СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБСОЛЮТНОГО ПОЛОЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ЭЛЕМЕНТА В УСТРОЙСТВЕ ДОСТАВКИ МЕДИКАМЕНТОВ
METHOD OF CONTACTLESS DETERMINATION OF MEDICINE DELIVERY DEVICE MOVABLE ELEMENT POSITION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к блоку и к способу определения абсолютного положения первого компонента, такого как поворотный барабан установки дозы, в устройстве подачи медицинского препарата (далее - препарата). В частности, изобретение относится к блоку указанного типа, который занимает минимальный объем пространства.
Уровень техники
В патенте US 4420754 описана система для измерения относительного перемещения между двумя компонентами, такими как шкала и скользящий элемент (ползунок) ручного измерительного инструмента. В системе предусмотрено наличие нескольких групп питающих электродов, размещенных на ползунке, причем в каждой группе на каждый из них от общего генератора сигналов подается один из соответствующих многочисленных выходных сигналов. В результате на всех указанных электродах имеются напряжения, распределенные циклическим образом. Кроме того, ползунок оборудован, по меньшей мере, одним приемным электродом, который подключен к блоку обработки сигналов. Имеется также шкала, снабженная электронным шаблоном, две части которого гальванически соединены. При этом одна из них является детектирующей и расположена у зоны, в которой перемещаются питающие электроды ползунка, а вторая выполняет передающую функцию и расположена у зоны, в которой перемещается приемный электрод ползунка. Перемещение ползунка вдоль шкалы генерирует сигнал от приемного электрода, являющийся производным от сигналов, поступающих от, по меньшей мере, двух соседних питающих электродов, а положение ползунка определяется блоком обработки сигналов, который идентифицирует соотношение амплитуд принятых сигналов.
В патентном документе US 6329813 описан индуктивный датчик абсолютного положения, использующий, по меньшей мере, один генератор магнитного поля. Указанный генератор создает первый переменный магнитный поток в первой зоне потока. Множество витков связи образует первое и второе множества участков таких витков, каждое из которых пространственно разделено по измерительной оси интервалом, который соотносится соответственно с первой и второй длинами волн. Одно из указанных множеств участков индуктивно взаимодействует с первым переменным магнитным потоком, поступающим от передающей обмотки в первую зону потока, генерируя при этом второй переменный магнитный поток с внешней стороны зоны первого потока в другом множестве участков витков связи. Снаружи зоны первого магнитного потока установлен датчик магнитного потока, который реагирует на второй переменный магнитный поток, генерируя зависящий от положения выходной сигнал. Указанный сигнал изменяется на первой или второй длине волны, соответствующей другому множеству участков витков связи, генерирующему второй переменный магнитный поток.
Устройства, предлагаемые в обоих документах, выполнены с возможностью определения линейных перемещений двух объектов относительно друг друга.
Патентный документ US 20040207385 относится к устройству для детектирования положения ротора относительно статора. На роторе и статоре размещено, по меньшей мере, по одному электроду, причем таким образом, чтобы указанные электроды, по меньшей мере, частично перекрывались, по меньшей мере, в одном угловом положении ротора относительно статора. Данный документ относится также к способу измерения углового положения ротора, несущего, по меньшей мере, один электрод, относительно статора, также несущего, по меньшей мере, один электрод, причем угловое положение детектируют, используя емкостное взаимодействие между электродами ротора и статора.
US 20040207385 относится к определению угловых положений (угла поворота) для двух объектов, в частности для ротора, установленного с возможностью поворота, и неподвижного статора. Недостатком устройства, предложенного в US 20040207385, является необходимость дополнительного объема для установки излучателей и приемников. Такое техническое решение неприемлемо для компактных систем.
Кроме того, устройство, предложенное в US 20040207385, не адаптировано для бесконтактного и абсолютного определения положения. Как следует из указанного документа (см. фиг.8 и 9, а также соответствующий им текст в параграфах 0053 и 0054), для проведения абсолютных измерений требуются дополнительные элементы, такие как датчики усилия или резисторы. Таким образом, недостатком предложенного устройства является невозможность проведения абсолютных измерений без добавления указанных элементов, требующих контакта, причем в этом случае резисторы используются в качестве делителя напряжения.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка компактного блока, предназначенного для измерения абсолютного положения (такого как абсолютное угловое положение) компонента (например, барабана с указателем дозы), установленного с возможностью поворота в устройстве подачи препарата.
