JP5588678B2 - 熱機械的駆動部を有する医療用流体注射器 - Google Patents

Description

本発明は、概して、電動医療用流体注射器のための駆動部に関し、より具体的には、注射器等のための熱機械的駆動部に関する。

本項は、以下に説明および／または請求される本発明の種々の側面に関連し得る、技術の種々の側面を読み手に紹介することを目的としている。本考察は、本発明の種々の側面のよりよい理解を促すための背景情報を、読み手に提供するのに有用であると考えられる。したがって、これらの記述は、従来技術の承認としてではなく、この観点から読まれるものと理解されたい。

電動注射器は、典型的には、患者が画像機器で検査される前および／または間、患者に造影剤等のある量の医療用流体を投与するために用いられる。概して、電動注射器内の電気モータは、シリンジを通じて、シリンジのプランジャを移動させるために用いられ、医療用流体は、プランジャの移動により患者に注射される。高い頻度で、患者は、画像装置（例えば、ＭＲＩシステム）で検査され、患者において検出された造影剤は、画像データの生成において画像装置により用いられる。

残念なことに、特定の種類の画像機器とは適合しない電動注射器が多い。例えば、電動注射器を駆動するために使用される電気モータは、ＭＲＩ機械の操作を妨害し得る、磁石および／または鉄系材料を含む場合が多い。例えば、注射器内の磁石および／または鉄系材料の存在により、注射器は、ＭＲＩ機械に引き寄せられ得、かつ／または引き入れられ得、したがって、患者に対する負傷、ならびに／または注射器および／もしくはＭＲＩ機械に対する損傷の潜在的リスクを引き起こす。別の実施例として、注射器の電気モータからの電磁場は、ＭＲＩ機械により感知され得、ＭＲＩ機械により生成される、得られた画像における望ましくないアーチファクトをもたらし得る。

最初に請求された本発明の範囲に相応する特定の側面が、以下に記載される。これらの側面は、本発明がとり得る特定の形態の概要を読み手に提供するためだけに示され、これらの側面は、本発明の範囲を制限することを目的としていないことを理解されたい。実際には、本発明は、以下に記載されない場合がある種々の側面を包含し得る。

特定の側面において、本発明は、概して、電動医療用流体注射器のための実質的に非鉄の駆動部に関する。後に考察される特定の実施形態は、シリンジを作動させるために物質を加熱または冷却する、熱機械的駆動部を含む。いくつかの実施形態において、物質の温度は、物質を膨張させ、シリンジから医療用流体を放出するために、シリンジを通るプランジャを駆動するために、変化（例えば、上昇）し得る。いくつかの実施形態において、物質の温度は、物質を収縮させ、プランジャを引き抜くために（例えば、後の注射手順のために、シリンジ内に医療用流体を入れるために）、変化（例えば、低下）し得る。注射器のいくつかの実施形態は、シリンジを駆動するための電気モータを有しない場合があり、したがって、ＭＲＩ機械近傍の注射器の使用を容易にし得る。

本発明の第１の側面は、温度勾配に反応して膨張性および収縮性である媒体を含む、医療用流体注射器に関する。また、注射器は、媒体と熱連通しているサーマル装置（例えば、ヒータ、クーラ、またはそれらの組み合わせ）を含む。ちなみに、熱エネルギーが、その間を直接的および／または間接的に移動し得る場合、一方は、もう一方に「熱連通」している。サーマル装置に加えて、注射器は、媒体に連結したシリンジ接触面も含む。

本発明の第２の側面は、医療用流体注射器のための駆動部に関する。駆動部は、タンク内に配置される流体と、流体と熱連通するサーマル装置と、タンクと流体連通しているアクチュエータと、アクチュエータに連結したシリンジ接触面とを含む。

さらに、本発明の第３の側面は、医療用流体注射器の操作方法に関する。この方法において、材料の熱エネルギーは変化する。この熱エネルギーの変化は、材料の体積の変更を少なくとも一時的に引き起こす。言い換えれば、この熱エネルギーの変化により、材料の体積は増加または減少する。この材料の体積の変更により、シリンジのプランジャは移動する（例えば、シリンジに流体を引き入れるか、またはシリンジから流体を放出するために）。

