TWI449549B - 受控之免針頭藥物輸送 - Google Patents

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TWI449549B TW095104700A TW95104700A TWI449549B TW I449549 B TWI449549 B TW I449549B TW 095104700 A TW095104700 A TW 095104700A TW 95104700 A TW95104700 A TW 95104700A TW I449549 B TWI449549 B TW I449549B
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Description

受控之免針頭藥物輸送
本發係關於免針頭經皮膚輸送。
將例如藥物之液體注射至一病患體內或一農用動物體內是採用若干種方式來施行。用於藥物傳輸的一項最容易方法是經過皮膚，亦即是身體的最外側保護層。皮膚是由表皮和真皮、中間的其他物質、微血管層所組成，表皮則是包括有角質層、顆粒層、有棘層和基底層。角質層是一種由死亡細胞組織所組成的堅硬、鱗狀層。角質層是從皮膚表面延伸大約10到20微米，而且並無血液供應。由於此細胞層的密度，移動合成物經過皮膚而進入至體內或是移出體內是非常困難。
用於傳輸局部藥劑經過皮膚之現有技術是包括使用針頭或其他刺穿皮膚裝置的方法。侵入式處理程序(例如是使用針頭或刺血針)是能夠有效地克服角質層的功能障礙。然而，以上這些方法具有若干項主要缺失：局部皮膚損傷、流血、注射位置發生感染之危險、受到污染之針頭或刺血針必須被棄置。此外，當以上這些裝置是被用來注射藥物至農用動物體內，針頭經常是會斷裂和遺留至動物體內。因此，倘若能夠得到快速注射小量、精確之藥劑體積經過皮膚，而且不致於將針頭斷裂至動物體內之處理方式是很有利。
若干使用免針頭裝置來有效傳輸藥物至一生物體內之處理方式已被提出。舉例而言，在一些所提出之裝置中，高壓氣體是被用來從一作用室內排放出藥物至生物體內。在另外一項裝置中，一個扳住的彈簧是會被釋放，接著，施加作用力於一作用室上，用以排放出藥物。然而，在以上這些種類的裝置中，隨著氣體的膨脹或是彈簧的伸展，施加至藥物上的壓力則是會減小。然而，在注射之期間，注射壓力必須是要實質上維持相同，或甚至是增加。免針頭注射裝置之應用實例是被揭示於名稱為”免針頭注射器”的美國專利第6,939,323號，以及在2003年9月8日提出申請之名稱為”免針頭藥物注射裝置”的美國專利申請案第10/657,734號中，以上二案的內容以整體方式在此併入，以便參考使用。
其他免針頭注射裝置是採用一種非常受到限制之方式來加以控制(例如是氣體排放致動器或彈簧致動器)，或是採用一種往前回授之方式來加以控制(例如是形狀記憶材料，如被稱為Nitinol的鎳鈦合金)-一個注射廓形決定一前置量，而且在注射之前，將此前置量往前回授至一壓力致動器。依照本項發明之觀點，一個伺服控制式免針頭注射器包括有一致動器，用以產生一高速、高壓脈衝，其能夠被控制和具高度可預測性。將一伺服控制器結合從一個或更多個感測器所接收到的輸入，在注射之過程中，注 射器是可以因應感測到之物理性質而即時修整注射動作的壓力廓形。
伺服控制式免針頭注射器所提供之將藥劑注入至動物體內的方式是會被動態控制住，或是依照特殊動物之需求和/或局部環境因素而被即時修整。此種控制方式容許單一注射裝置藉由調整回應皮膚局部厚度和/或其他環境因素(例如是溫度)之注射壓力，而傳輸出回應其他狀態和需求的受控藥劑注射量。
在本項發明之一項觀點中，一個注射器包括有一用於傳送一物質經過生物體之表面的免針頭經皮膚輸送裝置。此裝置包括有一個用於儲存此物質的儲存槽、一個與此儲存槽流體相連通的噴嘴和一個與此儲存槽相連通的可控制電磁式致動器。致動器接收到一個電氣輸入，以及回應此電氣輸入而產生一個與該電氣輸入成比例的作用力。所生成的作用力是會導致物質能夠以免針頭之方式而被傳送於儲存槽與生物體之間。在作動之過程中，免針頭之傳送作用亦是會回應接收到輸入值之變化而有所改變。
在此所描述之免針頭藥物注射器具和方法是使用一個特別配置的電磁式致動器結合一個或更多個噴嘴，用以有效地注射藥物經過一動物皮膚而到達一預設深度，並且毋須首先使用一刺血針或針頭來刺穿皮膚。相同的裝置亦可以被用來收集從動物體內取得之樣本。
可控制電磁式致動器是雙向作動，能夠回應第一電氣輸入而產生一正向力，以及回應第二電氣輸入而產生一負 向力。此電磁式致動器是會施力作動物質經過一個噴嘴，產生一具有足夠速度來刺穿生物體之表面的噴射流。舉例而言，在一些實施例中，物質是以至少大約每秒100公尺之注射速度而被排出經過噴嘴。作用力和噴嘴亦是可以被控制住，用以產生一注射作用到達一所需深度。電氣輸入信號是可以由一可充電式電源來提供。在一些實施例中，此可控制電磁式致動器本身則是被用來將該可充電式電源充電。
此裝置亦包括有一個與該可控制電磁式致動器電氣相連通的控制器。此裝置更還包括有至少一個與該控制器電氣相連通的感測器，此感測器是被用來偵測物理性質，並且此控制器是被用來回應於偵測所得到之物理性質而產生電氣輸入。舉例而言，上述之偵測所得到的物理性質係為位置、作用力、壓力、電流和電壓等其中之一種或是一種以上。控制器是可以包括有一個有助於產生電氣輸入的處理器。此裝置另外還包括有一個用於分析一收集來自生物體之樣本的分析器。控制器是可以被用來提供一個回應於該被分析過樣本之電氣輸入。
在一些實施例中，一個遙控通信介面亦是被提供成與控制器電氣相連通。在此種配置方式中，控制器是能夠產生回應一經由此遙控通信介面而接收到之通信結果的電氣輸入。
此裝置是可以被配置成為一種用於提供若干獨立免針頭傳送動作的多重注射裝置。有利之處是以上這些免針頭 傳送動作是能夠快速的連續發生。此種配置方式是藉由進行沿著表面而分開來之多重傳送動作來處理一表面區域。
電磁式致動器可以包括有一個提供一磁場的磁鐵組件。此磁鐵組件通常是被固定於與噴嘴相對之位置處。電磁式致動器亦包括有一個具有至少一圈用於承載與電氣輸入相關之電流的電氣傳導線圈組件。此線圈組件是以可滑動之方式相對於該磁鐵組件而被配置。在線圈組件內所產生之電流會與磁場相互作動，用以產生一個回應於電流和磁場之方向、大小的作用力。其中磁場以是相對於線圈而朝向徑向為較適宜。
機械作用力會被施加至一個其一末端被耦合至一噴嘴的儲存槽，用以在該儲存槽內產生壓力。壓力的大小是會依據機械作用力而改變，並且導致一物質被傳送經過生物體的表面，介於生物體與儲存槽之間。有利之處是，作用力可為雙向性，以相同的致動器產生一正向力和一負向力或是真空。此外，在一作動循環之進行過程中，藉由改變電氣輸入，所施加的機械作用力是可以被調整。
在一些實施例中，與產生作用力有關的上升時間是大約5毫秒或更短。由致動器所生成的作用力和所提供的衝程在大小與持續時間二方面是足以傳送出高達至少是大約300微升之物質容量。致動器之精簡尺寸和電力需求支援一種可攜帶、手持式單元，其中包括有一儲存槽、噴嘴、電源以及可控制電氣式致動器。
一種使用此裝置來治療疾病的方法，其中包括首先以 一免針頭經皮膚輸送裝置來刺穿生物體的表面。接著，藉由在儲存槽內產生真空而從生物體內吸附出樣本或團塊進入至該儲存槽內，此免針頭裝置能夠從生物體內收集到樣本。其次，再回應於所收集得到之樣本來決定活性合成物的劑量。該免針頭裝置將預設之活性合成物劑量注射進入至生物體內。舉例而言，血液樣本是可以從病人體內抽出。樣本被加以分析，用以決定血糖數值。接著，分析所決定之血糖數值是被用來計算出病人所需的胰島素劑量，藉由控制住傳送至本裝置之電氣輸入來調整該劑量。
樣本的收集是可以包括注射第一物質(例如是一鹽水溶液)。接著，使用相同的免針頭裝置，樣本會被收集到和重新被注射。相同的重新注射步驟可以被重複施行多次，用以從生物體內得到適宜的組織間液團塊。
本發明之較佳實施例的描述內容如下。