Сформулированная выше задача в своем первом аспекте решается посредством разработки устройства подачи препарата, которое содержит блок определения положения, предназначенный для определения абсолютных положений первого компонента указанного устройства относительно его второго компонента. Данный блок содержит:
- множество передающих электродов, размещенных на первом компоненте и расположенных, по существу, по спирали,
- множество приемных электродов, размещенных на первом компоненте и расположенных, по существу, по спирали, причем передающие электроды формируют с соответствующими приемными электродами пары подключенных друг к другу электродных элементов, и
- считывающий узел, жестко закрепленный относительно второго компонента и содержащий множество передатчиков, выполненных с возможностью установления электрической связи с одним или более приемными электродами первого компонента, и множество приемников, выполненных с возможностью установления электрической связи с одним или более передающими электродами первого компонента.
Первый компонент может содержать узел (например, барабан с указателем дозы), установленный с возможностью поворота. Второй компонент может быть выполнен в виде части корпуса устройства подачи препарата. Барабан с указателем дозы можно сконструировать с возможностью как поворота вокруг центральной оси указанного устройства (являющейся также центральной осью его корпуса), так и смещения вдоль нее.
Предусмотрена возможность гальванически изолировать пары в виде соединенных между собой передающего и приемного электродов первого компонента от других таких пар. При этом согласно настоящему изобретению электродные элементы в виде указанных пар электродов расположены, по существу, по спирали.
Расположенные по спирали передающие электроды могут формировать первую периодическую конфигурацию. Сходным образом, расположенные по спирали приемные электроды могут формировать вторую периодическую конфигурацию. Согласно настоящему изобретению периодичность первой периодической конфигурации отличается от периодичности второй периодической конфигурации. Таким образом, передающие электроды и приемные электроды пространственно смещены относительно друг друга вдоль указанной спирали. Суммарные длины указанных первой и второй конфигураций могут иметь, по существу, одинаковое значение, лежащее, например, в интервале 100-150 мм.
Чтобы облегчить доступ к множеству передающих электродов и к множеству приемных электродов, предусмотрена возможность расположить их соответственно на первом и втором участках наружной поверхности первого компонента.
Первый компонент можно выполнить с возможностью совершать комбинированное вращательно/поступательное перемещение относительно второго компонента.
Электрическая связь между передатчиками считывающего узла и одним или более приемными электродами первого компонента может являться емкостной связью. В этом случае электроды, формирующие передатчики указанного блока, и один или несколько приемных электродов первого компонента могут быть выполнены в виде обкладок конденсатора. Аналогично, электрическая связь между электродами, образующими приемники считывающего узла, и одним или более передающими электродами первого компонента может являться емкостной связью с выполнением указанных электродов в виде обкладок конденсатора.
Считывающий узел может содержать восемь передатчиков, расположенных в ряд. Они могут быть подключены попарно, т.е. один и тот же сигнал может подаваться на два передатчика, соединенных параллельно. В ряду, состоящем из восьми передатчиков, первый предназначенный для них сигнал можно подать на первый и пятый передатчики, а второй - на второй и шестой передатчики. Аналогичным образом, третий передаваемый сигнал можно подвести к третьему и седьмому передатчикам, а четвертый - к четвертому и восьмому передатчикам. Предусмотрена возможность сместить фазы всех четырех перечисленных сигналов относительно друг друга на угол, составляющий, например, приблизительно 90°. Кроме того, считывающий узел может иметь два приемника, каждый из которых выполнен в виде нескольких треугольных электродов.
Предусмотрена возможность расположить передатчики и приемники считывающего узла на гибком носителе, например на гибкой печатной плате. В таком варианте формой указанного блока можно управлять, подгоняя ее к конфигурациям первого компонента и корпуса устройства подачи препарата.
