(57)【要約】本発明による注入ポンプは、圧電体の活性化のための特有の流路構成、流路寸法の範囲、ならびに電圧および周波数の範囲を利用することによって、流体処理量を最大にしつつ、ガスの蒸発を最小にする。本発明の一実施形態による注入ポンプは、入口ポートと、出口ポートと、連通ポート２６とを有するポンプ本体を備える。本体内に位置するのは、ＭＥＭＳマイクロポンプである。ＭＥＭＳマイクロポンプ、すなわち、マイクロポンプは、振動層の片面に取着された圧電体を備える。
2013514836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
注入ポンプであって、
該ポンプは、
入口チャネルおよび出口チャネルと流体的に連絡している第１の流体チャンバであって、該入口チャネルおよび該出口チャネルは各々、チャネル狭窄を含み、該流体チャンバは、該チャンバの長さに沿って変化するチャンバ深さをさらに含む、流体チャンバと、
該流体チャンバの外面に取着された第１の面および電極に取着された第２の面を有する圧電体と
を含む、ポンプ。
【請求項２】
第１のチャンバ深さは、前記チャンバの外面に対して、０度よりも大きい角度から１０度以下の角度まで変化する、請求項１に記載の注入ポンプ。
【請求項３】
前記流体チャンバは、４である長さと幅の比率をさらに含む、請求項１に記載の注入ポンプ。
【請求項４】
前記入口チャネルの幅は、該入口チャネルの少なくとも２つの異なる長さに沿って変化する、請求項１に記載の注入ポンプ。
【請求項５】
前記流体チャンバは、少なくとも部分的に金属から形成される、請求項１に記載の注入ポンプ。
【請求項６】
前記入口チャネルおよび前記出口チャネルと流体的に連絡している第２の流体チャンバをさらに含む、請求項１に記載の注入ポンプ。
【請求項７】
前記入口チャネル狭窄の寸法と該入口チャネル狭窄の上流の前記入口チャネルの寸法の比率は、０．１３から０．６７までである、請求項１に記載の注入ポンプ。
【請求項８】
前記入口チャネル狭窄と流体チャンバ入口との間にある前記入口チャネルの対向する壁によって形成される角度は、約０．０００５度である、請求項１に記載の注入ポンプ。
【請求項９】
前記入口チャネルは、可動弁をさらに含む、請求項１に記載の注入ポンプ。
【請求項１０】
少なくとも前記圧電体を含有する第１の本体と、少なくとも電源回路を含有する第２の本体とをさらに含む、請求項１に記載の注入ポンプ。
【請求項１１】
前記第１の本体は、使い捨てである、請求項１に記載の注入ポンプ。
【請求項１２】
注入流体を患者に提供するための方法であって、
該方法は、
流体チャンバの外面に取着された圧電体に電圧を印加することであって、該流体チャンバは可変深さを有する、ことと、
該流体チャンバの中の流体の中に共鳴を生成することと、
該流体チャンバと流体的に連絡している入口チャネルの寸法と、該流体チャンバと流体的に連絡している出口チャネルの寸法とを異なるように狭窄することであって、それによって、該出口チャネルから外への該流体の正味の指向性流動を生成する、ことと
を含む、方法。
【請求項１４】
可変深さを有する流体チャンバの外面に取着された圧電体に電圧を印加するステップは、２０から１００ボルトまでの範囲内の電圧を印加することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
可変深さを有する流体チャンバの外面に取着された圧電体に電圧を印加するステップは、電圧の立ち上がりの比率を制御することを含み、該立ち上がりの比率は、垂直線に対する角度を３から４５度までの範囲内に形成する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
可変深さを有する流体チャンバの外面に取着された圧電体に電圧を印加するステップは、５０から４５００Ｈｚまでの範囲内の周波数で電圧を印加することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記流体チャンバの中の流体の中に共鳴を生成するステップは、（１）入口チャネル狭窄の寸法と該入口チャネル狭窄の上流の入口チャネルの寸法の比率、（２）該流体チャンバの長さと幅の比率、および（３）該流体チャンバの長さに沿った流体チャンバ深さの変化、から成る群から選択される変数のうちの少なくとも２つを選択的に制御することを含み、それにより、流体流動を最大にしつつ、溶解ガスの蒸発を最小にする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
