische Messung an verschiedenen Objektabschnitten
durchgeführt
wird. Beim Erfassen von gekennzeichneten Abschnitten können mehrere
Kennzeichnungen, einschließlich separater
Referenzniveaus oder darstellender wechselseitiger Referenzniveaus,
abgelesen und dazu verwendet werden, Antwortniveauunterschiede zu bestimmen.
In ähnlicher
Weise kann beim Erfassen einer funktionellen Eigenschaft mehr als
eine Messung an der interessierenden Stelle sowie an einer anderen Stelle
durchgeführt
werden, z. B. an der Kolbenposition und an einer Position, an der
kein Kolben vorhanden ist, oder an gefüllten oder leeren Behälterabschnitten,
oder an zwei Punkten mit unterschiedlichen Antworten am selben Objekt,
z. B. an Kolbendichtringen bzw. dazwischen. Alternativ oder zusätzlich kann
eine relative Messung auf Unterschieden in Strahlungsantworten bei
unterschiedlichen Wellenlängen,
sofern vorhanden, an derselben Objektfläche basieren. Die Signalverarbeitung
kann hier eine Bestimmung des Antwortunterschieds oder -verhältnisses
zwischen den erfassten Abschnitten und einen Vergleich dieses relativen
Niveaus mit einem oder mehreren vorbestimmten Niveauunterschieden
oder -verhältnissen
umfassen.
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Es ist allgemein bevorzugt, eine "dynamische" Tätigkeit
in das Signal einzuschließen,
d. h. eine Signalveränderung über die
Zeit hervorzurufen und die Antwort im Verhältnis zur Zeitfunktion auf
beliebige Weise aufzuzeichnen und auf diese einzuwirken. Eine dynamische
Antwort kann dazu dienen, eine relative Antwort in derselben Weise
wie beim halbstatischen Verfahren bereitzustellen, wenn auch mit
mehr verfügbaren
Daten zur Eliminierung von Zufallsfaktoren. Ein dynamisches Verfahren
ermöglicht im
Allgemeinen außerdem
die Extraktion von mehr Informationen zur Berechnung und Entscheidungsfindung
aufgrund der vorhandenen Zeitachse, wie etwa Berechnungen der Veränderungsrate
oder des Gleitmittelwerts oder Rauschpegels. Die Signalverarbeitung
kann hier einen Vergleich mit einer Reihe zu bestätigender
relativer Niveaus umfassen, möglicherweise
zeitunabhängig,
oder eine vollständigere Kurvenpassung
für eine
detailliertere Analyse. Eine dynamische Antwort kann auf unterschiedliche
Art und Weise bewirkt werden. Eine kontinuierliche Veränderung
der Sensorsystemfrequenz kann eine variierende Antwort verursachen.
Eine Überwachung
eines dynamischen Vorganges, wie etwa die Auflösung einer Verbindung oder
die Bewegung eines Kolbens, kann über die Zeit verfolgt werden.
Wie angegeben, wird eine bevorzugte dynamische Antwort durch eine Relativbewegung
zwischen Objekt und Sensor bewirkt, was sowohl dazu dienen kann,
eine Reihe von Kennzeichnungen als auch mehrere unterschiedliche funktionelle
Objektabschnitte entlang der Bewegungsbahn oder mehrere Details
entlang demselben Objektabschnitt abzulesen, was einen detaillierten Fingerabdruck
desselben ergibt.
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Das vorstehend beschriebene dynamische Verfahren,
bei dem der Empfängerausgang
hinsichtlich seiner Amplitude im Verhältnis zur Zeitfunktion direkt
oder indirekt überwacht
wird und die Funktion verarbeitet wird, bevor ihr eine Aktivität zu Grunde gelegt
wird, ist mit der bestehenden Prozessortechnologie bestens kompatibel.
