专利名称：具有热-机械驱动器的医用流体注射器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于动力医用流体注射器的驱动器，更特别地涉及一种 用于这样的注射器的热-机械驱动器。
背景技术：
本部分意图向读者介绍与将在以下描述和/或要求权利的本发明各方面 相关的领域的各方面内容。这部分讨论对于为读者提供背景信息非常有用， 有助于更好地理解本发明的各方面。因此，需理解应该依据以上角度阅读这 些陈述，而并非认为是对现有技术的说明。
动力注射器典型地用于在患者用造影设备进行检查之前或检查时，将一 定体积的医用流体施用到患者体内，诸如造影剂。 一般，动力注射器的电马 达用于将针筒的柱塞通过针筒移动，医用流体在柱塞运动时注射到患者体
内。通常，患者通过造影设备(例如，MRI系统)进行检查时，被检测的造 影剂被造影装置用来产生图像数据。
不幸的是，许多动力注射器与某些类型的造影设备不兼容。例如，用于 驱动动力注射器的电马达通常包括磁体和/或含铁物质，这会干扰MRI机器 的操作。例如，由于注射器中存在磁体和/或含铁材料，注射器可朝向MRI 机器拖动和/或拉向MRI机器，由此导致患者受伤和/或损坏注射器和/或MRI 机器。作为其它例子，来自注射器电马达的电磁场可被MRI机器拾取，并 导致由MRI机器产生的结果中的不期望有的伪像。
发明内容
以下阐述了本发明的一些示例方面。应理解，这些方面仅用于向读者提 供本发明所采取的 一些形式的筒要总结，而这些方面并不意图限制本发明的 范围。实际上，本发明可涵盖没有在以下明确指出的各方面。
在一些方面，本发明大致涉及用于动力医用流体注射器的基本不含铁的 驱动器。 一些随后描述的实施例包括热机械驱动器，其加热或冷却物质来起动针筒。在一些实施例中，物质的温度可以改变(例如，增加)以使该物质 膨胀，并驱动柱塞通过针筒，以从针筒排除医用流体。在一些实施例中，物 质的温度可以改变(例如，减小)以使该物质收缩并抽回柱塞(例如，来将 医用流体吸进针筒用于随后的注射操作)。注射器的 一些实施例可以不具有
电马达来驱动针筒，并由此辅助靠近MRI机器的使用。
本发明的第一方面涉及医用流体注射器，其包括可响应热梯度膨胀和收 缩的介质。注射器还包括与介质热连通的热装置(例如，加热器、冷却器或 其组合)。附带地，如果热能可直接和/或间接地在一个物体和另一个物体之 间传递，则该一个物体与另一物体"热连通"。除了热装置，注射器还包括 联接至介质的针筒接口。
本发明的第二方面涉及用于医用流体注射器的驱动器。驱动器包括放置 在贮存器中的流体、与流体热连通的热装置、与l!i存器流体连通的促动器和 联接至促动器的针筒接口。
本发明的第三方面涉及 一种用于操作医用流体注射器的方法。在该方法 中，材料的热能被改变。该热能的改变至少临时地引起材料体积的变化。换 句话说，该热能的改变引起材料的体积增加或减小。材料体积的改变导致针 筒的柱塞移动(例如，将流体吸进或排出针筒)。
特征也可以并入到这些各方面。这些改进和其它特征可以单独或结合地存 在。例如，以下相对于一个或多个示例性实施例讨论的各特征可单独或任意 结合地并入到本发明的上述任意方面。再次，上述的简要总结仅意图使读者 了解本发明的一些方面和内容，而不限制权利要求的主题。
在参考附图阅读以下详细说明后，本发明的这些或其它特征、方面和优 点将更加容易理解，在这些附图中，相同的标号表示相同的部件，其中 图1是准备开始注射医用流体的医用流体注射器的示意图； 图2是图1的注射注射器在注射流体后的示意图； 图3是图1的注射器加载针筒的示意图； 图4是另一医用流体注射器的透视图； 图5是双温度注射器的示意图；图6是具有固体热-机械促动器的注射器的示意图；和 图7是显示示例注射过程的流程图。
具体实施例方式