注入ポンプであって、
該ポンプは、
狭窄部分、および該狭窄部分の上流の非狭窄部分を有する入口チャネルであって、狭窄部分幅と非狭窄部分幅の比率は、０．１３から０．６７までの範囲内にある、入口チャネルと、
出口チャネルと、
該入口チャネルを該出口チャネルに接続する流体チャンバと、
該流体チャンバの外面と接触している圧電体と
を含む、ポンプ。
【請求項１８】
前記流体チャンバは、該流体チャンバの長さに沿って変化する深さを有する、請求項１７に記載の注入ポンプ。
【請求項１９】
前記入口チャネルおよび前記出口チャネルと流体的に連絡している第２の流体チャンバをさらに含む、請求項１７に記載の注入ポンプ。
【請求項２０】
前記入口チャネル狭窄部分と流体チャンバ入口との間にある前記入口チャネルの対向する壁によって形成される角度は、（前記狭窄部分幅／２／該入口チャネル狭窄部分から該流体チャンバ入口までの該入口チャネルの長さ）の逆正接の２倍である、請求項１７に記載の注入ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６１／２８７，８８１号（名称「ＭＥＭＳ  Ｐｕｍｐ  ｆｏｒ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｉｎｆｕｓｉｏｎ  Ｐｕｍｐ」、２００９年１２月１８日出願）、米国仮特許出願第６１／２８７，９０３号（名称「Ｐｕｍｐ  Ｓｔａｙ」、２００９年１２月１８日出願）、米国仮特許出願第６１／２８７，９１２号（名称「Ｍｉｃｒｏ  Ｉｎｆｕｓｉｏｎ  Ｐｕｍｐ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ」、２００９年１２月１８日出願）、および米国仮特許出願第６１／２８７，９９１号（名称「Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｖｅｎｏｕｓ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏ  Ｉｎｆｕｓｉｏｎ  Ｐｕｍｐ」、２００９年１２月１８日出願）の優先権を主張し、これらの出願の内容は各々その全体が本明細書に援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、医療用注入ポンプおよび関連方法に関し、より具体的には、医療およびヘルスケア関連の用途のために圧電効果を利用する注入ポンプに関する。
【背景技術】
【０００３】
流体ポンプは、圧電効果を含む種々の設計原理に基づいて駆動することができる。圧電効果は、間接的に流体流動を生じさせるために利用することができ、例えば、圧電駆動モータまたはアクチュエータを用いてプランジャを直線的に変位させて、リザーバから流体を押し出すか、または蠕動式ポンプの中のロータを回転させることができる。例えば、Ｒｏｅの特許文献１およびＷｉｅｇｅｌらの特許文献２、ならびにＲｏｅの特許文献３およびＰｅｒｃｌａｔの特許文献４は、医療およびヘルスケア業界において使用される注入ポンプに対するそのような技術の用途を教示する。
【０００４】
代替として、圧電効果は、流体チャンバまたは流路の直接操作を介して、例えば、流体チャンバの内部表面の振動を介して流体流動を生じさせるために利用されることができる。そのようなマイクロポンプである微小電気機械システム、すなわち、ＭＥＭＳは、周知の集積回路加工方法および技術を用いて加工することができる。例えば、集積回路製造加工技法を用いて、小型チャネルをシリコンウエハの表面上に形成することができる。処理されたシリコンウエハの表面上に、ガラス等の材料の薄片を取着することによって、流路および流体チャンバをチャネルおよびチャンバから形成することができる。次いで、圧電材料の層、すなわち、石英等の圧電体が、シリコンウエハの反対側の面上のガラスに取着される。電圧が圧電体に印加されると、逆圧電効果、すなわち、振動が圧電体によって発生させられ、ガラスを介してチャンバ内の流体に伝達される。次に、共鳴が、シリコンウエハのチャンバの中の流体中に生成される。流体流路内に弁および他の設計特徴を含有することを介して、シリコンウエハおよびガラス被覆によって形成されるチャンバを通る流体の正味の指向性流動を達成することができる。