Die Funktion kann erhalten und als kontinuierlich behandelt werden,
es ist jedoch bevorzugt, dass Werte aus dem Vorrichtungsausgang
abgetastet werden, was in unregel mäßigen, bevorzugt jedoch in
regelmäßigen Zeitintervallen
bei einer bestimmten Frequenz durchgeführt werden kann. Die Abtastung
kann auf eine beliebige von mehreren bekannten Arten erfolgen. Die
Abtastung kann in dem Sinne digital sein, dass die Amplitude mit
einem Referenzniveau verglichen und entweder auf einen Binärwert von
1 oder einen Binärwert
von 0 eingestellt wird in Abhängigkeit
davon, ob die Amplitude über
oder unter dem Referenzniveau liegt, welches variabel sein kann,
bevorzugt jedoch fest ist. Zum Extrahieren von mehr Informationen
aus den Originaldaten ist unter anderem im Allgemeinen ein analoges
Abtastverfahren bevorzugt, bei dem der absolute Amplitudenwert der
Funktion wiederholt aufgezeichnet wird. Der analoge Wert kann in
einem analogen Prozessor verarbeitet werden, es ist jedoch meistens
bevorzugt, den Wert in digitale Form zu konvertieren und ihn in
einem digitalen Prozessor zu verarbeiten. Das Signal kann in einer
an sich bekannten Art und Weise gefiltert werden, um gewisse Frequenzbereiche
zu entfernen.
-
Die Signalverarbeitung kann entweder
durch die Hardware oder die Software eine Funktion umfassen, die
mit einer automatischen Verstärkungsregelung
vergleichbar ist, was bedeutet, dass die Systemverstärkung bei
dem interessierenden Antwortniveau an den vorliegenden Zweck des Überblicks
oder der Verstärkung
angepasst ist.
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Die Funktionswerte können zu
jeder Zeit und mit jeder beliebigen Rate gespeichert und bearbeitet werden,
wobei jedoch bei den meisten Anwendungen im Allgemeinen eine Echtzeitverarbeitung
bevorzugt ist, was dennoch eine gewisse Speicherung der Werte erforderlich
machen kann, die zu einer beliebigen gegebenen Zeit simultan verarbeitet
werden sollen. Es ist bevorzugt, dass die Verarbeitung wenigstens
zwei, bevorzugt drei und besonders bevorzugt mehrere Funktionswerte
auf einmal umfasst.
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Bei allen der vorstehend besprochenen
Signalverarbeitungsverfahren ist es möglich, mehrere Sender und Empfänger auf
einmal zu verwenden. Dies kann aus einem beliebigen der zuvor besprochenen
Gründe
durchgeführt
werden, wie etwa dem Auffangen von Strahlung aus verschiedenen Winkeln,
um eine Berechnung einer korrigierten Antwort zu ermöglichen.
Insbesondere für
die nun besprochenen Ziele kann es von Interesse sein, beim statischen
Verfahren mehrere Empfänger
zu verwenden, um verschiedene Objektabschnitte zu erfassen, beim relativen
Messverfahren zusätzlich
die Niveaus simultan zu erfassen, auf denen die relativen Messungen
basieren, oder Antworten bei mehreren Frequenzen zu sammeln, und
beim dynamischen Verfahren, zusätzlich
mehrere Aspekte des überwachten
Vorgangs abzudecken.
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Bei jedem der besprochenen Verfahren
ist es außerdem
bevorzugt, das Sendersignal zu modulieren und die Modulation am
Empfängerausgangssignal
zu ermitteln. Dies dient dazu, den Einfluss von Zufallsfaktoren
und Störungen
auszuschließen,
die das modulierte Charakteristikum nicht aufweisen. Eine äußerst fortschrittliche
Modulation kann dazu verwendet werden, obgleich es häufig ausreichend ist,
die Strahlung mit einer stabilen Modulationsfrequenz zu überlagern.
