在液體藥劑輸送系統中使用的傳感器的製作方法

2023-05-18 23:10:21

專利名稱：在液體藥劑輸送系統中使用的傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及在液體藥劑輸送系統中使用的傳感器設備，其具有微流體室和光學檢測系統，還涉及具有這種傳感器設備的輸液泵設備和液體藥劑輸送系統，以及這種傳感器設備對於測量流體系統中的壓力和/或氣泡的存在的使用。
背景技術：
一般針對對可通過皮下輸液而給予的藥物具有持續且在一天過程中具有變化的需要的患者，使用用於自動釋放液體藥劑的設備。具體應用是例如特定疼痛治療以及對糖 尿病的治療。在這些情況下，使用了計算機控制的輸液泵設備，其可以由患者隨身攜帶，並在藥庫中包含特定數量的液體藥劑。藥庫通常包括對於一天或若干天來說足夠的藥物。通過輸液管或注射針將液體藥劑從藥庫供應至患者的身體。特別是在藥劑(例如，胰島素)的自己給予中，使用所討論的藥劑並憑藉輸液泵設備自己給予該藥劑的患者傾向於強調便利性和謹慎性。因此，對這種輸液泵設備的可接受的尺寸進行限制，以便不會通過穿衣而明顯並且儘可能舒適地攜帶。在優選類型的輸液泵設備中，液體藥劑由下行流泵從柔性容器獲得。柔性容器具有容器與其容量相比更小的容積剩餘的優勢，這降低了製造成本並實現了對更小總體尺寸的輸液泵設備的設計。在經由輸液泵設備的液體藥劑給予的上下文中，傳感器設備可以用於控制劑量，監視系統的正確操作，以及用於快速檢測故障和危險，例如阻塞的輸液線或管、空容器或者發生故障的泵系統。典型地，壓力傳感器設備被布置在泵設備的流體路徑下行流和輸液管的上行流中。典型地，這種壓力傳感器設備包括填充有液體且流體連接至流體系統的微流體室。該室被柔性的彈性膜覆蓋，使得傳感器室內部的流體壓力與外部(例如，大氣)壓力之間的壓力差將暫時使膜變型。然後，可以通過合適的手段來測量膜的由此產生的偏斜(deflection),以確定流體系統的內部壓力。用於測量膜的變形的合適方案是對膜的反射出的光束的光學檢測。例如，在「Amicrofluidic experimental platform with internal pressure measurements, 」 M. J.Kohl et al. , Sensors and Actuators A 118 (2005), pp. 212-221 中公開了這種壓力傳感器設備。圖I示意性地示出了根據現有技術的這種壓力傳感器設備6。與流體系統相連接的微流體室I包括剛性底基板11和柔性的彈性頂蓋12 (例如，膜)。光學檢測系統5被布置為通過確定光束53a與蓋膜12的交互來測量蓋膜12的變形。為此目的，發光設備51(例如，雷射二極體)以特定角度將光束53a導向至蓋膜12的表面上，在該表面處反射光束53b。微流體室的內部容積14與外部環境之間的壓力差Λ P作用於蓋膜12上，並根據該壓力差，使蓋膜12變形至特定程度12』。因此，反射的光束的角度改變，並且光束橫向偏移。通過觀察反射的光束53b、53b』的位置，可以測量蓋膜的變形，並且，基於所獲得的結果，可以確定壓力差值。為了能夠觀察反射的光束，光學檢測系統5中的檢測器必須被設計為可移動，或者，不同位置和不同角度處的多個檢測器必須被包括在根據現有技術的設備中。這兩個方面均使這種傳感器設備昂貴且難以製造。柔性的彈性頂蓋膜12是相當易碎的，並且因此易於毀壞。損壞或者甚至毀壞的蓋膜將導致錯誤的壓力測量和/或流體系統的洩漏，這兩者均不可接受。因此，應當保護頂蓋膜12免於機械毀壞以及其他有害的環境影響。同時，柔性頂蓋12必須保持可接入光學檢測系統5。光學檢測系統5可以被布置在膜12的合適的保護蓋內。然而，由於包括任何壓力傳感器設備的液體輸液泵系統的流體系統一般被設計為一次性(disposable)部件，因此出於衛生的原因，這種解決方案是非常昂貴的，這是由於將必須與微流體室一起丟棄檢測器系統5的任何光發射和接收設備。
