(57)【要約】注入装置用電子制御システム及びプロセス並びにポンプ機構であって、電力を高効率で使用するシステムはキャパシタ（２８）を含み、キャパシタ（２８）は完全放電せずに部分放電するよう制御され、ポンプコイル（２４）に対し電力パルスを供給する。電力遮断スイッチ（４０）は電機子ストロークの現実端に達する前にキャパシタが放電をやめるようキャパシタ放電を制御するため設けられる。キャパシタ放電が停止される時点はキャパシタ（２８）が放電を停止した後にコイル（２４）に残存するエネルギがポンプストロークをそのストロークの現実端まで継続するのに充分なよう選択される。電源切断スイッチ（４１）はキャパシタ（２８）と電池（２６）との間に設けられ、格納中その他の非使用期間中にキャパシタ（２８）を電池（２６）から電気的に切断できるようにしている。
2005503096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプストロークを提供するため励磁されうるコイルを有する電磁ポンプと併用される電子制御システムであって、電源と、電源に接続され電源から電荷を受け取るキャパシタであってポンプのコイルに対し選択的に電力パルス信号を放電して当該ポンプコイルを選択的に励磁すべく当該コイルに接続可能なキャパシタと、キャパシタを制御して電力パルス信号毎に完全ではなく部分放電させる制御用電子回路とを、備える電子制御システム。
【請求項２】
制御用電子回路が、その一端がキャパシタに接続され他端がコイルに接続可能なスイッチデバイスと、当該スイッチデバイスに対し制御信号を供給して当該スイッチを選択的に開閉させる制御信号電子回路とを、備える請求項１記載の電子制御システム。
【請求項３】
スイッチデバイスが電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含む請求項２記載の電子制御システム。
【請求項４】
制御用電子回路が、ポンプストロークの終端より前にキャパシタ放電を遮断する請求項１記載の電子制御システム。
【請求項５】
制御用電子回路が、ポンプストロークの終端を検出する検出器と、ポンプストロークの終端検出に先立ってキャパシタ放電を遮断する電子回路とを、備える請求項１記載の電子制御システム。
【請求項６】
ポンプストロークの終端を検出する検出器が、コイルにおける（ＥＭＦ）を検出する電子回路を備える請求項５記載の電子制御システム。
【請求項７】
制御用電子回路が、ポンプ内における圧力差を検出する圧力センサと、検出した圧力差に基づきキャパシタ放電を制御する手段とを、備える請求項１記載の電子制御システム。
【請求項８】
上記手段が、キャパシタ放電を制御することによって、検出した圧力差が増加したときには多くの電力、減少したときには少ない電力となるよう電力パルスを供給する請求項７記載の電子制御システム。
【請求項９】
電源が消耗的電源を含む請求項１記載の電子制御システム。
【請求項１０】
電源が電池を含む請求項１記載の電子制御システム。
【請求項１１】
キャパシタの値が約５００マイクロファラドから約３０００マイクロファラドの間である請求項１記載の電子制御システム。
【請求項１２】
キャパシタの値が約２０００マイクロファラドである請求項１記載の電子制御システム。
【請求項１３】
電力パルス供給のための部分放電後におけるキャパシタの端子間電圧が、部分放電前のキャパシタの端子間電圧の約４０％から約９０％の範囲内にある請求項１記載の電子制御システム。
【請求項１４】
電源がキャパシタを満充電状態まで充電し、当該満充電状態におけるキャパシタの端子間電圧が約１．８ボルトから約５．０ボルトの範囲内にある請求項１記載の電子制御システム。
【請求項１５】
ポンプストロークを提供すべく励磁されうるコイルを有する電磁ポンプと併用される電子制御システムであって、ポンプのコイルと接続可能で当該ポンプコイルを選択的に励磁するため電力を提供する電力制御回路と、ポンプストロークの終端を検出する検出器とを備え、電力制御回路が、ポンプストロークの終端検出に先立ちポンプコイルへの電力供給を遮断する電子回路を含む電子制御システム。
【請求項１６】
電力制御回路が、電源と、電源からの電荷を受け取るよう電源に接続されたキャパシタであってポンプコイルに対し電力パルス信号を選択的に放電すべくコイルと接続可能なキャパシタとを、備える請求項１５記載の電子制御システム。
【請求項１７】
電力制御回路が、電源と、電源からの電荷を受け取るよう電源に接続されたキャパシタであってポンプコイルに対し電力パルス信号を選択的に放電すべくコイルと接続可能なキャパシタとを、備え、電力を遮断する電子回路が、その一端がキャパシタに接続され他端がコイルに接続可能なスイッチデバイスと、当該スイッチを選択的に開閉させるべくスイッチデバイスに対し制御信号を供給する制御信号回路とを、備える請求項１５記載の電子制御システム。
【請求項１８】
電力を遮断する電子回路が、キャパシタを制御して各電力パルス信号毎に完全放電ではなく部分放電させる手段を含む請求項１７記載の電子制御システム。
【請求項１９】
ポンプストロークの終端を検出する検出器が、コイルにおけるバックＥＭＦを検出する電子回路を備える請求項１５記載の電子制御システム。
【請求項２０】
電力制御回路が、検出されたバックＥＭＦをバックＥＭＦの履歴と比較する手段を含む請求項１９記載の電子制御システム。
【請求項２１】
ポンプストロークを提供すべく励磁されうるコイルを有する電磁ポンプと併用される電子制御システムであって、ポンプのコイルと接続可能な電力制御回路であって制限可能な量の電力を有する電力パルス信号を当該ポンプコイルに供給しポンプコイルを選択的に励磁する電力制御回路と、ポンプ内の圧力差を検出する圧力センサとを、備え、電力制御回路が、検出される圧力差に基づき各電力パルス信号における電力の量を制御する電子回路を含む電子制御システム。
【請求項２２】
電力制御回路が、電源と、電源からの電荷を受け取るよう電源に接続されたキャパシタであってポンプコイルに対し電力パルス信号を選択的に放電べくコイルに接続可能なキャパシタとを、備える請求項２１記載の電子制御システム。
【請求項２３】
電力の量を制御する電子回路が、検出される圧力差が増大するにつれ各電力パルス信号毎の放電周期を増加させ減少するにつれ減少させるようキャパシタを制御する手段を含む請求項２２記載の電子制御システム。
【請求項２４】
電力制御回路が、電源と、電源からの電荷を受け取るよう電源に接続されたキャパシタであってポンプコイルに対し電力パルス信号を選択的に放電すべく当該コイルと接続可能なキャパシタとを、備え、電力の量を制御する電子回路が、その一端がキャパシタに接続され他端がコイルに接続可能なスイッチデバイスと、検出される圧力差に基づき選択的に開閉すべくスイッチデバイスに制御信号を供給する制御信号電子回路とを、備える請求項２１記載の電子制御システム。
【請求項２５】
電力の量を制御する電子回路が、キャパシタを制御して各電力パルス信号毎に完全放電ではなく部分放電させる手段を含む請求項２１記載の電子制御システム。
【請求項２６】
電力制御回路が、検出される圧力差が増大するほど大きな電力を、また減少するほど小さな電力を、送給する電力パルスを提供する請求項２１記載の電子制御システム。
【請求項２７】
ポンプストロークを提供すべく励磁可能なコイルを有する電磁ポンプと併用される電子制御システムであって、電源と、電源からの電荷を受け取るよう電源に接続されたキャパシタであってポンプのコイルに対し電力パルス信号を選択的に放電するよう当該コイルに接続可能なキャパシタと、電源とキャパシタとの間に接続され非使用周期においては電源をキャパシタから選択的に切り離すスイッチデバイスとを、備える電子制御システム。
【請求項２８】
スイッチデバイスが、当該スイッチデバイスに対し電力を継続的に供給することなしに、キャパシタが電源から切り離されている切り離し状態にて保持可能なスイッチを、備える請求項２７記載の電子制御システム。
【請求項２９】
スイッチデバイスが手動操作スイッチを含む請求項２７記載の電子制御システム。
【請求項３０】
注入媒体送給用駆動機構であって、注入媒体を受け取るインレットと、励磁されてポンプストロークを提供するコイルと、コイルに隣接して配置されポンプストロークを規定する第１及び第２位置間でコイルの励磁に応じ可動な電機子と、アウトレット室と通流し各ポンプストローク毎にある体積の注入媒体を放出するアウトレットと、上記ポンプコイルに接続され当該ポンプコイルを選択的に励磁してポンプストロークを提供させる電力制御回路とを、備え、コイルの長さをコイルの直径で除すことにより定義されるコイルのアスペクト比が１より小さい駆動機構。
【請求項３１】