Устройство подачи препарата согласно первому аспекту настоящего изобретения может дополнительно содержать электронную схему управления, которая генерирует электрические сигналы, поступающие на передатчики считывающего узла, и обрабатывает электрические сигналы, поступающие от приемников этого узла.
Как уже упоминалось, предусмотрена возможность выполнить первый компонент в виде блока, установленного с возможностью перемещения, например в виде поворотного барабана с указателем дозы, установленного внутри устройства подачи препарата.
В своем втором аспекте настоящее изобретение относится к способу определения абсолютных положений первого компонента устройства подачи препарата относительно второго компонента. Предлагаемый способ включает этапы:
- обеспечения наличия множества приемных электродов, размещенных на первом компоненте и расположенных, по существу, по спирали,
- обеспечения наличия множества приемных электродов, размещенных на первом компоненте и расположенных, по существу, по спирали, причем передающие электроды формируют с соответствующими приемными электродами пары подключенных друг к другу электродных элементов,
- обеспечения наличия считывающего узла, жестко закрепленного относительно второго компонента и содержащего множество передатчиков, выполненных с возможностью установления электрической связи с одним или более приемными электродами первого компонента, и множество приемников, выполненных с возможностью установления электрической связи с одним или более передающими электродами первого компонента, и
- подачи первого, второго, третьего и четвертого подлежащих передаче сигналов соответственно на первый, второй, третий и четвертый передатчики считывающего узла, при этом первый, второй, третий и четвертый сигналы передатчиков взаимно смещены по фазе.
Согласно способу, отвечающему второму аспекту настоящего изобретения, первый компонент может содержать узел (например, барабан с указателем дозы), установленный с возможностью поворота. Второй компонент может быть выполнен в виде части корпуса указанного устройства подачи. Барабан с указателем дозы можно сконструировать с возможностью как поворота вокруг центральной оси указанного устройства (являющейся также центральной осью его корпуса), так и смещения вдоль нее.
Как упоминалось выше, в одном из вариантов первый, второй, третий и четвертый сигналы передатчиков смещены по фазе относительно друг друга приблизительно на 90°. Указанные сигналы можно генерировать в виде синусоиды или с применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Их несущая частота соответствует 1-100 кГц, однако предпочтительны частоты около 10 кГц, особенно в случае генерирования сигналов с применением ШИМ (поскольку для генерирования качественного сигнала 10 кГц требуется сигнал 10 МГц). В дополнение к сказанному, частоту подлежащих передаче сигналов выбирают достаточно низкой, чтобы уменьшить воздействие паразитных емкостей. Приемлемы уровни амплитуд в интервале 1-5 В, например 1,5-3 В.
Первый, второй, третий и четвертый сигналы передатчиков можно подать на соответствующие пары передатчиков. Так, в ряду, состоящем из восьми передатчиков, первый предназначенный для них сигнал можно подать на первый и пятый передатчики, а второй - на второй и шестой передатчики. Аналогичным образом, третий сигнал можно подвести к третьему и седьмому передатчикам, а четвертый - к четвертому и восьмому передатчикам.
Электрическая связь между передатчиками считывающего узла и одним или несколькими приемными электродами первого компонента может являться емкостной связью. Электрическая связь между электродами, образующими приемники считывающего узла, и одним или более передающими электродами первого компонента также может являться емкостной связью.
Как уже упоминалось, предусмотрена возможность гальванически изолировать пары в виде соединенных между собой передающего и приемного электродов первого компонента от других таких пар. При этом электродные элементы в виде указанных пар расположены, по существу, по спирали.
Расположенные по спирали передающие электроды могут формировать первую периодическую конфигурацию. Сходным образом, расположенные по спирали приемные электроды могут формировать вторую периодическую конфигурацию. Согласно настоящему изобретению периодичность первой периодической конфигурации отличается от периодичности второй периодической конфигурации. Передающие электроды и приемные электроды в результате пространственно смещены относительно друг друга вдоль указанной траектории. Суммарные длины указанных первой и второй конфигураций могут иметь, по существу, одинаковое значение, лежащее, например, в интервале 100-150 мм.