重要的是，壓力傳感器設備的微流體室沒有氣泡，以避免系統或隨機測量差錯。微流體傳感器室中(以及更一般地，流體系統內任何位置)的氣泡降低流體系統的硬度，並且因而延遲傳感器對在流體系統變得阻塞的情況下可能發生的壓力改變的響應。結果產生的不能再現的測量差錯可以降低輸液泵設備的劑量準確度，並增加對阻塞事件的響應時間。輸液泵設備的流體系統中(特別地，泵系統中)而且還有其他組件(例如，容器)中存在的氣泡還造成另外的問題。如果氣泡保持處於流體系統中，則可能給予這些氣泡而不是液體藥劑，這導致潛在危險的劑量差錯。此外，出於醫療原因，一般應當避免將空氣給予患者體內。流體系統(特別地，輸液泵設備中)的另一問題是流體系統中的死容積。不能使用所述死容積，這意味著不能完全清空或排空所述死容積。因此，死容積顯著提高了每劑量的有效成本，並且因而提高了總體治療成本，這是由於特定百分比的液體藥劑不可避免地保持處於流體系統中並必須加以處理。該負面成本效應對昂貴的藥劑來說特別重要。此外，給定總體庫大小的特定死容積的相對部分隨著絕對庫大小的減小而增大。因此，最小化死容積隨著庫大小的減小變得越來越重要。為了在首次填充流體系統(系統的所謂起動注水(priming))時避免微流體室中的氣泡，必須以受控的方式填充該室。然而，該目標可能受在該首次填充過程期間微流體室在空間中的非受控定向阻礙，這是由於重力場導致作用於氣泡上的浮力。根據微流體室的定向和設計，可以在該室的特定區域中捕捉到氣泡。由於流體系統中的氣泡可能造成的如上解釋的許多問題，急切地需要能夠檢測流體系統中的氣泡的可靠且便宜的傳感器。對於本說明書，術語「空氣」的意義不應僅包括空氣本身，而是還包括可存在於流體系統中的任何氣體或氣體組成，特別是純氮或其他保護氣體。發明目的
本發明的目的是提供一種在流體系統中(特別是在用於液體藥劑的輸液泵設備中)使用的有利的傳感器設備，其克服上述以及其他問題中的一個或多個。本發明的另一目的是提供一種在流體系統中使用的有利傳感器設備，其可以用作壓力傳感器和/或氣泡傳感器。本發明的又一目的是提供一種具有較不複雜的光學檢測系統的傳感器設備。有利地，在這種傳感器設備中，可以容易地將光學檢測系統與其他組件對準。
本發明的另一目的是提供一種對其組件的組裝中的小變化不敏感的傳感器設備。在根據本發明的傳感器設備中，任何敏感部件應當是能夠保護免於機械毀壞的。有利地，該傳感器的與液體接觸的任何部件被布置在能夠可釋放地附著至可再用的子單元的分離子單元中。這種傳感器設備應當提供小的死容積，並且其應當是可填充的，而沒有空氣保持處於該室中，本質上不依賴於其在空間中的定向。其應當是可在大規模製造中低成本地生產。
此外，本發明的目的是提供一種輸液泵設備或者輸液泵設備的部件，以及具有根據本發明的傳感器設備的液體藥劑輸送系統。這些和其他目的由根據獨立權利要求所述的傳感器設備、輸液泵設備和液體藥劑輸送系統實現。在從屬權利要求中給出了有利實施例。

發明內容
在液體藥劑輸送系統中使用的根據本發明的傳感器設備具有微流體室，其包括剛性底基板和蓋；以及光學檢測系統，其被布置為朝向所述蓋發射一個或多個光束，並觀察從所述蓋反射的一個或多個光束。所述光學檢測系統被布置在底基板的與所述蓋相對的側上。有利地，照射到所述蓋上的一個或多個光束和/或一個或多個反射的光束經過所述微流體室的底部結構。包括所述光學檢測系統的可再用的部件可以耦合至包括所述微流體室的一次性部件。在這種傳感器設備的有利實施例中，所述蓋是柔性的彈性蓋膜，並且所述光學檢測系統被布置為確定所述蓋膜的變形。這種有利傳感器設備可以用作壓力傳感器設備。當在流體系統的外部壓力和內部壓力之間不存在壓力差時，頂蓋膜保持平坦。在正壓力差的情況下，膜將向外凸出。然後，使用柔性膜的外表面的結果產生的位移來確定當前壓力差。在根據本發明的這種壓力傳感器設備中，所述光學檢測系統通過所述室的底部結構和液體填充的內容積來測量所述蓋膜的變形。因此，可以通過將便宜的保護蓋覆蓋於膜上來保護敏感膜的外側免於機械毀壞和環境影響。在傳感器設備的另一有利實施例中，對所發射的光束的波長進行選擇，以使得所述微流體室中的液體在該波長處示出高吸收係數。這種實施例特別有利地作為氣泡傳感器設備。在根據本發明的傳感器設備的又一有利實施例中，所述光學檢測系統包括兩個或更多個光電傳感器或者光電傳感器陣列。有利地，根據本發明的傳感器設備被適配為使得在所述蓋的流體接觸表面上反射一個或多個光束。所述流體系統中的液體一般是水或水溶液。對於水，有利波長是例如630 nm或1400 nm。在270 nm處給出針對典型胰島素劑型的吸收最大值。因此，這種波長特別有利
地與胰島素泵系統一起使用。當氣泡經過光束時，沿光路徑的吸收率顯著降低，並且檢測到更多光。因此，這種傳感器設備可以用於識別空氣在光束的路徑中的存在，並且因而能夠檢測氣泡的經過。如果根據本發明的設備包括兩個或更多個光電傳感器，或者甚至包括光電傳感器陣列，則相比於其他檢測器上的信號評估不同檢測器上測量出的信號，以便測量蓋膜的偏斜，並且由此確定流體系統中的壓力。另一方面為了檢測空氣在光路徑中的存在並且由此檢測氣泡，評估所檢測到的光的絕對強度。這兩個信息通道本質上彼此無關。在僅存在一個在根據本發明的傳感器設備中使用的光電傳感器的情況下，還有可能檢測到氣泡。氣泡將導致所檢測到的光信號的增大，而蓋膜的偏斜將使光束從光傳感器偏離，從而減小所檢測到的光信號。因此，根據本發明的傳感器設備具有以下特定優勢可以以使得其可以同時被用作壓力傳感器和氣泡傳感器的這種方式來實現該傳感器設備。在根據本發明的這種傳感器設備的有利實施例中，所述底部結構包括稜柱狀結構，所述稜柱狀結構用於將來自底部結構材料的光束耦合至所述微流體室的內容積中的液體中，和/或將來自所述液體的光束耦合至所述底部結構材料中。