注入媒体送給用駆動機構であって、注入媒体を受け取るインレットと、励磁されてポンプストロークを提供可能なコイルと、コイルに隣接して配置されポンプストロークを規定する第１及び第２位置間でコイルの励磁に応じ可動な電機子と、アウトレット室と通流し各ポンプストローク毎にある体積の注入媒体を放出するアウトレットと、上記ポンプコイルに接続され当該ポンプコイルを選択的に励磁してポンプストロークを提供させる電力制御回路とを、備え、駆動機構が、更に、コイルが励磁されたときに磁束経路を提供するコイルコアを備え、コイルコアが、外側環状極表面及び内側環状極表面を規定し、電機子が、対応する外側極表面及び内側極表面を規定し、内側極表面同士が第１の間隙によって分離されており、外側極表面同士が第２の間隙によって分離されており、第２の間隙に対する第１の間隙の比が約０．３から約１．０の範囲内である駆動機構。
【請求項３２】
注入装置であって、励磁されてポンプストロークを提供可能なコイルを有する電磁ポンプと、電源と、電源からの電荷を受け取るよう電源に接続されたキャパシタであってポンプコイルに対し電力パルス信号を選択的に放電してポンプコイルを選択的に励磁させるようコイルに接続されたキャパシタと、キャパシタを制御して各電力パルス信号毎に完全放電ではなく部分放電させる制御用電子回路とを、備える注入装置。
【請求項３３】
注入装置であって、励磁されてポンプストロークを提供可能なコイルを有する電磁ポンプと、ポンプコイルに接続されポンプコイルに電力を供給してポンプコイルを選択的に励磁させる電力制御回路と、ポンプストロークの終端を検出する検出器とを、備え、電力制御回路が、ポンプストロークの終端検出に先立ちポンプコイルへの電力を遮断する電子回路を含む注入装置。
【請求項３４】
注入装置であって、励磁されてポンプストロークを提供可能なコイルを有する電磁ポンプと、ポンプコイルに接続されポンプコイルに対し制限可能な量の電力を有する電力パルス信号を供給してポンプコイルを選択的に励磁させる電力制御回路と、ポンプ内における圧力差を検出する圧力センサとを備え、電力制御回路が、検出される圧力差に基づき各電力パルス信号の電力の量を制御する電子回路を含む注入装置。
【請求項３５】
注入装置であって、励磁されてポンプストロークを提供可能なコイルを有する電磁ポンプと、電源と、電源及びポンプコイルに接続され電源からの電荷を受け取りポンプコイルに対し電力パルス信号を選択的に放電してポンプコイルを選択的に励磁させるキャパシタと、電源とキャパシタとの間に接続され非使用期間においては電源をキャパシタから選択的に切り離すスイッチデバイスとを、備える注入装置。
【請求項３６】
励磁されてポンプストロークを提供可能なコイルを有する電磁ポンプに対する電力を制御する方法であって、電源をキャパシタに接続してキャパシタを充電させ、キャパシタをポンプコイルにより選択的に放電させてポンプコイルを選択的に励磁させ、各電力パルス信号毎にキャパシタが完全放電ではなく部分放電するよう制御する方法。
【請求項３７】
キャパシタとコイルの間にあるスイッチデバイスを接続し、そのスイッチデバイスに対しそのスイッチを選択的に開閉させる制御信号を供給することにより、キャパシタを制御する請求項３６記載の方法。
【請求項３８】
スイッチデバイスが電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含む請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
キャパシタの制御が、ポンプストロークの終端に先立ちキャパシタ放電を遮断することを含む請求項３６記載の方法。
【請求項４０】
更に、ポンプストロークの終端を検出し、ポンプストロークの終端検出に先立ちキャパシタ放電を遮断する請求項３６記載の方法。
【請求項４１】
ポンプストロークの終端の検出が、コイルにおけるバックＥＭＦの検出を含む請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
更に、ポンプ内における圧力差を検出し、検出した圧力差に基づきキャパシタ放電を制御する請求項３６記載の方法。
【請求項４３】
検出した圧力差に基づくキャパシタ放電の制御が、検出した圧力差が増大するにつれより多いまた減少するにつれより少ない電力を送給することとなるよう電力パルスを発生させるキャパシタ放電の制御を、含む請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
励磁されてポンプストロークを提供可能なコイルを有する電磁ポンプに対する電力を制御する方法であって、ポンプコイルに対し電力を供給し選択的に励磁させ、ポンプストロークの終端を検出し、ポンプストロークの終端検出に先立ちポンプコイルへの電力を遮断する方法。
【請求項４５】
電源をキャパシタに接続してキャパシタを充電させ、キャパシタを選択的に放電させて電力パルス信号をポンプコイルに供給しポンプコイルを選択的に励磁することにより、ポンプコイルへの電力供給を行う請求項４４記載の方法。
【請求項４６】
キャパシタを選択的に放電させることが、各電力パルス信号毎に完全放電ではなく部分放電するようキャパシタを制御することを含む請求項４５記載の方法。
【請求項４７】
ポンプストロークの終端の検出が、コイルにおけるバックＥＭＦの検出を含む請求項４４記載の方法。
【請求項４８】
ポンプストロークの終端の検出が、更に、検出したＥＭＦをＥＭＦ検出の履歴と比較することを含む請求項４７記載の方法。
【請求項４９】
励磁されてポンプストロークを提供可能なコイルを有する電磁ポンプに対する電力を制御する方法であって、制限可能な量の電力を有する電力パルス信号をポンプコイルに供給してポンプコイルを選択的に励磁させ、ポンプ内における圧力差を検出し、検出した圧力差に基づき各電力パルス信号の電力の量を制御する方法。
【請求項５０】
電力パルス信号の供給が、電源をキャパシタに接続してキャパシタを充電させ、キャパシタを選択的に放電させてポンプコイルに対し電力パルス信号を供給し、ポンプコイルを選択的に励磁させることを含む請求項４９記載の方法。
【請求項５１】
キャパシタを選択的に放電させることが、検出される圧力差が増大するにつれより多くまた減少するにつれより少なくなるようキャパシタの放電周期を制御することを含む請求項５０記載の方法。
【請求項５２】
キャパシタを選択的に放電させることが、各電力パルス信号毎に完全放電ではなく部分放電するようキャパシタを制御することを含む請求項５０記載の方法。
【請求項５３】
電力の量を制御することが、検出される圧力差が増加するにつれ多くなり低下するにつれ少なくなるよう電力を送給する電力パルス信号を提供することを、含む請求項４９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電磁ポンプ用の電子制御システム、装置及びプロセスに関する。本発明の実施形態は、特に、電磁ポンプにおける電力の効率的な利用及び所要消費電力の低減のためのシステム、装置及びプロセスに関する。更に、本発明の実施形態は、その種のシステム、装置及びプロセスを採用した電磁ポンプに関する。本発明の更なる実施形態は、その種の電子制御システム、装置及びプロセスを有し電磁ポンプを採用した注入装置、及びより好ましくは埋込可能型の注入装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
注入装置は、典型的には薬物等の注入媒体を患者に送給するために使用される。埋込可能型注入装置は、患者身体内に埋め込めるよう設計され、一定した調剤量の注入媒体を一定周期毎に患者に対し施す。他方、外部注入装置は、携帯型に設計され、患者の体外に装着され、カテーテルにより患者と接続される。これら以外の形態による注入装置としては、非携帯型のものがある。これは、典型的には、病院のような管理可能環境内で使用される。
【０００３】
注入装置は、典型的には、患者に対し注入媒体を選択的に送り出すよう動作する電磁ポンプ機構を、備える。電磁ポンプとしては、外部又は埋込環境下で動作する注入装置向けに、各種の形態が開発されている。その種のポンプの例は、Fischellに付与された米国特許第４，５９４，０５８号、Kenyonに付与された米国特許第４，６８４，３６８号、Falk et al.に付与された米国特許第４，５６９，６４１号、Falk et al.に付与された米国特許第４，５６８，２５０号、Falk et al.に付与された米国特許第４，６３６，１５０号、及びFalk et al.に付与された米国特許第４，７１４，２３４号に開示されたものがある。
【０００４】
典型的な電磁ポンプ装置、例えば上掲の特許に開示されたものは、制御回路を介して電池に接続された導電コイルを備えている。コイルは電源及び制御回路により選択的に励磁され、可動電機子上で作用する電磁界を発生させる。即ち、コイルが励磁されるとそれによって生じる電磁界はバネ力に抗してストローク位置まで電機子を回転させる。逆に、コイルの励磁が解除されると、機械的バネ力によって電機子がコイル励磁前の位置まで復帰する。電機子をその励磁ストローク位置とその復帰位置との間で移動させることにより、ポンピング動作が完成する。
【０００５】