本発明の種々の側面に関して上述される特徴の、種々の改良形が存在する。また、さらなる特徴は、これらの種々の側面にも組み込まれ得る。これらの改良形および付加的特徴は、個々に、または任意の組み合わせで存在し得る。例えば、図解される実施形態の１つ以上に関して以下に考察される種々の特徴は、単独で、または任意の組み合わせで、本発明の上述の側面のいずれかに組み込まれ得る。この場合もやはり、上述の概要は、請求される対象の制限なしで、本発明の特定の側面および背景を読み手に把握させることだけを目的としている。
本発明は、さらに以下の手段を提供する。
（項目１）
医療用流体注射器であって、
温度勾配に反応して膨張性および収縮性である媒体と、
該媒体と熱連通しているサーマル装置であって、ヒータ、クーラ、またはそれらの組み合わせを備える、サーマル装置と、
該媒体に連結した、シリンジ接触面と
を備える、注射器。
（項目２）
上記媒体は、固体である、項目１に記載の注射器。
（項目３）
上記媒体は、流体である、項目１に記載の注射器。
（項目４）
上記流体は、略密閉されたシステム内に配置された略非圧縮性液体を含み、上記シリンジ接触面は、該略密閉されたシステム内で、流体的に移動可能な部材に連結している、項目３に記載の注射器。
（項目５）
上記略非圧縮性液体は、アルコールを含む、項目４に記載の注射器。
（項目６）
上記流体熱機械的アクチュエータは、圧力容器と、該圧力容器に連結した導管と、該導管に連結したバレルと、該バレル内に移動可能に配置されたピストンとを備え、上記シリンジ接触面は、該ピストンに連結している、項目３に記載の注射器。
（項目７）
上記媒体は、互いから略分離された第１および第２の媒体を備え、上記サーマル装置は、該第１と第２の媒体との間に配置される、項目１に記載の注射器。
（項目８）
上記第１および第２の媒体は、第１および第２のチャンバ内に配置された、第１および第２の流体を含み、該第１および第２のチャンバは、上記シリンジ接触面に連結したピストンの反対側に、流体的に連結している、項目７に記載の注射器。
（項目９）
上記サーマル装置は、熱電素子を備える、項目１〜項目８のいずれか１項に記載の注射器。
（項目１０）
上記シリンジ接触面と接触しているシリンジをさらに備える、項目１〜項目９のいずれか１項に記載の注射器。
（項目１１）
医療用流体注射器のための駆動部であって、
タンク内に配置される流体と、
該流体と熱連通しているサーマル装置と、
該タンクと流体連通しているアクチュエータと、
該アクチュエータに連結したシリンジ接触面と
を備える、駆動部。
（項目１２）
上記流体は、アルコールを含む、項目１１に記載の駆動部。
（項目１３）
上記流体は、本質的に液体から成る、項目１１に記載の駆動部。
（項目１４）
上記サーマル装置は、上記流体中に少なくとも部分的に配置された抵抗ヒータを備える、項目１１〜１３のいずれか１項に記載の駆動部。
（項目１５）
上記サーマル装置は、熱電素子を備える、項目１１〜１３のいずれか１項に記載の駆動部。
（項目１６）
上記熱電素子は、上記タンクの異なる部分間に配置され、該異なる部分は、互いに流体連通していない、項目１５に記載の駆動部。
（項目１７）
上記流体と熱連通しているヒートシンクをさらに備える、項目１１〜１６のいずれか１項に記載の駆動部。
（項目１８）
上記アクチュエータは、流体的に移動可能な部材を備える、項目１１〜１７のいずれか１項に記載の駆動部。
（項目１９）
上記アクチュエータは、バレルと、該バレル内に配置されたピストンと、該ピストンのヘッドから延在するロッドとを備え、上記シリンジ接触面は、該ロッドの遠位端部に配置される、項目１１〜１７のいずれか１項に記載の駆動部。
（項目２０）
上記駆動部は、実質的に非鉄である、項目１１〜１９のいずれか１項に記載の駆動部。
（項目２１）
上記シリンジ接触面と接触しているシリンジであって、その中に配置された医療用流体を有する、シリンジをさらに備える、項目１１〜２０のいずれか１項に記載の駆動部。
（項目２２）
医療用流体注射器の操作方法であって、
材料の熱エネルギーを変化させるステップと、
該変化させるステップにより、該材料の体積および形状のうちの少なくとも１つを、 少なくとも一時的に変更するステップと、
該変更するステップにより、シリンジのプランジャを移動させるステップと
を含む、方法。
（項目２３）
上記材料は、液体である、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
上記変化させるステップは、上記材料に熱エネルギーを付加するステップを含む、項目２２または２３に記載の方法。
（項目２５）
上記変更するステップにより、通路に沿ってピストンを付勢するステップをさらに含む、項目２２〜２４のいずれか１項に記載の方法。
（項目２６）
上記移動させるステップは、上記シリンジから造影剤を放出するステップを含む、項目２２〜２５のいずれか１項に記載の方法。
（項目２７）
上記移動させるステップは、上記シリンジから放射性医薬品を放出するステップを含む、項目２２〜２５のいずれか１項に記載の方法。

図１は、医療用流体を注射し始める医療用流体注射器の略図である。 図２は、流体の注射後の図１の注射器の略図である。 図３は、シリンジを充填する図１の注射器の略図である。 図４は、別の医療用流体注射器の斜視図である。 図５は、二重温度注射器の略図である。 図６は、固体熱機械的アクチュエータを有する注射器の略図である。 図７は、例示的な注射プロセスを示す、フローチャートである。

以下の発明を実施するための形態が、図面を通して同様の記号が同様の部分を表す添付図面を参照して読まれる場合、本発明の種々の特徴、側面、および利点は、よりよく理解される。