使用這種稜柱結構的主要優勢之一在於返回的所反射的光束的路徑由稜柱結構限定。光學傳感器可以被布置在稜柱結構之下。因此，所述光學檢測系統可以被實現為不具有移動部件的靜態系統。僅需要所限定的小數目的檢測器，其可以關於所述稜柱結構容易地對準。根據本發明的傳感器設備中的光學檢測系統的正確功能對檢測器的位置和定向中的較小變化不敏感。因此，製造和組裝過程中必要的準確度降低，這降低了傳感器設備的總體成本。在一個有利實施例中，傳感器設備的頂蓋膜是可透氣的，其具有以下優勢傳感器設備中剩餘的任何氣泡可以通過蓋膜而排出。在根據本發明的傳感器設備的特別有利實施例中，一個或多個壁或填充物位於所述室中，所述壁或填充物在其間限定了流體通道，使得所述流體通道從所述室的入口延伸至所述室的出口。所述壁或填充物中的每一個所具有的高度小於由所述底部結構與所述蓋膜之間的距離限定的所述室的高度，以便在每個壁或填充物的頂表面與所述蓋膜之間限定流體間隙。對所述壁或填充物和所述室的尺寸進行選擇，以使得當液體被引入到流體室中時，經由所述流體通道、通過毛細力、利用液體來填充所述流體間隙。換言之，將通過毛細力、利用被引入到流體室中的液體來填充與所述流體通道的由所述液體填充的部分相鄰的流體間隙。與現有技術相比，根據本發明的這種傳感器設備具有顯著減小的死容積。此外，在負壓力差的情況下(在這種情況下蓋膜將朝向該室向內位移)，在特定實施例中，壁可以支撐蓋膜，從而避免膜自身對微流體室的阻塞。在根據本發明的這種傳感器設備的甚至更有利的變型中，在所述壁或填充物中提供稜柱狀結構以用於將來自所述壁的底部結構材料的光束耦合至所述微流體室的內容積中的液體中，和/或將來自所述液體的光束耦合至所述底部結構材料中。有利地，所述底部結構的表面的至少一部分、和/或所述壁、和/或面向所述室的內容積的頂蓋膜是親水性的。這增大了間隙中的毛細力，特別是對於水溶液來說。間隙的高度有利地介於約O. 02 mm與約O. 2 mm之間，並且更有利地介於O. 05 mm與O. 15 _之間。所述流體通道可以具有彎曲或蜿蜒狀的形狀，或者可以是直的。根據本發明的傳感器設備的一些實施例具有兩個或更多個流體通道。可以通過將根據本發明的傳感器設備的微流體室的入口導管和出口導管流體連接，提供設旁路繞過該室的附加導管，這具有增大微流體室的流量並且因此增大傳感器設備的流量的優勢。有利地，旁路導管的入口的寬度小於入口導管的寬度，以防止氣泡進入所述旁路導管。在根據本發明的傳感器設備的另一有利變型中，一個或多個附加出口導管從所述流體通道分岔。由於可以大量地且在連續生產線上製造根據本發明的傳感器設備的微流體室，因此每件的有效成本足夠低以使得這些微流體室可以被實現為一次性使用的產品。根據本發明的輸液泵設備和根據本發明的液體藥劑輸送系統包括如上所討論的 根據本發明的傳感器設備。本發明的另一有利方面是如上所討論的根據本發明的傳感器設備對於測量流體系統中的壓力和/或測量流體系統中的氣泡的存在的使用。


為了便於更全面理解本發明，現在參考附圖。這些參考不應解釋為限制本發明，而是僅意在是不例性的。圖I在橫截面視圖中示意性地示出了本領域公知的傳感器設備，其具有微流體室和光學檢測系統。圖2在橫截面視圖中示意性地示出了根據本發明的傳感器設備的實施例。圖3在橫截面視圖中示意性地示出了根據本發明的傳感器設備的另一實施例。圖4 (a)在俯視圖中以及圖4 (b)在沿平面A— A的橫截面中示意性地示出了在根據本發明的傳感器設備中使用的微流體室的典型實施例。圖4 (c)示出了圖4 (b)的詳細視圖。圖5示出了在兩個後續階段中在根據本發明的傳感器設備中使用的微流體室的實施例中的液體在真實實驗中填充該室期間的分布。圖6 (a)在俯視圖中以及圖6 (b)在沿線A— A的橫截面中示意性地示出了與蜿蜒流體路徑相結合的具有稜柱狀結構的根據本發明的傳感器設備的有利實施例。圖7示出了在如圖6所示的根據本發明的傳感器設備中使用的稜柱結構的不同替換變型。圖8描繪了在根據本發明的傳感器設備中使用的微流體室的四個其他可能示例性實施例。圖9示意性地示出了在流體通道中存在氣泡的根據圖6的傳感器設備。圖10示出了(a)在根據本發明的傳感器設備中使用的微流體室的實施例，沿該室中的流體通道具有附加出口，從而提供捕獲氣泡的能力；以及(b)在根據本發明的傳感器設備中使用的微流體室的實施例，具有旁路附加導管。