【０００５】
ＭＥＭＳマイクロポンプは、インクジェットプリンタ業界において確立された技術となっている。インクジェットプリンタ用の圧電マイクロポンプ、すなわち、ＭＥＭＳマイクロポンプの鮮明度およびインク処理量の向上に関する技術的発展によって、より少ないインク処理量によって、より精密な印刷が達成されている。例えば、ＭＥＭＳマイクロポンプを利用するインクジェットプリンタのインク処理量をピコリットルレベルに制御することが可能となっている。さらに、インク中に溶解したガスの蒸発に起因した、インクジェットプリンタにおける不均一な印刷と関連付けられる問題を解決するために、相当の開発が、インクから脱気するための構造をインクジェットプリンタに提供することに向けられてきた。
【０００６】
圧電効果を利用するＭＥＭＳマイクロポンプはまた、小容量および大容量の注入ポンプ、すなわち、一般的には、流体、薬物、および栄養素を患者の循環系内に注入するために利用されるポンプシステムにおける使用に対して企図されている。例えば、小容量注入システムに関して、Ｔｈｏｍａｓ，Ｊｒ．らの特許文献５、Ｒｏｓｅｎｂｅｒｇの特許文献６、Ｓｍｉｔｓの特許文献７、Ｌａｂｂｅらの特許文献８、Ｐｏｕｌｓｅｎらの特許文献９、およびＫｅｌｌｅｒの特許文献１０はすべて、インスリン等の少量の薬剤を投与するために患者内への埋込用に意図された種々のマイクロポンプについて説明している。同様に、Ｄａｃｑｕａｙらの特許文献１１は、患者の眼への眼科用薬剤の超低容量送達のために、注射器の先端に統合された圧電マイクロポンプについて説明している。
【０００７】
インクジェットプリンタおよび小容量注入マイクロポンプとは対照的に、大容量注入ポンプは、有意に増加した流体処理量を提供するように動作可能でなければならない。しかしながら、流体処理量、すなわち、流体流量が増加することに伴って溶解ガスの蒸発の可能性も対応して増加する。当業者は、注入ポンプシステムの流体流路内の溶解ガスの蒸発が、注入を受ける患者に対して、有意な健康上の危険をもたらすことを認識するであろう。流体処理量が比較的に低いシステムであるインクジェットプリンタマイクロポンプ内の溶解ガスの蒸発と関連した問題は、脱気技術の開発を介してほぼ解決されたが、保健および医療業界で使用される注入ポンプ等の高処理量マイクロポンプに対する満足のゆく解決策は存在しない。Ｄｏｎａｌｄｓｏｎの特許文献１２およびＲｏｓｓらの特許文献１３は、圧電マイクロポンプを利用する大容量注入システムについて説明しているが、しかしながら、これらのシステムのいずれも、高い流体処理量において、溶解ガスの蒸発と関連付けられた問題を克服するために立案された解決策を提供していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０１２４９９４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０１０５６５０号明細書
【特許文献３】米国特許第７，５９２，７４０号明細書
【特許文献４】米国特許第６，１０２，６７８号明細書
【特許文献５】米国特許第３，９６３，３８０号明細書
【特許文献６】米国特許第４，５９６，５７５号明細書
【特許文献７】米国特許第４，９３８，７４２号明細書
【特許文献８】米国特許第４，９４４，６５９号明細書
【特許文献９】米国特許第５，９８４，８９４号明細書
【特許文献１０】米国特許第７，６０１，１４８号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００７／０２７０７４８号明細書
【特許文献１２】米国特許出願公開第２００６／０２６４８２９号明細書
