具有用于确定排出剂量的装置的药物递送装置
阅读说明：本技术 具有用于确定排出剂量的装置的药物递送装置 (Drug delivery device with means for determining an expelled dose ) 是由 H·本特松 N·E·雅各布森 E·基里奇 P·E·P·霍尔姆 于 2020-02-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种药物递送装置(1),其中活塞杆(10、110)沿着参考轴线延伸并且在剂量排出事件期间被迫围绕所述参考轴线在排出方向上旋转以使得从药物储存器(30、130)排出药物,并且弹性棘轮元件(12)与所述活塞杆(10、110)可操作地联接并且响应于预定剂量增量的排出而经历包括弹性变形和恢复的偏转运动,所述偏转运动引起所述活塞杆(10、110)的速度波动,所述药物递送装置包括：旋转器模块(50、150),所述旋转器模块与所述活塞杆(10、110)可操作地联接并且配置成响应于所述活塞杆(10、110)在排出方向上的旋转而抵抗旋转阻力围绕所述参考轴线旋转,所述旋转器模块(50、150)包括传感器系统(70、71；170、183；270、183),用于在剂量排出事件期间监测由所述活塞杆(10、110)传递的扭矩,其中所述传感器系统(70、71；170、183；270、183)配置成从监测的扭矩识别可归因于所述弹性棘轮元件15(12)的偏转运动的所述活塞杆(10、110)的速度波动的发生。(The present invention provides a drug delivery device (1) wherein a piston rod (10, 110) extends along a reference axis and is forced to rotate in an expelling direction about the reference axis during a dose expelling event such that drug is expelled from a drug reservoir (30, 130), and a resilient ratchet element (12) is operably coupled with the piston rod (10, 110) and undergoes a deflection motion comprising elastic deformation and recovery in response to the expelling of a predetermined dose increment, the deflection motion causing a velocity fluctuation of the piston rod (10, 110), the drug delivery device comprising: a rotator module (50, 150) operably coupled with the piston rod (10, 110) and configured to rotate about the reference axis against a rotational resistance in response to rotation of the piston rod (10, 110) in a expelling direction, the rotator module (50, 150) comprising a sensor system (70, 71; 170, 183; 270, 183) for monitoring a torque transmitted by the piston rod (10, 110) during a dose expelling event, wherein the sensor system (70, 71; 170, 183; 270, 183) is configured to identify from the monitored torque an occurrence of a speed fluctuation of the piston rod (10, 110) attributable to a deflecting motion of the resilient ratchet element 15 (12).)
技术领域
本发明总体上涉及药物递送装置，更具体地涉及具有用于确定排出剂量大小的装置的医疗注射装置。
背景技术