以下将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简 要说明，实际实施方案的所有特征都不在本说明书中描述。应该理解，任意 工程或设计项目中的任意这样的实际实施方案的改进、大量的具体实施决定 都应实现改进者的具体目标，例如遵守在每个实施方案中均不同的与系统相 关和与商业有关的限制。此外，应该理解，这样的改进可能是复杂且耗时的， 但对于得到所公开内容利益的本领域普通技术人员来说，这些都是设计、制 造和生产中的常规任务。
当介绍本发明各实施例的元件时，冠词"一个(a)"、"一个(an)"、"该" 和"所述"意图表示存在一个或多个元件。术语"包括"、"包含"和"具有" 意图是包含性的，并且表示还存在除了所列元件之外的其它元件。此外，"顶 部"和"底部"、"以上，，和"以下"及它们的变体和取向的其它术语均为了 方便而使用，而部件的特定取向不是必须的。如在此所用的，术语"联接" 是指直接或间接连接或接触的状态。术语"流体地连通"是指流体和/或流体 压力从一个物体传递至另一个物体。
图1示出了示例性注射系统10,其包括医用流体注射器12和针筒14。 注射器12包括物质并被设计来加热和/或冷却该物质(例如，液体)来引起 物质体积的变化，由此引起针筒14的起动。注射系统IO可以是基本或完全 不含铁的。为此，如果有的话，系统10可包括非常少的具有含铁材料的部 分(例如，电马达)，该含铁材料会与MRI机器的操作干扰。
注射器12包括贮存器16、热源18、热沉20、流体导管22、促动器24、 传感器26和控制器28，其内容在以下详细描述。热源18和热沉20的组合 是在此被称为热装置的一个例子。注射器12的一些实施例可包括流体热-机 械促动器，其随着热梯度操作并引起其流体(例如，液体和/或气体)膨胀和 /或收缩来引起运动。注射器12的其它实施例可包括固态热-机械促动器，其 随着热梯度操作并51起其固体膨胀和/或收缩来？ 1起运动。
注射器12的贮存器16具有由任意适当材料制成的壁30。例如，壁30 可以主要包括表现出高热传导性的不含铁材料，诸如铝、不锈钢、铜或其组合。为了提高通过壁30的传热，壁30可包括增加表面面积的结构，诸如鳍片、杆、波紋和/或紋理。这些结构可以在贝er存器16的表面内和/或外。壁30优选地限定一结构，其大致刚硬且基本上不相对于跨过壁30上的压差而变形。贮存器16可展示出任意适当的设计/构造。例如，贮存器16可具有矩形横截面形状、圆形横截面形状、方形横截面形状或其它横截面形状。
贮存器16容纳流体32 (例如，液体)。流体32基本上不可压缩，具有流体32在注射器操作期间所处的温度范围之外的相变温度，和/或具有大的热膨胀系数，例如热膨胀系数可以大于l*10-3°C-'。流体32可包括水、酒精、油、水^l艮或其组合。在一些实施例中，流体32可具有液态到气态的相变温度，该相变温度是动力注射器12操作的环境温度或在该温度附近(例如，接近室温)。
热源18与流体32热连通。在此，如果热能从一个物体流动至另一个物体，则这两个物体"热连通"。热源18可包括或指任意适当的热源，例如，电阻加热器(例如，导线圈)、感应加热器、热管、玻尔装置(Peltier device )、热泵、辐射加热器、微波加热器和/或房间提供的环境热。热源18可放置在贮存器16之外、贮存器16之内或贮存器16之内和之外两者。在一些实施例中，热源18可被构造为将电能转换为热能并加热贮存器16中的流体32。
图1的注射器12还包括热沉20。热沉20可包括或指任意适当的热沉，诸如玻尔装置、制冷系统、热管和/或吸收热的环境房间。像热源18—样，热沉20可放置在贮存器30之外、之内或之内和之外两者。
在一些实施例中，热沉20和热源18可被整合到单个装置。例如，诸如玻尔装置这样的热电装置，可以取决于装置是否向前或反向偏置而加热或冷却。在另一例子中，热泵用作制冷系统和加热器二者运行。