ある種の用途においては、制限された電源下で以て注入装置の動作時間を延長することが可能である。例えば、電池を電源とする注入装置は、患者に埋め込むなりなんなりされた状態で動作し、制御された時間間隔にて長時間にわたり薬物を送給することが可能である。電池電源の容量は限られたものであるから、その寿命期間においては複数回に及んで電池交換が求められるであろう。埋込可能型注入装置の例においては、電池交換は注入装置の外科的除去を必要とするであろう。外部装置の例においても、電池の除去には特殊な道具、部品又は熟練（即ちスペシャリスト若しくは訓練を受けた技能者による必要なサービス）が必要とされるであろう。
【０００６】
従って、電池交換を必要とする患者は、スペシャリストと会わねばならないという不便さ及びコストを、甘受しなければならない。埋込装置を使用している患者は、更に、外科手術に伴うリスク、外傷及びコストをも甘受しなければならない。このように、注入装置の電池をより効率的に使用できるようにし、電源交換を最小限に抑えたい、という産業上の要求がある。この要求は、特に、埋込装置の例において重要である。
【０００７】
従来の注入ポンプ例えばWilson Greatbatch,Ltd.によるＰ６５０００５は、キャパシタ放電型制御回路を使用している。この種の電力制御回路は、ポンプ動作用の電力を供給するために、電池により充電されコイルにより放電されるキャパシタを備えている。代表的な例においては、この種の電力制御回路は、１６ボルトで充電される４７マイクロファラドのキャパシタを備える。キャパシタが完全放電するたびに、パルス状の電力がコイルに供給される。この電力は、コイルを励磁してポンプによる完全ストロークを引き起こさせるのに、充分である。キャパシタは、ポンプがストロークしている間に電池により満充電される。
【０００８】
所与の電圧レベルにて充電された所与のキャパシタは完全放電毎に一定した電力を供給するため、ポンプは自分が必要としている電力量とは無関係に固定電力量を受け取ることとなる。しかしながら、ポンプにおける電力要求は様々な原因、例えば流路における部分ブロックの発生、気圧の変化（例えば患者が高地に旅行したとき、患者が泳いでいるとき、患者が水面下に潜っているとき等）、注入媒体蓄蔵量の変化等により、変化しうる。これら予測される全ての電力負荷条件下でポンプを動作させられるようにするため、従来の装置においては、完全放電１回当たりの電力出力が予測最大電力負荷条件下でポンプを動作させるのに充分な出力となるよう、キャパシタサイズを選択している。
【０００９】
その結果、ポンプが予測最大負荷条件下で動作していないときでも、ポンプを予測最大負荷条件下で動作させるのに充分な電力がポンプに供給されることとなる。各ポンプ動作におけるこの様な放電は、ポンプ自身の必要電力とは無関係であるから、電力の顕著な無駄につながってしまう。従って、電磁ポンプ用の電子電力制御システム及びプロセスに対して、変動する負荷条件下でもポンプに対しその動作に充分な電力を供給できるようにし、同時に従来の電力制御システムに比べて所要電力消費を最小化させ又は低減させよ、という産業上の要求がある。更に、電磁ポンプ装置に対し、従来のポンプ装置に比べて所要電力消費を最小化させ又は低減させよ、という産業上の要請がある。
【発明の開示】
【００１０】
本発明の実施形態は、上掲の産業上の要請に対して応えうる電力制御システム及びプロセス、注入装置並びに注入装置用ポンプに関するものである。本発明の実施形態は、電子制御システム及びプロセス、注入装置並びにポンプ装置における電力の効率的使用に関するものである。好適な実施形態は、この様な効率的電力システム及びプロセスによる消耗的電源例えば電池の長寿命化に関するものである。ここで述べる電子電力制御システム及びプロセス並びにポンプ装置には多様な側面及び特徴事項があり、それによって所与の注入出力量毎に必要となる電力消費が最小化又は低減される。本発明の様々な実施形態は、電力消費効率を改善するためのそれらの側面乃至特徴を１個又はそれ以上備えている。本発明の好適な実施形態は、患者身体に埋め込まれる電子制御システム及びプロセス、注入装置並びにポンプ機構に関するものである。更に好適な実施形態においては、電力消費効率化のための上述した各側面及び特徴事項を採用し、埋込環境における動作時間の改善を実現している。更なる好適な実施形態は、比較的小さな体積を含む比較的広い体積範囲に亘ってその体積を比較的精密に制御しつつ、注入媒体を送給できるよう構成された装置及びポンプ機構に関する。更なる好適な実施形態は、十分精密な体積で以て比較的高濃度の注入媒体を送給できるよう構成された装置及びポンプ機構に関する。
【００１１】
本発明の一実施形態による注入装置は、生体親和性の素材により形成された一般的に円盤形のハウジングを備える。このハウジングの中には、ある体積の注入媒体例えば（これに限られるものではないが）患者に施される薬剤を保持するためのリザーバが、設けられる。ハウジングは注入媒体を送出するためのアウトレットを有する。リザーバはこのアウトレットによる流体流通路に接続される。注入装置は、更に、リザーバとの流体流通路に接続されたポンプ機構を備え、これを動作させる。注入装置は、更に、ポンプ機構を制御し電力を供給する電子電力制御システムを備え、これを動作させる。好適な実施形態によるポンプ機構は、吸引(retracted)（乃至静止(quiescent)）状態と前進(forward)状態との間で動かすために電磁力（electromagnetic  force）及び機械力を採用し、インレットを介して注入媒体をリザーバに引き込ませアウトレットを介して強制排出させる。好適なポンプ装置のハウジング内には電気コイル、ピストン、電機子及びアウトレット室が設けられる。電気コイルは、磁化可能な素材から形成されたコア乃至コイルカップ内に配置される。ピストンは、コイル及びコイルカップの軸チャネルに沿って延びる。電機子は軸チャネルの一端に配置される。アウトレット室は軸チャネルの他端に弁アセンブリと共に設けられる。なお、他のポンプ構成による他の形態での実施も可能である。静止状態においては、ピストン及び電機子は吸引位置へと押さえつけられている。コイルが励磁されると、コイルにて発生した電磁界が電機子をコイルカップに向けて引っ張る。その結果、電機子及びピストンはストローク位置に向かって駆動される。吸引位置と前進位置との間におけるピストンの運動によって、ポンプ装置の内部室乃至体積部分に圧力差が生じ、注入媒体がインレットに引き込まれ更にアウトレット外へと駆動される。
【００１２】
本発明の好適な実施形態による電力制御システムは、ポンプ機構による電力使用を高度に有効化する。ある好適な実施形態に係る電力制御システムはキャパシタを有するキャパシタ回路を備える。このキャパシタは、全面的にではなく部分的に放電してポンプコイルに電力パルスを供給するよう、制御される。このようにすることによって、放電時においてもキャパシタは部分的に充電されている状態を保つこととなり、完全放電状態から再充電する必要はなくなる。加えて、キャパシタをどの程度放電させてパルス信号を生成させるかを制御することにより、放電パルス信号によりコイルに印加される電力をポンプが必要としている電力に応じて制御することができる。更に好適な実施形態によれば、電力制御システムは、電機子が実際にストロークしきるより前に放電を止めてしまうようキャパシタの放電を制御するための電力カットオフスイッチを備える。更なる好適な実施形態においては、キャパシタが放電を停止した後にコイルに残留しているエネルギが電機子の移動継続及び実際のストローク終端に充分であるよう、キャパシタが放電を停止する時刻が選択される。キャパシタ放電がカットオフされる時間はストローク中における電機子の位置に基づき決定できる。ある実施形態によれば、コイルにて発生する起電力（electromotive  force；ＥＭＦ）が監視され、キャパシタによる放電を停止させるべき時刻が好適に決定される。更なる実施形態によれば、キャパシタ放電カットオフ時刻は、各種のキャパシタ遮断時間におけるポンプ動作を観測した結果に基づき、予め選択設定される。更なる好適な実施形態によれば、電力切断スイッチがキャパシタと電池との間に設けられ、格納中その他非使用時においてキャパシタを電池から電気的に切断できる。これにより、延長された非使用期間におけるシステムでの電池電力消耗即ち電池に付随する漏れ電流による消耗を防ぐことができる。
【００１３】
更に好適な実施形態によれば、ポンプ機構のインレットとアウトレットの間の圧力差を検出する検出器が設けられ、電力制御システムは、コイルに印加される電力を検出される圧力差に基づき調整する。この制御は、例えば、キャパシタ遮断時間の制御により行う。このようなやり方、例えば検出した圧力差が増加しているときはキャパシタの放電時間を長くし検出した圧力差が減少しているときは放電時間を短くするというやり方を採ることによって、電力制御回路は、圧力差増加時にはより多くの電力を印加し減少時にはより少ない電力を印加することができる。更に好適な実施形態においては、電池電圧を検出する検出器が設けられ、電力制御システムによりコイルに印加される電力が、検出される電池電圧に基づき調整される。このようなやり方、例えば電池電圧レベルが低くなるにつれキャパシタ放電周期を短縮するというやり方を採ることによって、コイルへの印加電力を減らし電池寿命を延長することができる。
【００１４】
