超声飞行时间测量的波形重构的制作方法

本申请要求于2018年2月26日提交的美国临时申请第62/635,440号的权益，其整体通过引用并入本文。

本公开一般涉及调剂液体(dispensingfluid)，并且具体但不排他地，涉及跟踪注射量。

背景技术：

测量给药量并记录给药定时是许多疾病治疗的必不可少的部分。对于许多治疗，为了达到最佳的治疗效果，可能需要在一天中的特定时间注射特定量的药物。例如，患有糖尿病的个体可能需要响应于对他们血糖的测量而全天定期地给他们自己注射。必须仔细跟踪和控制胰岛素注射的频率和量，以保持患者的血糖水平在健康范围内。

目前，存在有限数量的能够跟踪给药而不需要用户手动测量和记录量、日期和时间的方法或设备。已经开发了各种葡萄糖注射液注射器/笔，但是为了减小尺寸、降低成本、增强功能和提高精确度，该技术中还有显著进步的很大空间。因此，目前的技术可能不是一个理想的长期解决方案。例如，目前的胰岛素笔通常是一次性的，而不包括剂量跟踪。市场的更小部分由可重复使用的笔组成，但是这些笔更贵且仍不包括精确的剂量跟踪能力。

附图说明

参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷举性实施例，其中除非另有指定，否则贯穿各个视图，相同的附图标记表示相同的部分。附图不一定按比例，而是强调说明所描述的原理。

图1a图示了根据本公开的实施例的用于液体注射和剂量跟踪的系统。

图1b图示了根据本公开的实施例的用于图1a描绘的液体注射和剂量跟踪的柱塞头。

图2a-图2b图示了根据本公开的实施例的示出了用于本文公开的剂量跟踪的技术的效果的实验数据。

图3是图示了根据本公开的几个实施例的监测药筒中的液体量的方法的流程图。

具体实施方式

本文描述了用于超声飞行时间测量的波形重构的装置、系统和方法的实施例。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文描述的技术可以在没有该具体细节中的一个或多个的情况下实践，或者利用其它方法、组件、材料等来实践。在其它实例中，没有详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免模糊某些方面。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的各个地方出现短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。

药筒可以用在胰岛素笔中以将胰岛素调剂给用户。当用户需要注射胰岛素时，用户可以将药筒放在胰岛素笔中，给自己注射期望剂量的胰岛素。然而，对于传统的笔/筒，很难跟踪随时间注射的剂量，因为用户必须手动记录时间、剂量等。这里，公开了一种用于使用超声飞行时间的自动剂量跟踪的装置、系统和方法。

超声换能器可以用于封闭环境(例如，图1a所描绘的注射笔筒)中的测距应用。这些近距离测量的精度要求通常在毫米量级。在封闭管内操作时，从换能器发出的超声波能量不仅沿着管的轴线传播，而且一些超声波能量还沿着侧壁反弹，创建引起返回波形形状和强度的波动的驻波的图案。

虽然波形形状的变化仍然允许可接受的飞行时间测量精度，但是当用于药物输送设备时，测量精度可能需要在100微米量级，以确保精确的剂量测量数据。这种高分辨率需求对系统性能提出了更高的要求。返回信号形状和强度的波动使波形飞行时间的精确测量变得非常复杂，需要使用匹配的滤波器或类似的方法。

实施这样的算法的一个障碍是需要对模拟波形进行非常高频率的采样(例如，10mhz量级的采样)。在诸如药筒的一次性设备的情况下，这样的模数转换器的所需成本和功耗可能是负担不起的。

本文呈现的公开利用微处理器(“控制器”的一个实施例)的数字输入(通用输入/输出或硬件中断)来获得由超声生成的波形每次以上升沿或下降沿与给定阈值交叉的时间戳。对于两个或多个唯一的阈值(名义上一个高于波形的中性轴，一个低于波形的中性轴)，可以重复这个过程，产生已知在两个或多个y值处位于波形上的点集合。