具體實施例方式在圖2中在經過根據本發明的傳感器設備6的微流體室I的橫截面中描述了根據本發明的傳感器設備6的第一實施例。微流體室I包括底部結構11和頂蓋膜12，其限定了室I的內容積14。該室流體連接至流體系統(未示出)。蓋膜12是柔性且彈性的。在根據本發明的傳感器設備作為壓力傳感器進行操作的期間，微流體室I的內容積14填充有液體。內容積14的液體與外部環境的壓力(例如，大氣壓)之間的壓力差Λρ作用於蓋膜12上，並向外凸出膜12』。當壓力差下降時，變形且由此偏置的膜朝向無載平坦狀態返回。蓋膜12的變形的數量取決於壓力差ΛΡο因此，可以使用膜12的變形來測量壓力差。使用彈性聚合物作為蓋膜的材料，可以使用直徑處於例如2 mm至7 mm範圍內的圓形膜來測量Ombar與200 mbar之間的壓力差。對於更大的壓力差,使用更小的直徑,這是由於膜的變形不應當超過由所使用的材料限定的特定機械界限。在根據本發明的傳感器設備的所示實施例中，發光設備51(例如，雷射二極體或發光二極體)向頂蓋膜12發射準直的光束53a。光束53a的路徑穿過室的透明底部結構11和 內容積中的液體介質4。有利地，底部結構由透明聚合物材料(例如，PMMA或聚苯乙烯)製造。在將光從底部結構材料112轉移至液體介質4時，根據兩個材料的折射率之比，折射光束。然後，光束53a被蓋膜12的內和/或外表面反射。蓋膜可以是被塗覆以增加反射的金屬蒸氣。反射束53b再次經過液體4和底部結構材料112，並最終被光電傳感器52、52』(例如，光電二極體或光電電晶體)接收。發光設備51和光電傳感器52、52』二者均位於微流體室的與膜12相對的側上。因此，與現有技術相比，如圖2所示的根據本發明的壓力傳感器設備6具有以下特定優勢光學檢測系統5不需要接入膜12的外表面。因此，通過將光耦合經過室的底部結構11，可以向膜12提供保護蓋或外殼(未示出)，從而掩蓋膜12免於機械毀壞和環境影響。保護蓋的定位或光學特性不需要高準確度，這就降低了製造成本。此外，保護蓋可以用於將膜的變形限制於特定最大水平，從而防止膜免於由於流體系統中的過壓而引起的不可逆的毀壞。如果膜將必須可從外部光學接入，則對蓋的這種有利的附加使用將是不可能的。光學檢測系統可以是根據本發明的傳感器設備的可再用的子單元的一部分，該可再用的子單元可以可釋放地附著至微流體室的與蓋膜相對的較低側，優選地，該蓋膜被蓋永久且不可接入地保護。該室可以是傳感器的一次性子單元的一部分，包括與液體藥劑相接觸且必須不可再用的所有部件。在特別有利的實施例中，光學檢測系統是輸液泵設備的可再用的單元的一部分，該可再用的單元可釋放地耦合至泵設備的一次性單元，其包括具有微流體室的流體系統。當蓋膜變形12』時，根據變形程度，反射的光束的路徑偏移和偏斜53b』。光電傳感器52僅可以接收光束53b，只要其處於特定空間範圍內即可。因此，在具有一個單一光電傳感器的傳感器設備的建立中，僅有可能確定蓋膜12的變形或對應的壓力差是否處於預定的目標範圍內，所述預定的目標範圍與光電傳感器的空間檢測範圍相對應。因此，在這種實施例中，光學檢測系統5遞送與特定壓力閾值相關的二進位開/關信號，該特定壓力閾值可以由輸液泵系統的控制單元使用。這種相對簡單的系統完全足以檢測流體線中的阻塞。在圖2所示的實施例中，提供了兩個光電傳感器52、52』。第一傳感器52接收膜變形的第一範圍內的反射光束53b,包括針對未變形膜12的狀態,等價於零壓力差。第二光電傳感器52』接收相鄰變形範圍內的反射光束53b』，包括膜12』的最大可允許變形狀態。代替一個或兩個光電傳感器，可以使用多個傳感器。在特別有利的實施例中，使用CCD傳感器陣列52來檢測反射光束，這將允許以高橫向解析度確定膜變形，並由此將允許以提高的精確度測量壓力差。這種實施例遞送了與壓力有關的更詳細信息，並且因此，在控制單元使用壓力值來計算和/或監視液體的當前流動和所給予的液體藥劑劑量的情況下是有利的。CCD傳感器陣列的使用具有以下另外的優勢陣列關於微流體室的角定向的特定範圍內的偏離可以被校準測量考慮。這提高了測量的精確度，並允許校正當可再用光學檢測系統耦合至新傳感器室時該可再用光學檢測系統的對準的變化。可以在蓋膜12的任何位置上選擇光束53a的反射點531。所述位置531與膜的中心越接近，則膜12在垂直方向(與未偏斜膜垂直)上的偏斜越大，這與反射點531』的更大橫向偏移相對應，並由此與反射光束的更大橫向偏移53b』相對應。位置531與室的邊界越·接近，則膜表面12的傾斜的改變越大，並且由此，變形時的反射角的改變越大，這也與反射光束53b的更大偏移相對應。