更に好適な実施形態によれば、ポンプ機構は、電力消費効率を改善すべく、構造的配置に関する１個又はそれ以上の個数の特徴点を有する。その種の特徴点の一つとしては、電力消費効率が改善されるよう内側及び外側極の表面積比が選択される、という極構成(pole configuration)がある。他の特徴点としては、外側極間の間隙が内側極間の間隙より大きく、電力消費効率が改善されるよう内側極間隙と外側極間隙との比が選択される、という極間構成(pole interface)がある。更なる特徴点としては、電力消費効率が改善されるよう選択されたコイルアスペクト比がある。更に他の特徴点としては、放射的磁束経路及びそれらの間の流体経路を形成する、という磁性導体素材による電機子構成がある。このような流体経路によって、ポンプストロークしている間における電機子移動による流体抵抗が減る。別の特徴点としては、放射的磁束経路を形成するがそれらの間の流体経路は形成しない、という磁性導体素材による電機子構成がある。
【００１５】
本発明の実施形態による注入装置の動作寿命は、他のやり方によっても改善できる。そのやり方とは、高濃度の注入媒体（能動的な成分が高濃度である注入媒体）を小体積ずつポンピングすることにより、或いは高濃度の注入媒体を低減した間隔回数でポンピングすることにより、所与時間周期内における駆動機構の所要動作回数を減らすことである。
【００１６】
このように、これまで述べた電力制御システム及びポンプ機構に関する各側面及び各特徴事項は、それ自体により、或いはその組合せによって、電力有効利用への寄与を通じて電磁ポンプ機構の動作寿命を延長するものである。本発明におけるこれら及びその他の側面及び利点は、いわゆる当業者にとっては、添付する詳細な説明及び図面から容易に理解できるものであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下の詳細な説明は、現在において本発明の最適実施形態を表すものであると考えられる。この説明は限定的な趣旨に捉えられるべきではなく、単に本発明の一般原理を示す目的でなされたものである。本発明の技術的範囲は添付した特許請求の範囲により最適に定義されている。なお、各図面を通して対応部材には同一符号を付す。
【００１８】
上述したように、本発明は一般に電磁ポンプ用電子制御システム、装置及びプロセスに関する。本発明の好適な実施形態は、電磁ポンプにおける電力の効率的利用及び所要消費電力の低減のためのシステム、装置及びプロセスに関する。本発明の更なる実施形態は、これらのシステム、装置及びプロセスを採用した電磁ポンプに関する。本発明のより更なる実施形態は、このようなシステム、装置及びプロセスを有する電磁ポンプを採用した注入装置、より好ましくは埋込可能型注入装置に関する。
【００１９】
図１に、本発明の一実施形態による埋込可能型注入装置１０を示す。図示した装置１０は、注入媒体リザーバ、ポンプ機構、電源及び電子電力制御システムを単一の比較的コンパクトなパッケージ乃至ハウジング１２内に収容した単一ユニットとして構成されている。しかしながら、リザーバ、ポンプ機構、電源及び制御システムを複数の個別的なユニットとし好適な同通路により機能的に連結する、という実施形態もまた可能である。装置１０は患者の体内に外科手術により埋め込むことができるよう構成することができる。例えば、静脈系内、脊柱沿い、腹腔内その他、患者に対する注入媒体の送給に適した特定の位置に、埋め込む。後に述べるように、装置１０の好適な実施形態は本発明の１個又はそれ以上の個数の特徴を備え、電力の効率的使用及び埋込状態での使用延長という長所を伸ばしている。しかしながら、本発明は、外部注入装置に係る形態によっても実施することができる。外部注入装置はカテーテル等の好適な装置により患者とつながれるものである。また本発明の更なる実施形態においては更に他の環境下における媒体送給のための他の形態でも使用される。そこで、本願における開示を簡素なものとするために、「患者」なる用語は埋込可能型装置が埋め込まれ又は外部装置が接続される実体又は環境を指すものとし、埋込或いは接続が医療目的のものであるか否かを問わないものとする。
【００２０】
図示した装置１０は一般に円盤状のハウジング１２を有している。図１に示した実施形態ではほぼ円形皿状としているが、理解されるように、本発明の他の実施形態においては他の形状例えば（これに限られるものではないが）楕円、長円、長方形その他、曲線的乃至多角形的形状のハウジングを用いうる。ハウジング１２はリザーバハウジング部分１３を有しており、リザーバハウジング部分１３には、所要体積の注入媒体例えば（これに限られるものではないが）患者に施すべき液体薬物を保持するためのリザーバが、収容されている。ハウジング１２は更に、図１中でリザーバハウジング１３の上側に位置するハウジング部分１４を有している。ハウジング部分１４は、後に述べる駆動機構、電源及び制御用電子回路を収容している。
【００２１】
本発明の実施形態において採用しうるリザーバハウジング部分及びリザーバの代表例は、係属中の「注入装置及びそのリザーバ(Infusion Device and Reservoir For Same)」と題する米国特許出願第６０／３１７，８８０号に開示されている。なお、この参照を以て本願にその内容を繰り込むこととする。しかしながら、他の実施形態においては更に他の構成のリザーバを好適に採用することができる。例えば、これに限られるものではないが、何れもSrisathapat et al.に付与されている米国特許第５，５１４，１０３号及び米国特許第５，１７６，６４４号、Mann et al.に付与されている米国特許第５，１６７，６３３号、Swiftに付与されている米国特許第４，６９７，６２２号並びにFischell et al.に付与されている米国特許第４，５７３，９９４号に開示されているものがある。
【００２２】
ハウジング１２はまた、アウトレット１６を備え、このアウトレット１６を介して注入媒体が送出される。装置１０が患者体内に埋め込まれ又は外部から患者に接続されるときには、このアウトレット１６にはカテーテルが接続され、アウトレット１６から送出された注入媒体が患者の血流内又は患者身体の選択された部位に送給される。注入装置１０はまたインレット構造１８を備えており、このインレット構造１８は、ハウジングのリザーバ部分１３内にあるリザーバに至る閉止可能及び封止可能な流路を、提供している。このインレット構造に更に設けられているポートはニードルを受容するためのものである。ニードルは、例えば装置のリザーバを充填又は再充填する際、注入装置内へと流体を移転するため使用される。好適な実施形態においては、インレット構造は充填又は最充填動作の後に再封止されるよう、また複数回のシール及び再シールが可能なよう構成されている。
【００２３】
インレット構造の一例は、係属中の「注入装置及びそのインレット構造(Infusion Device and Inlet Structure For Same)」と題する米国特許出願第６０／３１８，０５６号に開示されている。なお、この参照を以て本願にその内容を繰り込むこととする。しかしながら、他の実施形態においては更に他の構成のインレット構造を好適に採用することができる。例えば、これに限られるものではないが、何れもSrisathapat et al.に付与されている米国特許第５，５１４，１０３号及び米国特許第５，１７６，６４４号、Mann et al.に付与されている米国特許第５，１６７，６３３号、Swiftに付与されている米国特許第４，６９７，６２２号並びにFischell et al.に付与されている米国特許第４，５７３，９９４号に開示されているものである。
【００２４】
注入装置１０は、ハウジング部分１４内に配置されリザーバとアウトレット１６との間に接続されたポンプ乃至駆動機構２０を備えている。ポンプ乃至駆動機構２０は、注入媒体をリザーバからアウトレットを介して押し出す。注入装置１０は、更に、ハウジング部分１４内に配置された電子電力制御システム２２を備えている。電子電力制御システム２２は電源例えば電池を備え又はそれによって動作する構成であり、ポンプ機構２０を制御するための制御用電子回路を備えている。この制御用電子回路は、注入媒体をリザーバから患者体内へと封止状態で送給する。注入媒体を送給するためのポンプ機構の制御は好適な何れの形態によって行ってもよいが、例えば、プログラムされている投与速度又は投与スケジュールに従って行い、或いはセンサ、タイマその他の好適な信号源からの動作信号に従って行う。
【００２５】
埋込可能型の実施形態においては、ハウジング１２の部分１４即ち駆動機構２０及び制御用電子回路２２を収容する部分が、好ましいことに外部環境に対してまたリザーバハウジング部分１３に対して気密封止されている。リザーバハウジング部分１３は気密封止する必要はない。このような実施形態においては、駆動機構２０及び制御用電子回路２２を収容するハウジング部分１４はチタン又はチタン合金その他の生体親和的素材から形成するのがよい。ハウジングのリザーバ部分１３もそのような金属或いは生体親和性プラスチックから形成できる。