Чтобы облегчить доступ к множеству передающих электродов и к множеству приемных электродов, можно расположить их соответственно на первом и втором участках наружной поверхности первого компонента.
В своем третьем аспекте настоящее изобретение относится к устройству подачи препарата, содержащему блок определения положения, который определяет абсолютные положения первого компонента устройства относительно второго компонента. Данный блок содержит:
- средство связи, выполненное с возможностью принимать и ретранслировать подводимый к нему, посредством электрической связи, электрический сигнал и расположенное на первом компоненте, по существу, по спирали,
- передающее средство, выполненное с возможностью подачи электрическим путем одного или нескольких подлежащих передаче сигналов на указанное средство связи первого компонента и жестко закрепленное относительно второго компонента,
- приемное средство, выполненное с возможностью принимать ретранслируемые электрические сигналы, поступающие от средства связи первого компонента, при этом указанное приемное средство закреплено относительно второго компонента, и
- электронное средство управления, выполненное с возможностью генерирования подлежащих передаче сигналов и обработки сигналов, поступающих от приемного средства, чтобы определить абсолютное положение первого компонента относительно второго.
Средство связи первого компонента может содержать множество передающих электродов, размещенных на указанном компоненте, по существу, по спирали. В дополнение, указанное средство может содержать множество приемных электродов, размещенных на указанном компоненте также, по существу, по спирали. Предусмотрена также возможность соединить передающие электроды и соответствующие приемные электроды с образованием пар в виде подключенных друг к другу электродных элементов.
Передающее и приемное средства можно встроить в считывающий узел, жестко закрепленный относительно второго компонента. Данный узел может содержать множество передатчиков, выполненных с возможностью установления электрической связи с одним или более приемными электродами первого компонента, а также множество приемников, выполненных с возможностью установления электрической связи с одним или более передающими электродами первого компонента.
Первый компонент может содержать узел, установленный с возможностью поворота, например поворотный барабан с указателем дозы, а для второго компонента предусмотрена возможность выполнить его в виде части корпуса устройства подачи препарата. Барабан с указателем дозы можно сконструировать с возможностью как поворота вокруг центральной оси указанного устройства (которая является также центральной осью его корпуса), так и смещения вдоль данной оси.
Другие варианты считывающего узла, передающих и приемных электродов, подлежащих передаче сигналов и другие признаки рассматриваемого устройства могут быть такими же, как соответствующие признаки, описанные применительно к первому и второму аспектам изобретения.
Краткое описание чертежей
Дальнейшее описание изобретения будет дано со ссылками на прилагаемые чертежи, где
фиг.1 иллюстрирует считывающий узел, содержащий два приемника и восемь передатчиков, а также соответствующую шкалу, содержащую передающие и приемные электроды,
фиг.2 иллюстрирует считывающий узел, содержащий два приемника и восемь передатчиков, а также соответствующую шкалу, содержащую передающие и приемные электроды, причем в указанном узле передающие электроды находятся на одной линии с приемниками, а приемные электроды - на одной линии с передатчиками,
фиг.3 иллюстрирует компоновку печатной схемы,
фиг.4 иллюстрирует шкалу, содержащую пространственно смещенные передающие и приемные электроды,
фиг.5 иллюстрирует схему управления, способную генерировать четыре сигнала, подаваемые на передатчики, и обрабатывать сигналы, поступающие от двух приемников,
фиг.6 иллюстрирует блок определения положения согласно настоящему изобретению, установленный в устройство подачи препарата.
Хотя для изобретения приемлемы различные модификации и альтернативные формы, на чертежах и в следующем далее подробном описании, только в качестве примеров, приведены конкретные варианты его осуществления. Однако должно быть понятно, что изобретение не следует ограничивать представленными вариантами, т.к. оно охватывает все модификации, эквиваленты и альтернативы, которые попадают в границы идеи и объема изобретения, определенные прилагаемой формулой.
Осуществление изобретения
В своем самом широком аспекте настоящее изобретение относится к устройству подачи препарата, которое содержит блок, предназначенный для определения абсолютного положения первого компонента, такого как барабан с указателем дозы, установленного с возможностью поворота относительно второго компонента, такого как участок корпуса указанного устройства. При выполнении блока ставилась задача минимизации пространства, которое он занимает внутри устройства.