為了獲得最高解析度，必須從發光設備51和光電傳感器52、52』的位置和定向中選擇最優值。例如，良好的位置是微流體室的半徑的50%處的反射點。在圖3中示出了根據本發明的傳感器設備的另一有利實施例。在該特定實施例中，為底部結構11提供了從底部結構11突出的稜柱狀結構16、16a、16b。第一稜柱狀結構16用於將由發光設備51從底部結構的介質112發射的準直光束53a耦合至室中的液體介質4中，從而允許光束53a在蓋膜12上的入射角更陡。兩個其他稜柱狀結構16a、16b被用於將反射光束53b、53b』耦合回到底部結構材料112中。代替兩個稜柱狀結構和兩個光電傳感器52、52』(如圖3所示)，可以應用多個這種稜柱和/或包括CCD傳感器陣列的多個光電傳感器，以提高解析度。根據本發明的傳感器設備的這種實施例的重要優勢是光學檢測系統5對其關於微流體室的定向的較小偏離不敏感。這種較小變化可以在可再用部件和一次性部件耦合時發生，甚至在提供引導結構時發生。由於反射光束53b、53b』被稜柱結構16a、16b引導至位於稜柱結構下面的對應光學傳感器52、52』，因此傳感器的較小橫向位移將不會影響光學檢測系統的準確度。甚至可以校正影響稜柱和傳感器的對準並由此影響由傳感器檢測到的光量的更大位移，這是由於所有傳感器將遭受相同的未對準量。由於所有檢測器都被定向於相同方向上，因此設備的組裝可以由標準自動安置機器執行，這顯著降低了製造成本。在圖4中示出了適合用在根據本發明的傳感器設備中的微流體室的特別有利實施例。圓形的流體室I包括底基板11和頂蓋12。頂蓋12與底基板11間隔開特定高度H1，從而限定了室I的內容積14。八個壁13布置在流體室I中，並限定了從入口 21延伸至位於室I的相對側上的出口 22的蜿蜒狀流體通道12。因此，入口導管211和出口導管221通過流體通道12而流體連接。壁13的高度H2小於室I的總體高度H1。因此，在頂蓋12與壁13的上表面131之間存在流體間隙3，具有高度H3 = Hl - H2。對室和壁的尺寸(具體地，H1、H2、H3)進行選擇，使得存在不可忽略的毛細力作用於存在於微流體室I中的流體4上。流體通道2中的流體4將被所述毛細力拖拽至流體間隙3中。具體尺寸一方面取決於所使用的液體，並且另一方面取決於頂蓋12的表面和壁13的頂部131的屬性，因為這將最終限定液體、表面和室中的氣體/空氣之間的界面張力，於是，這將針對微流體室的特定幾何設置限定有效毛細力。由於在大多數情況下液體藥劑是水溶液，因此優選地，至少大多數相關表面(即，壁13的頂表面131的表面和頂蓋12的面向表面131的表面)是親水性的，其中接觸角< 90°，以便增加總體毛細效果。對於水溶液，間隙3的高度H3的優選範圍處於20 μπι與200 μ m之間，並且優選地處於50 μ m與150μ m之間。室I和流體通道2的尺寸較不關鍵。微流體室I的典型直徑可以例如處於約2_至 10mm之間。流體通道可以具有例如O. Imm至I mm的寬度，而壁13的高度H2處於O. 25mm至5 mm之間的範圍內，並優選地處於O. 5 mm與I mm之間。流體通道2的寬度與高度H2之間的高寬比可以處於O. 25與5之間，並優選地約為I。當通過入口 21利用液體4填充微流體室I時，液體將本質上沿流體通道2流動。毛細力會將流體通道2中的液體4拉拽至間隙3的相鄰部分中，從而有效地排擠掉間隙中存在的空氣。在能量方面有利得更多的情況是，空氣形成球形泡，其最小表面朝向親水的圍繞物，並且由此，沒有氣泡保持處於間隙3中。在圖5中以實驗方式演示了適合與根據本發明的傳感器設備一起使用的這種微流體室I的第一次填充。在圖5 (a)中，水溶液4已經沿下行流流經入口導管211和入口21至流體通道2中，並且當前處於位置B處。由於間隙3中的毛細力，液體4流動至間隙3的與已填充的流體通道2相鄰的部分3. 1,3. 2,3. 3、3. 4中。在間隙中，位置B的下行流的流體通道2的仍填充有空氣或氣體7的周圍部分限制了液體的進一步流動。因此，間隙3是逐部分地填充的。圖5 (b)示出了稍後的階段，其中，液體4已經在流體通道2中行進至位置C。間隙3的除部分3. 10外的所有部分都填充有液體4,部分3. 10尚未與液體相接觸並仍填充有空氣7。在圖5中清楚可見，沒有空氣7保持處於室的已由液體4填充的部分中。當液體將最終已到達出口 22和出口導管221時，將完全填充微流體室I。沒有空氣7保持處於微流體室中。間隙中的氣泡在能量方面不如流體通道2中的氣泡優選。因此，在稍後階段在間隙3中也將不形成氣泡，並且，如果在間隙3中形成氣泡，則這些氣泡將遷移至流體通道2中。