Eine derartige Frequenz sollte klar über den allgegenwärtigen Netzfrequenzen
mit Obertönen
liegen und kann z. B. über
0,5 kHz und bevorzugt über
1 kHz liegen, sie kann jedoch unter 1000 kHz und bevorzugt unter
100 kHz gehalten werden. Das Empfängersystem sollte so nah wie
möglich auf
die Modulationsfrequenz abgestimmt sein, es kann jedoch auch eine
schmale Bandbreite haben, wenn Dopplerverschiebungen ermittelt werden
sollen. Ein Filtern des Signals kann mit jedem beliebigen bekannten
Verfahren durchgeführt
werden, das auf Hardware oder Software basiert.
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Die vorstehend beispielhaft angegebenen Signalverarbeitungsschritte
sollen andere Arten der üblichen
Verarbeitung nicht ausschließen.
Insbesondere kann eine beliebige Verarbeitung normale Initiierungsschritte
benötigen,
wie etwa eine Einstellung des Systems auf null durch eine Messung
der Hintergrundstrahlung direkt vor dem Einsetzen eines Behälters oder
eine Normierung an einem Standardattrappenbehälter oder einem Referenzkennzeichnungsabsorptionsgradniveau.
-
Zusammenfassung
der Zeichnungen
-
1a und 1b zeigen schematisch aktive Elemente,
die an einem patronenartigen Behälter
angeordnet sind.
-
2 ist
ein Diagramm einer tatsächlichen Antwort
in der reflektierten Strahlung von einer Abtastung über einer
Kolbenposition.
-
3 ist
ein vereinfachtes Flussdiagramm der geeigneten Elektronik für ein erfindungsgemäßes Sensorsystem.
-
4 ist
ein detaillierter Schaltplan zur Verwendung in der Elektronik gemäß 3.
-
5 zeigt
Beispiele für
Etiketten mit vom Sensor zu lesenden Kennzeichnungen.
-
6a bis 6d zeigen schematisch eine
Pumpeinrichtung und eine Zweikammernpatrone in vier Betriebsstadien.
-
Beschreibung
der Zeichnungen
-
Die 1a und 1b zeigen in schematischer Form
einen patronenartigen Behälter,
der allgemein mit 1 bezeichnet ist und einen zylindrischen
Abschnitt 2 aufweist und einen Kolben 3 mit drei
Dichtringen 4 enthält.
Am zylindrischen Abschnitt 2 ist ein Etikett 5 angebracht,
von dem angenommen wird, dass es auf einer vollständig reflektierenden
Hinterlegung codierte Oberflächen
trägt.
Ein Sender ist mit 6 bezeichnet, welcher Strahlung in Form
eines breiten Konus 7 abgibt. Ein erster Empfänger 8 ist
nahe dem Sender 6 angeordnet und weist in dieselbe Richtung,
wobei der Empfänger
Strahlung von einem Konus 9 auffängt, der etwas schmäler als
der Senderkonus 7 ist. Ein zweiter Empfänger 10 ist in Bezug
auf den Sender 6 auf der gegenüberliegenden Seite des Behälters angeordnet
und dem Sender 6 zugewandt. Ein dritter Empfänger 11 ist
in Bezug auf die Achse des Senders 6 ungefähr unter
einem rechten Winkel angeordnet und dem Behälterinneren zugewandt. Bei
den dargestellten relativen Stellungen wird die Strahlung des Senders 6 zum
Etikett 5 gelenkt und der erste Empfänger 8 fängt die
vom Etikettabschnitt reflektierte Strahlung auf, welcher Abschnitt
vom Sender 6 bestrahlt wird. Da das Etikett nicht durchsichtig
ist, empfangen die Empfänger 10 und 11 keine
direkte Strahlung vom Sender 6, können jedoch zufällige Strahlung
empfangen, die in einem Gehäuse
gestreut worden oder aus der Umgebung eingedrungen ist, wobei ihre
Ausgänge
dazu verwendet werden können,
die Antwort des ersten Empfängers 8 hinsichtlich
derartiger Hintergrundstrahlung zu korrigieren. Wenn der Behälter axial
verschoben wird, so dass die Ebene der aktiven Elemente bei 12 positioniert
wird, das heißt
zwischen Etikett 5 und Kolben 3, ist die Antwort der
Empfänger
völlig
anders. Geht man davon aus, dass der Behälter 1 lichtdurchlässig ist,
wird etwas Strahlung an den Außen-
und Innenflächen
der Strahlungseintrittsseite des Behälters reflektiert, treten ähnliche
Reflexionen an der Strahlungsaustrittsseite des Behälters auf,
findet Absorption in den Wänden
und möglicherweise
im Behälterinhalt
statt und es tritt bei all diesen Vorkommnissen etwas Streuung auf.