流体导管20可连接至贮存器16。在一些实施例中，流体导管22可以是流体32从贝i存器16流出的唯一出口 。流体导管22可包括适当的接头连接至贮存器16。在一些实施例中，流体导管22包括基本上不可膨胀的管道，诸如液压管路。流体导管22被示出为容纳流体32的至少一部分并连接至注射器12的促动器24。
注射器12的促动器24被显示为具有筒体34、活塞头36、杆38和针筒接口 40。筒体34是具有基本刚硬壁的大致圓柱形管道。在一些实施例中，活塞头36可被描述成可流体移动的构件(即，响应流体压力变化而移动的构件)。筒体34和活塞头36可以是圓柱、多边形或任意其它适当几何形状的。在一些实施例中，筒体34可具有大约0.4英寸(例如，0.375英寸)的直径和大约5英寸的长度。活塞头36可适配在筒体34内，其形状和尺寸可^皮设置为形成对筒体34的壁的可移动密封部。流体32在活塞头36 —侧上可占据筒体34内的空间。杆38可在活塞头36与流体32相对的一侧上从活塞头36延伸。
一个或多个传感器26可定位为检测各种参数，诸如筒体34的活塞头36、流体32的压力和/或流体32的温度。例如，线性位置传感器可贴附至参考点(例如，筒体34)和移动部分(例如，活塞头36、杆38或针筒接口40)。替换地或附加地，流体32的参数可被热电偶或压力超感器监视。
本实施例的控制器28包括电路和/或代码，其被配置用于通过向热源18和/或热沉29发送信号以增加或去除来自流体32的热量而调整针筒接口 40的位置。在一些实施例中，控制器28可包括反馈电路或代码，其适于控制针筒接口 40的位置、针筒接口 40的移动速度和/或被针筒接口 40施加的力的大小。替换地或附加地，控制器28可包括电路和/或代码，来控制流体32的温度、流体32的温度变化速度、流体32的压力和/或流体32的压力变化速度。电路和/或代码被构造为实施对这些参数的一个或多个的原位或异地反馈或前馈控制。
各种装置可以实施控制器28的全部或部分，诸如微处理器、计算机、个人电脑、微控制器、特定应用集成电路、数字信号处理器和/或中央处理单元。控制器28可包括各种形式的有形的机器可读存储器，诸如动态随机存取存储器、闪存、静态随机存取存储器、硬盘驱动器、光学驱动器和/或磁带驱动器。在一些实施例中，存储器可存储被配置为控制动力注射器12的代码。控制器28可包括装置来与传感器26、热源18和热沉20接合，诸如模拟数字转换器、放大电路和/或驱动电路。虽然图1所示的控制器28是单板的，应该理解，在一些实施例中，控制器可以包括各种可以彼此远程配置的部件。由此，虽然一些实施例可包括集成或单片控制器28,图1应该#皮:〖人为体现了逻辑或功能单元，而不是体现了单个装置。
转到针筒14，所示的针筒14包括筒体42、柱塞44和推杆46。筒体42可由玻璃或塑料制成并具有大致圆柱筒状形状。柱塞44可成形为适配在筒体42内和可滑动地与筒体42的壁密封。 一起地，所示筒体42和柱塞44可容纳医用流体48,诸如液体药物、液体造影剂或盐水。推杆46可从柱塞44与医用流体48相对的一侧延伸并与促动器24的针筒接口 40接合。在一些实施例中，针筒14的筒体42可以相对于促动器24的筒体34固定地紧固，例如通过机架或框架。针筒14可以经由管道和皮下注射针而与患者或器官流体连通。
在操作中，注射系统10可将医用流体48泵送到患者体内，如图1、 2所示。具体地，图l显示了注射的起始，图2显示了在注射结束或大致结束时的注射系统IO。为了使注射开始，用户通过按按钮、转动表盘或其它表示希望起动注射医用流体48的方式向控制器28发信号，以起动注射。作为响应，控制器28可向热源18发送信号来将热能50施加至流体32。热源18随后在流体32和热源18之间产生热梯度，热源18处于较高的度。例如，控制器通过关闭通向放置在流体32中或附近的电阻加热器的电流路径而向热源18发送信号。随着流体32被加热，其由于热膨胀而膨胀。在一些实施例中，流体32可不发生相变地膨胀，例如流体32可在注射期间保持液态。