本発明の１つ以上の具体的な実施形態が、以下に説明される。これらの実施形態の簡潔な説明を提供する目的で、実際の実装のすべての特徴は、本明細書に説明されない場合がある。いかなるエンジニアリングまたは設計プロジェクトにおけるような、そのような任意の実際の実装の開発において、それぞれの実装により異なり得る、システム関連および事業関連の制約への準拠性等の開発者の具体的な目標を達成するために、多数の実施特有の決定をしなければならないということを理解されたい。さらに、そのような開発努力は、複雑で時間がかかる可能性があるが、それでもなお、本開示の利益を得る当業者に対して、設計、製作、および製造の通常の取り組みとなるであろうということを理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を紹介する際、「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ」という冠詞は、要素が１つ以上あることを意味するよう意図されている。「備える」、「含む」、および「有する」という用語は、包含的であり、かつ記載された要素以外の付加的要素があり得ることを意味するように意図されている。さらに、「頂部」、「底部」、「上」、「下」、およびこれらの用語の変化形は、便宜上使用されるが、構成要素のいかなる特定の方向も必要としない。ここで使用されるように、「連結した」という用語は、直接的または間接的に接続または接触している状態を意味する。さらに、「流体連通している」というフレーズは、流体および／または流体圧力が、１つの対象物から別の対象物へと伝達され得ることを示す。

図１は、医療用流体注射器１２とシリンジ１４とを含む、例示的な注射システム１０を描写する。注射器１２は、物質を含み、物質（例えば、液体）を加熱および／または冷却し、結果として物質の体積を変化させ、したがって、シリンジ１４の作動をもたらすように設計される。注射システム１０は、実質的に、または完全に非鉄であり得る。この目的を達成するために、システム１０は、ＭＲＩ機械の操作を妨害する可能性のある鉄系材料を有する部分（例えば、電気モータ）がたとえあったとしても、ほとんど含まない場合がある。

注射器１２は、タンク１６と、熱源１８と、ヒートシンク２０と、流体導管２２と、アクチュエータ２４と、センサ２６と、制御装置２８とを含み、その詳細は、以下に説明される。熱源１８とヒートシンク２０との組み合わせは、本明細書でサーマル装置と呼ばれ得るものの一実施例である。注射器１２のいくつかの実施形態は、温度勾配器として機能し、移動を誘導するために、その流体（例えば、液体および／またはガス）を膨張および／または収縮させる、流体熱機械的アクチュエータを含み得る。注射器１２の他の実施形態は、温度勾配器として機能し、移動を誘導するために、固体を膨張および／または収縮させる、固体熱機械的アクチュエータを含み得る。

注射器１２のタンク１６は、任意の適切な材料製であり得る壁３０を有する。例えば、壁３０は、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、またはそれらの組み合わせ等の、高熱伝導性を示す非鉄材料から本質的に成り得る。壁３０を通じた熱移動を強化するために、壁３０は、フィン、ロッド、起伏、および／またはテクスチャリング等の表面積を増加させる構造を含み得る。これらの構造は、タンク１６の表面の内側および／または外側にあり得る。壁３０は、好ましくは、壁３０にわたる圧力差から生じる力に対して、略剛性および略非変形である構造を画定する。タンク１６は、任意の適切な設計／構成を示し得る。例えば、タンク１６は、長方形断面形状、円形断面形状、正方形断面形状、または他の断面形状を有し得る。

タンク１６は、流体３２（例えば、液体）を含む。流体３２は、略非圧縮性であり得、流体３２が注射器の操作中に曝露される温度範囲外での相変化温度を有し、および／または、流体３２は、大きい熱膨張係数を有し得、例えば、熱膨張係数は、１＊１０^−３Ｃ^−１よりも大きくあり得る。流体３２は、水、アルコール、油、水銀、またはそれらの組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態において、流体３２は、電動注射器１２が操作される環境温度（例えば、室温に近い温度）で、または該環境温度に近い温度において、液体からガスへの相変化温度を有し得る。

熱源１８は、流体３２と熱連通している。ここで、熱エネルギーが、一方の本体からもう一方の本体に流動し得る場合、２つの本体は、「熱連通している」と考えられる。熱源１８は、抵抗ヒータ（例えば、電線コイル）、誘導ヒータ、ヒートパイプ、ペルティエ素子、ヒートポンプ、放射ヒータ、マイクロ波源、および／または周囲熱を提供する部屋等の、任意の適切な熱源を包含または意味し得る。熱源１８は、タンク１６の内側、タンク１６の外側、またはタンク１６の外側と内側との両方に配置され得る。特定の実施形態において、熱源１８は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、タンク１６内の流体３２を加熱するように構成され得る。