【００２６】
先に述べたように、ここに述べている電力制御システム並びにポンプ機構及び動作に関連する多数の側面は、それ単独でも、また互いに組み合わされて、電力の効率的使用という効果を広げるものである。以下により詳細に述べるように、本発明の好適な実施形態によるポンプ機構は電磁力及び機械力を用いて吸引（又は静止）状態と前進ストローク(forward stroke)状態との間で駆動され、注入媒体をポンプインレットを介しリザーバから引き込みポンプアウトレットから強制送出する。この電磁力はコイルに電力信号を印加することにより発生する。コイルが励磁されると、電機子及びピストンから構成されるアクチュエータが駆動される。吸引状態においては、アクチュエータは吸引位置に機械的に引きつけられている。コイルが励磁されると、アクチュエータが前進ストローク位置に向けて動く。吸引状態と前進状態との間でのアクチュエータの移動によって、ポンプ装置の内部室乃至体積部分における圧力差が発生し、注入媒体がリザーバからポンプインレットへと引き込まれポンプアウトレットから送り出される。
【００２７】
好適な実施形態においては、ポンプ機構２０は、係属中の「注入装置及びその駆動機構(Infusion Device And Driving Mechanism For Same)」と題する米国特許出願第６０／３１７，８８６号に記載の実施形態による構造及び動作を有する。なお、この参照を以てその内容を本願に繰り込むこととする。その種のポンプ機構の例については図７〜図９を参照して後に説明する。しかしながら、他の好適なポンプ乃至駆動機構を使用して他の形態により実施することも可能である。
【００２８】
図２に、本発明の一実施形態により、電力制御システム２２と電気的に接続されたポンプ機構コイル２４の一般的な形態を示す。電力制御システム２２は、電源２６、キャパシタ２８及び制御用電子回路３０を備え又は用いている。図示した実施形態においては、電源２６、キャパシタ２８及び制御用電子回路３０は、例えば単一回路基板上に構築される電力制御システム２２の一部分として示されている。他の実施形態としては、電源、キャパシタ及び／又は制御用電子回路の一部分を別体のユニットとし、動作させるために電気的に接続する、という形態がある。好適な実施形態においては、電源として、携帯可能で消耗的な電力格納装置例えば電池を用いる。電池等の携帯型電源を用いることによって、携帯型のポンプ機構が求められる領域、例えば埋込可能型の注入装置或いは携帯型の外部注入装置において有用なポンプ機構が得られる。しかしながら、他の実施形態においては、他の用途に適する他種の電源を用いうる。即ち、非携帯型、非消耗型の電源を用いる実施形態もあり得る。
【００２９】
電源２６はキャパシタ２８を充電できるよう接続されており、キャパシタ２８はコイル２４に対して選択的に放電できるよう接続されている。キャパシタ２８の内部インピーダンスが電池その他の形態の電源２６のそれより充分に小さいことから、充電されたキャパシタ２８は、電源２６をコイル２４に直結した場合に比べ速い応答時間を提供できる。より詳細には、充電されたキャパシタ２８は、必要に応じ、コイル２４に対し迅速な応答電力パルスを提供できる。
【００３０】
制御用電子回路３０は、キャパシタの充電及び放電を制御しまたここに述べるような付加機能を提供する。制御用電子回路は、ここで説明する機能を実現するよう構成された１個又はそれ以上のプログラマブルプロセッサ、論理回路、又はその他のハードウエア、ファームウエア若しくはソフトウエア部品により、構成されている。制御用電子回路のハードウエア実施例を、図３に示す。しかしながら、他の好適なハードウエア、ファームウエア又はプログラマブルプロセッサを用いて制御用電子回路３０を実現した形態での実施も、また可能である。電力制御用電子回路３０は、ポンプ機構を動作させる上での要求又は要請に応じて、キャパシタをコイルに選択的に接続／切断することによって、キャパシタ２８からコイル２４への電力放電を制御する。
【００３１】
このような制御機能を実現するための一般的な電気回路例を図３に示す。図３に示した実施形態においては、キャパシタ２８が電子スイッチデバイス３２を介してコイル２４に接続されている。ダイオード回路３３はコイル２４に並列接続される。その他、スイッチデバイス３２が開放しているときコイル２４の両端間の電圧を所定値にクランプするため、適当な回路を設けてもよい。結果として、スイッチデバイス３２が開放した後所定期間にわたり、ダイオード回路３３によってコイル２４に電流が流れうる状態となる。従って、後述するようにアクチュエータがその前進ストローク端に達する前にスイッチデバイス３２が開放した場合であっても、このダイオード回路３３の働きにより、アクチュエータがその前進ストローク端に達するのを手伝う電磁力がコイルにより提供される。加えて、ダイオード回路３３はキャパシタ２８が転極しないようにしている。ある好適な実施形態においては、ダイオード回路３３はフライバックダイオードとして接続されたショットキーダイオードである。更なる実施形態においては、ダイオード回路３３は、スイッチデバイス３２が開放したとき閉じスイッチデバイス３２が閉じたとき開くよう例えば（制御信号回路３６により）制御される電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や接合型トランジスタなどのスイッチデバイスにより、置き換えられる。
【００３２】
好適な実施形態においては、電子スイッチ装置３２は制御信号線３４により制御される電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。他の実施形態においては他の好適な電気的又は電磁的スイッチ構成、接合型トランジスタ、リレーその他をスイッチ装置３２として採用しうる。制御信号線３４上に制御信号を印加することにより、スイッチデバイス３２は閉じて、キャパシタをコイルに接続する。これにより、キャパシタが放電してコイルに電流が流れる。スイッチ３２の動作用の制御信号は、例えば予めプログラムされている施薬速度若しくはスケジュールに従い、又はセンサ、タイマ、マニュアルオペレータその他の好適な手段からの動作信号に応じて、制御信号線に印加される。図３における一般的表現においては、制御信号は制御信号線３４に対して制御信号回路３６により選択的に印加される。これにより、制御信号回路３６はスイッチデバイス３２を選択的に開閉制御し、これを通じてキャパシタ２８をコイル２４に接続／切断する。制御信号回路は、ここで述べた如く機能する制御信号を提供するよう構成された専用のプロセッサ、プログラマブルプロセッサ、論理回路等のハードウエア、ファームウエア又はそれらの組合せにより構成できる。
【００３３】
制御信号回路３６はまた、スイッチデバイス４０を動作させるための信号線３８上に制御信号を送出する。スイッチデバイス４０は電源２６とキャパシタ２８との間に配置されており、電源によるキャパシタ２８の充電が信号線３８上の信号によって選択的に制御される。スイッチデバイス４０は先にスイッチデバイス３２に関して述べたように様々な形態を採ることができる。好適な実施形態におけるスイッチデバイス４０はＦＥＴデバイスである。信号線３８上に適切な信号を印加することにより、スイッチデバイス４０は選択的に閉ざされ、キャパシタ２８が充電される。ある実施形態においては、制御信号回路３６は、１個又はそれ以上の個数のイベントが発生したとき、それに応じてスイッチ装置３２を閉ざす制御信号を生成するよう、プログラムされており或いは構成されている。その種のイベントとしては、所定時間の満了、注入環境における注入媒体の必要性検出、オペレータによるスイッチの手動操作等が含まれる。このようにする場合、制御回路３６は接続先の又は内包するタイマにより所定時間の満了を検出し、この検出に応じて線３４上に制御信号を印加する。これに代えて或いはこれに加えて、制御回路３６は注入環境の状態を検出するセンサ及び／又は手動スイッチと結合され又はこれを含み、これらセンサ及び／又は手動スイッチはプロセッサを動作させて線３４上に制御信号を発生させる。制御信号回路３６は、図３に示すように制御用電子回路３０内に設けられ、或いはこれとは別体で制御用電子回路３０に接続されたデバイスとして設けられる。制御信号源３６はその電力上の必要に応じて電源２６に接続される。或いは、制御信号源３６用に別の電源（図示せず）を設けてもよい。
【００３４】
スイッチデバイス３２が閉じるとキャパシタ２８はコイル２４に電気的に接続される。スイッチデバイス３２が閉じたときキャパシタ２８が充電されているならば、充電されているキャパシタ２８は放電してコイル２４を励磁させる。上述したように、コイルが励磁されるとポンプアクチュエータが機械的バネ力に抗して前進ストローク位置まで動かされる。アクチュエータは事実上の前進ストローク端にて例えば停止面等にぶつかる。また、スイッチデバイス３２が開くと、キャパシタ２８はコイル２４から電気的に切断される。スイッチデバイス３２が開いた後コイル２４内のエネルギは失われていき機械的バネ力がアクチュエータをその吸引位置まで引き戻す。そしてスイッチデバイス４０が閉ざされ、キャパシタ２８は次回のポンプストローク動作に向けて再充電される。このようにして、キャパシタは充放電制御され、ポンプストローク動作を実行する上で必要とされる電気エネルギをコイル２４に提供する。