在糖尿病护理中，使用传统的小瓶和注射器系统执行的区段肠外药物施用日益被使用笔注射装置的施用取代。笔注射装置是特别方便的，因为它们允许使用者从预填充的药物储存器执行剂量注射，而不必先将特定剂量从一个储存器(小瓶)手动转移到另一个储存器(注射器)。
主要有两种类型的笔注射装置可用，一种是耐久性注射装置，其能够从预填充的药物筒递送一个或多个药物剂量，预填充的药物筒可在使用前加载到装置中，耗尽后更换，另一种是一次性注射装置，其能够从预填充的不可更换的药物筒递送一个或多个药物剂量。这些类型的笔注射装置中的每一种以各种子类型实现或者原则上可以各种子类型实现，例如适于仅从药物筒递送一个剂量的单击发装置、能够从药物筒递送多个剂量的多击发装置、用户提供注射所需的力的手动装置、具有可释放内置能量源以引起注射的自动装置、适于在每次注射事件递送相同预定药物剂量的固定剂量装置、提供可由用户设置的不同药物剂量的递送的可变剂量装置等。
顾名思义，耐久性注射装置预期在多个药物筒用尽并被更换的相当长的时间段上使用，而一次性注射装置预期使用到其专用药物筒用尽，之后丢弃整个注射装置。
在糖尿病治疗中，建议保持特定药物(例如胰岛素或glp-1)的施用剂量的记录，包括剂量施用的相应时间。一些注射装置相应地提供电子剂量捕获以及在数字显示器上回顾剂量相关信息的机会。
作为实例，US6,277,099B1(Becton，Dickinson and Company)公开了一种电子药物递送笔，其中拨选剂量通过响应于使用者可操作的剂量旋钮的旋转而激活的压电传感器装置检测并显示在液晶显示器上。药物递送笔还包括存储功能，其与液晶显示器一起提供可操作界面，用于传送最后五次注射的剂量大小和时间。
然而，这种类型的构造相对昂贵并且作为一次性注射装置解决方案在经济上不可行。
市售的一次性注射笔，例如Novo Nordisk A/S的和以由弹性棘轮臂产生的可听弹响的形式提供正在进行的剂量递送的验证。当活塞杆移动并且弹性棘轮臂响应于其而被迫经历弹性变形和恢复时，由于活塞杆系统和弹性棘轮臂之间的重复能量交换而产生弹响。在这些注射笔中，每个这样的弹响反映从储存器排出的药剂的单个单位。
WO 2007/107564(Novo Nordisk A/S)公开了一种用于附接到笔式注射装置的外部附加模块，所述附加模块包括能够拾取机械弹响声音的微型麦克风。附加模块适于附接到笔式注射装置的外部壳体表面以用于检测由剂量排出机构产生的弹响，并且然后可以通过对检测到的弹响的数量进行计数而估计排出剂量的大小。
尽管上述解决方案使得能够自动记录排出的剂量，但确实需要系统中的附加部件，用户必须处理所述附加部件并且在将其附接到笔式注射装置时在物理外观和重量分布两者上都会导致一些用户认为不理想的明显不对称性。
共同未决的国际申请第PCT/EP2018/074853号公开了一种注射装置，其能够通过使用集成的力传感器来估计药物的排出剂量。该解决方案利用了这样的事实，即在剂量排出期间活塞杆系统和产生弹响的弹性棘轮臂之间的重复能量交换反映在前进的活塞杆的伴随速度波动中，因此传感器布置成测量在药物排出期间由活塞杆施加到活塞垫圈的轴向力的产生的变化中，原因是这样的变化的数量相应地指示排出的剂量。
尽管集成的力传感器取消了对附加系统部件的需要，并实现了至少基本对称的注射装置，但由于棘轮臂偏转的影响而发生的轴向力变化相对较小，并且对活塞杆施加的轴向力的大小以及剂量排出系统的轴向刚度提出一定的要求以便实现令人满意的信噪比。
发明内容
本发明的目的是消除或减少现有技术的至少一个缺点，或者提供现有技术解决方案的有用替代方案。
特别地，本发明的一个目的是提供一种用于准确且可靠地检测由药物递送装置中的弹性棘轮臂产生的弹响以由此能够自动估计药物的排出剂量的解决方案。
本发明的另一目的是提供这样一种解决方案，其可以在一次性药物递送装置(例如一次性注射装置)中成本有效地实施。
本发明的另一目的是提供这样一种解决方案，其需要最少的用户操作并且使得注射装置的对称配置成为可能。
本发明的另一目的是提供一种注射装置，其具有用于自动估计药物的排出剂量的装置，所述装置准确可靠，以高信噪比操作。
在本发明的公开内容中，将描述各方面和实施例，其将解决一个或多个上述目的并且/或者将解决从以下文本显而易见的目的。
本发明与药物递送装置的类型相关，例如，上面提到的和注射装置，其包括活塞杆，所述活塞杆沿着参考轴线延伸并且在剂量排出事件期间被迫围绕所述参考轴线在排出方向上旋转，从而使得医疗物质的剂量从物质储存器排出，并且弹性棘轮元件例如经由活塞杆旋转器或驱动元件与活塞杆可操作地联接，并且配置成响应于预定剂量增量即医疗物质的预定体积的排出而经历偏转运动，其中偏转运动包括使活塞杆减速的第一部分运动和使活塞杆加速并产生弹响的第二部分运动。