また、図１の注射器１２は、ヒートシンク２０を含む。ヒートシンク２０は、ペルティエ素子、冷却システム、ヒートパイプ、および／または熱を吸収する周囲の部屋等の、任意の適切なヒートシンクを包含または意味し得る。熱源１８のように、ヒートシンク２０は、タンク３０の内側、外側、または内側と外側との両方に配置され得る。

いくつかの実施形態において、ヒートシンク２０と熱源１８とは、単一装置に組み込まれ得る。例えば、ペルティエ素子等の熱電素子は、装置が順方向バイアスまたは逆バイアスされるかどうかに応じて、加熱または冷却し得る。他の実施例において、ヒートポンプは、冷却システムおよびヒータの両方として機能し得る。

流体導管２２は、タンク１６に接続し得る。流体導管２２は、いくつかの実施形態において、タンク１６からの流体３２のための唯一の出口であり得る。流体導管２２は、タンク１６に接続するための適切な取り付け具を含み得る。いくつかの実施形態において、流体導管２２は、油圧パイプ等の略非膨張性管を含む。流体導管２２は、流体３２の少なくとも一部を収納し、注射器１２のアクチュエータ２４に接続されるように図解される。

注射器１２のアクチュエータ２４は、バレル３４と、ピストンヘッド３６と、ロッド３８と、シリンジ接触面４０とを有するように示される。バレル３４は、略剛性壁を有する略円筒形チューブであり得る。いくつかの実施形態において、ピストンヘッド３６は、流体的に移動可能な部材（すなわち、流体圧力差に反応して移動する部材）として説明され得る。バレル３４とピストンヘッド３６とは、円筒形、多角形、または他の任意の好適な形状であり得る。特定の実施形態において、バレル３４は、約０．４インチ（例えば、０．３７５インチ）の直径、および約５．０インチの長さを有し得る。ピストンヘッド３６は、バレル３４内に適合し得、バレル３４の壁に対する可動密閉を形成するように形状およびサイズ決定され得る。流体３２は、ピストンヘッド３６の片側において、バレル３４の内側の空間を占有し得る。ロッド３８は、流体３２と反対側のピストンヘッド３６において、ピストンヘッド３６から延在し得る。シリンジ接触面４０は、ロッド３８の遠位端部に配置され得る。シリンジ接触面４０は、例えば、シリンジ１４を圧迫するための面もしくは表面、またはシリンジ１４に連結するための連動部材もしくは装置を含み得る。

１つ以上のセンサ２６が、バレル３４内のピストンヘッド３６の位置、流体３２の圧力、および／または流体３２の温度等の、種々のパラメータを感知するように位置決定され得る。例えば、線形位置トランデューサが、基準点（例えば、バレル３４）と可動部（例えば、ピストンヘッド３６、ロッド３８、またはシリンジ接触面４０）との両方に取り付けられ得る。あるいは、またはさらに、流体３２のパラメータは、熱電対または圧力トランスデューサにより監視され得る。

本実施形態の制御装置２８は、熱源１８および／またはヒートシンク２０に、流体３２に熱を付加または流体３２から熱を除去するように信号を送信することにより、シリンジ接触面４０の位置を調整するように構成される、回路および／またはコードを含み得る。いくつかの実施形態において、制御装置２８は、シリンジ接触面４０の位置、シリンジ接触面４０の移動速度、および／またはシリンジ接触面４０により印加される力の大きさを制御するように適合される、フィードバック回路またはコードを含み得る。あるいは、またはさらに、制御装置２８は、流体３２の温度、流体３２の温度変化速度、流体３２の圧力、および／または流体３２の圧力変化速度を制御するように適合される、回路および／またはコードを有し得る。回路および／またはコードは、これらのパラメータのうちの１つ以上の、現場または現場外フィードバックまたはフィードフォワード制御を行うように構成され得る。

種々の装置は、マイクロプロセッサ、コンピュータ、パーソナルコンピュータ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、デジタルシグナルプロセッサ、および／または中央演算処理装置等の、制御装置２８のすべてまたは一部を体現し得る。制御装置２８は、ダイナミックランダムアクセスメモリ、フラッシュメモリ、スタティックランダムアクセスメモリ、ハードディスクドライブ、光学式ドライブ、および／または磁気テープドライブ等の、種々の形態の実態的な機械可読メモリを含み得る。いくつかの実施形態において、メモリは、電動注射器１２を制御するように構成されるコードを記憶し得る。また、制御装置２８は、アナログデジタル変換器、増幅回路、および／または駆動回路等の、センサ２６と、熱源１８と、ヒートシンク２０と結合する装置を含み得る。制御装置２８は、単一のブロックとして図１に描写されるが、いくつかの実施形態において、制御装置２８は、互いから離れて配置される、種々のコンポーネントを含み得ることを理解されたい。したがって、いくつかの実施形態は、統合または一体型制御装置２８を含み得るが、図１は、単一装置を描写しているとしてよりもむしろ、論理的または機能的なユニットを描写しているとみなされるべきである。