【特許文献１３】米国特許第５，２０５，８１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この分野において必要とされるものは、高い流体処理量を提供しつつ、流体流路内における溶解ガスの蒸発の危険性を低減または排除する高度に正確な注入ポンプシステムである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による注入ポンプは、高い流体処理量を提供しつつ、流体流路内での溶解ガスの蒸発の危険性を低減または排除する非常に正確な注入ポンプシステムを提供する。本発明による注入ポンプは、これらの進歩を特有の流路構成、流路寸法の範囲、ならびに電圧および周波数の範囲を利用することによって達成し、これらの事項は、相互に流体処理量を最大にしつつ、ガスの蒸発を最小にする注入ポンプを提供する役割を果たす。
【００１１】
本発明の実施形態が可能である、これらのおよび他の側面、特徴、および利点は、添付図面を参照することによって本発明の実施形態についての以下の説明から明らかとなり、解明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による注入ポンプの斜視図である。
【図２ａ】図２ａは、本発明の一実施形態によるマイクロポンプの斜視図である。
【図２ｂ】図２ｂは、本発明の一実施形態によるマイクロポンプの図２ａの線ｂに沿った断面図である。
【図２ｃ】図２ｃは、本発明の一実施形態によるマイクロポンプのポンプ基部の平面図である。
【図２ｄ】図２ｄは、本発明の一実施形態によるマイクロポンプのポンプ基部の図２ｃの部分３５の拡大平面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態によるマイクロポンプの流動チャネルおよびチャンバの平面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態によるマイクロポンプに提供される電力のグラフ表示である。
【図５】図５ａおよび５ｂは、本発明の一実施形態によるマイクロポンプの断面図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態によるマイクロポンプの平面図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態によるマイクロポンプの平面図である。
【図８】図８ａは、本発明の一実施形態によるマイクロポンプの側面立面図である。図８ｂは、本発明の一実施形態によるマイクロポンプの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明の具体的実施形態について、添付図面を参照して説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形式で具現化されてもよく、本明細書に記載される実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態が提供されることにより、本開示が詳細かつ完璧となり、当業者に発明の範囲を完全に伝達する。添付図面において例示される実施形態の詳細な説明で使用される用語は、本発明の限定を意図するものではない。図面中、同一番号は同一要素を指す。
【００１４】
本発明による注入ポンプは、高度に正確な流体流動および比較的に高い流体処理量を提供しつつ、流体流路内における溶解ガスの蒸発の危険性を低減または排除するための独特の流路および流体チャンバ構造を提供する。
【００１５】
図１に示されるように、本発明の一実施形態による注入ポンプ１０は、入口ポート２２と、出口ポート２４と、連通ポート２６とを有するポンプ本体２０ａを備える。本体２０ａ内に位置するのは、ＭＥＭＳマイクロポンプである。図２ａおよび図２ａの線ｂに沿った図２ｂの断面図に示されるように、ＭＥＭＳマイクロポンプ、すなわち、マイクロポンプ３０は、振動層３６の片面に取着されたｄ３として示される厚さを有する圧電体３２を備える。振動層３６は、ガラス、石英、合金、またはポリマー系材料から加工されてもよい。圧電体３２の反対面は、電極３４と電気接触し、振動層３６の反対面は、ポンプ基部３８に添着されている。図２ｂに示されるように、ならびに図２ｃおよび２ｄのポンプ基部３８の平面図に示されるように、流動チャネルおよび流体チャンバが、ポンプ基部３８内に形成されている。