在这种类型的药物递送装置中，弹性棘轮元件的偏转运动因此产生与剂量排出机构排出所述预定剂量增量对应的反馈信号。预定剂量增量是明确定义的体积，其大小取决于剂量排出机构的构造。因此，在弹性棘轮元件的每次偏转运动时排出的医疗物质的预定体积由制造商预选择或预定义。
第一部分运动是远离弹性棘轮元件的基部位置的离开运动，因此使得弹性能量在其中积累，而第二部分运动是朝向基部位置的返回运动，因此使得在第一部分运动期间积累的弹性能量释放。由于能量守恒，弹性棘轮元件的第一部分运动因此使得活塞杆减速，原因是活塞杆失去动能，而第二部分运动使得活塞杆加速，原因是它获得动能。因此，在排出预定剂量增量期间，活塞杆呈现减速和加速的一个循环，即速度波动，其可归因于弹性棘轮元件的偏转运动。
在一个方面，本发明提供了如权利要求1所定义的药物递送装置。
由此可以提供药物递送装置，例如笔式注射装置，其中在剂量排出期间来自旋转活塞杆的扭矩用于驱动旋转器模块并且借助于其传感器系统而被监测，使得由弹性棘轮元件的偏转运动产生并通过所传递扭矩的伴随变化反映的活塞杆的速度波动可以被识别以用于估计排出剂量的大小。传感器系统可以包括响应于扭矩的变化产生特征信号的传感器，并且可以配置成从传感器产生的信号识别可归因于弹性棘轮元件的偏转运动的活塞杆的速度波动的发生。传感器可以例如配置成响应于指示活塞杆加速的扭矩的增加，或响应于指示活塞杆减速的扭矩的减小而产生特征信号。
由于活塞杆的旋转刚度，扭矩的监测比轴向力的监测可靠得多，从而确保由弹性棘轮元件的偏转产生的信号以高信噪比通过活塞杆直接传输到传感器系统，而不管扭矩的大小如何。
在剂量排出事件的过程中排出的剂量由此可以从识别的活塞杆的速度波动的发生和预定剂量增量自动估计。例如，可以将识别的活塞杆的速度波动的发生相加，并可以将结果乘以预定剂量增量以获得排出剂量。替代地，等于预定剂量增量的值可以分配给速度波动的每次发生，然后分配的值可以相加以获得排出剂量。
排出剂量的估计可以由例如包括传感器处理器的传感器系统获得，所述传感器处理器用于基于识别的活塞杆的速度波动的发生和预输入在传感器处理器中的预定剂量增量的值来执行计算。
因此，可以提供一种药物递送装置，其包括壳体和剂量排出机构，剂量排出机构包括活塞杆，所述活塞杆适于在剂量排出事件期间围绕参考轴线在排出方向上旋转以使得药物从药物储存器排出。这可以通过螺纹活塞杆螺旋地推进通过相对于壳体旋转固定，例如一体地形成在壳体中的螺母构件来实现。剂量排出机构还包括弹性棘轮元件，所述弹性棘轮元件与活塞杆可操作地联接并且配置成响应于活塞杆的预定角位移而经历偏转运动，所述预定角位移对应于药物的预定体积的排出。偏转运动包括第一部分运动和第二部分运动，在所述第一部分运动期间活塞杆的一些旋转能量被转换并存储为弹性棘轮元件中的弹性能量，在所述第二部分运动期间存储的弹性能量被释放并转换为活塞杆的旋转能量，导致其抽动运动。药物递送装置还包括旋转器模块，所述旋转器模块与活塞杆可操作地联接并且适于响应于活塞杆在排出方向上的旋转而抵抗旋转阻力围绕参考轴线旋转，以及用于在剂量排出事件期间监测从活塞杆传递到旋转器模块的扭矩的传感器系统，其中传感器系统配置成从监测的扭矩，a)识别可归因于弹性棘轮元件的偏转运动的活塞杆的速度波动的发生，b)将识别的活塞杆的速度波动的发生相加，由此确定在剂量排出事件期间弹性棘轮元件所经历的偏转运动的次数，以及c)将偏转运动的次数乘以预定剂量增量以由此估计药物的排出剂量。排出剂量的估计可以替代地例如通过为速度波动的每次发生分配等于预定剂量增量的值并且然后将分配的值相加而被执行。
替代地，排出剂量的估计可以通过包括外部装置处理器的外部装置获得，所述外部装置处理器配置成基于关于由传感器系统识别的活塞杆的速度波动的发生的中继信息和在外部装置处理器中预输入的预定剂量增量的值来执行计算。
在任何情况下，药物递送装置还可以包括通信接口，用于传送与由传感器系统识别的活塞杆的速度波动的发生有关的信息。如果排出剂量的估计由传感器系统获得，则通信接口可以例如包括用于估计的排出剂量的视觉、听觉和触觉表示中的至少一种的装置，例如显示器、扬声器和/或振动器。替代地或附加地，通信接口可以包括用于数据到外部装置的有线或无线传输的传输接口。
如果由外部装置获得排出剂量的估计，则通信接口可以例如包括用于有线或无线传输例如表示在剂量排出事件期间由传感器系统识别的活塞杆的速度波动的积累次数的值的传输接口。然后外部装置处理器使用预定剂量增量的预输入值将该值转换为排出剂量的大小。
外部装置可以是能够接收传输信息，并且可能基于接收的信息来估计药物的排出剂量，并且显示或转发估计的排出剂量的任何装置，例如，移动电话、平板电脑、个人电脑、第二药物递送装置、诊断装置等。