シリンジ１４を参照すると、図解されたシリンジ１４は、バレル４２と、プランジャ４４と、プッシュロッド４６とを含み得る。バレル４２は、ガラスまたはプラスチック製であり得、略円筒形チューブの形状を有し得る。プランジャ４４は、バレル４２内に適合し、バレル４２の壁に対して摺動可能に密閉するように形状決定され得る。併せて、図解されたバレル４２とプランジャ４４とは、例えば、液体医薬品、液体造影剤、または生理食塩水等の医療用流体４８を収納し得る。プッシュロッド４６は、医療用流体４８の反対側のプランジャ４４の片側から延在し得、アクチュエータ２４のシリンジ接触面４０と結合し得る。いくつかの実施形態において、シリンジ１４のバレル４２は、例えば、シャーシまたはフレームにより、アクチュエータ２４のバレル３４に固定して固定され得る。シリンジ１４は、管および皮下注射針を介して、患者または生物と流体連通し得る。

操作において、注射システム１０は、図１、２により描写されるように、患者に医療用流体４８を注入し得る。具体的に、図１は、注射の開始を描写し、図２は、注射の終了時、または注射の終了近くの注射システム１０を図解する。注射を開始するために、使用者は、ボタンを押すか、ダイアルを回すか、そうでなければ、医療用流体４８の注射を開始したいという要求を示すことにより、制御装置２８に、注射を開始するように信号を送信し得る。それに応じて、制御装置２８は、熱源１８に、流体３２に熱エネルギー５０を印加するように信号を送信し得る。次に、熱源１８は、流体３２と熱源１８との間に温度勾配を生成し得、熱源１８は、より高い温度である。例えば、制御装置２８は、流体３２中または近傍に配置された抵抗ヒータへの電流路を閉じることにより、熱源１８に信号を送信し得る。流体３２は加熱されると、熱膨張により膨張し得る。いくつかの実施形態において、流体３２は、位相を変化させることなく膨張し得、例えば、流体３２は、注射中、液体のままであり得る。

流体３２は膨張すると、矢印５２により示されるように、シリンジ接触面４０を移動させ得る。膨張流体３２は、タンク１６内の圧力を上昇させ得る。膨張流体３２の一部は、流体導管２２を通じてアクチュエータ２４に流入し得る。加圧流体３２は、矢印５２の方向に、ピストンヘッド３６に力を印加し得る。この力は、バレル３４を通じてピストンヘッド３６を駆動し得る。次に、ピストンヘッド３６は、ロッド３８を駆動し、それは、シリンジ接触面４０を押し得る。シリンジ接触面４０は矢印５２の方向に移動すると、プッシュロッド４６を介して、シリンジ１４のバレル４２を通るプランジャ４４を押し得る。本実施形態において、プランジャ４４は、シリンジ１４から患者または生物へと医療用流体４８を駆動し得る。

注射中、制御装置２８は、種々のパラメータのフィードバックまたはフィードフォワード制御を行い得る。例えば、制御装置２８は、流体３２の温度、流体３２の圧力、シリンジ接触面４０の位置、接触面４０の速度、流速、および／またはこれらのパラメータのうちの１つ以上の変化速度を示す、センサ２６からのフィードバック信号を受信し得る。いくつかの実施形態において、制御装置２８は、これらのフィードバック信号のうちの１つ以上に反応して、熱源１８に信号を出力し得る。例えば、制御装置２８は、注射される医療用流体４８の体積、医療用流体４８が注射される速度、シリンジ接触面４０が移動する距離、シリンジ接触面４０の速度、流体３２の温度、流体３２の温度変化速度、流体３２の体積、流体３２の体積変化速度、流体３２の圧力、および／または流体３２の圧力変化速度を制御し得る。制御装置２８は、これらのパラメータのうちの１つ以上に対する設定値を目標にし得る。いくつかの実施形態において、設定値または制御パラメータは、メモリに記憶されたプロフィール（例えば、速度プロフィールまたは流速プロフィール）に応じて、注射中に変化し得る。例えば、シリンジ接触面４０は、注射の最初の１０秒間、第１の速度で、残りの注射に対して第２の異なる速度で、移動し得る。

図２に図解されるように、ここで考察される注射の終了近くにおいて、ピストンヘッド３６は、アクチュエータ２４のバレル３４全体を移動した可能性があり、プランジャ４４は、シリンジ１４のバレル４２全体を移動した可能性がある。この時点で、シリンジ１４は、皮下注射針または他の装置を介して、患者に医療用流体４８の一部を注入し終わった可能性がある。注射の終了において、または終了近くにおいて、制御装置２８は、熱源１８に、流体３２への熱５０の付加を停止するか、流体３２に付加される熱の量を減少するか、または流体３２の温度を維持する速度で、流体３２に熱５０を印加するように信号を送信し得る。また、制御装置２８は、スピーカ、発光ダイオード、液晶ディスプレー、ブラウン管、有機発光ダイオードディスプレー等の、音声または視覚表示器に、注射が完了したことを示す信号を出力し得る。