【００３５】
好適な実施形態によれば、キャパシタは満充電されず部分充電され、部分充電されたキャパシタによりポンプストローク動作が実行される。キャパシタ２８の電圧例を図４のグラフに示す。図４を参照するに、キャパシタ２８の端子間電圧ＶCはその充電中は満充電レベルＶ1に向けて上昇していく。ポンプ動作を実行するため、制御信号回路３６は、図４中の点４２にてスイッチ３２を閉じる（ターンオンさせる）。スイッチデバイス３２が一旦閉ざされると（オンすると）、キャパシタ２８は放電し電圧ＶCは低下していく。しかしながら、キャパシタが完全放電状態に達するより前に、制御信号回路３６は、例えば図４中の点４４にてスイッチデバイス３２を開く（ターンオフさせる）。図４中の破線は、スイッチデバイス３２が完全放電するまで閉じたまま（オンしたまま）保持された場合におけるキャパシタ２８の端子間電圧を示している。しかしながら、実際にはスイッチデバイス３２がキャパシタ２８の完全放電より前に開いている（ターンオフしている）ことから、キャパシタの端子間電圧ＶCは完全放電レベルより上にあるレベルＶ2にとどまる。次回充電動作までに漏れ電流が発生するとはいえ、キャパシタ２８の端子間電圧は、ほぼレベルＶ２又はそれよりわずかに低い程度にとどまるレベルを、スイッチ４０が閉じ（ターンオンし）キャパシタが再充電され始める図４中の点４６においても有している。図４中の点４８の如くキャパシタが満充電されるとスイッチ４０は開放され（ターンオフされ）、点５０に至るとスイッチ３２が開放されて（ターンオフして）次回のポンプ動作が実行される。
【００３６】
このように、キャパシタによる放電を各ポンプストローク動作毎に完全放電ではなく部分放電となるよう制御しているため、キャパシタ２８の端子間電圧は図４に示されているそれと同様の特性となる。キャパシタ２８の端子間電圧ＶCはその放電後完全放電レベルより高いレベルＶ2に（ほぼ）保持されているため、キャパシタ２８をレベルＶ1まで再充電するのに要する電気的エネルギの量及び時間はキャパシタ２８が完全放電した後の再充電におけるそれに比べて何れも小さいものとなる。キャパシタ２８のサイズ並びにレベルＶ1及びＶ2を選択することにより、放電周期中（点４２と点４４の間）にコイル２４に対し適切な電力が供給されポンプストローク動作が実行される一方、再充電周期（点４６と点４８の間）では、完全放電されたキャパシタを充電する場合との比較において顕著な電力節約が達成される。加えて、キャパシタ２８がその放電周期の終わりにおいても部分的に充電された状態を保っているため、キャパシタ２８のエネルギレベルは、放電周期中の点４４を含む部分放電周期中を通じ、ポンプ機構を動作させるのに十分高く保持される。更に、通常の放電周期の終わりにおいて部分的に電荷が残存しているため、ポンプ機構が追加エネルギを必要としている場合、通常の放電周期の終わりの時点を越えて放電させ続けまた追加放電パワーを提供するようキャパシタを制御することができる。キャパシタサイズ及び電圧レベルはポンプ機構の特性及び電力要求に依存する。しかしながら、埋込可能型注入装置における好適な値は述べることができる。例えば、キャパシタのサイズはおよそ５００マイクロファラドからおよそ３０００マイクロファラドの間であり、電圧レベルＶ1はおよそ１．８ボルトからおよそ５．０ボルトの間であり、電圧レベルＶ2はＶ1のおよそ４０％からおよそ９０％の間である。
【００３７】
更に好適な実施形態によれば、キャパシタ２８がコイル２４への電力の放電を停止する点４４は、ポンプ機構におけるアクチュエータストロークの実終了時点になるよう、或いはより好ましくはそれ以前になるよう、制御される。先に述べたように、コイルが励磁されているとき、ポンプアクチュエータは前進ストローク位置に向けて動かされ、実際上の前進ストローク端において停止面等にぶつかる。もしアクチュエータがそのストローク端に達した後もキャパシタ２８がコイル２４への放電を継続していると、当該継続している放電の電力によってポンプアクチュエータの更なる動き即ち浪費が生じるであろう。したがって、電力の不要な浪費を防ぐため、本発明の好適な実施形態によれば、キャパシタの放電はアクチュエータストロークの現実終了端にて又はそれに先だって停止又は遮断される。キャパシタの放電がアクチュエータストローク動作の現実終了端にて又はそれに先だって停止又は遮断される実施形態においては、遮断点４４としては、コイル２４に充分なエネルギが残る点が選択され、このエネルギによってアクチュエータにその現実ストローク端に向けた移動を継続させる。より詳細には、キャパシタ放電周期（点４２と点４４の間）中にキャパシタからコイル２４に供給される電流は、当該コイルの周りに力線を形成する電磁エネルギを発生させる。キャパシタ遮断点４４の直後においては、残留している磁気性の蓄積エネルギが短時間で消散する。ダイオード回路３３に関して先に述べたようにフライバックダイオード回路を用いている場合、残留エネルギが消散するのに要する時間は長くなる。従って、斯かる更に好適な実施形態によれば、残留エネルギがキャパシタ遮断点４４後におけるアクチュエータストローク運動を完成させる。
【００３８】
遮断点は、コイルにおける残留エネルギ及びアクチュエータの慣性がほぼちょうどアクチュエータのストローク運動を完遂させるのに充分なよう、或いはより好ましくはアクチュエータのストローク運動を完遂させるのに必要なそれより所定量大きくなるよう選択される。例えば、図５に、コイル電流のグラフを示す。図５にて実線で示されているのは、放電するキャパシタによりコイルに印加されている電流である。図５中の電流グラフにおいても、図４中の電圧グラフで用いたものと同じ符号を用いている。即ち、点４２はキャパシタがコイルへの放電を開始する点である。点４２に先立つ時間周期は回路のウオームアップ時間を含んでいる。図５中の点４４はキャパシタが遮断された時刻を表している。図５中に破線で示されているように、コイルにおける残留電流は遮断点４４に達した後の時間周期で消逸する。遮断点４４を適切に選択すれば、残留電流によって、アクチュエータをそのストローク位置の現実端（図５に示した実施形態では点５４）まで動かし続けるに足るエネルギを提供できる。ある実施形態においては、アクチュエータがそのストロークの現実端に至ることに関し更なる確実性が求められる。これは、コイル中の残留エネルギ及びアクチュエータの慣性が通常の環境下でアクチュエータをそのストロークの現実端まで運ぶ点４５を越えるよう、遮断点４４を選択することによって、達成される。
【００３９】
適切なキャパシタ遮断点４４、即ちアクチュエータをそのストロークの現実端まで動かすのに充分な残留エネルギを提供できる点４４は、様々な好適なやり方で選択できる。本発明のある実施形態によれば、キャパシタ遮断点４４はストライク運動中におけるアクチュエータの位置に基づき選択される。例えば、様々なキャパシタ遮断時間によりポンプ機構を繰り返し試行的に動作させ、キャパシタ遮断後にアクチュエータにそのフルストローク運動を完遂させるのに充分なアクチュエータ慣性及び残留コイルエネルギがアクチュエータ運動コース上のいつ又はどこに存在しているのかを観測することによって、適切な遮断点４４を決定できる。これに代え又はこれに加えて、アクチュエータに位置センサを付加し、キャパシタ遮断後アクチュエータ運動コース上のいつ又はどこでアクチュエータがそのフルストローク運動を完遂できるのかを判別するようにしてもよい。ある好適な実施形態においては、コイル２４の逆起電力（バックＥＭＦ）が検出され、キャパシタ遮断後アクチュエータ運動コース上のいつ又はどこでアクチュエータがそのフルストローク運動を完遂できるのかが判別される。より詳細には、コイルにおける電流及びバックＥＭＦの変化はストローク運動中のアクチュエータの位置の関数である。コイルにて発生するバックＥＭＦを検出又は監視することにより、適切な遮断点４４を決定できる。コイルのバックＥＭＦを検出又は監視するための電子回路は、制御用電子回路３６内に設けられ又はこれと接続される。
【００４０】
ある好適な実施形態においては、電流変化検出性能を高くするため、キャパシタ２８としては比較的低いインピーダンスのものが選択される。図５に示した電流グラフ中の鋭い正の上昇又は方向の変化は、アクチュエータの前進ストロークにおける現実端にて生じたアクチュエータの減速を表している。他の実施形態によれば、適切なキャパシタ遮断点４４は、様々なキャパシタ遮断時間にてポンプ機構を繰り返して試行的に動作させ、各遮断時間についてのポンプ出力体積を観測することにより、決定される。所定しきい値範囲内に属する又は最大観測出力体積レベル以下の体積をもたらした遮断点が、選択される。従って、例えば繰り返し試行動作を実行することによって、最大観測体積の１０パーセント或いはより好ましくは２パーセントの観測ポンプ出力体積をもたらす遮断時刻を見つけることができる。他の実施形態においては、他の適切なしきい値範囲又はレベルを採用して遮断点を定義することができる。上述した実施形態では、ストロークの現実端に先立って生じるキャパシタ遮断点４４を選択するために、アクチュエータストロークの現実端が決定又は予測される。しかしながら、更なる実施形態において採用・選択される遮断点４４は、ストロークポジションのほぼ決定又は予測した現実端である。好ましくは、遮断点４４は、アクチュエータの現実ストローク端を越えることによる無駄なエネルギ消費を防ぎ又は減らし、電力消費効率が改善されるよう選択される。