Die Veränderung
im Ausgang der Empfänger
kann leicht ermittelt werden, d. h. der zweite Empfänger 10 kann
erheblich mehr Strahlung empfangen als wenn er sich hinter dem Etikett
befindet. Wenn der Behälter
weiter verschoben wird, um die Ebene der aktiven Elemente am Kolben 3 zu
platzieren, ändern
sich die Empfängersignale
wiederum und insbesondere der erste Empfänger 8 zeichnet die
typische Strahlung auf, die vom Kolben reflektiert wird, welche
Erfassung statisch oder dynamisch sein kann, wenn sie während der
Bewegung des Behälters
durchgeführt wird,
wobei in letzterem Fall der Antwortunterschied an und zwischen den
Dichtringen 4 ermittelt werden kann.
-
2 zeigt
eine tatsächliche
Antwort von einem Sensorsystem, das im infraroten Bereich arbeitet,
wenn es über
einen Kolben mit drei Dichtringen geführt wird, der in einen transparenten
spritzenartigen Behälter
eingesetzt ist. Die Vertikalachse gibt das Antwortniveau vom Empfänger in
digitalisierten Werten zwischen 0 und 256 und die Horizontalachse Längen in
beliebigen Einheiten an. Die drei Kurven stellen die Antwort dar,
wenn diese durch transparente Filteretiketten gemessen wird, die
von oben durchsichtig, grün
bzw. blau sind. Es ist ersichtlich, dass die Antwortunterschiede
an den drei Dichtringen des Kolbens eindeutig ermittelbar sind,
sogar wenn das Filteretikett eine Farbe hat, die der Farbe des Kolbenmaterials
stark ähnelt
ist, wie bei der untersten Kurve.
-
3 ist
ein Blockdiagramm der Hauptfunktionen in einem geeigneten erfindungsgemäßen Sensorsystem.
Ein Mikrocontroller 31 aktiviert und deaktiviert den Sender 34 über einen
Modulator 32 und einen Verstärker 33, um vom Sender
einen variablen Ausgang von 3 kHz mit einer Nennwellenlänge von 940
nm zu erhalten. Die Strahlung trifft auf eine Objektoberfläche 35 und
wird von dieser beeinflusst, wobei ein Teil der Strahlung vom Empfänger 36 aufgefangen
wird. Das Ausgangssignal des Empfängers 36 wird in einem
Bandpassfilter gefiltert, um Frequenzkomponenten zu extrahieren,
die nahe an der 3 kHz-Modulationsfrequenz liegen. Dieses Signal wird
bei 38 verstärkt
und einem A/D-Umsetzer 39 zugeführt und der digitale Ausgang
zurück
zum Mikrocontroller 31 geführt. Basierend auf dem empfangenen
Signal und auf interessierenden Vergleichsniveaus kann der Mikrocontroller 31 eine
automatische Verstärkungsregelungseinheit
(AGC – automatic
gain control) 40 aktivieren, um dem A/D-Umsetzer ein Referenzniveau
zu liefern, um eine Verschiebung des Referenzniveaus und der Niveaubereichsauflösung zur
Digitalisierung zu ermöglichen.
Der Mikrocontroller kann Zugriff auf die Software für die Bandpassfilterung,
die AGC-Funktion
und beispielsweise eine Clusteranalyse zum Vergleich der Empfängerantwort mit
vorbestimmten, zu identifizierenden Charakteristika haben.