然后可以使用样条或类似函数(例如，三次样条或其它多项式插值)来拟合这些点，以生成共享原始信号的关键特征的波形。

在阈值交叉的频率低的实例中，三次样条拟合可能不理想，导致不反映原始波形的高幅度、低频率行为(参见例如图2a的0.000066和0.000068秒时间间隔之间的“三次样条重构线”)。这可以通过使用数字高通滤波器容易地消除。本文呈现的方法利用相对低成本的微处理器上的高速数字i/o来获得高频模拟信号的基本结构。在一些实施例中，包络滤波器可以用于返回波形以生成信号包络，并且波形的上升沿和下降沿可以跨变化的阈值而被重复测量。此外，可以使用三次样条插值之外的其它方法，诸如测量点之间的简单插值。

可以理解，将重构的波形(或“曲线”)与记录的柱塞头在药筒中的已知位置处的模板或预期波形进行比较。这两个波形之间的位置差异可以用于评估塞子的相对运动。虽然使用单个重构的波形来计算飞行时间是可能的，但是结果测量将受制于与仅使用第一阈值交叉的精度限制/误差相同的精度限制/误差。查看波形中的多个偏移允许对柱塞头的前进进行精确测量。

本文公开的技术是有利的，因为它们减少了置于柱塞头中的控制器上的处理负荷。这有助于降低电池消耗(延长柱塞头的工作寿命)，并且也降低了控制器的硬件要求(降低了设备的总体成本和尺寸)。

以下描述将讨论上述实施例、以及其它实施例，因为它们与附图相关。

图1a图示了根据本公开的实施例的用于液体注射和剂量跟踪的系统100。系统100包括药筒101、注射笔121和处理设备141。

药筒101包括筒主体103、柱塞头105和调剂端109。本领域普通技术人员将理解，根据本公开的教导，药筒101可以采取其它形式，可以设置在泵(例如，胰岛素泵)中，甚至可以是注射器的主体。

在所描绘的实施例中，柱塞头105适于适合在药筒主体103的内腔内，并且柱塞头105包括换能器195、微控制器191、电源193和发送器197。微控制器191耦合到换能器195，使得响应于来自微控制器191的控制信号，换能器195将超声波发射到药筒101的内腔中。电源193耦合到微控制器191以为微控制器191供电。无线(或者在其它实施例中，有线)发送器197可以耦合到微控制器191，使得响应于超声波从调剂端109反射回柱塞头105，微控制器191计算药筒101中的液体量，并且无线发送器197将数据(包括关于药筒101中的液体量的信息)发送到处理设备141。

注射笔121是手持设备，包括针123、腔室125(成形为接纳药筒101)、主体127(包括推入柱塞头105并从药筒101抽取液体的药物调剂致动器)和药物输送控制开关129(扭转开关以控制剂量)。然而，如本领域普通技术人员将会理解的，注射笔121可以采取其它构造并具有其它组件。可以理解，注射笔121可以是普通商店购买的注射笔，并且药筒101被配置为适合在大多数普通注射笔中。

处理设备141(例如，智能手机、平板电脑、通用计算机、分布式系统、连接到互联网的服务器等)可以被耦合为从药筒101接收数据，以存储/分析数据。例如，在所描绘的实施例中，处理设备141是智能手机，并且智能手机具有运行记录已经从注射笔121消耗了多少胰岛素的应用。此外，应用正在绘制在过去一周内用户已经调剂了多少胰岛素。该信息可能已经直接从微控制器191/发送器197接收，或者如果注射笔121包括信号放大电路或插头(微型usb端口等)，则该信息可能已经从注射笔121获取。本领域普通技术人员将理解，根据本公开的教导，有许多方法使得处理设备141可以解析注射数据并电耦合到药筒101。

图1b图示了根据本公开的实施例的用于图1a描绘的液体注射和剂量跟踪的柱塞头105。与图1a相似，柱塞头105包括换能器195(例如，压电换能器、线圈换能器等)、微控制器191(其是“控制器”的一个实施例)、电源193和发送器197。如图所示，换能器195耦合到微控制器191，以响应于来自微控制器191的电信号而发射超声波信号(示为远离换能器195延伸的虚线)。电力可以由耦合到微控制器191、换能器195和发送器197的电源193(例如，电池、电容器等)提供。可以理解，控制器191可以包括向换能器195施加电压的其它电路。例如，控制器191可以跨(across)换能器195中的压电体施加电荷，然后设置在控制器191中或控制器191周围的开关可以使跨压电体施加的电势短路，使得压电体振动并发射超声波信号。