【００４１】
更なる好適な実施形態においては、部分的にはポンプ機構のインレット圧力及びアウトレット圧力間の圧力差に基づきポンプ機構動作が制御される。このような実施形態においては、ポンプ機構のインレット及びアウトレット間圧力差を検出するための検出器が設けられる。一例実施形態によれば、その検出器は、アクチュエータをそのストロークの現実端まで動かすのに必要な電力、電流、電圧その他を検出する電子回路により構成される。検出値は履歴値、しきい値等と比較され、ポンプ動作を調整すべきかが決定される。例えば、制御用電子回路３０はプロセッサ及びそれと関連づけられているメモリを備えており、それらプロセッサ及びメモリは、ポンプ機構の従前の１回又はそれ以上の回数分の前進ストロークにおける電力、電流又は電圧といった１個又はそれ以上の個数の数値を格納するよう、プログラム又は構成されている。これに代え又はこれに加え、予め選択されているしきい値を格納することができる。履歴値又はしきい値を上回る又は下回る検出値に応じ、制御用電子回路はポンプ機構の１個又はそれ以上の個数の動作パラメタを調整する。他の実施形態においては、圧力差を検出するのに適切な検出器、例えば、これに限られたのものではないが、引っ張り又は歪み検出器に接続されたダイアフラム、機械式乃至ベルヌーイ圧力検出装置等を用いる。
【００４２】
ある実施形態によれば、電力制御用電子回路３０は、検出される圧力差に基づき、例えばキャパシタ遮断点４４を上述の通り制御することにより、コイルに加わる電力を調整する。このようにすることによって、電力制御システムは、例えば検出した圧力値が増大しているときはキャパシタ放電周期を長くしてより多くの電力を印加し、検出した圧力値が減少しているときはキャパシタ放電周期を短くしてより少ない電力を印加できる。結果として、高い圧力差を克服するのに必要なときだけ、電源２６からより多くのエネルギが引き出され、圧力差が低ければ引き出されるエネルギは小さい。更なる実施形態によれば、電力制御用電子回路３０は、検出される圧力差に基づきポンプ機構における前進ストローク間の時間を調整する。即ち、検出された圧力差が増大すると電力制御システムはストローク間の時間を延ばし、ポンプ機構を注入箇所に接続するためのカテーテルその他へと流体が流れるようにする。従って、比較的短い時間周期内における複数回のポンプストロークにて更に圧力を増大させることを、防ぐことができる。
【００４３】
ある種の注入用途においては、例えばポンプアウトレットと注入箇所とを接続するカテーテル内に小さなブロッケージ（詰まり）が生じうる。これは、注入媒体の流れを邪魔する。この種のブロッケージは所定の検出可能範囲内の圧力差を発生させうる。更なる実施形態によれば、そのようなブロッケージに相応する圧力差が生じた場合、電力制御用電子回路３０がコイルに印加する電力を増大させることにより、ポンプ機構に当該ブロッケージをはき出させ、又は、ブロッケージ周辺若しくはそれを通じた小さな開口を介して媒体を押し出させる。コイルに供給される電力は例えばキャパシタ遮断点４４を調整して放電時間を延ばすことにより増大させることができる。好ましい実施形態においては、コイルに供給される電力は単一の又は所定回数のポンプストローク毎に増大しその後通常の動作電力に戻る。更に好ましい実施形態においては、コイルに供給される電力は、圧力検出値がブロッケージ除去済みを示す値となるまで増加した値で保たれる。更なる実施形態においては、コイルによる電力使用は患者の医師（又は適切な技能者）により監視され、ブロッケージが存在するか否かが判断され、その結果に基づき適当な措置が施される。注入用途に関していえば、更に、気泡がシステム内に蓄積されると検出できるほどの圧力差が生じうる。従って、実施形態としては、制御用電子回路３０が検出に応じてポンプ機構の動作を制御し、例えばポンプ機構を所定回数ストロークさせることによって、その種の気泡を解消させて最良の状態に戻す実施形態があり得る。同様に、ポンプリザーバにおける注入媒体の枯渇も、圧力差において検出できる変化を発生させうる。従って、実施形態としては、制御用電子回路３０が例えば検出に応じリザーバがローであることを示す信号を送信する送信機等の信号発生装置を備える実施形態が、あり得る。
【００４４】
更なる実施形態においては、エネルギ利用及び電力消費効率を改善するため、ある種の構造的配置がポンプ機構２０において採用されうる。先に注記したように、ポンプ機構２０は「注入装置及びその駆動機構(Infusion Device And Driving Mechanism For Same)」と題した係属中の米国特許出願第６０／３１７，８８６号により開示された構造及び動作を採ることができる。なお、その内容はこの参照を以て本願に繰り込まれるものとする。そのタイプのポンプ機構の構造例を図７及び図８に示す。しかしながら、他のポンプ乃至駆動機構配置を使用して他の形態にて実施することもできる。加えて、図７及び図８に関してここで述べる各種の側面は、コイル及び電機子構造を有する他のポンプ機構配置においても採用できる。
【００４５】
図７に、吸引（乃至静止）状態におけるポンプ機構の断面を示す。図８に、前進ストローク状態における同じポンプ機構配置例の断面を示す。このポンプ機構は、吸引状態と前進ストローク状態との切換乃至移動のために電磁力及び機械力を使用し、それによって注入媒体をインレット６０を介し引き込みアウトレット６２を介し強制送出している。図７及び図８に示したポンプ機構はハウジング６４を有しており、ハウジング６４の内部には環状コイルカップ６６が収容されている。環状コイルカップ６６は、コイル６８（図２及び図３中のコイル２４に対応）を保持している。コイルカップ６８は磁性導体から形成されており、コイルが励磁されたときに生じる磁束の経路たるコアを構成する。アクチュエータ７０は電機子７２及びピストン７４から構成されており、ピストン７４がハウジング内の中央チャネル７６に沿って延びるよう、また電機子６２がコイルカップ６６と隣接するよう、配置されている。コイルカップ６６は中央チャネル７６を取り囲んでおり、内側極表面７８及び外側極表面８０からなる環状極表面の第１の対を構成している。図９にアクチュエータ７０を示す。図９を参照するに、アクチュエータ７０はほぼ円盤状の電機子７２を有しており、この電機子７２は、磁性導体素材により形成され、コイルカップ６６を通る磁束経路を形成する。アクチュエータは、それぞれコイルカップ６６の内側極表面７８及び外側極表面８０と対向する内側極表面８２及び外側極表面８４からなる極表面の第２の対を、有している。バネ８６は、コイルカップから遠ざかる方向へと電機子を付勢するよう配置されており、ポンプ機構が図７に示す吸引状態にあるときには、第１及び第２の極表面対の間に間隙を発生させている。
【００４６】
コイル６８に電力パルスを印加することにより電磁界が発生し、コイルカップ及び電機子を通り極表面同士の対向間隙と交差する磁束経路が形成される。この電磁界は電機子をコイルカップ方向に付勢し、その結果電機子を図８に示す前進状態へと移動させる。電機子が吸引状態（図７）から前進状態（図８）へと移動するにつれ、ピストン７４は室８８内の注入媒体の体積を圧縮する。室８８内が圧縮されるとそれに伴う圧縮力により弁９０が開き、媒体がアウトレット室９２内へと送り出され、ついにはアウトレット６２から送り出される。電磁力が消失すると、アクチュエータはバネ８６の力によってその吸引位置（図７）に戻る。戻りのストロークは室８８内の体積を増大させ、室内圧を減らし、注入媒体をポンプのインレット端において室９４から室８８内へと引き込み、次回の前進ストロークを準備する。このようにして、ポンプ機構は、パルスがコイル６８に印加されるたびに、一定体積の媒体をアウトレット６２から送り出す。
【００４７】