通过估计药物递送装置本身的排出剂量并经由通信接口直接向用户指示结果，可以提供一种独立的装置，其能够以相对便宜的方式自动收集和中继重要的剂量相关信息，无需附加的系统部件，而通过在药物递送装置中收集信息并在外部装置中中继用于估计排出剂量的信息，可以提供药物递送装置的精简版本以与在处理能力、显示选项等方面更有能力的外部装置组合，所述外部装置可以配置成另外执行许多其他相关或不相关的操作。
在本发明的一些实施例中，通信接口包括用于估计的排出剂量的视觉、听觉和触觉表示中的至少一种的装置和用于将估计的排出剂量有线或无线传输到外部装置的传输接口两者，由此药物递送装置能够从由传感器系统获得的识别的活塞杆的速度波动的发生和预输入传感器处理器中的预定剂量增量的值来估计排出剂量，随后两者将结果直接中继到用户和外部装置以进行潜在的进一步处理。
旋转器模块原则上可以布置在药物递送装置中的任何合适位置，在那里它可以与活塞杆可操作地联接。例如，旋转器模块可以布置在活塞杆和在剂量排出事件期间由活塞杆沿着参考轴线移位的药物储存器的壁部分之间。在拥有筒型药物储存器(其具有围绕可移位活塞的大体圆柱形侧壁)的药物递送装置(例如注射笔)的情况下，旋转器模块因此可以布置在活塞杆和活塞之间，例如替换常规的活塞垫圈。这种布置具有的优点是旋转器模块在组装期间易于定位并且避免与剂量排出机构的其他移动部件的机械干扰。
旋转器模块配置成抵抗旋转阻力而围绕参考轴线旋转，以便使传感器系统能够检测由活塞杆的速度波动引起的任何扭矩变化。旋转阻力可以例如包括摩擦力，并且在旋转器模块布置在活塞杆和在剂量排出期间由活塞杆沿着参考轴线移位的药物储存器的壁部分之间的情况下，摩擦力可以在旋转器模块的一部分和在剂量排出期间不沿着参考轴线移动的药物储存器的壁部分之间建立。
因此，旋转器模块可以例如包括径向突出的唇缘结构，并且旋转阻力可以由唇缘结构和药物储存器的内表面部分之间的摩擦界面提供。在筒型药物储存器的情况下，旋转阻力可以由唇缘结构和大致圆柱形侧壁之间的摩擦界面提供。由于无论如何在剂量排出期间旋转器模块注定要相对于大致圆柱形侧壁旋转，因此唇缘结构的提供是获得所需旋转阻力的简单方式。
在本发明的一些实施例中，旋转器模块布置在活塞杆和在剂量排出期间沿着参考轴线移位的药物储存器的壁部分之间，并且包括与活塞杆旋转互锁接合的第一部分和包括唇缘结构并通过扭矩传递结构与第一部分旋转联接的第二部分，并且传感器系统包括布置在扭矩传递结构上的传感器。在剂量排出事件期间，旋转活塞杆因此将旋转第一部分，并且扭矩传递结构将使扭矩从旋转的第一部分传递到第二部分，然后第二部分抵抗由唇缘结构和药物储存器之间的摩擦界面提供的旋转阻力而旋转。在扭矩传递结构驱动抵抗的第二部分时，旋转活塞杆和第一部分的任何切向速度波动由此被扭矩传递结构上的传感器捕获。
旋转器模块还可以包括布置在第一部分和第二部分之间的中间部分，其中中间部分承载传感器系统和扭矩传递结构，原因是将电子器件预布置在独立组成部分上，在生产和组装设置中可能是方便的。
在本发明的其他实施例中，旋转器模块包括在其远端与活塞杆同心布置并包括轴向延伸部分的第一部分，以及承载唇缘结构并旋转锁定到第一部分的第二部分，活塞杆包括配置成向轴向延伸部分施加切向驱动力的径向突起，并且传感器系统包括布置在径向突起和轴向延伸部分之间的传感器。这允许传感器直接监测从旋转活塞杆传递到第一部分的扭矩。
旋转器模块还可以包括大致布置在第一部分和第二部分之间的中间部分，其中中间部分承载传感器系统并且包括传感器布置在其上的轴向延伸的传感器载体。再次，将电子器件预布置在独立组成部分上，在生产和组装设置中可能是方便的。
第二部分可以包括形成腔的杯形壁，并且中间部分可以大致布置在腔中，使得轴向延伸的传感器载体从其向近侧延伸。这种布置节省空间并且提供具有小轴向范围的旋转器模块，这在希望药物递送装置的轴向尺寸最小化的情况下可能是有吸引力的。
传感器可以是响应于其上的冲击变化而生成电信号的压电传感器。这种传感器既在生产中便宜又占用很少的空间。替代地，传感器可以是应变计、电容式传感器等。
在另一方面，本发明提供了一种用于在上述类型的药物递送装置中使用的旋转器模块。
在又一方面，本发明提供了一种检测由药物递送装置中的弹性棘轮元件产生的弹响的方法，其中在剂量排出事件期间活塞杆被迫围绕参考轴线旋转以使得药物排出并且所述弹性棘轮元件与所述活塞杆可操作地联接并响应于预定剂量增量的排出而经历偏转运动，所述偏转运动引起所述活塞杆的速度波动并导致弹响，所述方法包括：(i)监测在剂量排出事件期间由所述活塞杆传递的扭矩，以及(ii)从监测的扭矩识别可归因于所述弹性棘轮元件的偏转运动的所述活塞杆的速度波动的发生。