一個免針頭經皮膚輸送裝置或注射裝置是被配置用來將一物質注射至動物體的皮膚下方。注射裝置包括具有一個或更多個針頭之裝置，此針頭是被配置用來於物質被注射之前，先行刺穿至皮膚內(例如是典型的皮下注射針頭)。其他注射裝置是被配置用來在毋須首先採用一針頭刺穿至皮膚內之狀況下，即可將物質注射進入至皮膚下方(亦即是免針頭之方式)。值得注意之處是在此所使用的”免針頭”一詞係代表著毋須首先採用一針頭式刺血針來刺穿 皮膚而即可完成注射動作之裝置。因此，免針頭裝置是可以包括有一個針頭，但是此針頭並非被用來首先刺穿皮膚。一些免針頭注射裝置是依據從此裝置所排放的先導射出物來首先刺穿皮膚。其他免針頭注射裝置則是依據藥物本身所提供的壓力。
參考圖一，其中表示出一個免針頭經皮膚輸送裝置100被用來傳送一物質經過一生物體150之表面155的示意性方塊圖。舉例而言，此裝置100是可以被用來將活性液體成份(例如是藥物)注射進入至生物體內(例如是農用動物或人類)。另外一方面或是此外，藉由抽出所收集到之樣本經過生物體的表面155，而且進入至一個被提供於此裝置100內的外部儲存槽113內，相同的裝置100是可以用於收集來自生物體150之樣本。
該裝置100一般是包括有一個噴嘴114，用以依照所需之速度和直徑而將物質運送經過生物體的表面155，並且依據需要來刺穿該表面155(例如是皮膚)。亦即是從噴嘴114排放出來的物質會組成一噴射流，此噴射流的作用力是會決定出刺穿深度。此噴嘴114通常是包含有一個能夠被安置成抵住皮膚和一孔口101的平坦表面(例如是頭部115)。孔口101的內徑是會控制住被傳送氣流之直徑大小。另外，一個用於界定孔口101之開口或管子103的長度亦是控制傳送(例如是注射)壓力。
在物質被傳送之前，生物表面155以能夠被伸展為較適宜。首先伸展生物的表面或皮膚，用以容許採用較一般 需求還要更小的作用力來刺穿皮膚。相類似之比較是可以對照一個沒氣的氣球和一個充飽的氣球。其中沒氣的氣球通常是非常難以被刺穿。
伸展動作的完成係藉由將噴嘴114施壓進入至皮膚之表面155內。在一些實施例中，一個單獨表面參考值或是作用力轉能器會被包括用來於物質被傳送之前，決定表面155的伸展量是否足夠。此種感測器亦可以被耦合至一個控制器，避免物質被傳送出去，直到獲得較佳的表面性質為止。
在一些實施例中，一個標準型皮下注射針頭會被切斷成一預設長度和被耦合至頭部115。相對於與皮膚相接觸之頭部115的表面，針頭的一個末端是在同一高度或是略微凹陷，用以防止於使用之過程中，導致皮膚被刺穿。針頭的內徑(例如是100微米)是會界定開口之直徑大小，而且針頭的長度(例如是5公厘)連同開口之尺寸會控制住所產生的注射壓力(用於一已知應用器具的壓力值)。在其他實施例中，一個孔洞是可以被直接鑽穿進入至頭部115內，用以減少組裝步驟。一般而言，孔口的長度是具有選擇性，例如是從500微米到5公厘，而孔口的直徑範圍則是從50微米到200微米。在一項特定實施例中，孔口的直徑大約是120微米。
噴嘴114是可以被耦合至一個注射器112，此注射器112本身會界定一個用於暫時貯存被傳送物質之儲存槽113。此注射器112亦包括一個具有至少一以滑動之方式 而被安置於該儲存槽113內之末梢端的柱塞或活塞126。柱塞126沿著注射器112之縱軸而朝向任一方向的運動會於該儲存槽113內產生相對應壓力。在一些實施例中，注射器112是被整合至此裝置100。在其他實施例中，注射器112則是單獨被連結至此裝置100。舉例而言，一個商品化的免針頭注射器112能夠被連結至此裝置100，此種商品化的免針頭注射器112則是來自美國加州聖地牙哥Equidine系統公司之型號第100100號的注射器。
噴嘴114是以可釋放之方式而被耦合至該注射器112或是此裝置100的末梢端，使得不同的噴嘴能夠被用來注射和取樣(亦即是吸附)，每一個不同的噴嘴是會被修整成符合其意欲之使用目的。因此，一個取樣噴嘴可包括有一較大孔口101，呈錐形進入至內腔103，於是，有助於更有效率地收集樣本，或是得到更大量的取樣結果。
有利之處是施加至作用室113的壓力是使用一可控制式致動器來選擇。一個特殊設計的電磁式致動器125是被配置用來產生一具有快速上升時間(例如是小於1毫秒)之高壓脈衝。此致動器125是可以被使用於免針頭注射裝置中，用以依據高壓致動器來將一物質成份注射至皮膚之下方。有利之處是此致動器是動態被控制住，容許於作動之過程中，依據壓力對應時間之圖形來調整。電磁式致動器優於其他免針頭裝置的至少一項優點是其具有相當安靜之操作環境。致動作用是有關於一個自由懸吊線圈在一間隙內之運動狀況，而非突然釋放彈簧或是排出氣體。在此 所描述之自由運動線圈的致動作用會得到安靜之操作環境，當注射動作被施加至藥物接受者或附近的其他生物體時，安靜之操作環境則是一項有助於減少疼痛和降低焦慮的重要特色。
更加詳細地說明，電磁式致動器125是被配置用來提供一施加至柱塞126之線性作用力，用以得到物質之經皮膚傳送結果。作用力的傳送則是可以藉由一作用力傳送構件110(例如是一個以可滑動之方式而被耦合經過一軸承111的堅硬桿子)之作用而完成。此桿子是會被鎖附至任一末端處，使得該致動器在任一方向上的運動亦是能夠移動柱塞126。上述之軸承是會限制住桿子110產生徑向運動，但是容許其產生軸向運動。
在一些實施例中，致動器125是包括有一個固定元件(例如是一磁鐵組件105)以及一個可移動元件(例如是一線圈組件104)。在線圈組件104內所生成的作用力是能夠直接或是間接經過該桿子110而被施加至柱塞126，用以得到物質的經皮膚傳送動作。一般而言，致動器125、軸承111和注射器112是會被耦合至一個框架或外殼102，於作動之過程中，此框架或外殼102則是被用來提供支撐力和維持住以上這些元件的固定位置。
在一些實施例中，該裝置100包括有一個用於提供此裝置之現有狀況的使用者介面120。該使用者介面是可以提供一個表示出此裝置已預備作動的簡單指示內容。舉例而言，當足夠的狀況已符合施行注射動作時，一個與一控 制器108相耦合之發光二極體(LED)是可以被啟動。更加精巧的使用者介面120可以包括有提供更詳細之資訊，其中包括有一個液晶顯示器(LCD)、陰極射線管(CRT)、電荷耦合裝置(CCD)，或是採用其他能夠於使用者與裝置100之間傳送詳細資訊的適宜技術。因此，使用者介面120亦是可以包含有必備項目(例如是一觸控螢幕)，使得操作人員能夠提供輸入來作為使用者選擇一個或更多個參數。於是，使用者是可以辨識出與劑量、樣本有關之參數，以及與生物體(例如是年齡、體重等)有關之參數。
一個電源106會提供電氣輸入予該致動器125的線圈組件104。如同將於下文中詳加描述之內容，施加至存在於由磁鐵組件105所提供磁場內之線圈組件104的電流將會導致產生機械作用力，能夠移動線圈組件104和施加作用於注射器112的柱塞126上。電磁式致動器是一種有助於達成其可攜帶功能之有效作用力轉能器。將於下文中詳加描述之一項應用實例裝置是會消耗大約50焦耳能量來傳輸大約200微升液體。相較之下，標準型9伏特電池則是可以提供高達大約8500焦耳的能量。
一個控制器108是會被電氣耦合於電源106與致動器125之間，使得控制器108能夠有選擇性地應用、收回和調整由電源106所提供之電氣輸入訊號到致動器125。此控制器108可以是一個由一局部介面所操作之簡單開關。舉例而言，一個被提供於外殼102上的按鈕是可以由使用者來操作，有選擇性地應用和移除由電源106至致動器125 之電氣輸入。在一些實施例中，控制器108包括有控制元件(例如是電路)，此控制元件是被用來有選擇性地施加由電源106至致動器125之能量，電氣輸入可由所選擇之應用來決定。因此，對於其中電源106係為一簡單電池而提供一大致上固定或直流電(D.C.)數值之實施例而言，藉由控制器控制電氣輸入可提供不同或甚至隨時間變化之電氣數值。在一些實施例中，控制器108包括有一個隨機型微處理器，或另外一個中間連結處理器或是用於提供多重使用功能之個人電腦。