-
Die Schaltung gemäß 4 setzt sich im Grunde aus drei Abschnitten
zusammen, einem Energieversorgungsabschnitt, der im unteren Teil
der Zeichnung gezeigt ist, einem analogen Strahlungsabschnitt, der
im mittleren Teil dargestellt ist, und einem digitalen Verarbeitungsabschnitt,
der oben gezeigt ist. Das Strahlungssignal für den LED-Sender wird vom Prozessor
U4 (Anschlussstift 28, "s") über den
Transistor Q1 der Senderdiode D5 (TSMS3700) moduliert. Die Strahlung
vom Objekt fällt
auf den Photodiodenempfänger
D4 (BP104FS) und wird in Strom umgewandelt. Der Strahlungsabschnitt
umfasst ferner doppelte Filter- und Verstärkungsschritte, wobei die Filter
Bandpassfilter sind, d. h. jeder Filter umfasst sowohl einen Tiefpass-
als auch einen Hochpassfilter. Das Signal tritt in den Hochpassfilter
C8, R23, R24 ein, wird in U2A verstärkt und tritt in den Tiefpassfilter
C10, R25, R26 ein. Der Vorgang wird im Hochpassfilter C9, R22, Verstärker U2B
und Tiefpassfilter C11, R27, R28 wiederholt. Nach diesen analogen
Schritten tritt das Signal in den A/D-Umsetzer ein, welcher Teil
des Mikrocontrollers U4 ist. Das Signal wird in digitaler Form im
Mikrocontroller U4 unter Verwendung von Software, z. B. digitale
Filterung, Sortier- und Vergleichsalgorithmen etc., verarbeitet. Die
Widerstände
R4 bis R11 wirken mit dem Mikrocontroller als AGC-Funktion zusammen,
was eine detaillierte Analyse verschiedener Amplitudenniveaus ermöglicht.
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5 zeigt
ein einfaches Etikett mit Kennzeichnungen, das an einem spritzenartigen
Behälter zu
verwenden ist, wie beispielsweise in 6 dargestellt.
Das Etikett 50 weist eine erste große einheitlich gefärbte Fläche 51 mit
vorbestimmter Absorption auf, die statisch abgelesen werden soll,
d. h. wenn die Fläche
in Bezug auf den Sensor stationär
gehalten wird. Das Absorptionsniveau der Oberfläche kann Informationen über den
Patronentyp, den Inhalt oder die Konzentration liefern oder kann
zu Kalibrierzwecken verwendet werden. Das Feld 52 ist ein
Fenster im Etikett, welches Fenster vollständig durchsichtig und transparent
ist und dafür
vorgesehen ist, eine Erfassung des Patroneninneren und insbesondere
des Vorhandenseins eines Kolbens zu ermöglichen. Die Felder 53, 54 und 55 sind
wiederum einheitlich gefärbte
Flächen
mit bevorzugt unterschiedlichen Absorptionsniveaus, die Informationen
beispielsweise derselben Art wie die Fläche 51 tragen. Das
Fenster 52 und die Felder 53, 54 und 55 sollen
nacheinander dynamisch während
einer Relativbewegung zwischen Etikett und Sensor abgelesen werden,
wie durch den Pfeil 56 angezeigt. Ein Sensor ist durch gestrichelte
Linien unter 57 in einer ersten Stellung über dem
statischen Feld 51 angedeutet. Nach dem Ablesen dieses
Feldes wird die Patrone mit dem Etikett in Richtung des Pfeils 56 bewegt,
was bewirkt, dass das Fenster 52 und die Felder 53, 54 und 55 den
Sensor 57 passieren, um eine Antwort im Verhältnis zur
Zeitfunktion zu erzeugen, die durch die Elektronik verarbeitet werden
kann. Es wird davon ausgegangen, dass die gesamte Etikettfläche mit Ausnahme
des Fensters 52 durch ausreichende Pigmentierung oder eine
undurchsichtige Hinterlegung im Wesentlichen lichtundurchlässig ist,
um nicht durch hinter dem Etikett vorhandene Strahlung beeinflusst
zu werden.