随着流体32膨胀，其可引起针筒接口 40移动，如箭头52所示。膨胀流体32可在贮存器16内建立压力。 一些膨胀流体32可通过流体导管22流动并进入^^动器24。受压流体32沿箭头52的方向向活塞头36施力。该力可驱动活塞头36通过筒体34。活塞头36随后驱动杆38，杆可推动针筒接口 40。随着针筒接口 40沿箭头52的方向移动，其可经由推杆46推动柱塞44通过针筒14的筒体42。在本实施例中，柱塞44可将医用流体48推出针筒14并推进患者或其它有机体内。
在注射期间，控制器28可对各种参数进行反馈或前馈控制。例如，控制器28可从传感器26接收指示流体32温度、流体32压力、针筒接口 40的位置、接口40的速度、流速和/或这些参数的一个或多个的变化速度的反馈信号。在一些实施例中，控制器28可响应这些反馈信号的一个或多个向热源18输出信号。例如，控制器28可控制被注射的医用流体48的体积、医用流体48被注射的速度、针筒接口 40移动的距离、针筒接口 40的速度、流体32的温度、流体32的温度的变化速度、流体32的体积、流体32的体积的变化速度、流体32的压力和/或流体32的压力的变化速度。控制器28可瞄准用于这些参数的一个或多个的设定点。在一些实施例中，设定点或被控参数可在注射期间根据存储于存储器中的样板(例如，速度样板或流速样板)而变化。例如，针筒接口 40可以在注射的前IO秒以第一速度移动，然后在注射的其余时间以不同的第二速度移动。
如图2所示，在正被讨论的注射大致结束时，活塞头36可移动通过促动器24的筒体34,柱塞44可移动通过针筒14的筒体42。在此时，针筒14可经由皮下注射针或其它装置将一部分医用流体48泵送到患者体内。在注射结束或大致结束时，控制器28可向热源18发送信号来停止将热50添加到流体32，减小被添加到流体32上的热的量，或以保持流体32温度的速度向流体32施加热50。控制器28还向音频或视觉指示器输出指示注射完成的信号，该指示器诸如扬声器、发光二极管、液晶显示器、阴极射线管、有机发光二极管显示器，等。
图3显示了当针筒14被重置或加载时的动力注射器12。在本实施例中，动力注射器12可将针筒接口向后拉，如箭头54所示。由箭头54指示的运动可被用户起动，该用户通过用户界面发出期望重置动力注射器或加载针筒14的信号。控制器28可接收该信号，并且作为响应，向热沉20发出信号来将贮存器16中的流体32冷却。热沉20随后在热沉20和流体32之间形成热梯度，并且热能56从流体32流至热沉20。例如，控制器28可关闭同相玻尔冷却器的电流路径，玻尔冷却器可从流体32接收热。
随着热能从流体32去除，流体32收缩并向活塞头36施加负压力(即，负计示压力)。换句话说，通过从流体32去除热能，可引起流体32的体积中的负变化，体积的变化可拉动活塞头36。活塞头36可沿箭头54的方向通过筒体36被拉回。在一些实施例中，针筒接口 40可联接至推杆46,针筒14可随着活塞头36拉向贮存器16而加载。在替换例中，流体导管22可联接至筒体34或活塞头36的相反侧，以使得冷却引起移动52,加热引起移动54。
图4显示了另一示例注射系统58。在该实施例中，热源18包括^L置在贮存器16内的一组电阻加热线圈，热沉20包括放置在贮存器16的外表面上的一组玻尔冷却器。本实施例还包括具有压力容器62和气体导管64的重置空气辅助组件60。气体导管64将压力容器62流体地联接至促动器24的筒体34。具体地，在该实施例中，气体导管64连接至筒体34的一部分，其在活塞头36的相对于流体导管22的相对侧上。由此，在本实施例中，来自压力容器62的压力与来自流体32的压力抵消。在操作中，活塞头36可随着活塞头36延伸而对压力容器62加压。然后，在针筒14的加载期间，或注射系统58的重置期间，来自压力容器62的压力将活塞头36驱动到筒体34的缩回位置中。在一些实施例中，压力容器包含空气或其它适当的可压缩气体。