在一些實施例中，免針頭經皮膚輸送裝置100是包括有一個遙控介面118。此遙控介面118可以被用來傳送資訊(例如是此裝置100的現有狀況，或是包含於其內之物質的現有狀況)至一個遙控來源。另外一方面或是此外，該遙控介面118是會與控制器108電氣相連通，並且可以被用來往前輸入從一遙控來源所接收到的資訊至該控制器108，用以有效控制住該致動器125。
遙控介面118是可以包括有一個網路介面，例如是一個局部區域網路介面(例如是乙太網路)。因此，使用一個網路介面卡，本裝置100是可以被另一裝置或使用者從遠端進入，使用一個人電腦亦是可以被連結至該局部區域網路。另外一方面或是此外，遙控介面118可以包括有一個廣域網路介面。因此，本裝置100可以被另一裝置或使用者透過一廣域網路(例如是網際網路)而從遠端進入。在一些實施例中，遙控介面118包括有一個能夠經由一公 共交換電信網路來作為遠端裝置/使用者之連絡介面的數據機。在其他實施例中，遙控介面118包括有一個用於以無線之方式來連絡遠端裝置/使用者的無線介面。此無線介面118可以採用一標準型無線介面，例如是依據IEEE 802.11規範而用於無線區域網路(WLAN)的Wi-Fi標準；超過802.11規範之新標準，例如是802.16(無線都會區域網路-WiMAX)；以及其他無線介面，其中包括有一組高階通訊協定，例如是依據IEEE 802.15.4標準而設計成為用於個人無線區域網路(WPANs)之小型、低功率數位射頻的ZigBee。
在一些實施例中，控制器會接收到來自一個或更多個被用來偵測個別不同物理性質之感測器的輸入。舉例而言，該裝置100包括有一個轉能器，例如是一個被用來指示出一物體相對於所選擇參考座標之所在位置(例如是線圈位置)的位置感測器116B。同樣地，位移量亦是可以被用來指示出從一位置移至另一位置的特定距離。有利之處是，偵測所得到的參數可以被用來作為柱塞位置之指示以及作為劑量之指示。在一些實施例中，一個近接感測器亦可以被用來指示出此裝置之一部份(例如是線圈)已到達一關鍵距離。此項結果則可以藉由偵測柱塞126之位置、作用力傳送構件110，或是電磁式致動器125之線圈組件104而得到。舉例而言，線圈的迴圈數可以被計算來決定線圈之所在位置。
例如是一作用力轉能器116A之其他感測器可以被用 來偵測由致動器125施加至柱塞126的作用力。如圖之所示，一個作用力轉能器116A會被安置於線圈組件的末梢端與作用力傳送構件110之間，該轉能器116A則是被用來偵測由致動器125施加至該作用力傳送構件110上的作用力。由於此構件110為硬式，作用力是直接被傳送至柱塞126。該作用力會移動柱塞126，導致於儲存槽113內的正向力產生正壓力，用以施壓在儲存槽113內之物質往外移動經過噴嘴114。拉動柱塞126遠離噴嘴114的負向力則產生負壓力或真空，用以從本裝置之外側吸附一物質經過噴嘴114而進入至儲存槽113。上述之物質亦是可以從一玻璃藥瓶中取得，負壓力則是被用來將該物質預先填充至儲存槽113。另外一方面或是此外，該物質可以來自生物體內，例如是血液、組織和/或其他組織間液的取樣結果。在一些實施例中，一個壓力轉能器(圖形中未表示出來)亦可以被提供用來直接偵測在作用室內所施加至一物質上的壓力。
一個電氣式感測器116C亦被提供用來偵測一已提供予該致動器125的電氣輸入。該電氣式感測器116C可以被用來偵測一個或更多個線圈電壓和線圈電流。以上這些感測器116A、116B、116C(通稱為感測器116)被耦合至控制器108，並且將偵測到之物理性質提供予該控制器108。此控制器108則是可以使用一個或更多個偵測得到之物理性質來控制一個從電源106施加於該致動器125的電氣輸入，於是，進而控制住在注射器112內所產生的壓 力，用以得到所需的傳送性能。舉例而言，一個位置感測器可以被用來伺服控制該致動器125，用以預先將線圈組件104安置於一所需位置處，而且一旦於完成安置之後，固定住該線圈組件104，並且結束一個作動循環。因此，線圈組件104之從第一位置到達第二位置的運動狀況會對應於物質之相對應容積的傳送動作。控制器可以包括有一個處理器，此處理器則是以程式設計成為用來依據提供有儲存槽物理尺寸之位置而能夠計算出容積大小。
如同將於下文中詳加描述之一個作動循環，該項作動循環通常是會對應於啟動一電氣輸入至該致動器125，用以導引出物質的傳送和結束此電氣輸入來停止物質的傳送。一個與動態控制電磁式致動器125相結合的伺服控制能力能夠於一作動循環之過程中，調整壓力的大小。一個或更多個感測器116則可以被用來更進一步控制於此作動循環之過程中的該作動循環。另外一方面或是此外，一個或更多個局部介面和遙控介面亦可以被用來更進一步影響到該作動循環的控制結果。
在一些應用實例中，控制器108被耦合至一個以上之用於偵測生物表面不同物理性質的感測器(圖中未表示出來)。偵測所得到之資訊是被用來伺服控制該致動器125，用以修整注射壓力，以及為了特定應用目的而將藥物注射進入至皮膚內的刺穿深度。舉例而言，當此裝置100是被應用至嬰兒身上，感測器會偵測到嬰兒皮膚的柔軟度，而且控制器108是採用嬰兒皮膚的性質來減小注射壓力。藉 由控制住被施加至該致動器125之電氣輸入訊號和/或電流脈衝時間和/或持續時間，注射壓力得以被調整。當此裝置被使用於成人或皮膚已被日曬灼傷之病患時，控制器可以增加注射壓力。此注射壓力是依據身體皮膚的位置來加以調整，例如是病患的臉部對應於病患的手臂。此注射壓力亦可以被修整成為傳輸藥物僅到達皮膚之下方或是深入至肌肉組織內。此外，該注射壓力亦可以於超過時間而被改變。舉例而言，在一些應用實例中，大型注射壓力是一開始被用來以藥物刺穿皮膚，接著，小型注射壓力則是被用來傳輸藥物。大型注射壓力亦是可以被用來破壞一個用於密封住該作用室或藥水瓶的密封件。
更加詳細地說明，電源106是位於此裝置100的外側。舉例而言，此裝置100可以被耦合至一個單獨電力供應來源。然而，此電源106以本身被包含於此裝置100內為較適宜，用以增加此裝置100的可攜帶性。在應用至田野中之狀況下，此種可攜帶性則是特別有利，例如是治療家畜或是注射藥物(例如是針對在遠方區域的人類或動物施打疫苗)。
電源106可以包括有一個可更換式電池，例如是一個常用的9伏特乾電池。另外一方面，電源106可以包括有一個可充電式裝置，例如是一個可充電式電池(例如是凝膠式電池；鉛酸電池；鎳鎘電池；鎳氫電池；鋰離子電池；以及鋰聚合物電池)。在一些實施例中，電源106包括有一個儲存電容器。舉例而言，一列電容器可以經由另一電 池(例如是一外部電力供應來源)來充電。
更加詳細地說明，電磁式致動器125包括有一個被相對於一磁場配置的傳導用線圈組件104，使得在線圈內能夠導引出電流，產生相對應的機械作用力。此種配置方式是類似於(至少是原理上)揚聲器之聲音線圈組件。亦即是介於磁場、電流和產生作用力之間的關係是由羅倫玆作用力定律所界定。
線圈104以相對於一磁場被安置較適宜，使得該磁場被導引成實質上是與一圈或更多迴圈線圈104的方向保持垂直。因此，於存在有磁場之線圈104內所導引出來的電流會產生一個被導引成與磁場、線圈同時保持垂直之等比例作用力(其中之關係則被稱為是”右手定則”)。
更加詳細地說明，一個電磁脈衝式致動器200的橫剖面圖形是被表示於圖二A中。此裝置200包括有一個用於界定一環形開槽腔214的磁鐵組件201以及一個採用滑動之方式而被配置於該磁鐵組件內的線圈組件203。線圈203的行程是由線圈和磁鐵組件之長度來控制。因此，電磁式致動器是可以被配置用來於一單次、不間斷的行程中，傳送一定量的物質。舉例而言，高達300微升或是更多容積的物質可以採用單次行程來傳送。該致動器的可控制性亦容許用於一精確之傳送動作。舉例而言，物質可以採用大約1%的最小容積增加量而被傳送至一生物體。因此，對於200微升的容積來說，劑量是可以被修整成為200微毫升之步驟。於是，藉由控制到達線圈之電氣輸入，裝載有 足夠容積的單一注射器能夠傳輸不同劑量。此種致動器之操作方式亦決定其本身能夠被更進一步精確地控制。