図３は、シリンジ１４がリセットまたは装填される際の電動注射器１２を描写する。本実施形態において、電動注射器１２は、矢印５４により示されるように、シリンジ接触面を後方に引き戻し得る。矢印５４により示される移動は、使用者が、ユーザーインターフェースを通じて、電動注射器をリセットしたいか、またはシリンジ１４を装填したいという要求を信号で伝達することにより、開始され得る。制御装置２８は、この信号を受信し得、それに応じて、ヒートシンク２０にタンク１６内の流体３２を冷却するように信号を送信し得る。次に、ヒートシンク２０は、ヒートシンク２０と流体３２との間に温度勾配を形成し得、熱エネルギー５６は、流体３２からヒートシンク２０に流動し得る。例えば、制御装置２８は、ペルチェクーラへの電流路を閉じ得、ペルチェクーラは、流体３２からの熱を受容し得る。

熱エネルギーが流体３２から除去されると、流体３２は、収縮し得、ピストンヘッド３６に負圧（すなわち、負ゲージ圧）を印加し得る。言い換えれば、流体３２から熱エネルギーを除去することにより、流体３２の体積の負の変化が誘導され得、体積の変化は、ピストンヘッド３６を引き得る。ピストンヘッド３６は、矢印５４の方向に、バレル３６を通じて後方に戻り得る。いくつかの実施形態において、シリンジ接触面４０は、プッシュロッド４６に連結され得、ピストンヘッド３６がタンク１６に向かって引き寄せられると、シリンジ１４は、装填され得る。代替の実施形態において、流体導管２２は、冷却が移動５２を引き起こし、加熱が移動５４を引き起こすように、バレル３４、またはピストンヘッド３６の反対側に連結し得る。

図４は、他の例示的な注射システム５８を描写する。この実施形態において、熱源１８は、タンク１６内に配置された抵抗加熱コイルの配列を含み、ヒートシンク２０は、タンク１６の外面に配置されたペルチェクーラの配列を含む。また、本実施形態は、圧力容器６２とガス導管６４とを有する、リセット空気補助アセンブリ６０を含む。ガス導管６４は、圧力容器６２をアクチュエータ２４のバレル３４に流体的に連結する。具体的に、本実施形態において、ガス導管６４は、流体導管２２に対してピストンヘッド３６の反対側にあるバレル３４の一部に接続する。したがって、本実施形態において、圧力容器６２からの圧力は、流体３２からの圧力に逆らうように作用する。

操作において、ピストンヘッド３６が伸ばされると、ピストンヘッド３６は圧力容器６２を加圧し得る。次いで、シリンジ１４の装填中、または注射システム５８のリセット中、圧力容器６２からの圧力は、バレル３４内の引き込み位置にピストンヘッド３６を駆動し得る。いくつかの実施形態において、圧力容器は、空気または他の適切な圧縮性ガスを含み得る。

図５は、他の例示的な注射システム６６を図解する。本実施形態は、二重タンク１６、７０と、可逆熱電素子７２と、断熱体７４と、第２の流体導管７６と、第２の流体７８とを有し得る、二重温度注射器６８を含む。熱電素子７２は、電流に反応して、一方のタンク１６、７０からもう一方のタンク１６、７０に熱エネルギーを移動させるように適合される、ペルティエ−ゼーベック装置を含み得る。さらに、熱電素子７２が熱を移動させる方向は、熱電素子７２に電力供給する電流が流動する方向によって決定され得る。つまり、第１の方向への電流フローにより、熱は、第１のタンク１６から第２のタンク７０に移動し得、反対方向への電流フローにより、熱は、第２のタンク７０から第１のタンク１６に移動し得る。

組み立てられる場合、熱電素子７２は、タンク１６、７０の間に、かつそれらと熱連通して配置され得る。いくつかの実施形態において、断熱体７４は、タンク１６、７０と熱電素子７２とを被覆し得る。第２の流体導管７６は、第２のタンク７０をアクチュエータ２４に流体的に連結し得る。より具体的には、第２の流体導管７６は、流体３２とはピストンヘッド３６の反対側のバレル３４の体積と連結し得る。

操作において、制御装置２８は、熱電素子７２に、第２のタンク７０から第１のタンク１６に熱を移動させるように信号を送信することにより、注射を開始し得る。例えば、制御装置２８は、第１の方向に、熱電素子７０を通じて電流を駆動する。上記で説明したように、第１のタンク１６への熱エネルギーの印加により、流体３２は、膨張し、ピストンヘッド３６を前方に駆動し得る。同時に、第２のタンク７０からの熱エネルギーの除去により、流体７８の体積は減少し得、それにより、ピストンヘッド３６を前方に引く傾向を有し得る。言い換えれば、本実施形態において、注射中、流体７８がピストンヘッド３６を引く一方で、流体３２はそれを押す。