图5示出了另一示例注射系统66。本实施例包括双温度注射器68，其具有两个贝i存器16、 70，可逆热电装置(reversible thermoelectric device ) 72、绝缘部74、第二流体导管76和第二流体78。热电装置72可包括玻尔塞贝克装置，其适于响应电流而将来自贮存器16、 70的一个的热能传递至贮存器16、 70的另一个。此外，热电装置72传热的方向可取决于供给热电装置72的电流流动的方向。即，沿第一方向的电流流动可导致热从第一贮存器16传递至第二贮存器70，沿相反方向的电流可导致热从第二贮存器70传递至第一贮存器16。
当被组装时，热电装置72可放置在贝i存器16、70之间并与它们热连通。在一些实施例中，绝缘部74可包封贮存器16、 70和热电装置72。第二流体导管76将第二贮存器70流体地联接至促动器24。更具体地，第二流体导管76可从流体32联接至与活塞头36相对的筒体34的体积。
在操作中，控制器28可通过向热电装置72发送信号来将热从第二贮存器70传递至第一贮存器16而起动注射。例如，控制器28可驱动电流沿第一方向通过热电装置70。如上所述，热能向第一贮存器16的施加可导致流体32膨胀并向前驱动活塞头36。同时，热能从第二贮存器70的去除可导致流体78体积减小，由此将活塞头36拉回。换句话i兌，在本实施例中，在注射期间，流体32在流体78拉活塞头36时推动活塞头。
为了将活塞头36缩回，控制器28可使施加至热电装置72的电流的方向反向。作为响应，热电装置72可将其传热的方向反向，热能可从第一贮存器32流动至第二贮存器78。随着第一贮存器16冷却和第二贮存器78变暖，流体78可将活塞头36通过筒体34向后推，流体32可沿相同方向拉活塞头36。
图6是另一示例注射系统80。本实施例可包括具有固体热-机械促动器84的注射器82。。固定热-机械促动器84可包括形状记忆合金，形状记忆聚合物或具有高的热膨胀系数的其它材料。在一些实施例中，促动器84大致或完全不含铁。促动器84和针筒14可固定至将以固定关系保持它们的机架86。
在操作中，热源可将热能50传送至促动器84，促动器84膨胀。在一些实施例中，电流通过促动器84传导，内部电阻加热产生热能50。随着促动器84加热，其膨胀，如箭头88所示。同时，针筒接口 40可驱动柱塞44通过针筒14的筒体42，如箭头52所示。在注射之后，热沉20可通过将热能从促动器82去除而缩回促动器84。
图7是显示示例注射过程90的流程图，其通过前述实施例的一个或多个执行。过程90以调整材料的热能开始，如块92所示。调节热能可包括通过传导、对流、辐射、电阻加热、化学加热、才几^^加热或其组合而传递热能。在一些实施例中，调整热能可包括使材料的温度升高或降低。
接下来，或基本同时，通过热能的最终变化而引起材料的体积或形状的变化，如块94所示，体积变化产生的力施加至针筒，如块96所示。随着材料移至新的体积或形状，在本实施例中，医用流体通过针筒注射到患者体内，如块98所示。
最后，患者被成像，如块100所示。对患者成像通过各种类型的成像装
置执行，诸如投影放射透视系统(例如，x光系统)、焚光透视系统、x线
断层摄影系统(例如，计算轴向X线断层摄影系统)、磁共振成像(MRI)系统和/或超声系统。某些不含铁的实施例可倾向于使与MRI系统的千扰最小化。
虽然本发明对各种修改和变化形式是敏感的，在通过在附图中的例子显示了特定实施例并详细地描述。但是，因理解，本发明并不意图限制在此披露的具体形式。相反，本发明应覆盖落入由所附权利要求所限定的本发明精
神和范围内的所有修改、等同物和替换。
权利要求