В одном из вариантов осуществления изобретения перечисленные требования выполняются посредством блока, содержащего считывающий узел. Указанный узел имеет восемь передатчиков, которые расположены в ряд и функционируют парами, т.е. на два передатчика подается один и тот же сигнал. Фазы сигналов, подаваемые на четыре пары передатчиков, различаются между собой на 90°.
Узел согласно данному варианту осуществления показан на фиг.1, где передатчики отмечены обозначениями tr1-tr4. В представленном варианте первый передаваемый сигнал подается на оба передатчика tr-1. Аналогичным образом, второй передаваемый сигнал со смещением по фазе подается на оба передатчика tr-2. По отношению к первому сигналу его фаза смещена на 90°. Смещенные по фазе третий и четвертый передаваемые сигналы подаются соответственно на два передатчика tr-3 и два передатчика tr-4. Обозначения S1 и S2 относятся к двум приемникам.
Количество передатчиков может отличаться от значения, приведенного выше, т.е. от восьми. Так, при подаче шести соответствующих сигналов, смещенных по фазе относительно друг друга, можно задействовать двенадцать передатчиков, объединив их в пары. В таком варианте фазовое смещение указанных сигналов составит 60°.
Физическая реализация передатчиков tr1-tr4 и приемников S1, S2 иллюстрируется на фиг.3b. В данном случае передатчики и приемники размещены на гибкой печатной плате (ПП). Как видно из фиг.3а, передатчики и приемники выполнены на той же ПП, что и электронная схема управления, способная генерировать требуемые четыре передаваемых сигнала, смещенные по фазе, и обрабатывать/контролировать сигналы, поступающие от приемников. Сама схема управления показана на фиг.5.
Принцип детектирования, реализованный в представленном на фиг.1 блоке, известен как способ смещенных траекторий. Как видно из чертежа, считывающий узел 1 состоит из двух главных частей, а именно из шкалы 2 и считывающей головки. Указанная шкала помещена на участке наружной поверхности, например, поворотного барабана с указателем дозы или на каком-то другом подвижном участке и имеет два ряда прямоугольных электродов с нумерацией n=-N, -N+1,…, -2, -1, 0, 1, 2,…, N. Считывающая головка установлена жестко относительно корпуса устройства подачи препарата и оснащена электродами, выполняющими функцию генераторов/ передатчиков tr1-tr4, а также электродами, выполняющими функцию приемников S1, S2.
На фиг.1 показано, что расстояние между центрами соседних электродов в верхнем ряду шкалы 2 больше, чем в нижнем. Как видно из чертежа, каждый электрод верхнего ряда электрически соединен с электродом нижнего ряда с образованием тем самым электродного элемента. Указанные элементы гальванически изолированы друг от друга. Когда шкалу электродных элементов устанавливают поверх считывающего узла 1 или рядом с ним (см. фиг.2), сигнал от передатчиков tr1-tr4 поступает на приемные электроды S1, S2 через два ряда электродов, формирующих шкалу. Так, сигналы, излучаемые передатчиками tr1-tr4, электрически подаются на электроды нижнего ряда (приемные электроды) шкалы 2, ретранслируются верхними электродами (передающими электродами) указанной шкалы и воспринимаются приемниками S1, S2. Предпочтительно, чтобы электрические связи между передатчиками tr1-tr4 и приемными электродами, а также между передающими электродами и приемниками S1, S2 имели емкостной характер.
Середины считывающего узла (т.е. совокупности передатчиков и приемников) и шкалы обозначены на фиг.1 штриховой линией. Относительно указанной линии как считывающий узел, так и шкала симметричны. На расстоянии от середины шкалы электроды двух рядов, формирующих шкалу, взаимно смещены, тогда как середина шкалы (на штриховой линии) совпадает с серединами обоих рядов. Указанное расположение электродов влияет на принятый сигнал таким образом, что фаза сигналов, поступающих от двух приемных электродов S1, S2, изменяется вдоль шкалы. В результате появляется возможность провести абсолютное измерение положения считывающего узла относительно шкалы.