ピストンヘッド３６を引き込むために、制御装置２８は、熱電素子７２に印加される電流の方向を反対にし得る。それに応じて、熱電素子７２は、それが熱を移動させる方向を反対にし得、熱エネルギーは、第１のタンク３２から第２のタンク７８に流動し得る。第１のタンク１６が冷却され、第２のタンク７８が温められると、流体７８は、バレル３４を通じてピストンヘッド３６を後方に押し戻し得、流体３２は、同一方向に、ピストンヘッド３６を引き得る。

図６は、他の例示的な注射システム８０である。本実施形態は、固体熱機械的アクチュエータ８４を有する電動注射器８２を含み得る。固体熱機械的アクチュエータ８４は、形状記憶合金、形状記憶高分子、または高い熱膨張係数を有する他の材料を含み得る。いくつかの実施形態において、アクチュエータ８４は、実質的に、または完全に非鉄であり得る。アクチュエータ８４とシリンジ１４とは、それらを固定して保持する筐体８６に固定され得る。

操作において、熱源１８は、アクチュエータ８４に熱エネルギー５０を伝達し得、アクチュエータ８４は、膨張し得る。いくつかの実施形態において、電流が、アクチュエータ８４を通じて伝導され、内部抵抗加熱が、熱エネルギー５０を生成する。アクチュエータ８４が加熱されると、矢印８８により図解されるように、それは膨張し得る。同時に、シリンジ接触面４０は、矢印５２により描写されるように、シリンジ１４のバレル４２を通るプランジャ４４を駆動し得る。注射後、ヒートシンク２０は、アクチュエータ８２から熱エネルギーを除去することにより、アクチュエータ８４を引き込み得る。

図７は、先述の実施形態のうちの１つ以上により実行され得る例示的な注射プロセス９０を示す、フローチャートである。プロセス９０は、ブロック９２により示されるように、材料の熱エネルギーを調整するステップから始まる。熱エネルギーを調整するステップは、伝導、対流、放射、抵抗加熱、化学的加熱、機械的加熱、またはそれらの組み合わせにより、熱エネルギーを移動させるステップを含み得る。いくつかの実施形態において、熱エネルギーを調整するステップは、材料の温度を上昇または低下させるステップを含み得る。

次いで、または略同時に、ブロック９４により示されるように、材料の体積または形状の変化は、熱エネルギーの得られた変化により誘導され、ブロック９６により示されるように、体積の変化から生じた力は、シリンジに印加される。本実施形態において、材料が、新しい体積または形状に遷移すると、ブロック９８により示されるように、医療用流体は、シリンジにより患者に注射される。

最後に、ブロック１００により示されるように、患者は撮像される。患者を撮像するステップは、例えば、投影ラジオグラフィシステム（例えば、Ｘ線システム）、蛍光透視システム、断層撮影システム（例えば、コンピュータ軸方向断層撮影システム）、磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）システム、および／または超音波システム等の、種々の種類の画像システムで実行され得る。特定の非鉄の実施形態は、ＭＲＩシステムの障害を最小限に抑える傾向を有する。

本発明が、種々の変更形および代替形態を受け入れ得る一方で、具体的な実施形態が、図面において一実施例として示され、本明細書に具体的に説明されてきた。しかしながら、本発明は、開示される特定の形態に制限されることを目的としていないことを理解されたい。むしろ、本発明は、以下の添付の特許請求の範囲により定義されるような、本発明の精神および範囲内にある、すべての変更形、同等物、および代替物を対象とするものとする。

Claims (23)