另一方面，出於能量的原因，流體通道2中的氣泡不會進入間隙3，但將被液體流傳輸走。微流體室I的所示能力與其在空間中的定向無關。由於負責間隙的平滑填充的毛細力和界面張力比作用於液體上的重力和作用於液體中的氣泡上的浮力更強得多，因此微流體室最終將完全填充液體4，而與其定向無關。因此，這種微流體室的填充行為是可預測且可再現的，這對在根據本發明的傳感器設備中使用來說非常有利。由於微流體室的操作內容積小於具有類似尺寸的中空微流體室的操作內容積，因此死容積(流體系統中的流體容積的絕不可能被排空且最終將在丟棄傳感器設備時丟失的部分)顯著減小。所公開的微流體室的另一優勢在於以下事實將通過流體通道，將通過入口進入室的氣泡引導至出口。由於流體通道的有效橫截面區域本質上在其長度上恆定，因此液體流在其長度上也恆定，並不會在特定位置處下降。因此，無法在流體室中捕捉到氣泡。在圖6中公開了特別有利的傳感器設備6，並且其例證了傳感器設備的特別有用的實施例，其中，將根據本發明的傳感器設備的有利光學檢測方案與具有蜿蜒流體通道2的微流體室的優勢進行組合。這種傳感器設備的微流體室I本質上與圖4所示的實施例相對應，同時，與圖3類似地實現檢測。在矩形檢測區域55中，將室I的壁13減小至稜柱狀結構16、16a、16b，以便將在壁中傳播的入射光束53a耦合至液體4中，並將反射光束53b、53b』耦合回到壁和底部結構11中。稜柱結構僅形成壁13中的窄間隙。這防止沿檢測區域的流體阻力降至低於沿流體通道2的流動阻力。發光設備51被布置為直接處於第一稜柱狀結構16下面,並發射在壁中傳播的準直光束53a，直到準直光束53a到達傾斜的稜柱表面為止，在該傾斜的稜柱表面處，向反射 點531折射光束。在蓋膜12上反射之後，反射光束53b照射到第二稜柱狀結構16a的稜柱表面上，在該稜柱表面處，朝向被布置為直接處於稜柱16a下面的光電傳感器52折射光束。當壓力差增大時，膜變形，並且反射點531』移動至右側。反射光束53b現在照射到第三稜柱狀結構16b的稜柱表面上，併到達第二光電傳感器52』。在進一步增大壓力差的情況下，反射光束到達下一稜柱16c等。稜柱結構的傾角和總體尺寸取決於微流體室的尺寸和屬性、針對光束而使用的波長、底部結構材料和液體介質的折射率以及其他因素，並必須針對特定傳感器幾何結構而米用。在圖7 (a)至(d)中描繪了可能稜柱結構的其他示例。在圖7 (a)和(b)所示的變型中，稜柱結構是窄的，具有用於收集照射的光的較大稜柱表面。從光學檢測的觀點來看，這種設計是有利的。然而，窄的稜柱結構導致沿檢測區域55的流動阻力減小，這對微流體室I的屬性來說較不有利。在圖7 (C)和(d)中的實施例中，稜柱狀結構與其他壁13 —樣寬。這增大了沿檢測區域的流動阻力。另一方面，可用於接收光的稜柱的表面減小。微流體室可以具有圓形形狀，如圖6所示的傳感器設備的實施例中那樣，或者具有任何其他合適形狀。這對微流體室中的流體通道的具體設計來說同樣適用。依照根據本發明的傳感器設備的具體設計，微流體室的一些實施例相比於其他實施例可以是優選的。圖8示出了適合於與根據本發明的傳感器設備一起使用的微流體室的多個可能變型。在圖8 (a)中，流體通道2的蜿蜒部布置在橢圓形的室I中，而在圖8 (b)的實施例中，室I具有矩形形狀。在圖8 (c)中，示出了具有蜿蜒流體通道12的替換路線的圓形室I。代替僅具有一個流體通道2，微流體室的壁13可以在室內限定兩個或更多個流體通道，從公共入口延伸至公共出口。圖8 (d)示出了微流體室I的這種實施例。入口導管211通過公共入口 21朝向室I打開。然後，流體通道分割為兩個分離的流體通道2、2』，這兩個分離的流體通道2、2』在公共出口 22處再次接合。在這種實施例中，優選地，提供了建設性的裝置(例如，流動屏障)，其確保了在填充過程期間，在液體流進一步行進通過出口 22之前完全填充室I。流體通道的彎曲或蜿蜒的設計對具有較大基底區域的流體室來說是有利的，這是由於流體通道與間隙的外邊緣之間的最長可能距離較短。此外，蜿蜒的流體通道可以用作用於限制經過流體系統的最大流量的高效裝置。在到目前為止討論的根據本發明的傳感器設備的實施例中，微流體室I包括底部結構11和頂蓋膜12，底部結構11和頂蓋膜12沿室I的外緣一起密封在密封區域15中。底基板11和頂蓋12的合適材料是例如聚合物材料。用於將兩個基板11、12相連接的合適方法是熱接合，雷射接合、膠合等。壁13可以被實現為底基板11的必要組成部分。在這種情況下，作為示例，流體通道2以及甚至入口和出口導管可以是通過將必要的孔隙結構浮凸至平坦的底部結構12中來產生的。為了獲得必要的間隙3，可以在底層結構與室周圍的頂層12之間布置高度為H3的薄分隔層，或者可以在浮凸步驟中產生間隙以及流體通道和壁。