磁鐵組件205包括有沿著一中心軸配置的一列磁鐵204A、204B。此列磁鐵是由疊堆一個或更多個磁性裝置所產生。舉例而言，磁性裝置可以是永久磁鐵。由於較強的磁場是能夠於相同線圈內產生較大之機械作用力，因此，以採用磁性較強的磁鐵為較適宜。對於一種手持式裝置100而言，可攜帶性和容易操作為其重要特色，因此，以採用高密度的磁鐵為較適宜。
一種上述之磁鐵被稱為是稀土族磁鐵，亦被稱為是釹鐵硼磁鐵(例如是Nd2 Fe14 B)。與其質量相比較，在此族群中之磁鐵的磁性是非常強。目前現有之裝置的強度等級是從大約N24到大約N54(字母N之後的數字係代表著所產生之磁能，以百萬高斯-奧斯特(MGOe)為單位)。在一項特定的實施例中，N50磁鐵是會被使用。由磁鐵所產生的磁場通常是依循磁力線208，該磁力線208本身則是沿著用於如圖所示之配置方式的中心軸而保持旋轉對稱。
磁鐵204A、204B被連結至一個右側圓柱形外殼201的一末端處，此外殼201本身則是被用來界定出一個中空軸向內腔，以及其一個末端被封閉住。一個環形開槽被維持成形於磁鐵204A、204B與外殼內壁之間，而且此環形開槽能夠從外殼201的另一末端處出入。一個作為應用實例之外殼201的外徑大約是40公厘、內徑大約是31.6公厘，而壁厚則為大約4.2公厘。在此項實施例中，磁鐵204A、 204B均為圓柱形，其直徑尺寸大約為25.4公厘。
外殼201以由一種有助於保存由磁鐵204A、204B產生之磁場於其內的材料所組成為較適宜。舉例而言，外殼201可以是由一磁鐵體材料或一亞鐵鹽所製成。一種該磁鐵體材料包括有一被稱為碳鋼的合金(例如是美國鋼鐵協會(AISI)1026合金鋼)。一個端蓋206亦被提供用於連結磁鐵204A、204B另一末端處的相類似磁鐵體材料。端蓋206被用來將磁場包含於其內，並且有助於在環形間隙中間得到一徑向導引磁場，該環形間隙本身則是成形於端蓋206與外殼201的外側壁面之間。端蓋通常是要比外殼壁面還要更厚，用以於磁場迴圈進入至頂端磁鐵204A之末端內時，有助於容納該磁場。對於以上所描述之作為應用實施例的外殼201而言，端蓋206的軸向厚度是大約8公厘。
線圈組件203包括有一個由一傳導性材料所組成的線圈212，例如沿著一線圈軸心210而纏繞之銅線。此線圈軸心210可以是圓柱形，而且界定出一個尺寸能夠與在環形開槽腔214內之線圈212相接合的軸向內腔。在一些實施例中，線圈軸心210實質上是會於與該環形開槽腔214並列的末端處被封閉。此被封閉之末端則會組成一個被用來推動抵住一柱塞126(圖一)或作用力承載桿110(圖一)所需的作用力承載表面。
該線圈軸心以由一堅固、但重量輕的材料(例如是鋁或添加環氧樹脂之玻璃纖維)所組成為較適宜。一種此族 群之玻璃強化環氧樹脂是以GAROLITE的註冊商標來銷售。由該族群而選擇之適宜材料包括有G10/FR4材料，用以提供極高的機械強度，同時在乾燥和潮溼之環境下，均具有良好的介電質損失性質與良好的電氣強度性質。其他材料包括有一全聚合強化、暗金色鐵弗龍(PTFE)合成物，此種合成物則是特別適合被操作成抵住軟質匹配表面，例如是316不銹鋼、鋁、軟鋼、黃銅和美國加州聖地牙哥Fullerton Professional塑膠公司所銷售之註冊商標為RULON的其他塑膠材料。線圈軸心210是薄壁型式，用以匹配至該環形開槽內。此線圈軸心210對於那些即將與外殼201、磁鐵204A、204B或是端蓋206相接觸之表面均亦具有較小的摩擦係數。在一些實施例中，低摩擦塗佈層可以被施加至該線圈軸心。此種塗佈層包括有氟碳合成物(例如是鐵弗龍)。
一般而言，例如是添加有環氧樹脂之玻璃纖維的非傳導性材料是優於例如是鋁的傳導性材料。隨著該傳導性材料移動經過磁場，在此傳導性材料內所產生的渦電流會導致生成一個與線圈軸心之運動方向相反的機械作用力。此種方向相反的作用力將會抵消掉線圈意欲產生之運動，因此，造成使用效率不佳。介電材料則是可以被用來降低或減小此種渦電流的產生。
一個薄壁型式線圈軸心210容許用於一較窄的環形開槽214，因此，有助於在間隙中間得到更高的磁場強度。在線圈212內流動之電流會造成熱負荷的產生，進而導致 結構被破壞(例如是熔化)。其他的重量輕材料是包括有可加工式聚縮醛，並且特別適合於高溫之應用範圍。
再參考應用實施例，線圈軸心210的外徑是大約27公厘、內徑大約是26公厘，以及軸向長度大約是46公厘。此線圈212是由六層28等級銅線所組成，這些28等級銅線則是以每一線圈長度(大約是35公厘)大約115纏繞圈而被纏繞至該線圈軸心210上，產生全部大約是700圈之纏繞迴圈。使用N50磁鐵連同1026碳鋼，端蓋206則包含有大約從0.63特斯拉到大約0.55特斯拉(數值是沿著一個從由端蓋206之中心算起的半徑而往外遞減)。
因此，流經線圈212的電流是被安置成與磁場208保持直角，該磁場208則被產生於端蓋206與外殼201的壁面之間。如此造成線圈上所生成的作用力被導引成沿著縱軸，作用力的作動方向是依據電流之流動方向。對於以上之做為應用實例的裝置而言，一個電氣輸入，或是大約100伏特的驅動電壓會被施加至線圈之間，保持大約是1毫秒的持續時間，並且是代表著一個作動循環之刺穿階段。大約是2伏特的較小電氣輸入會被用於傳送階段。被施加之電氣輸入的極性指示出，該傳送階段為一從生物體內收集到樣本的取樣階段。
一般而言，線圈212是經由二個電氣導線216來收集電氣輸入訊號。外殼201包括有一個或更多個開口218，電氣導線216是經由開口218而被連結至電源106(圖一)。外殼201的被封閉末端可以包含有一個或更多個額外開 口，在線圈之移動過程中，空氣則是經由此額外開口而被傳送。倘若不具有這些開口和已知介於線圈212和環形開槽214中間之間隙的公差相當小，則壓力會被纍積用來抵住該線圈的運動。另外一方面或是此外，該線圈軸心210亦可以具有一個或更多個開口220，用以於作動之過程中，更進一步防止阻尼用壓力的纍積。
圖二A表示出線圈組件203是在一注射階段中或是在一注射階段之後，其中該線圈會受力而離開外殼201，因此，往前移動前板。圖二B表示出在一取樣階段之後，線圈組件203會於外殼201內被縮回，其中該線圈組件203會被退回進入至外殼201內。
在一些實施例中，傳導線圈被配置用來承載相當高振幅的電流，用以產生一由壓力之生成所造成的作用力。此線圈亦提供有相當低的感應值來支持高頻率之操作方式，因此，能夠得到快速上升時間的反應(亦即是脈衝)。在一些實施例中，此線圈提供有一小於100毫亨利的感應值。此線圈的感應值以是小於大約50毫亨利為較適宜。此線圈的感應值以是小於大約10毫亨利為更加適宜。舉例而言，此線圈的感應值是可以介於大約5毫亨利與10毫亨利之間。以低感應值來提供高電流性能之一項方法是使用一個由一較大直徑導體所組成的線圈，此一較大直徑導體則是被配置成具有較小迴圈數(例如是1到3圈)。
結果導致一個壓力致動器是能夠以一快速上升時間來產生高壓脈衝。此外，已知致動器和輸入電流之物理性質， 該致動器的操作方式則是具有可控制性和高度預期性。另外，依據在線圈內之電流的流動方向，該致動器會被反向作動來提供沿著相反方向的作用力。
此外，上述之可控制性容許一個包括有一快速高壓脈衝的修整過注射廓形刺穿皮膚之外層，接著是施行一個低壓、加長脈衝，用以傳輸藥物成份。參考圖三A，其中表示出一個時間對應電氣輸入的變化圖形。曲線代表著被施加至該致動器125之線圈組件104的電流變化情形。在第一個時間t0 ，電流被施加至線圈104。電流是從一靜止數值(例如是0安培)上升至一個最大值IP ，維持此一最大值一段可選擇之持續時間，接著，再於一後續時間t1 ，轉換成為另一不同電流值IT 。電流振幅是可以實質上維持在此一數值，或是隨著時間而有所變化，直到下一個後續時間t2 ，於此一後續時間t2 ，電流則是回復到一靜止數值。