在所描绘的实施例中，柱塞头包括密封外壳199(例如，金属或塑料“容器”)，并且换能器191、电源193、发送器197(例如，蓝牙、rifd等)和控制器191设置在密封外壳199内部。可以理解，密封外壳199可以被设计为充当共鸣板来放大或至少不衰减超声波信号。此外，聚合物181(例如，弹性体等)至少部分地包围密封外壳199，以与药筒的主体形成气密密封，以便防止液体泄漏。在所描绘的实施例中，聚合物181被成形为类o形环状结构。然而，在其它实施例中，密封外壳199可以被聚合物181完全包围(例如，在所有侧面上)。因此，在一些实施例中，从换能器195发射的超声波信号在其被发射时和在其被接收时传播通过密封外壳199和聚合物181。

如图所示，控制器191的数字引脚(例如，经由焊料等)耦合到换能器195。如上所述，使用数字引脚(而不是模拟引脚)来获得波形每次以上升沿或下降沿与给定阈值交叉的时间戳可能是有利的，因为这可以降低所需的处理能力。

如图所示，控制器191包括逻辑(例如，硬件、固件、软件、或其组合，其是控制器191的一部分或存储在存储器中)，当该逻辑由控制器191运行时使得柱塞头105执行各种操作。例如，当柱塞头105设置在药筒中时，柱塞头105可以沿着药筒的长度发射超声波信号。换能器195可以在超声波信号从药筒105的调剂端反射之后接收超声波信号。可以理解，在一些实施例中，调剂端可以包括额外的几何形状或插入物，以改善超声波信号反射。在反射超声波信号之后，当换能器接收的超声波信号具有大于第一阈值的幅度绝对值时，控制器191可以将时间戳与超声波信号关联。在一个实施例中，当换能器接收的超声波信号具有大于第一阈值或不同于第一阈值的第二阈值的幅度绝对值时，发生关联时间戳。因此，可能有触发时间戳的多于一个的阈值。一旦获得，时间戳可以存储在存储器中。

时间戳然后可以用于计算超声波信号的飞行时间。飞行时间可以用于计算柱塞头在药筒中的位置、药筒中的液体的体积或从药筒调剂的液体的体积。可以理解，包括时间戳或从时间戳导出的数据可以被发送到外部设备(参见例如图1a)以执行这些计算。

如将由图2a和图2b所示的，控制器199可以将包括时间戳的多个时间戳与接收的大幅度超声波信号关联，并且将曲线拟合到多个时间戳。曲线然后可以用于使用匹配滤波器或类似算法来评估飞行时间。在一个实施例中，拟合曲线包括使用样条函数或另一函数来产生周期波形。此外，利用样条函数计算的原始波形可以进一步被(例如，高通滤波器等)滤波，以产生具有基本相同周期的一系列振荡。

图2a-图2b图示了根据本公开的实施例的示出了本文公开的剂量跟踪的技术的效果的实验数据。

图2a示出了换能器接收的实际波信号(短虚线201)、检测到的阈值交叉—“时间戳”(点203)、拟合阈值交叉的三次样条曲线(长虚线205)和滤波后的重构的波形(实线207)的曲线图。如图所示，换能器接收从药筒的调剂端反射的超声波信号。因此，当换能器电压信号在波形的中性y值(此处为～2.55v)的任一侧与(多个)预定阈值(此处为～2.4v和～2.7v)交叉时，记录时间戳(点203)。因此，在所描绘的实施例中，每当跨换能器的电压(上升或下降沿)与2.4v交叉或与2.7v交叉时，记录时间戳。换句话说，当换能器接收的超声波信号具有大于第一阈值或第二阈值(其不同于第一阈值)的幅度绝对值时，将记录时间戳。只对大信号进行时间标记，就可以移除噪声信号，而不需要太多的处理能力或内存。