用於製造微流體室的另一合適技術是注模。在可能的替換方案中，壁13被實現為分離的填充結構，這些分離的填充結構被安 裝至平坦底層11上。在該方案中，填充體可以附著至底層，並且然後可以以夾層狀的方式布置在所述底層與相鄰頂層之間。在根據本發明的傳感器設備的尤其有利實施例中，對用於檢測的波長進行選擇，使得其在液體中具有高吸收係數，該液體在大多數情況下將是水溶液。有用的波長包括在其中水具有高吸收係數(例如，630 nm或1400 nm)的那些波長。在270 nm處給出典型胰島素劑型的吸收最大值。因此，這種波長對與胰島素泵系統一起使用來說特別有利。儘管在液體介質4中吸收了輻照光的一部分，但是光電傳感器接收足以遞送可靠結果的信號。然而，如果沿流體通道2拉拽氣泡，並且氣泡到達檢測區域55，則吸收強烈減小，並且由光電傳感器中的一個或多個接收到的信號顯著增大。信號強度的這種突然增大可以後續用於對輸液泵設備的用戶和/或控制系統生成以下警告消息在流體系統中存在氣泡；以及傳感器的可靠性可能受到損害。因此，根據本發明的傳感器設備還可以用於檢測流體系統中的氣泡，並確定其壓力測量值是否可能由於在傳感器中存在氣泡而錯誤。圖9示出了用作氣泡傳感器的如圖6所示的根據本發明的傳感器設備。液體流中的氣泡71已經進入微流體室I。出於能量的原因，其無法進入流體間隙，並被沿流體通道2拖拽。當氣泡71到達檢測區域55時，入射光束53a和反射光束53b經過氣泡，如圖9 (b)所示。由檢測器52檢測到的光強度增大，傳感器設備會將其解釋為檢測到氣泡。考慮到微流體室I的已知幾何結構、液體的電流傳送速度以及光強度增大(與氣泡的前部相對應)與光強度減小回到正常值(標記氣泡的結尾)之間的時間段，根據本發明的這種傳感器設備甚至能夠確定所經過的氣泡的體積。然後，控制單元可以使用這種信息來評估情形並採取必要步驟。在特別針對作為氣泡傳感器設備的使用的根據本發明的傳感器設備的實施例中，膜12可以被實現為半剛性膜，或者甚至被實現為剛性蓋。在圖10中公開了與根據本發明的傳感器設備6 —起使用的微流體室I的兩個另外的有利變型。在圖10 (a)中，兩個附加出口開口 23位於沿蜿蜒流體通道2的不同位置處，附加出口導管231從蜿蜒流體通道2分岔。在主要出口 22的下行流處，出口導管221、231再次收斂於公共出口導管。附加出口開口 23小於主要出口開口 22。窄出口 23的寬度應當是流體通道2的寬度的50%或更小。對於具有特定尺寸的氣泡，由於界面張力，進入窄出口 23將在能量方面不如停留在相對較寬的流體通道2中有利。因此，氣泡將停留在流體通道的內部，在那裡這些氣泡將最終由光學檢測系統5檢測到。由於三個出口 23、22可用，因此經過傳感器設備6的液體的吞吐量增大。圖10(b)描繪了根據本發明的傳感器設備的另一優選變型，其中，附加導管241設旁路繞過微流體室I。所述旁路導管241將入口導管221直接連接至出口導管221。旁路導管241的入口 24的寬度比入口導管211的寬度更小得多，為入口導管211的寬度的50%或更小。因此，氣泡進入入口 24和旁路導管241並不有利，並且氣泡將進入傳感器設備，在其中氣泡可以被檢測到。為了確保在第一次填充過程期間旁路導管241和微流體室I 二者均完全填充，可以使用流動屏障或類似裝置，如前已討論。本發明的範圍不應受這裡描述的具體實施例限制。實際上，除這裡描述的那些之外本發明的各種修改對本領域技術人員來說將從以上描述和附圖中顯而易見。因此，這些 修改意在落入所附權利要求的範圍內。此外，在整個說明書中引用的任何參考文獻的公開的全部內容以參考的方式併入此。參考標記的列表
I微流體室
II底基板
112 底基板材料
12柔性的彈性頂蓋膜 12』、12』』 變形的蓋膜
13壁、填充物 131 壁的頂表面
14內容積
15密封區域
16、16a、16b、16c、16d 稜柱結構
2、2』流體通道
21人口
211 入口導管
22出口
221出口導管
23附加出口
231附加出口導管
24旁路導管的入口 241 旁路導管
3流體間隙
3.I、3. 2、……、3. 10 間隙的部分
4液體
5光學檢測系統 51 發光設備 52、52』、52』』 光電傳感器53a入射光束
53b反射光束531、531』、531』』 反射點
55檢測區域
6傳感器設備
7空氣、氣體71氣泡
Hl流體室的高度
H2壁的高度
H3間隙的高度
Δρ壓力差
權利要求
1.一種在液體藥劑輸送系統中使用的傳感器設備(6)，所述傳感器設備(6)具有微流體室(1)，其包括剛性底基板(11)和蓋(12);以及光學檢測系統(5)，其被布置為朝向所述蓋(12)發射一個或多個光束(53a)，並觀察從所述蓋(12)反射的一個或多個光束(53b)，其特徵在於，所述光學檢測系統(5)被布置在底基板(11)的與所述蓋(12)相對的側上。