界定於時間t2 與時間t0 之間的全部時間週期被稱為是一作動週期或是作動循環。對於一個具有與以上描述內容相類似之形狀的電流輸入而言，界定於時間t1 與時間t0 之間的週期可以被稱為是一刺穿階段。如同此一名稱所提示之內容，高電流數值IP 所感應到的相對應高壓力是可以被用來刺穿生物體之表面，並且毋須採用一針頭或刺血針。界定於時間t2 與時間t1 之間的其餘作動循環被稱為是一傳送階段。如同此一名稱所提示之內容，相當低的電流數值IT 感應到可以用來經由在刺穿階段期間所建立的表面中的穿孔而將物質從儲存槽113(圖一)傳送到生物體內的 較小壓力。
在儲存槽113(圖一)所感應得到之壓力對應於電氣輸入的圖形是被說明於圖三B中。如圖之所示，於時間t0 再加上一個由電氣線圈之傳送特徵所產生的略微遲延△，壓力會從一啟始靜止數值上升到一相當最大數值PP 。此壓力值可以被用來產生一個如同先前關於圖一而描述的噴射流。由於電流在傳送階段內會被減小，壓力亦相類似地被降低到一個用於得到所需之物質傳送動作的較小壓力值PT 。此傳送階段會一直持續到所需的物質容積已被傳送為止，接著再移除壓力，結束該作動循環。
一個伺服控制式注射器包括有一個被配置成與一伺服控制器相結合的特別設計電磁式壓力致動器，用以即時回應於一個或更多個物理性質(例如是壓力、位置、容積等)而產生一注射壓力。在一些實施例中，此伺服控制式注射器是一個免針頭裝置。此電磁式壓力致動器會產生一個具有一快速上升時間(例如是小於1毫秒)的高壓脈衝，用以將藥物成份注射至皮膚的下方。在單一注射作用之作動過程中，由該致動器所提供的壓力會被改變，用以得到所需的結果。舉例而言，第一高壓是一開始被提供予藥物成份，用以刺穿動物皮膚的外層。一旦皮膚已被刺穿，壓力則是會被降低到用於注射動作之其餘部份的第二較低壓力。上述之伺服控制器可以被用來藉由偵測到在作用室內的壓力變化而決定皮膚是何時被刺穿，以及被用來調整注射壓力。
一個伺服控制器108會接收到來自一個或更多個感測器116的輸入訊號，並且依據一預設關係而產生一個輸出訊號。藉由控制用於驅動該可控制式致動器之電流振幅，此伺服控制器輸出可以被用來控制壓力值。
即時控制係藉由該伺服控制器108重複接收到來自感測器116之輸入、依據預設關係來處理該輸入，以及產生相對應之輸出。為了要於注射之施行過程中，調整注射壓力，在注射之期間，整個偵測-控制程序必須要施行若干次。舉例而言，一個伺服控制器108可以包括一個高速處理器，此高速處理器能夠處理從感測器所接收到的訊號，並且以100千赫玆(亦即時每隔10微秒)之速率來快速提供相對應的輸出訊號。在單次為5毫秒到10毫秒之注射過程中，此種快速的反應時間是可以提供數百次機會來調整壓力。
由於在線圈組件104上之摩擦或拖曳現象係代表著效率不佳，該線圈則可以懸浮於磁鐵組件105的一個內腔中。亦即，其中線圈組件104懸浮於一個間隙內和容許其自由移動。由於並無任何電流被施加至該線圈組件104，此線圈組件104則容許隨著本裝置100之運動而前後滑動。由於此種運動會導致來自儲存槽之物質被不小心溢出，或造成例如是空氣的外界物質進入至該儲存槽內，此種運動則是並非必要的。使用一個伺服控制器連同位置感測器116B，線圈104的所在位置是可以被調整，使得線圈104能夠藉由施加於線圈組件104之電氣輸入訊號所感應得到的相等和方向相反作用力，而能夠於存在有外界作用力(例 如是重力)之環境下被維持在定位。
另外一方面或是此外，致動器可以被耦合至一個由一伸縮囊所組成之用於包含藥物成份的作用室。針對此種配置方式，致動器會於該作用室內產生壓力，該作用室則會施力將藥物成份傳送經過一個噴嘴。
一個動態控制式免針頭注射裝置400之應用實施例是被表示於圖四中。該裝置400包括有一個抵住一末端至一推桿406的可控制電磁式致動器402。推桿406的軸心與致動器402之縱軸在同一直線，並且推桿406會滑動經過一個軸承408，以避免產生徑向運動。一個用於安裝一注射器410的安裝用接頭412被提供於此裝置400之末梢端處。注射器的一個柱塞(圖形中未表示出來)被安置於該安裝用接頭412內，並且抵住推桿406的另外一個末端。一個例如是一可充電式電容器412的電源被配置成接近該致動器402，用以於該致動器402內感應到電流。此裝置400亦包括有一個按鈕，用以啟動一個注射動作，另外還包括有一個控制器416，用以控制應用至該致動器402的電源。一個例如是一長形模造塑膠外殼418的外殼亦可以被提供用來相對於彼此而固定住不同元件。
一個較小型動態控制式免針頭注射裝置500之應用實施例是被表示於圖五中。該裝置500包括有一個精簡電磁式致動器502，此致動器502本身則是具有一個被用來抵住一注射器508之柱塞506之一近接末端的末梢作用力板504。此裝置500亦包括有一個與注射器508之一近接末 端相耦合的安裝用構件512。一個電源514亦被配置成接近該致動器502，不同的元件則相對於彼此而被固定於一外殼516內。
參考圖六之詳細描述內容，精簡之可控制電磁式致動器502包括有一個磁鐵體外殼522，此磁鐵體外殼522本身包括有一個被一磁鐵體端蓋506所覆蓋住的中央磁芯520。一個線圈組件505以可滑動之方式而被配置於磁鐵組件的環形開槽內，此磁鐵組件可以自由懸浮於該環形開槽內。外殼522的末梢端包括有一個或更多個延伸部位524，用以從外殼522的末梢端持續地延伸出去和結束於末梢安裝用平板512。然而，相較於如圖一和圖四所示之裝置，此裝置502並未包括有一單獨軸承111、408。以上這些延伸部位524的內部表面是設有一個用於該線圈組件505的軸承，用以容許產生軸向運動，同時避免產生徑向運動。此延伸部位524於相鄰接的延伸部位524之間可以包括有開口，用以減少重量和有助於空氣流動來促使線圈產生運動以及用於冷卻。此配置方式502會將末梢安裝用平板512牢固地耦合至外殼522，進而增加了該致動器502的剛性以及減少了由本裝置作動所導致之於外殼516上承受的任何應力/應變(圖五)。
一個範例精簡羅倫玆作用力致動器602之後側立體圖是被表示於圖七中。此裝置602包括一個具有一外殼622的磁鐵組件。一個線圈組件605以可滑動之方式而被配置於外殼622內，並且被用來產生軸向位移。若干個縱向延 伸部位624沿著軸心被配置和被用來將該外殼622耦合至一個安裝用平板612。開口設置於相鄰接的延伸部位624之間。一個注射器608被耦合至位於此裝置602之末梢端處的安裝用平板612。一個或更多個導件626被提供用來防止線圈產生旋轉，每一個導件則是沿著一相鄰接延伸部位624之內部邊緣而被懸掛。此裝置602的近接末端包括有開口618，線圈導線616經過開口618，而且一個或是更多個額外的開口620在作動之過程中，有助於空氣的流動。在一些應用方式中，介於樣本收集動作與注射動作之間，一個樣本藥水瓶被交換用於一藥物瓶。另外一方面或是此外，樣本的分析動作可以由一單獨分析器來施行。
由於該羅倫玆作用力致動器是雙向性，依據線圈電流的方向，相同的裝置可以被用來注射物質以及被用來抽取樣本。此項有利的特色使得該裝置能夠被用來收集樣本。參考圖八A，其說明一個取樣用免針頭注射器700。此取樣用注射裝置700包括有一個將一末端耦合至一活塞714的雙向電磁式致動器702。一個取樣用噴嘴711A被耦合至一注射器710的另外一個末端處。該致動器702由一個電源704來驅動，該電源704例如是一個電池或是適宜的充電儲存電容器。上述之活塞714以可滑動之方式而被配置於一取樣用注射器710內，使得一個被施加至該致動器702的電氣輸入訊號能夠導致活塞714被抽出離開取樣用噴嘴711A。在作動之過程中，當取樣用噴嘴711A被安置成抵住生物體的表面時，樣本可以從生物體內被收集到。
參考圖八B，一旦樣本已被收集，一個可移動式注射器支架708可以被重新安置，使得該取樣用注射器710能夠對準一個分析器706。藉由相同的運動方式，包括有一物質(例如是藥物)的第二注射器712係對準致動器702之活塞714。如圖所示，支架708可以是一個沿著縱軸而轉動的旋轉式支架或是一個直線支架。分析器706會回應於該分析過樣本而提供一控制訊號予電源704。此控制訊號會造成該致動器702推動活塞714往前移動，因此，排放出回應於該分析過樣本的物質數量。於是，相同的裝置700可以被用來收集樣本和注射出物質。