1. 医療用流体注射器であって、
   該注射器は、
   温度勾配に反応して膨張性および収縮性である媒体と、
   該媒体と熱連通しているサーマル装置であって、ヒータおよびクーラを含むサーマル装置と、
   該ヒータおよび該クーラの各々と連通している制御装置と、
   ２つの異なる方向にシリンジのプッシュロッドを移動させるように該プッシュロッドに結合されたシリンジ接触面であって、該シリンジ接触面は、該媒体の膨張および該媒体の収縮の両方によって移動可能であり、該制御装置は、該媒体の膨張によって第１の方向に該シリンジ接触面を移動させるように該ヒータに信号伝達し、該制御装置は、該媒体の収縮によって該第１の方向とは異なる第２の方向に該シリンジ接触面を移動させるように該クーラに信号伝達する、シリンジ接触面と
   を含む、注射器。
2. 前記媒体は、固体である、請求項１に記載の注射器。
3. 前記媒体は、流体である、請求項１に記載の注射器。
4. 前記流体は、密閉されたシステム内に配置された非圧縮性液体を含み、前記シリンジ接触面は、該密閉されたシステム内で、流体的に移動可能な部材に結合されている、請求項３に記載の注射器。
5. 前記非圧縮性液体は、アルコールを含む、請求項４に記載の注射器。
6. 流体熱機械的アクチュエータ
   をさらに含み、該流体熱機械的アクチュエータは、
   圧力容器と、該圧力容器に結合されている導管と、該導管に結合されているバレルと、該バレル内に移動可能に配置されたピストンとを含み、前記シリンジ接触面は、該ピストンに結合されており、前記ヒータおよび前記クーラの各々は、該圧力容器と熱連通している、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の注射器。
7. 前記シリンジ接触面と接触しており、かつ、結合されているシリンジをさらに含む、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の注射器。
8. 前記シリンジは、バレルと、該バレル内に配置され、かつ、該バレルに対して移動可能なプランジャとを含み、前記制御装置は、前記第１の方向に前記シリンジ接触面を移動させ、そして、１つの方向に該プランジャを移動させるように、前記サーマル装置に信号伝達し、該制御装置は、前記第２の方向に該シリンジ接触面を移動させ、そして、別の方向に該プランジャを移動させるように、該サーマル装置に信号伝達する、請求項７に記載の注射器。
9. 前記第１の方向は、前記シリンジからの医療用流体の排出に関連付けられており、前記第２の方向は、該シリンジの中への医療用流体の装填に関連付けられている、請求項８に記載の注射器。
10. 前記シリンジ接触面は、前記シリンジのプッシュロッドに結合されており、該プッシュロッドは、該シリンジの前記プランジャから延び、該シリンジ接触面に結合する、請求項８に記載の注射器。
11. センサをさらに含み、前記制御装置は、該センサと相互作用する、請求項１に記載の注射器。
12. 前記制御装置は、前記媒体の温度、該媒体の圧力、前記シリンジ接触面の位置、該シリンジ接触面の速度、該シリンジ接触面の移動に関連付けられた流速のうちの少なくとも１つを示す前記センサからの少なくとも１つのフィードバック信号を受信する、請求項１１に記載の注射器。
13. 医療用流体注射器のための駆動部であって、
    該駆動部は、
    第１のタンク内に配置される第１の流体と、
    第２のタンク内に配置される第２の流体と、
    該第１のタンクと該第２のタンクとの間に配置され、かつ、該第１のタンクおよび該第２のタンクの各々と熱連通している可逆熱電素子と、
    バレルと、該バレル内に配置され、かつ、該バレルに対して移動可能なピストンとを含むアクチュエータであって、該第１のタンクは、該第１の流体が該ピストンの第１の側と接触するように該ピストンの該第１の側と流体的に相互接続されており、該第２のタンクは、該第２の流体が該ピストンの第２の側と接触するように該第１の側とは反対の該ピストンの該第２の側と流体的に相互接続されている、アクチュエータと、
    該ピストンに結合されており、かつ、該可逆熱電素子の動作によって提供される該ピストンの移動に応答して移動可能であるシリンジ接触面と
    を含み、
    該シリンジ接触面は、シリンジのプッシュロッドに結合されており、かつ、２つの異なる方向に該プッシュロッドを移動させるように構成されている、駆動部。
14. 前記第１のタンクと前記ピストンの前記第１の側上の前記バレルとの間に延びている第１の導管と、
    前記第２のタンクと該ピストンの前記第２の側上の該バレルとの間に延びている第２の導管と
    をさらに含む、請求項１３に記載の駆動部。
15. 前記第１の流体は、液体から成る、請求項１３に記載の駆動部。
16. 前記第１の流体は、水、アルコール、油、水銀、または、それらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１３〜１５のいずれかに記載の駆動部。
17. 前記可逆熱電素子は、前記第１のタンクと前記第２のタンクとの間で熱を各方向に伝達するように動作可能である、請求項１３〜１５のいずれかに記載の駆動部。
18. 前記第１のタンクと前記第２のタンクとは、互いに流体連通していない、請求項１３〜１７のいずれかに記載の駆動部。
19. 第１の方向に流れることによって前記可逆熱電素子に電力供給する電流は、前記第１のタンクから前記第２のタンクに熱を伝達する、請求項１３〜１８のいずれかに記載の駆動部。
20. 第２の方向に流れることによって前記可逆熱電素子に電力供給する電流は、前記第２のタンクから前記第１のタンクに熱を伝達する、請求項１９に記載の駆動部。
21. 前記第１のタンクに熱を追加することと、前記第２のタンクから熱を除去することとの両方を行うように、前記可逆熱電素子を動作させることは、前記ピストンの前記第１の側を押し、それと同時に該ピストンの前記第２の側を引くことにより、前記バレルを介して第１の方向に該ピストンを移動させ、
    該第２のタンクに熱を追加することと、該第１のタンクから熱を除去することとの両方を行うように、該可逆熱電素子を動作させることは、該ピストンの該第２の側を押し、それと同時に該ピストンの該第１の側を引くことにより、該バレルを介して第２の方向に該ピストンを移動させる、請求項１３〜２０のいずれかに記載の駆動部。
22. 前記駆動部は、非鉄である、請求項１３〜２１のいずれかに記載の駆動部。
23. 前記シリンジ接触面と接触しており、かつ、結合されているシリンジをさらに含み、該シリンジは、その中に配置された医療用流体を有する、請求項１３〜２２のいずれかに記載の駆動部。

Images