步骤(i)和(ii)可以例如通过传感器系统实现，所述传感器系统配置成响应于活塞杆的切向速度的突然变化而产生信号，例如正如在弹性棘轮元件的第二部分运动期间所经历的那样，这使得活塞杆加速。在剂量排出事件期间产生的信号的数量然后可以用作可归因于弹性棘轮元件的偏转运动的活塞杆的速度波动的发生的量度。
如上所述，弹性棘轮元件产生的弹响的次数指示在剂量排出事件期间排出的剂量。因此，在另一方面，本发明提供了一种确定从药物递送装置排出的药物剂量的方法，其中在剂量排出事件期间活塞杆被迫围绕参考轴线旋转以使得药物排出并且弹性棘轮元件与活塞杆可操作地联接并响应于预定剂量增量的排出而经历包括弹性变形和恢复的偏转运动，所述偏转运动引起活塞杆的速度波动，所述方法包括：(i)监测在剂量排出事件期间由活塞杆传递的扭矩，(ii)从监测的扭矩识别可归因于弹性棘轮元件的偏转运动的活塞杆的速度波动的发生，以及(iii)从识别的活塞杆的速度波动的发生和预定剂量增量计算排出的药物剂量。
如本文中所描述的弹性棘轮元件可以是或包括诸如在前述和装置中存在的那些的弹性弹响生成臂。在本发明的示例性实施例中，剂量排出机构包括至少两个弹性棘轮臂。
为了避免任何疑问，在本上下文中，术语“医学物质”与术语“药物”可互换，并且表示用于治疗、预防或诊断病症的介质，即，包括在体内具有治疗或代谢作用的介质。此外，术语“远侧”和“近侧”指示在药物递送装置或针头单元处的位置或沿药物递送装置或针头单元的方向，其中“远侧”是指药物出口端部，并且“近侧”是指与药物出口端部相对的端部。
在本说明书中，提及某个方面或某个实施方案(例如，“一个方面”、“第一方面”、“一个实施方案”、“示例性实施方案”等)表示结合相应的方面或实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个方面或实施方案中，或者是其固有的，但不一定包括在本发明的所有方面或实施方案中。然而要强调的是，关于本发明描述的各种特征、结构和/或特性的任何组合由本发明所涵盖，除非本文中明确描述或与上下文明显矛盾。
除非另外声明，否则本文的任何和所有实例或示例性语言(例如，诸如等)的使用仅旨在说明本发明，而不是对本发明的范围进行限制。此外，本说明书中的任何语言或措词都不应被解释为表明任何未要求保护的要素对于本发明的实践是必不可少的。
附图说明
在下文中，将参考附图进一步描述本发明，其中
图1是根据本发明的第一实施例的药物递送装置的透视纵截面图，
图2是注射装置的近侧部分的透视横截面图，
图3是包括在其中使用的传感器模块的第一示例性实施例的注射装置的中心部分的放大透视纵截面图，
图4是详述传感器模块的透视纵截面图，
图5是传感器模块的透视横截面图，
图6是剂量排出动作期间传感器测量的图形表示，
图7是替代传感器模块的分解图，
图8是图7的传感器模块相对于筒型药物储存器的布置的透视、部分透明图，
图9在纵截面图中示出了图8的部分，以及
图10是类似于图8的布置的图7的传感器模块的变型的透视、部分透明图。
在附图中，类似的结构主要由类似的附图标记标识。
具体实施方式
当/如果在下文中使用相对表达，例如“上”和“下”、“左”和“右”、“水平”和“竖直”、“顺时针”和“逆时针”等，这些是参考附图，不一定是实际使用情况。所示附图是示意性表示，因此，不同结构的构型以及它们的相对尺寸仅用于说明的目的。
图1是根据本发明的第一实施例的注射笔1的形式的药物递送装置的透视纵截面图。注射笔1包括沿着纵向壳体轴线延伸的壳体2和相对于壳体2至少轴向固定并保持药筒30的药筒保持器20。螺母元件9布置在壳体2中，正好位于药筒保持器20的近侧。螺母元件9用于支撑轴向延伸的活塞杆10，并且使得活塞杆10能够经由螺纹接口相对于壳体2螺旋前进。药筒30具有大体圆柱形的壁，所述壁在近端和远端之间延伸并且包括缩窄的远端部分。远端由可穿透的隔膜32密封，并且药筒30还包括活塞31，所述活塞布置成与大体圆柱形的壁的内表面密封接触，使得腔室33由大体圆柱形的壁、活塞31和隔膜32限定。腔室33容纳医疗物质，所述医疗物质可通过中空针头结构插入通过可穿透隔膜32而接近，中空针头结构例如形成笔式针头单元(未示出)的一部分的注射针头的后部，其还包括能够以常规方式附接到药筒保持器20的针头安装件21的套环。在本实施例中，注射笔1是一次性类型的，并且不可能在不损坏注射笔1的情况下移除药筒30。然而，应当注意，注射笔1也可以是允许更换药筒30的耐用型的装置。