如同以上所描述之內容，免針頭裝置可以被用來收集從生物體內所得到之樣本。用於收集樣本之應用實例方法說明於圖九A的流程圖中。首先，使用免針頭注射器來刺穿表面(步驟800)。其次，再一次使用免針頭裝置而從生物體內收集到樣本(步驟810)。收集得到之樣本被加以分析，用以決定一例如是血糖的物理性質(步驟820)。在此一步驟中，若干種不同分析方法中的任何一項或是更多項均可以被施行。舉例而言，分析作用可以包括有：(i)用於量測血糖之電化學技術，例如是一種血糖氧化酶測試；以及光學技術，例如是表面加強拉曼光譜。控制器接收到分析的結果，以及依據被分析之樣本來決定劑量(步驟830)。使用免針頭裝置來將決定好的劑量注射至生物體內(步驟840)。
更加詳細地說明，參考如圖九B所示之流程圖，免針 頭樣本收集之處理步驟(步驟810)包括首先注射一物質來刺穿皮膚(步驟812)。舉例而言，鹽水溶液可以被注射用來刺穿皮膚。其次，藉由從生物體內吸附出一樣本進入至此裝置之一儲存槽內，使用該免針頭裝置來抽取樣本。倘若樣本的容積或成份不足時，鹽水溶液和血液、組織以及組織間液的樣本則是使用該免針頭裝置而被重新注射進入至生物體內(步驟818)。步驟814到步驟818可以被重複施行，直到得到適宜的樣本或團塊為止。在一些實施例中，樣本的數量是否足夠係預先依據循環之預設數目來決定。另外一方面或是此外，在取樣程序之進行過程中，可以決定樣本的數量是否足夠。
能夠被施加至動態控制電磁式致動器的範例驅動電流說明於如圖十A和圖十B所示之圖中。首先參考圖十A，一個取樣作動循環被表示成包括有一個啟始的刺穿階段，其中一正向電流產生一個穿孔，該正向電流則是被施加用來將物質注射進入至生物體內。接著此刺穿階段之後是一個取樣階段，其中較小的電流沿著相反方向而被施加，用以收集樣本。其次參考圖十B，其表示一多重循環樣本，其中接著一個啟始的刺穿階段之後是如同相關於圖九B而被描述的重複取樣階段和重新注射階段。
一個取樣用注射裝置900之另一實施例說明於圖十一中。此裝置900包括有二個噴嘴914A、914B，每一個噴嘴均是位於此裝置之相對末端處，並且是具有一個被安置於該二噴嘴之間的可控制電磁式致動器925。每一個噴嘴 914A、914B被耦合至個別不同注射器912A、912B的外側末端處，每一個注射器界定出一個不同的儲存槽913A、913B，並且每一個儲存槽913A、913B均具有一個以可滑動之方式而被安置於其內的個別不同活塞910A、910B。每一個活塞的內側末端被耦合至該致動器925的個別不同末端處，使得沿著一個方向的作動能夠導致一柱塞910A往前移動朝向末梢噴嘴914A，並且於儲存槽913A內產生壓力，用以注射出包含於該儲存槽內的物質。沿著同一方向的相同作動則是能夠導致另一柱塞910B被抽出離開末梢噴嘴914B，並且於儲存槽913B內產生一個真空，用以抽取物質進入至該儲存槽913B內。
致動器925包括一個可移動式線圈組件904，並且接收到來自一個亦被耦合至一電源909之控制器908的電氣輸入訊號。在一些實施例中，此裝置900包括有一個被耦合至該控制器908之用於分析在取樣儲存槽913B內所收集到樣本的分析器916。在操作之過程中，由於免針頭傳送動作會經過生物體的表面，此裝置之一個末端則可以被用來收集從生物體內所得到的樣本。此分析器916可以分析該樣本，並且提供一分析結果至該控制器908。此控制器908則依據分析過之樣本來決定進入至生物體內之物質劑量所需的參數。
此裝置的另外一個末端可以被用來將物質之劑量注射進入至生物體內。接著，控制器會提供一個電氣輸入來組成電源909，到達該致動器925，並且可能是在經由一輸 入/輸出介面的局部操作人員或遠端操作人員之控制下。致動器925會依照所接收到之電氣輸入而沿著相同的方向來移動一個活塞，產生壓力和導致物質被注射經過此裝置900的注射用末端。
在一些實施例中，有利之處是提供一個可控制式免針頭注射裝置1000，用以施行多重注射動作和/或連續取樣動作。因此，介於相鄰接作動循環之間的時間遲延是相當短。此種裝置是可以被稱為一種多重注射式免針頭注射裝置。多重注射式注射動作可以於每一作動循環30毫秒到50毫秒內發生，連同一個作動(亦即是注射動作)循環10毫秒。一些多重注射式裝置則是具有在每一個藥水瓶內傳輸高達500次注射動作的能力。
舉例而言，參考如圖十二所示之示意性圖形，一個多重注射式免針頭注射裝置1000包括有一個相連結之儲存槽或玻璃藥瓶1002。此裝置1000會被施加至一生物體1004的表面，並且經皮膚傳送動作則是啟始於此裝置1000之頂端被安置的第一位置1006處。此種程序能夠採用彼此相當接近之方式而被重複施行於其他位置處，因此，得以處理生物體的一個表面區域1008。在其他的應用方式中，相同的多重注射裝置1000可以被用來經皮膚傳送一物質至每一個不同的生物體內。此種應用方式可包括利用一隻接著一隻之方式來接種一群動物。
用於一多重注射應用方式之範例線圈驅動電流對應時間的圖形係說明於圖十三中。個別不同作動循環或週期之 電流廓形是可以類似於先前相關於圖三、圖十A和圖十B所描述的內容，但是其中係由一使用者所選擇的注射中間遲延所隔開。雖然相同的一般常用輸入波形說明用於每一個作動循環，但此裝置能夠啟動用於每一個作動循環的不同波形。
一個可攜式多重注射裝置1100說明於圖十四A和圖十四B中。此裝置1100包括一個具有一把手區段部份1104的外殼1102，該把手區段部份1104則可包括有一個扳機1110。此裝置亦包括有一個噴嘴1106、一個儲存槽或玻璃藥瓶1112和一個自我包含式電源1108。在一些實施例中，此裝置1100亦是包括有一個使用者介面1114。
更加詳細地參考電源106，其中此電源可以是一個可充電式電源，例如是一可充電式電池或儲存電容器。舉例而言，充電亦可以藉由太陽能電池而達成。在其他實施例中，充電則是使用一發電機而達成。在其他實施例中，此裝置是可以藉由使用電磁式致動器本身而被充電。亦即是線圈組件104經過由磁鐵組件105所提供之磁場而產生的機械式運動(藉由搖晃或振動此裝置100而達成)將會於線圈內生成一電流。線圈可以經由一調節器而被耦合至電源106，任何相類似的充電用電路則是可用來將電源106充電。
一個機械式充電裝置說明於圖十五中。此機械式充電單元1200是包括有一個機械式轉能器，例如是一個用於將一主軸1206前後振動的振動器1204。此主軸的一個末 端被耦合至該振動器1204，而且其另一末端是被耦合至一個被用來接合此裝置1201之作用力傳送構件110的接頭配件1208。此充電單元1200亦包括有一個安裝用凸緣1202，在充電之過程中，此安裝用凸緣1202則是被用來握持住一個與該振動器1204相接合的裝置。如圖所示，一個注射器首先會被移除，使得線圈組件能夠被振動經過磁場，用以在線圈104內產生一電流。所生成的電流是經由一個電力調節器1210而被往後傳送至電源106內。此電力調節器1210可包括有一個或更多個整流器、電壓調節器、濾波器和充電單元。如圖所示，磁鐵組件105是經由一個裝置件1211而被耦合至該外殼102，使得磁鐵能夠相對於移動中之線圈組件104而維持固定不動。
此種經皮膚傳送裝置的可控制特性導致其本身能夠被自動化、或機械化加以注射。首先，受力的免針頭注射動作可用來注射經過生物體之皮膚，例如是大型哺乳動物(例如是乳牛)之相當厚的外皮。由於該注射動作為免針頭型式，在注射之過程中，當動物移動時，針頭亦將不致於斷裂於動物體內。此外，由於受力的免針頭注射動作是以一部份之第二注射動作才能夠被完成，其中動物必須被維持固定不動的持續時間則已被大幅減少。因此，噴嘴碰觸到動物身體上的動作結合短暫之釋放作用是能夠在短時間內完成，甚至是可以於動物移動之過程中完成。