図７及び図８に示したポンプ機構の様々な面が、エネルギの有効利用及び電力消費効率に影響している。即ち、本発明の好適な実施形態においては、構造的に改善されたエネルギ利用及び効率に係る１個又はそれ以上の個数の側面が改善又は最適化される。ポンプ機構のエネルギ利用曲線９５を、図６に示す。図６中、縦軸はエネルギを例えばミリジュール単位で、横軸はストローク完了所要時間を、それぞれ表している。このエネルギ曲線は、大量のエネルギが静止状態からのアクチュエータモーションの開始に使用されるストロークの始まりでは、高くなる傾向を示している。また、前進ストローク中にポンプ機構内の圧力が高まるため、ストロークの終わりでも高くなる傾向を示している。電力消費効率を改善するため、ポンプ機構構造は、図６中の破線で示すようにエネルギ利用曲線を下に下げるよう構成するのがよい。ある好適な実施形態においては、内側極に対する外側極の表面積比が、エネルギ利用効率が改善されるよう、即ちエネルギ利用曲線が下に下がるよう、選択される。図７及び図８に示したポンプ機構においては、環状極の表面積は２πＲ2−２πＲ1で表される。ここに、Ｒ2は環状極表面の平均外側半径であり、Ｒ1は環状極表面の平均内側半径である。ある実施形態においては、上述の所望比を実現するため、内側極の放射方向幅を外側極の放射方向幅より大きくしている。外側極８０，８４が細ければ、太い場合に比べて磁束の漏れやフリンジングは少なくなる。従って、コイルカップ及び電機子の外側極８０，８４を細くすることにより、外側極の外周縁における漏れ即ち環状コイル及びコア構成にて多くの漏れが発生する箇所における漏れは小さくなる。このようにして、大きなエネルギ利用効率が得られる。
【００４８】
また、エネルギ利用効率を改善するため、更なる構造的特徴が採用されている。例えば、極間の間隙は、エネルギ利用効率が改善されるよう、即ちエネルギ利用曲線が下に下がるよう、選択されている。好適な実施形態においては、アクチュエータが図７に示す吸引位置にあるとき、外側極８０及び８４間の間隙が内側極７８及び８２間の間隙より大きい。また、例えば内側極同士が外側極同士よりも近いという間隔付けがされるよう電機子又はコイルカップを構成することにより、異なる間隙サイズも実現できる。ある好適な実施形態においては、外側極間隙Ｇ0に対する内側極間隙Ｇ1の比が約０．３から約１．０の範囲内に入るよう、より好ましくは約０．４５となるよう、選択される。吸引状態における極間隙Ｇ1及びＧ0は、電機子の上にあるカバー９８内のプランジャ９６を調整することにより、調整できる。調整用プランジャ９６はネジが切られた部材から構成されており、この部材は、電機子が図７に示すようにフルに吸引された位置にあるときに電機子７２と接触し、電機子の吸引位置を設定する。好適な実施形態においては、プランジャ９６とカバー部材９８との間に、例えば（これに限られるものではないが）シリコンラバー封止リング等によるシールが配置される。更なる実施形態においては、可撓性のダイアフラム（例えば、これに限られるものはないが、薄いチタンシート又はフォイル）がカバー部材９８の内側表面と結合され、プランジャ９６がその中を通って延びる開口の周りが封止される。ダイアフラムの可撓性により、プランジャによる吸引位置調整が可能になり、更には、プランジャ９６とカバー部材９８との間の接触界面における漏れを防ぐ封止機能も提供される。更に好適な実施形態においては、プランジャは、適正な電機子位置が設定されると、例えばプランジャを数カ所にてカバー部材に溶接、接着その他の安定化手段でくっつけることにより、その場所でカバー部材に対して固定される。
【００４９】
この他にも、エネルギ利用効率を改善するためにまた更なる特徴的構造が採用されうる。例えば、アクチュエータの電機子７２の部分は、より好適な実施形態においては、開口、特に下に述べるそのパターンを伴っている。図９に、開口パターンの一例を示す。開口は流体が流れる経路となり、電機子がそれぞれ図７及び図８に示す吸引位置と前進位置との間を動くにつれて、室９４内に存在している注入媒体はこれら開口を通過する。結果として、電機子の移動における流体抵抗は小さくなる。このようにして、電機子モーションを開始させその電機子モーションを吸引位置（図７）から前進位置（図８）まで継続させるのに必要なエネルギは、流体流路用開口のない電機子構造に比べて低減される。更に好ましい実施形態によれば、電機子における開口パターンが、充分な流体流路を提供できるよう、且つコイル６８が励磁されたとき生じる電磁界による放射方向磁束経路が提供されるよう、設計される。図９に示した開口パターン例においては、電機子の放射方向に沿って延びた複数の大きな開口１００と、それぞれ大きな開口１００の対の間に配置された複数の小さな開口１０２とが、開口として設けられている。電機子７２のセクション１０４即ち開口１００及び１０２の間にあるセクションは、電機子の環状外部セクション即ち外側極８４と環状内側セクション即ち内側極８２とを結合する放射支柱となっている。本発明の実施形態としては、開口パターンとして他の適当な開口パターンを採用しつつ放射方向磁束経路を好適に提供できる用にした実施形態があり得る。加えて、本発明の実施形態としては、他に、開口なし電機子を採用する実施形態もあり得る。
【００５０】
エネルギ利用効率を改善するため、更に他の構造的特徴が採用されうる。例えば、コイルのアスペクト比を選択することによっても、エネルギ利用効率が改善され、従ってエネルギ利用曲線が下に下がる。コイル６８は長さ寸法ＬC及び直径寸法ＤCを有しており、それらの比即ちアスペクト比はＬC／ＤCと表される。例示する好適な実施形態においては、漏れ磁束を低減し又は最小化するため、コイルのアスペクト比は比較的小さく（好ましくは１未満に）される。このように、本発明の実施形態に係るポンプ機構は、構造的配置による電力消費効率改善に関する１個又はそれ以上の特徴的構成を備えている。
【００５１】
更なる実施形態によれば、図３中の電池２６のような消耗的電源からの電力をより有効に利用するため、更なる特徴的構成が導入される。例えば、図３に示すように、キャパシタと電池の間には電源切断スイッチ４１が設けられており、格納(storage)の間キャパシタは電池から電気的に切り離されうる。電池切断スイッチは例えば手動操作スイッチであり、手動操作により開放（ターンオフ）でき、開放（オフ）状態を保持するために信号線上に格別のアクティブ信号を必要としないスイッチである。格納前に或いはその他の非使用時に電池切断スイッチ４１を開放（ターンオフ）させることにより、システムは、その期間におけるキャパシタの内在的漏れ電流により電池パワーを失わないようにすることができる。
【００５２】
本発明の実施形態に係る注入装置の寿命を延長するには、この他にも、所与の時間周期における駆動機構の動作回数を減らすという方法がある。これは、例えば、高濃度の注入媒体（アクティブな成分を高濃度で含む注入媒体）を少量ずつポンピングする、或いは低減した間隔回数で高濃度の体積をポンピングする、という方法である。しかしながら、高濃度の媒体は、患者に対し送給する高濃度媒体が不要に多く又は少なくなることを防ぐためには、送出動作中に患者体内に送給される量の制御に関し高い精度を必要とすることであろう。従って、好適な実施形態においては、制御された量の注入媒体を送給でき従って比較的高濃度の注入媒体を十分精度よく送給できるポンプ機構構成が採用される。そのようなポンプ機構の例としては、「注入装置及びその駆動機構(Infusion Device And Driving Mechanism For Same)」と題する係属中の米国特許出願第６０／３１７，８８６号に開示されているものや、図７及び図８に示されているものがある。
【００５３】
このように、電力制御システム並びにポンプ機構構成及び動作に関する多くの側面及び特徴的構成を述べてきたが、これらは単独で使用してまた適宜組み合わせて使用して、電力の効率的使用、ひいては電磁ポンプ機構の寿命延長に寄与することができる。しかしながら、上掲の本発明の実施形態に関する記載は描像及び説明のためのものである。本発明を開示そのままの形態に限定して排他的に解釈する意図のものではない。以上の教示に従い各種の変形を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態による埋込可能型注入装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による電力制御システム及びポンプコイルを一般化して表すブロック図である。
【図３】図２の電力制御システムの一例について一般化して示す回路図である。
【図４】本発明の一実施形態により制御される電力放電キャパシタの一例電圧特性を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態により制御される電力放電キャパシタに接続されたコイルの一例電流特性を示すグラフである。
【図６】電磁ポンプ機構におけるエネルギ消費特性例を示すグラフである。
【図７】静止又は吸引状態におけるポンプ機構の一例を示す断面図である。
【図８】前進ストローク状態を示す断面図である。
【図９】本発明の一実施形態によるポンプ機構用のアクチュエータの斜視図である。
【図２】
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【図３】
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【図７】
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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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