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Die 6a bis 6d zeigen schematisch vier Betriebsstadien
eines Pumpenabschnitts 60 und einer Zweikammernpatrone 70.
Die Pumpe 60 umfasst ein Gehäuse 61, ein kolbenstangenartiges
Element 62 und eine elektromechanische Einheit, die allgemein
mit 63 bezeichnet und so betreibbar ist, die Stange zu
betätigen
und zu steuern, um sowohl die Patrone 70 zu bewegen als
auch ihren Inhalt auszustoßen.
Diese Pumpenabschnitte sind bevorzugt in Übereinstimmung mit der vorstehend
angegebenen parallelen Anmeldung ausgeführt. Ein Sensor 64 ist an
der dafür
vorgesehenen Patronenposition der Pumpe 60 angeordnet.
Die Patrone umfasst eine Trommel 71, einen Auslass 72,
einen rückwärtigen Kolben 73 und
einen vorderen Kolben 74. Auf der Außenseite der Trommel ist ein
Etikett angebracht, wie z. B. in 5 dargestellt.
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6a zeigt
die relativen Stellungen der Pumpe 60 und der Patrone 70,
wenn die Patrone gerade erst an der Pumpe befestigt worden ist,
wobei sich die Kolbenstange 62 nahe am rückwärtigen Kolben 73 befindet.
Der Sensor 64 befindet sich am rückwärtigen Kolben 73 und über einem
ersten Abschnitt des Etiketts 75, z. B. dem statischen
Feld 51 aus 5,
welcher Etikettabschnitt durch den Sensor 64 abgelesen
wird.
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6b zeigt
eine Stellung, in der die Einheit 63 eine Bewegung der
Patrone 70 zum Pumpenabschnitt 60 bewirkt hat,
während
diese gleichzeitig am rückwärtigen Kolben 73 anliegt,
um ihre absolute Stellung beizubehalten. Demgemäß befindet sich der rückwärtige Kolben 73 noch
immer am Sensor 64, wobei sich das Etikett 75 jedoch
zu einer Stellung bewegt haben sollte, in der sich das Fenster 52 zwischen
dem Sensor 64 und dem Kolben 73 befindet. Der
Sensor kann jetzt die ordnungsgemäße Stellung und Charakteristika
des Kolbens 73 durch das Etikettfenster 52 verifizieren.
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6c zeigt
eine Stellung, in der die Einheit 63 eine Bewegung der
Patrone noch weiter zur Pumpe hin bewirkt hat, wobei sich der Kolben 73 zu
einer Stellung in der Trommel 71 bewegt, in der er sich
in Kontakt mit dem vorderen Kolben 74 befindet und sich
die zwei Kolben möglicherweise
eine gewisse Strecke aufeinander zu bewegt haben und sich die Patrone
in ihrer endgültigen
Stellung relativ zur Pumpeneinheit 60 befindet. Während dieser
Patronenbewegung haben die verbliebenen Abschnitte des Etiketts 75 den
Sensor 64 passiert, um eine dynamische Ablesung der Felder 53, 54 und 55 und
eine Extraktion jeglicher darin kodierter Informationen zu ermöglichen.
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6d zeigt
eine Stellung, in der die Einheit 63 eine Vorwärtsbewegung
des Elements 62 bewirkt hat, um den Patroneninhalt vor
dem Kolben 74 durch den Auslass 72 auszustoßen. Bei
diesem Betrieb kann der Sensor 64 das Verschwinden des
Kolbens 73, die ordnungsgemäße Entleerung der Trommel 71 und
die Ermittlung einer Kennzeichnung auf dem Element 62 überwachen,
welche das Erreichen seiner vorderen Endstellung signalisiert.
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Die beispielhaft angegebenen Ausführungsformen
sind rein illustrativ und keinesfalls so zu verstehen, dass sie
den Umfang oder die allgemeine Anwendbarkeit der Erfindung, wie
in den Ansprüchen definiert,
einschränken.