一個用於施行一受控物質劑量至動物體內之免針頭注射系統說明於圖十六中。此系統包括有一個被配置於一可 延伸臂1304之末梢端處的免針頭經皮膚傳輸裝置1306。此可延伸臂1304的近接末端可被連結至一個堅固支架(例如是一個支柱或框架1308)。一個感測器1310亦可被提供用來於施行一經皮膚傳送動作之前，辨認出動物。舉例而言，動物1302是可以包括有一個識別標誌1312，例如是一條碼標籤或是一無線射頻辨識(RFID)標籤。於是，此感測器1310可包括有一個被用來讀取條碼或無線射頻辨識標籤的讀取機。此感測器1310和經皮膚傳輸裝置1306可以一起被耦合至一個包括有一處理器的控制器1314。一個電源1316亦是經由此控制器1314而被耦合至該經皮膚傳輸裝置1306。
在一些實施例中，此裝置是包括有其他的動物感測器，例如是一個被用來偵測動物之物理性質(例如是其重量)的作用力板1318。於識別動物和注射藥物之過程中，一個例如是閘門1324的導件可以被提供用來適宜地將動物1302固定住。此控制器1314亦會接收到來自感測器1310的輸入，以及依據動物之識別結果和重量來產生一劑量控制作用。舉例而言，依據動物之識別結果和重量，生長荷爾蒙可以被施加至特定動物體內。
在一些實施例中，此系統亦是包括有一通訊介面1320。此通訊介是可以包括有一無線介面1322，例如是先前相關於圖一所討論過之無線通訊介面。因此，該項系統能夠與一遠端使用者、處理器和/或資料庫相連通。
由動態控制式羅倫玆作用力致動器所提供之操作特色 是有助於得到許多和變更過的處理作用選項。結合受力的注射性能與可控制性，相同的可控制式免針頭經皮膚輸送裝置可用來傳輸變更過的注射動作。舉例而言，此裝置可用來以非侵入之方式而傳輸經過皮層內，進入至表面層或是皮膚、介於不同的生物層(例如是沿著一劈裂平面)、或是一個被施加至皮下脂肪組織之皮下注射、直接位於真皮和表皮以下的皮膚層。非軸向式免針頭注射動作係描述於在2006年2月10日提出申請之名稱為”表面注射裝置”的美國專利申請案，此專利申請案的代理人編號為0050.2093-000，其全部內容則是在此作為參考使用。此裝置亦是可用來傳輸一個用於直接將一物質施加至肌肉中的肌肉內注射動作。另外，此裝置可用來傳輸一個用於經由靜脈而將藥物直接施加至血管內的靜脈注射動作。
用於將一物質注射進入至一關節內之應用方式說明於圖十七中。一部份的人體膝蓋1400被表示成為一個滑液關節1402之應用實例。一個滑液關節1402包括有容納於”滑液”膜1404或關節囊內的滑液1406。在一些處理方式中，必須是要將一物質注射進入至滑液1406內。此項處理方式是需要相當深的注射動作，並且亦必須刺穿滑液膜1404。於是，此種注射動作需要使用更大級數的針頭，用以防止針頭彎曲或是斷裂。但是，較大直徑的針頭是更加容易增加病患之疼痛和不舒服。使用可控制電磁式免針頭裝置則可以完成此種用於傳輸一物質1414之注射動作。亦即是儲存於一注射器1408內的物質1414會被射出經過 一個噴嘴1412。由此噴嘴1412所組成之較窄噴射流則是會導引物質的氣流1416沿著一直線路徑而到達所需深度。因此，氣流1416可被導引至滑液關節1402的內部區域，在病患感覺疼痛較小和不致於產生針頭彎曲之狀況下，用以刺穿該滑液膜1404和傳輸物質1418。
可控制式免針頭注射裝置1800之另外一項實施例表示於圖十八中，其中包括有一個容許一儲存槽成形於其內的伸縮囊1802。一個電磁式致動器1825是依據電氣輸入電流之方向來壓縮或是伸展該伸縮囊1802。一個用於免針頭注射動作之噴嘴1801會與伸縮囊室1802流體相連通，使得當該伸縮囊1802被壓縮時，儲存於該伸縮囊室1802內之藥物成份能夠受力經過噴嘴1801。此噴嘴1801通常是相對於致動器1825之固定部位而被握持成固定的關係，使得伸縮囊能夠被壓縮於致動器1825的可移動部位與噴嘴1801之間。
此伸縮囊室1802是可以被配置成能夠於該注射裝置1800內被快速和容易移除、更換。舉例而言，一個伸縮囊室1802可被插入至一外殼1810的內部以及從一外殼1810的內部中被移除。此外殼1810可包括一個用於將該伸縮囊室1802固定至線圈組件1804的機械式扣件。舉例而言，此機械式扣件是可以包括有一個被配置用來與一在伸縮囊室內之相匹配凹口接合在一起的葉片(圖中未表示出來)。另外一方面或是此外，特殊配置之伸縮囊可被用產生軸向壓縮動作，同時，在非軸向之方向上則是保持堅固不變形。
雖然本項發明係參考較佳實施例而被特別表示出來和加以描述，熟悉本項技術之人士將會瞭解的是，於不偏離由申請專利範圍所包含的本發明範疇之狀況下，可進行形式與細節之各種不同之修改。
100‧‧‧免針頭經皮膚輸送裝置
101‧‧‧孔口
102‧‧‧外殼
103‧‧‧開口
104‧‧‧線圈組件
105‧‧‧磁鐵組件
106‧‧‧電源
108‧‧‧控制器
110‧‧‧作用力傳送構件
111‧‧‧軸承
112‧‧‧注射器
113‧‧‧外部儲存槽
114‧‧‧噴嘴
115‧‧‧頭部
116A‧‧‧作用力轉能器
116B‧‧‧位置感測器
116C‧‧‧電氣式感測器
118‧‧‧遙控介面
120‧‧‧使用者介面
125‧‧‧電磁式致動器
126‧‧‧柱塞
150‧‧‧生物體
155‧‧‧表面
200‧‧‧電磁脈衝式致動器
201‧‧‧外殼
203‧‧‧線圈組件
204A‧‧‧磁鐵
204B‧‧‧磁鐵
205‧‧‧磁鐵組件
206‧‧‧端蓋
208‧‧‧磁力線
210‧‧‧線圈軸心
212‧‧‧線圈
214‧‧‧環形開槽腔
215‧‧‧前板
216‧‧‧電氣導線
218‧‧‧開口
220‧‧‧開口
400‧‧‧動態控制式免針頭注射裝置
402‧‧‧可控制電磁式致動器
406‧‧‧推桿
408‧‧‧軸承
410‧‧‧注射器
412‧‧‧安裝用接頭
416‧‧‧控制器
418‧‧‧模造塑膠外殼
500‧‧‧動態控制式免針頭注射裝置
502‧‧‧電磁式致動器
504‧‧‧末梢作用力板
505‧‧‧線圈組件
506‧‧‧柱塞
508‧‧‧注射器
512‧‧‧安裝用構件
514‧‧‧電源
516‧‧‧外殼
520‧‧‧中央磁芯
522‧‧‧外殼
524‧‧‧延伸部位
602‧‧‧羅倫玆作用力致動器
605‧‧‧線圈組件
608‧‧‧注射器
612‧‧‧安裝用平板
616‧‧‧線圈導線
618‧‧‧開口
620‧‧‧開口
622‧‧‧外殼
624‧‧‧延伸部位
626‧‧‧導件
700‧‧‧取樣用免針頭注射器
702‧‧‧雙向電磁式致動器
704‧‧‧電源
706‧‧‧分析器
708‧‧‧可移動式注射器支架
710‧‧‧取樣用注射器
711A‧‧‧取樣噴嘴
712‧‧‧第二注射器
714‧‧‧活塞
900‧‧‧取樣用注射器
904‧‧‧可移動式線圈組件
908‧‧‧控制器
909‧‧‧電源
910A‧‧‧活塞
910B‧‧‧活塞
912A‧‧‧注射器
912B‧‧‧注射器
913A‧‧‧儲存槽
913B‧‧‧儲存槽
914A‧‧‧噴嘴
914B‧‧‧噴嘴
916‧‧‧分析器
925‧‧‧致動器
1000‧‧‧可控制式免針頭注射裝置
1002‧‧‧儲存槽
1004‧‧‧生物體
1006‧‧‧第一位置
1008‧‧‧表面區域
1100‧‧‧可攜式多重注射裝置
1102‧‧‧外殼
1104‧‧‧把手區段部份
1106‧‧‧噴嘴
1108‧‧‧電源
1110‧‧‧扳機
1112‧‧‧儲存槽
1114‧‧‧使用者介面
1200‧‧‧機械式充電單元
1201‧‧‧裝置
1202‧‧‧安裝用凸緣
1204‧‧‧振動器
1206‧‧‧主軸
1208‧‧‧接頭配件
1210‧‧‧電力調節器
1211‧‧‧裝置件
1302‧‧‧動物
1304‧‧‧可延伸臂
1306‧‧‧免針頭經皮膚輸送裝置
1308‧‧‧支柱
1310‧‧‧感測器
1312‧‧‧識別標誌
1314‧‧‧控制器
1316‧‧‧電源
1318‧‧‧作用力板
1320‧‧‧通訊介面
1322‧‧‧無線介面
1324‧‧‧閘門
1400‧‧‧人體膝蓋
1402‧‧‧滑液關節