注射笔1可操作以设定要注射的医疗物质的期望剂量并通过附接的注射针头排出设定剂量。因此，注射笔1包括剂量设定机构和剂量排出机构。剂量设定机构包括用户可操作的剂量拨盘3，在其上布置有多个剂量数字的刻度鼓7，复位管8，棘轮管13和扭簧16，并且配置成既允许向上拨选也允许向下拨选以设定剂量并调节设定剂量。剂量设定机构的特定操作与WO 2015/071354中公开的注射装置中的剂量设定系统的操作相似，并且在本文中将不作进一步描述，因为剂量设定机构本身与本发明无关，本发明仅涉及排出剂量的确定。关于剂量设定机构的操作的细节，参考前述的WO 2015/071354，特别是第10页第21行至第15页第13行。
在下文中，将基于剂量排出功能来描述注射笔1的各种部件和操作。
注射按钮5可滑动地布置在壳体2的近端处。注射按钮5轴向固定到复位管8，并通过按钮弹簧4向近侧偏置。复位管8在其远端部分处与棘轮管13轴向地和旋转地联接，使得复位管8的远侧移位引起棘轮管13的相应远侧移位，并且棘轮管13在剂量排出方向上的旋转引起复位管8的相应旋转。
扭簧16沿着复位管8的外表面轴向延伸，并且具有附接至弹簧座17的近端和附接至棘轮管13的远端。弹簧座17轴向且可旋转地固定至壳体2，并且在注射笔1的组装期间将扭簧16预先张紧，从而使棘轮管13相对于壳体2在剂量排出方向(从远端看为顺时针)偏置，以确保有足够的动力排出整个设定剂量而不管其大小。
棘轮管13经由花键接口与刻度鼓7旋转互锁，并且刻度鼓7设置有外部螺旋槽，所述外部螺旋槽与壳体2的内表面部分上的螺旋肋6接合，使得棘轮管13在剂量排出方向上的旋转引起刻度鼓7在壳体2中的近侧螺旋移位，而棘轮管13与剂量排出方向相反的旋转引起刻度鼓7在壳体2中的远侧螺旋移位。
棘轮管13在其远端部分处轴向地锁定到离合器14。离合器14设置有多个外部花键元件(不可见)，所述外部花键元件在离合器14的剂量设定轴向位置处与壳体2的内表面上的相应壳体花键15接合，由此将离合器14旋转地锁定到壳体2。离合器14还设有内部齿形结构(不可见)，所述内部齿形结构配置用于与棘轮管13上的挠性臂(不可见)相互作用，从而确保棘轮管13和离合器14在剂量排出方向上共同旋转。
而且，离合器14旋转地锁定到围绕活塞杆10布置的活塞杆驱动元件11。活塞杆10具有外螺纹部段和两个相对的纵向凹槽(不可见)，并且活塞杆驱动元件11具有带有两个相对突起(不可见)的中心孔，每个突起与凹槽中的一个接合以在活塞杆驱动元件11和活塞杆10之间提供旋转互锁连接。活塞杆驱动元件11还具有一对相对的棘轮臂12，所述棘轮臂用于限制其相对于壳体2的旋转自由度，如下面关于图2所述。
在设定剂量期间，扭簧16进一步张紧。为了排出设定剂量，将注射按钮5压靠在壳体2的近端上。这将使复位管8在远侧方向上轴向移位，并且复位管8将使棘轮管13和离合器14从动。因此离合器14将滑出与壳体花键15的接合，并且开始经由其与棘轮管13的旋转连接通过由此释放的扭簧16的驱动在剂量排出方向上旋转。
随着扭簧16松开，棘轮管13和离合器14的旋转引起刻度鼓7的螺旋近侧运动以及活塞杆驱动元件11和因此活塞杆10的旋转。由于活塞杆10和螺母元件9之间的螺纹接口，这将使得活塞杆10向远侧螺旋前进到药筒30中。活塞杆10的远端连接到传感器模块50的形式的专门设计的活塞垫圈，如下面详细所述，由于活塞杆10的移动，所述活塞垫圈迫使活塞31进入药筒30，以由此通过附接的注射针头从腔室33排出设定剂量的医疗物质。
图2是壳体2的近侧部分的透视图，其通过螺母元件9横截以示出棘轮臂12与围绕壳体2的内圆周表面部分布置的棘轮齿18轴向对准。每个棘轮臂12形成为活塞杆驱动元件11的周边部分的圆周延伸部，并且构成具有径向向外指向的偏置的悬挂挠性弯曲梁。每个棘轮臂12的端部分与棘轮齿18的一部分相互作用，从而提供单向棘轮机构，其防止活塞杆驱动元件11相对于壳体2逆时针(从远端看)旋转。
在上述剂量排出动作的过程中，棘轮管13、离合器14和活塞杆驱动元件11在剂量排出方向上的共同旋转使得每个棘轮臂12跨过多个棘轮齿18。棘轮机构配置成使得两个相对的棘轮齿18同时由相应的棘轮臂12通过，并且两个相对的棘轮齿18的一次这样的同时通过与从药筒30排出的医疗物质的一个单位关联。
在活塞杆驱动元件11的顺时针旋转期间，由于与棘轮齿18的相互作用以及它们各自的方向偏置，当每个棘轮臂12经过棘轮齿18中的一个时，它将经历偏转运动。观察棘轮臂12中的一个，与从药筒30排出的医疗物质的一个单位对应的活塞杆驱动元件11的角位移将使得棘轮臂12的端部分首先沿着棘轮齿18从齿槽的基部位置滑动到齿尖偏转位置，其次通过齿尖并采取在随后的齿槽处的新基部位置。在本文中，这被称为棘轮臂12的一次偏转运动，其然后包括从齿槽基部位置到齿尖偏转位置的第一部分运动和从齿尖偏转位置到新基部位置的第二部分运动。