1、一种医用流体注射器，该注射器包括响应热梯度膨胀和收缩的介质；与该介质热连通的热装置，其中，热装置包括加热器、冷却器或其组合；和联接至该介质的针筒接口。
2、 如权利要求1所述的注射器，其中，所述介质是固体。
3、 如权利要求1所述的注射器，其中，所述介质是流体。
4、 如权利要求3所述的注射器，其中，所述流体包括基本不可压缩的 液体，该液体放置在大致封闭的系统内，并且其中，所述针筒接口联接至该 大致封闭的系统内的流体可移动构件。
5、 如权利要求4所述的注射器，其中，所述基本不可压缩的液体包括 酒精。
6、 如权利要求3所述的注射器，其中，流体热-机械促动器包括压力容 器、联接至该压力容器的导管、联接至该导管的筒体和可移动地放置在该筒 体中的活塞，并且其中，所述针筒接口联接至该活塞。
7、 如权利要求1所述的注射器，其中，所述介质包括基本彼此隔绝的 第一介质和第二介质，并且其中，所述热装置放置在该第一介质和第二介质 之间。
8、 如权利要求7所述的注射器，其中，所述第一介质和第二介质包括 放置在第一腔室和第二腔室中的第一流体和第二流体，并且其中，该第一腔 室和第二腔室流体地联接至所述活塞的相对侧，该活塞联接至所述针筒接 n 。
9、 如前述权利要求中任一项所述的注射器，其中，所述热装置包括热 电装置。
10、 如前述权利要求中任一项所述的注射器，还包括 与所述针筒接口接触的针筒。
11、 一种用于医用流体注射器的驱动器，该驱动器包括 放置在贮存器中的流体； 与流体热连通的热装置；与贮存器流体连通的促动器；和联接至促动器的针筒接口。
12、 如权利要求11所述的驱动器，其中，所述流体包括酒精。
13、 如权利要求11所述的驱动器，其中，所述流体主要包括液体。
14、 如权利要求11-13中的任一项所述的驱动器，其中，所述热装置包 括至少部分地放置在流体中的电阻加热器。
15、 如权利要求11-13中的任一项所述的驱动器，其中，所述热装置包 括热电装置。
16、 如权利要求15所述的驱动器，其中，所述热电装置放置在贮存器 的不同部分之间，其中，所述不同部分彼此不流体连通。
17、 如权利要求11-16中的任一项所述的驱动器，还包括与流体热连 通的热沉。
18、 如权利要求11-17中的任一项所述的驱动器，其中，所述促动器包 括流体可移动构件。
19、 如权利要求11-17中的任一项所述的驱动器，其中，所述促动器包 括筒体、放置在筒体内的活塞和从活塞头延伸的杆，其中，针筒接口放置在 杆的末端部分上。
20、 如权利要求11-19中的任一项所述的驱动器，其中，驱动器是基本 非铁的。
21、 如权利要求11-20中的任一项所述的驱动器，还包括 与所述针筒接口接触的针筒，其中，该针筒具有放置在其中的医用流体。
22、 一种用于才喿作医用流体注射器的方法，该方法包括 变化材料的热能；由于所述变化而至少临时地改变材料的体积和形状中的一个；和 由于所述改变，移动针筒的柱塞。
23、 如权利要求22所述的方法，其中，所述材料是液体。
24、 如权利要求22或23所述的方法，其中，所述变化包括向材料添加 热能。
25、 如权利要求22-24中的任一项所述的方法，还包括 由于所述改变而沿通道偏置活塞。
26、 如权利要求22-25中的任一项所述的方法，其中，所述移动包括将造影剂从针筒排出。
27、如权利要求22_25中的任一项所述的方法，其中，所述移动包括将 放射性药物从针筒排出。
全文摘要
一种医用流体注射器和其操作方法。在一些实施例中，医用流体注射器包括可响应热梯度膨胀和收缩的介质，联接至该介质的热装置，和联接至该介质的针筒。热装置可包括加热器、冷却器或其组合。
文档编号A61M5/155GK101528285SQ200780039716
公开日2009年9月9日 申请日期2007年10月24日 优先权日2006年10月26日
发明者查尔斯·S·尼尔 申请人:马林克罗特公司