1404‧‧‧滑液膜
1406‧‧‧滑液
1408‧‧‧注射器
1412‧‧‧噴嘴
1414‧‧‧物質
1416‧‧‧氣流
1418‧‧‧物質
1800‧‧‧可控制式免針頭注射裝置
1801‧‧‧噴嘴
1802‧‧‧伸縮囊室
1804‧‧‧線圈組件
1810‧‧‧外殼
1825‧‧‧致動器
如同在圖式中所說明之內容，從本項發明之較佳實施例的下列特別描述內容中，可更清楚地瞭解本發明之上述和其他目的、特色與優點，其中在不同的視圖中，類似的元件符號係代表著相同部件。以下圖式並未依照尺寸來表示，其主要是強調說明本項發明之原理。
圖一為可控制式免針頭經皮膚傳送裝置之一項實施例的示意性方塊圖；圖二A和圖二B為配合如圖一所示之裝置一起被使用之可控制電磁式致動器實施例的橫剖面圖，其中係分別以延伸和縮回之配置方式表示；圖三A為描述出被傳送至如圖二A所示之可控制式電磁式致動器之電氣輸入的電流對應時間圖形；圖三B為描述出在一用於傳送物質之儲存槽內所產生之範例壓力的壓力對應時間圖形，其中是藉由該可控制電磁式致動器回應如圖三A所示之電氣輸入而產生該壓力；圖四為可控制式免針頭經皮膚傳送裝置之實施例的部份切除立體圖；圖五為可控制式免針頭經皮膚傳送裝置之另一實施例 的部份切除立體圖；圖六為在如圖五所示之裝置內所提供之可控制電磁式致動器與一注射器相耦合的更加詳細部份切除立體圖；圖七為在如圖五所示之裝置內所提供之可控制電磁式致動器實施例與一注射器相耦合的後側立體圖；圖八A和圖八B為提供取樣和分析功能之免針頭經皮膚輸送裝置的示意性方塊圖，其中係分別以取樣和注射之配置方式表示；圖九A為描述出免針頭取樣、分析和注射程序之實施例的流程圖；圖九B為描述出範例免針頭收集程序之實施例的更加詳細流程圖；圖十A和圖十B為描述出被傳送至如圖二A、圖四、圖五、或圖八A和圖八B所示之可控制電磁式致動器之範例電氣輸入的電流對應時間圖形，其中分別用於單一樣本和多重樣本之操作；圖十一為亦提供有取樣和注射功能之免針頭經皮膚傳送裝置的另一實施例；圖十二為表示出使用一多重注射免針頭經皮膚輸送裝置來做表面處理的立體圖；圖十三為描述出被傳送至如圖二A、圖四、圖五、圖八A或圖八B所示之可控制電磁式致動器之電氣輸入的電流對應時間圖形，其係用於多重注射的傳送；圖十四A和圖十四B分別為可攜式免針頭經皮膚輸送 裝置的前側立體圖及後側立體圖；圖十五為與一可充電式免針頭經皮膚輸送裝置相耦合之用於將一內部電源充電之機械式充電單元的示意性方塊圖；圖十六為被用來自動施行一免針頭傳送至動物之自動化免針頭經皮膚輸送系統的示意性方塊圖；圖十七為免針頭經皮膚輸送裝置將物質注射進入至動物關節內的示意圖；以及圖十八為包括有一伸縮囊儲存槽之另一免針頭經皮膚輸送裝置的示意性方塊圖。
100‧‧‧免針頭經皮膚輸送裝置
101‧‧‧孔口
102‧‧‧外殼
103‧‧‧開口
104‧‧‧線圈組件
105‧‧‧磁鐵組件
106‧‧‧電源
108‧‧‧控制器
110‧‧‧作用力傳送構件
111‧‧‧軸承
112‧‧‧注射器
113‧‧‧外部儲存槽
114‧‧‧噴嘴
115‧‧‧頭部
116A‧‧‧作用力轉能器
116B‧‧‧位置感測器
116C‧‧‧電氣式感測器
118‧‧‧遙控介面
120‧‧‧使用者介面
125‧‧‧電磁式致動器
126‧‧‧柱塞
150‧‧‧生物體
155‧‧‧表面

Claims (17)

  1. 一種用於將一物質傳送經過生物體之表面的免針頭經皮膚輸送裝置，包含：一個用於儲存該物質的儲存槽；一個與該儲存槽流體相連通的噴嘴；以及一個與該儲存槽相連通的可控制羅倫玆作用力電磁式致動器，該致動器包含：一個提供有一磁場的固定磁鐵組件；以及一個以可滑動之方式相對於磁鐵組件而被配置的線圈組件，該線圈組件是會接收到一個電氣輸入和相應地產生與該接收到之輸入相對應的作用力，該作用力的產生是在線圈組件內之電流與磁場相互作動的結果，並且導致物質於該儲存槽與該生物體之間產生免針頭傳送動作；以及一個與該可控制電磁式致動器電氣相連通的伺服控制器，該伺服控制器提供該電氣輸入，在該線圈組件內所產生的作用力會依據所接收到的該電氣輸八中之變更而可在該物質的注射期間動態變化。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該所接收到之電氣輸入是對應回授結果而產生變化。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該可控制電磁式致動器是雙向作動，回應於第一電氣輸入而產生一正向力，以及回應於第二電氣輸入而產生一負向力。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該電磁式致動器 係對該物質施力經過一個噴嘴，產生一個具有足夠速度的噴射流，用以刺穿著該生物體的表面。
  5. 如申請專利範圍第1項之裝置，更還包含一個用於產生該電氣輸入的可充電式電源。
  6. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中該可控制電磁式致動器是被用來充電該可充電式電源。
  7. 如申請專利範圍第6項之裝置，更還包含藉由使用該可控制電磁式致動器而被用來充電該可充電式電源的可釋放式機械連結件。
  8. 如申請專利範圍第1項之裝置，更還包含至少一個與該伺服控制器電氣相連通的感測器，該感測器係偵測一物理性質，並且該伺服控制器是回應於偵測到之物理性質而產生該電氣輸入。
  9. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中該偵測到之物理性質是一個或更多個下列性質：位置、作用力、壓力、電流和電壓。
  10. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該控制器是包含有一個處理器，該處理器係協助產生該電氣輸入。
  11. 如申請專利範圍第1項之裝置，更還包含有一個與該控制器相電氣連通的遙控通訊介面，該控制器係回應於一個經由該遙控通訊介面所接收到之通訊內容而產生該電氣輸入。
  12. 如申請專利範圍第1項之裝置，更還包含有一個被用來分析從生物體內所收集得到之樣本的分析器，該伺服 控制器是被用來提供回應於被分析過之樣本的電氣輸入。
  13. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該裝置是被用來提供複數個連續的獨立免針頭傳送動作。
  14. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該儲存槽、噴嘴以及可控制電磁式致動器是結合於一個可攜帶、手持式單元中。
  15. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所產生之作用力的上升時間是小於大約5毫秒。
  16. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該作用力的大小和持續時間是足以傳送高達至少大約300微升容積之物質。
  17. 一種用於將一物質傳送經過生物體之表面的免針頭經皮膚輸送裝置，包含：用於施加機械作用力至一個其一末端被耦合至一噴嘴之儲存槽的羅倫玆作用力電磁式致動器機構，該機械作用力是於該儲存槽內產生壓力，該壓力的大小是隨著該機械作用力而改變，並且導致物質被傳送經過該生物體的表面；用於在該物質的傳送期間感測物理性質的機構；用於回應於該所感測的物理性質而改變所施加的電氣輸入以產生在所施加的機械作用力中之對應改變的機構；以及用於控制該電磁式致動器機構的伺服控制器機構，該伺服控制器機構與該電磁式致動器機構電氣相連通，該伺服控制器機構提供該電氣輸入，藉由該電磁式致動器機構 所產生的作用力會依據所接收的電氣輸入之變更而可在該物質的注射期間動態變化。
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