一旦时间戳被记录在存储器中，控制器就应用拟合(这里是三次样条拟合)。三次样条拟合较好地示出了何时接收到反射，但是该拟合并不完美(例如，见0.000066和0.000068秒时间间隔之间的大误差)。因此，高通滤波器被应用于三次样条拟合，以产生具有基本相同周期的一组波。该组波与接收来自药筒的调剂端的反射相关联，并且可以用于计算飞行时间和关联的体积测量。本领域技术人员将理解，任何单个重构的波形可能不足以计算飞行时间。如果波形足够一致，则仅使用第一交叉作为飞行时间可能就足够了。然而，在许多实施例中，可能需要对照已知模板评估计算的波形，以确定最佳匹配/对准。

图2b示出了本文描述的使用以100mhz采样的完整的原始超声波形的技术的性能。如图所示，从药筒调剂的液体的计算的单位与调剂的实际单位很好地对准，并且完全在可接受的误差容限内(即，所需的性能包络)。

图3是图示了根据本公开的几个实施例的监测药筒中的液体量的方法300的流程图。过程块301-309中的一些或全部在方法300中出现的顺序不应被认为是限制性的。相反，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，方法300中的一些可以以各种顺序(未图示)运行，或者甚至并行运行。此外，根据本公开的教导，可以在方法300中添加块或从方法300中移除块。

块301示出了利用设置在成形为适合在药筒内的柱塞头中的换能器来沿着药筒的长度发射超声波信号。在一些实施例中，跨压电材料施加电压，并且然后电路被短路以产生形成超声波信号的振动。

块303图示了在超声波信号从药筒的调剂端反射之后利用换能器接收超声波信号。在一些实施例中，当被反射的超声波信号击中时，换能器可能变形，这使得施加到换能器的电压改变。因此，控制器可以接收这些电压改变。

块305描绘了确定由换能器接收的超声波信号何时具有大于第一阈值的幅度绝对值。例如，如果阈值是2.7v，并且超声波信号具有引起换能器中的2.8v响应的幅度绝对值，则控制器将确定已经接收到具有足够幅度的超声波信号。

块307图示了将时间戳与接收的具有大于第一阈值的幅度绝对值的超声波信号关联(例如，如果跨换能器的电压达到某一电压绝对值，则控制器将关联时间戳)。可以理解，可以使用振荡器、时钟或其它定时电路来促进时间戳。如图2a和图2b所示，关联时间戳可以包括关联多个时间戳，包括该时间戳。在一些实施例中，可能存在使得控制器关联时间戳的多于一个的阈值。

块309示出了使用时间戳来计算超声波信号从换能器传播到药筒的调剂端并返回换能器的飞行时间。使用飞行时间，还可以计算柱塞头在药筒中的位置、药筒中的液体的体积或从药筒调剂的液体的体积中的至少一个。可以理解，这些计算可以由柱塞头中的控制器或电路执行，或者可以由远程设备执行。

飞行时间可以通过将曲线拟合到多个时间戳来导出，并且一旦拟合了曲线，就相对于模板估计曲线的相对位置(或相位偏移)。拟合曲线可以包括使用样条函数等。在一些实施例中，在应用样条函数之后，(例如，高通滤波器)对曲线进行滤波，以产生具有基本相同周期的一组波。

上面解释的过程是根据计算机软件和硬件来描述的。所描述的技术可以构成体现在有形或非暂时性机器(例如，计算机)可读存储介质内的机器可运行指令，当机器(例如，控制器)运行该指令时，将使机器进行所描述的操作。另外地，该过程可以体现在硬件(诸如专用集成电路(“applicationspecificintegratedcircuit，asic”)或其他)内。控制器可以包括处理(例如，通用处理器、如asic之类的特定处理器等)、以及可以包括固件或软件的存储器。

有形机器可读存储介质包括以可由机器(例如，计算机、网络设备、个人数字助理、制造工具、具有一个或多个处理器的集合的任何设备等)访问的非暂时性形式提供(即，存储)信息的任何机制。例如，机器可读存储介质包括可记录/不可记录介质(例如，只读存储器(readonlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存设备等)。

对本发明图示实施例的以上描述(包括摘要中描述的内容)并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然本文出于说明性目的描述了本发明的具体实施例和示例，但是相关领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内，各种修改是可能的。

根据上述详细描述，可以对本发明进行这些修改。以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的特定实施例。相反，本发明的范围将完全由以下权利要求确定，这些权利要求将根据权利要求解释的既定原则来解释。