2.根據權利要求I所述的傳感器設備，其特徵在於，照射到所述蓋(12)上的一個或多個光束(53a)和/或一個或多個反射的光束(53b)經過底部結構(11)。
3.根據權利要求I或2所述的傳感器設備，其特徵在於，所述蓋是柔性的彈性蓋膜(12)，並且所述光學檢測系統(5)被布置為確定所述蓋膜(12)的變形。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的傳感器設備，其特徵在於，對所發射的光束(53a)的波長進行選擇，使得所述微流體室(I)中的液體(4)在該波長處示出高吸收係數。
5.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器設備，其特徵在於，所述光學檢測系統(5)包括兩個或更多個光電傳感器(52、52』、52』 』 )或者光電傳感器陣列。
6.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器設備，其特徵在於，所述傳感器設備被適配為使得在所述蓋(12)的流體接觸表面上反射一個或多個光束(53a)。
7.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器設備，其特徵在於，所述傳感器設備是壓力傳感器和/或氣泡傳感器。
8.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器設備，其特徵在於，所述底部結構(11)包括稜柱狀結構(16、16a、16b、16c)，用於將來自底部結構材料(112)的光束(53a、53b)耦合至所述微流體室(I)的內容積(14)中的液體(4)中，和/或將來自所述液體(4)的光束(53a、53b )耦合至所述底部結構材料(112 )中。
9.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器設備，其特徵在於，一個或多個壁或填充物(13)位於所述室(I)中，所述壁或填充物(13)在其間限定了流體通道(2)，使得所述流體通道(2 )從所述室的入口( 21)延伸至所述室的出口( 22 );其中，所述壁或填充物(13 )中的每一個所具有的高度(H2)小於由所述底基板(11)與所述蓋膜(12)之間的距離限定的所述室(I)的高度(H1)，以便在每個壁或填充物(13)的頂表面(131)與所述蓋膜(12)之間限定流體間隙(3)，以及其中，對所述壁或填充物(13)和所述室(I)的尺寸(H1、H2)進行選擇，以使得當液體(4)被引入到流體室(I)中時，經由所述流體通道(2)、通過毛細力、利用液體(4 )來填充所述流體間隙(3 )。
10.根據權利要求10所述的傳感器設備，其特徵在於，在所述壁或填充物(13)中提供稜柱狀結構(16、16a、16b、16c)，用於將來自所述壁(13)的底部結構材料(112)的光束(53a、53b)耦合至所述微流體室(I)的內容積(14)中的液體(4)中，和/或將來自所述液體(4)的光束(53a、53b)耦合至所述底部結構材料(112)中。
11.根據權利要求9或10所述的傳感器設備，其特徵在於，所述流體通道(2)具有蜿蜒狀的形狀。
12.根據權利要求9至11中任一項所述的傳感器設備，其特徵在於，附加導管(241)設旁路繞過所述室(I)，並將所述室(I)的入口導管(211)和出口導管(221)流體連接。
13.一種在液體藥劑輸送系統中使用的輸液泵設備，其特徵在於，根據權利要求I至12中任一項所述的傳感器設備。
14.一種液體藥劑輸送系統,其特徵在於，根據權利要求I至12中任一項所述的傳感器設備。
15.根據權利要求I至12中任一項所述的傳感器設備對於測量流體系統中的壓力和/或測量流體系統中的氣泡的存在的使用。
全文摘要
一種在液體藥劑輸送系統中使用的傳感器設備(6)，具有微流體室(1)，其包括剛性底基板(11)和蓋(12)；以及光學檢測系統(5)，其被布置為朝向蓋膜(12)發射一個或多個光束(53a)，並觀察從蓋膜(12)反射的一個或多個光束(53b)。光學檢測系統(5)被布置在底基板(11)的與蓋膜(12)相對的側上。
文檔編號A61M5/142GK102958549SQ201180032605
公開日2013年3月6日 申請日期2011年5月27日 優先權日2010年6月28日
發明者J.呂恩貝格爾 申請人:霍夫曼-拉羅奇有限公司