从齿槽基部位置到齿尖偏转位置的移动使棘轮臂12克服其偏置逐渐径向向内偏转，由此将能量储存在棘轮臂12中并且增加棘轮臂12的端部分和棘轮齿18之间的摩擦，导致活塞杆驱动元件11的旋转速度瞬时减小。当棘轮臂12的端部分通过齿尖时释放储存在棘轮臂12中的能量，朝着随后的齿槽推动棘轮臂12的端部分，并且摩擦突然减小，导致活塞杆驱动元件11的旋转速度瞬时增加。
该能量的重复积累和释放反映在由活塞杆驱动元件11的旋转驱动的活塞杆10施加到传感器模块50的扭矩中，因此可以通过监测该扭矩估计排出剂量的大小。
为此，注射笔1包括传感器模块50。图3是注射笔1的中心部分的近视图，并且图4是详述传感器模块50的透视纵截面图。从图3可以看出，传感器模块50包括顶部部分51、中间部分60和底部部分65，其轴向堆叠，夹住金属片62，并且通过从底部部分65向近侧延伸的对准构件66径向对准。传感器模块50以这样的方式布置在活塞杆10和活塞31之间，所述方式使得顶部部分51轴向邻接并旋转接合活塞杆10的远端部分，并且底部部分65邻接活塞31的近侧表面。底部部分65由橡胶材料形成并且具有与药筒30的大致圆柱形壁接触的周向摩擦唇缘67。
顶部部分51包括具有中心孔55的圆形基部52，在传感器模块50的组装状态下对准构件66位于所述中心孔中。塔架53从圆形基部52向近侧突出并且形成用于接收活塞杆10的远端部分的腔54。塔架53具有内部构造，其包括第一轴向延伸平面接触表面56和与第一轴向延伸平面接触表面56成直角的第二轴向延伸平面接触表面57。这两个接触表面56、57与活塞杆10的远端部分处的类似接触表面一致，以便提供传感器模块50到活塞杆10的旋转固定。顶部部分51还包括用于将扭矩从旋转顶部部分51传递到中间部分60的偏心定位的下降栓构件58，如下所述。
除了对准构件66之外，底部部分65还包括偏心定位的上升栓构件68，其作用将从下文清楚，以及用于邻接活塞31的平面底表面69。
中间部分60承载多个部件，如图5中示意性所示，其在透视横截面图中示出了传感器模块50。围绕对准构件66布置并由此保持就位的是托架61，其支撑在下降栓构件58和上升栓构件68之间横向延伸的金属片62的一部分。压电传感器70印刷在金属片62上并与处理器71电连接(未示出)，所述处理器又与扬声器72电连接(未示出)。用于电气部件的电力由例如印刷电池或小型纽扣电池的形式的电池(未示出)提供。
在使用中，在剂量排出事件期间，当活塞杆10旋转通过螺母元件9并相对于壳体2和药筒保持器20轴向前进时，顶部部分51经历类似的旋转，原因是来自活塞杆10的扭矩经由第二轴向延伸平面接触表面57传递到塔架53。顶部部分51还经历与活塞杆10类似的轴向位移，由此在远侧方向上被推动，并且由于传感器模块50作为整体是轴向不可压缩的，底部部分65和活塞31的近侧表面也是如此。
顶部部分51的旋转通过下降栓构件58和金属片62之间的相互作用传递到中间部分60，该金属片沿其长度的大部分由托架61支撑，使得金属片62的大部分基本上起刚性梁的作用，而一小部分起悬挂梁的作用。当下降栓构件58向金属片62施加力并且中间部分60因此围绕对准构件66旋转时，金属片62的悬挂部分邻接上升栓构件68并将力传递到其上，从而使得底部部分65与中间部分60和顶部部分51一起旋转。
由于摩擦唇缘67和药筒30之间的相互作用，底部部分65的旋转受到足够的阻力以在顶部部分51旋转时略微弯曲金属片62的悬挂部分。压电传感器70布置(例如印刷或安装)在金属片62的悬挂部分上，并且能够在传感器模块50旋转时记录金属片62和上升栓构件68之间的接触力的变化。
更具体地，压电传感器70响应于突然偏转生成信号。如上所述，在剂量排出期间，由于棘轮臂12和棘轮齿18之间的相互作用，活塞杆重复减速和加速，这反映在活塞杆10施加到顶部部分51和顶部部分51传递到底部部分65的扭矩中。当棘轮臂12分别经历由棘轮齿18推动的偏转运动的第一部分运动(在此期间它们积累弹性能量)时，由活塞杆10施加的扭矩逐渐减小，并且当棘轮臂12通过齿尖并经历由积累的弹性能量的突然释放驱动的第二部分运动时，扭矩突然增加。
突然扭矩增加引起顶部部分51的小抽动运动，并因此使得上升栓构件68和金属片62之间的突然力增加，导致压电传感器70的激励。因此，随着剂量排出的进行，每次棘轮臂12经历第二部分运动时，压电传感器70生成信号，脉动扭矩因此可以被捕获并用于估计排出剂量的大小。
图6示出了在从药筒30排出n个单位的医疗物质期间扭矩随时间的变化。从由窄点曲线表示的传感器输出可以看出，扭矩随着剂量排出的进行而波动，由第一峰Pk1和最后一个峰Pkn界定。每个单独的峰Pki反映两个棘轮臂12的偏转运动，并且由于两个棘轮臂12的每个偏转运动对应于从药筒30排出的一个单位的医疗物质，因此可以通过对在剂量排出事件期间表现出的峰Pki进行计数来估计总排出剂量。