В устройстве подачи препарата пространство, предназначенное для считывающего узла, весьма ограничено: максимальная длина (по направлению шкалы) и максимальная допустимая высота составляют соответственно 8,25 мм и 6 мм. Для такого ограниченного объема предпочтительна схема, содержащая две группы передатчиков, в каждой из которых находятся четыре передатчика tr1-tr4. Каждый из указанных передатчиков передает синусоидальный сигнал, причем, как уже упоминалось, передатчики смещены по фазе. Так, сигналы, предназначенные для передатчиков tr2, tr3 и tr4, смещены по фазе относительно передатчика tr1 соответственно на 90°, 180° и 270°.
Применение двух комплектов передатчиков tr1-tr4 позволяет использовать на длине считывающей головки сигналы передатчиков на двух длинах волн.
Максимальное допустимое смещение между двумя рядами электродов шкалы определяют, исходя из того, что максимальная разность фаз между сигналами, получаемыми от приемников S1 и S2, составляет ±180°. Такое значение соответствует максимальному смещению передатчиков на ±½ длины волны. Указанное максимальное смещение увеличивает длину приемника от двух длин волн до трех (две длины волны ±½ длины волны у каждого конца шкалы).
Максимальная допустимая суммарная длина, составляющая 8,25 мм и распределенная по трем длинам волн, приводит в результате к длине волны приемника, равной 2,75 мм. Длина спиральной линии, измеренная вдоль шкалы типичного барабана с указателем дозы, составляет 114 мм. Однако этот размер действителен только для центральной точки считывающего узла. Чтобы учесть это обстоятельство, длину шкалы нужно увеличить на размер, соответствующий длине приемников. В результате суммарная длина шкалы составит 122,25 мм. Таким образом, расстояние от центральной точки шкалы до обоих ее концов равно 61,13 мм.
У концов шкалы смещение составляет ½ длины волны. Таким образом, коэффициент смещения задается ½ длины волны, деленной на половину длины шкалы. В результате в считывающей головке расстояние между электродами, совмещенными с приемными электродами на 2,2%, превышает расстояние между электродами, совмещенными с передающими электродами.
Деление максимально допустимой длины 8,25 мм на три длины волны, скомбинированное с коэффициентом смещения 2,2%, приводит к длине волны передатчика 2,68 мм. Таким образом, расстояние между центрами передатчиков равно 0,66 мм.
На фиг.4 показана половина шкалы, причем центр шкалы указан стрелкой. Как видно из чертежа, смещение электродов в двух рядах увеличивается по направлению к концу шкалы. Следует отметить, что данная шкала при ее помещении на поворотный барабан с указателем дозы примет, по существу, спиральную форму, притом что наружная поверхность указанного барабана, на которой предпочтительно расположить шкалу, имеет, по существу, цилиндрическую конфигурацию. Более того, шкала неизбежно приобретет, по существу, спиральную форму, поскольку такой барабан устанавливают с возможностью вращения более чем на один полный оборот.
На фиг.6 изображен блок определения положения согласно настоящему изобретению. На чертеже представлены корпус 3 устройства подачи препарата и держатель 4, предназначенный для удерживания считывающего узла 1 согласно изобретению. Как уже упоминалось, считывающий узел 1 содержит восемь передатчиков (не показаны) и два приемника (не показаны). Считывающий узел выполнен так, как это показано в верхней части фиг.1.
Считывающий узел 1 помещен в держатель 4, который установлен с возможностью смещения вдоль радиального направления устройства подачи препарата. В такой схеме появляется возможность расположить считывающий узел 1 в непосредственной близости от наружной поверхности барабана 5, на которой расположена шкала (см. фиг.4). Таким образом, при вращении барабана происходит его комбинированное вращательно/поступательное перемещение относительно корпуса устройства. Указанное перемещение барабана 5 заставляет шкалу (см. фиг.4) проходить мимо передатчиков и приемников считывающего узла. Абсолютное положение барабана с указателем дозы можно определить благодаря емкостной связи между передатчиками и приемниками через электроды, расположенные на указанном барабане.