可以使用多种合适的方法中的任何一种来过滤传感器测量，例如高通、低通、带通、匹配和自适应匹配滤波，以最大化信噪比。在图6中，广泛点状曲线示出了高通滤波的结果。通过用简单的尖峰检测算法运行该结果，传感器信号可以转换为易于区分的尖峰，其由对应于第一峰Pk1的第一尖峰Sp1和对应于最后一个峰PKn的最后一个尖峰Spn界定。由于每个单独的尖峰Spi反映从药筒30排出的一个单位的医疗物质，因此可以通过对由尖峰检测算法产生的尖峰Spi进行计数来估计总排出剂量。
传感器信号70由处理器71捕获和处理，并且最终估计值n通过扬声器72由语音合成声音，例如在检测到剂量排出事件完成后的预定时间播报。
图7是用于在根据本发明的第二实施例的药物递送装置中使用的替代传感器模块150的分解图。药物递送装置主要与注射笔1类型相同，即是这样的装置，其中在剂量排出事件期间活塞杆被迫围绕纵向轴线在剂量排出方向上旋转以使得药物从药物储存器排出，并且弹性棘轮元件与活塞杆可操作地联接并响应于预定剂量增量的排出而经历包括弹性变形和恢复的偏转运动，所述偏转运动引起活塞杆的速度波动，并且剂量检测的原理与注射笔1基本相同。因此，图7仅示出了功能上与第一实施例不同的部件。
传感器模块150包括PCB 180，其具有顶片181，沿着参考轴线与顶片181间隔开的底片182，以及连接顶片181和底片182并承载处理器(不可见)的桥接件183。提供电力的电池190布置在顶片181和底片182之间。顶片181形成为提供两个直径相对的轴向延伸条带184，其中一个用作承载压电传感器170的传感器支撑件。
带有电池190的PCB 180以及蓝牙模块185和天线186布置在模块壳体160的腔164中，其近侧表面具有多个凹部160r，所述多个凹部适于以旋转互锁关系接收反作用构件151的等效多个径向突起151p，因此该反作用构件用作模块壳体160的盖。反作用构件151包括两个直径相对的轴向延伸反作用板151r，每个反作用板151r支撑条带184中的一个。摩擦环167固定地附接在模块壳体160的外表面部分周围。
图7还示出了在根据本发明的第二实施例的药物递送装置中采用的活塞垫圈195和活塞杆110的远侧部分。活塞杆110在其远端部分处设置有两个直径相对的径向突起110a，其配置成与条带184和反作用板151r相互作用，如下所述。
图8和9分别是与根据本发明的第二实施例的药物递送装置中的药筒130一起使用的图7的部件的透视、部分透明图和纵截面图。为了清楚起见，这些图中省略了其他药物递送装置部件。附图示出了基于传感器模块150的剂量估计系统的功能状态，其中径向突起110a与条带184和反作用板151r对准。活塞垫圈195是常规类型的间隔装置，其放置在模块壳体160和药筒130中的活塞131之间以确保由活塞杆110施加到活塞131的驱动力的轴对称分布。
在剂量排出事件期间，当活塞杆110旋转时，径向突起110a通过向反作用板151r施加切向力而将驱动扭矩从活塞杆110传递到反作用构件151。由于反作用构件151和模块壳体160之间的旋转互锁连接，两者都将与活塞杆110一起旋转并使容纳在腔164中的部件从动。摩擦环167与药筒130的内表面部分密封接触，因此传感器模块150的旋转抵抗摩擦阻力发生，类似于本发明的第一实施例中的摩擦唇缘67提供的摩擦阻力。
随着剂量排出的进行，与径向突起110a中的一个物理接触的压电传感器170将感测由活塞杆110的速度波动引起的扭矩变化作为抽动切向力冲击并且在每次突然力增加时将生成信号，根据上述说明，其指示棘轮臂通过齿尖(均未示出)。
信号被中继到桥接件183上的处理器并且可以如上面结合本发明的第一实施例所述进行处理以估计排出剂量的大小。然后估计的剂量值由蓝牙模块185无线传输到能够在电子显示器上呈现剂量大小的外部接收装置(未示出)，例如带有用于存储和评估剂量数据的应用的移动电话。
图10示出了传感器模块150的变型，其中剂量估计基于代替压电测量的应变计测量。反作用板151r由稍长的挠性反作用板251r代替以允许平面外变形。相应地，顶片181具有覆盖反作用板251r的相应接触表面的较长条带284。条带284中的一者或两者承载应变计传感器270，使得其能够测量所讨论的条带284的变形。
活塞杆110上的径向突起110a接触应变计传感器270上方的条带284。随着剂量排出的进行，每个条带284与径向突起110a中的一个物理接触并由反作用板251r中的一个支撑。应变计传感器270将感测由活塞杆110的速度波动引起的扭矩变化作为条带284的抽动弯曲变型并且在每次突然变形时将生成信号，根据上述说明，其指示棘轮臂通过齿尖(均未示出)。如先前所述处理生成的信号。
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