より具体的には、ポンプ基部３８は、入口チャネル４０と、出口チャネル４２と、チャンバ４４とを備える。チャンバ４４は、長さＩ１および幅Ｉ２を有する。チャンバ４４の底面４６から、振動層３６によって形成されるチャンバ４４の上面までの距離は、深さｄとして示される。深さｄは、チャンバ４４の略中心または中央において決定されることが理解されるであろう。ポンプ基部３８の底面４８に対する、チャンバ４４の底面４６の傾斜または角度は、角度Ｒ１として示される。唯１つの角度Ｒ１が説明されるが、チャンバ４４の底面４６は、２つ以上の基準平面において、ポンプ基部３８の底面４８に対して角度が付けられてもよいことが理解されるであろう。
【００１６】
圧電体３２は、石英等の天然結晶、人工結晶および人工セラミック、ならびにポリマーを含む、圧電特性を有する種々の周知の材料を含んでもよい。
【００１７】
ポンプ基部３８は、周知の集積回路加工技法において利用されるシリコン等のシリコンから加工されてもよく、または種々の金属、合金、およびポリマー等の他の十分に剛性である材料から加工されてもよい。ポンプ基部３８が加工される特有の材料（単数または複数）、ならびにポンプ基部３８内にチャネルおよびチャンバを生成するために利用される特有の技法に基づいて、チャネルおよびチャンバの表面は、平滑および／または階段状であってもよいことが理解されるであろう。例えば、ポンプ基部３８が、周知の集積回路加工技法を用いて加工される場合、チャンバ４４の底面４６の傾斜または角度は、利用される種々のマスクに従って画定された段におけるシリコンを除去することによって形成されてもよい。故に、チャンバ４４の底面４６の勾配表面は、平滑ではなく、階段状になるであろう。反対に、ポンプ基部３８が、金属または合金から加工される場合、チャンバ４４の底面４６の傾斜または角度は、チャンバ４４の底面４６の表面が平滑であるように形成されてもよい。
【００１８】
狭窄Ａが入口チャネル４０内に形成され、狭窄Ｂが出口チャネル４２内に形成される。狭窄ＡおよびＢは、水平、垂直、または水平および垂直方向に狭くなっていてもよいことに留意されたい。狭窄Ａからチャンバの側面５０までの入口チャネル４０の長さは、Ｉ３として示される。狭窄Ａの上流の入口チャネル４０の幅は、Ｌ１として示され、狭窄Ａの幅は、Ｌ２として示される。
【００１９】
図２ｄに最も良く示されるように、入口チャネル４０は、狭窄Ａとチャンバ入口５２との間において漏斗状または三角形の形態を有する。狭窄Ａとチャンバ入口５２との間の入口チャネル４０のこの漏斗状の形態によって画定された角度は、Ｒ２として示される。チャンバ入口５２の幅は、Ｌ３として示される。動作中、圧電体３２は、矢印３３によって示される方向に振動するが、これは、周波数ｎで電極３４を介して圧電体３２に印加される電圧Ｖの結果である。圧電体３２の振動は、振動層３６を介してチャンバ４４内の流体に転送され、それによってチャンバ４４内の流体中に共鳴を生成させる。チャンバ４４内の流体の圧送、すなわち正味の指向性流動は、入口チャネル４０および出口チャネル４２に形成された狭窄ＡおよびＢによってそれぞれ生成される抵抗に従って生じる。
【００２０】
共鳴がチャンバ４４内において生成され、それによってマイクロポンプ３０を通る流体の流動が、チャンバ４４ならびに入口チャネル４０および出口チャネル４２の幾何学形状によって影響を受けることが理解されるであろう。また、共鳴に影響を及ぼすものは、圧電体の圧電効果に寄与する周波数、電圧、および波形である。したがって、本発明によるマイクロポンプ３０は、以下のパラメータ：（１）チャンバ４４の長さＩ１、（２）チャンバ４４の幅Ｉ２、（３）チャンバ４４の深さｄ、（４）ポンプ基部３８の底面４８に対してチャンバ４４の底面４６によって画定された角度Ｒ１、（５）システム内で利用されるマイクロポンプまたはマイクロポンプチャンバ４４の数、（６）狭窄Ａの上流の入口チャネル４０に対する狭窄Ａの構成、（７）狭窄Ａの下流のチャンバ入口５２に対する狭窄Ａの構成、（８）利用される圧電体３２の厚さｄ３および圧電体３２の数、ならびに（９）周波数ｎで圧電体３２に印加される電圧Ｖに関して最適化される。
【００２１】
最初に、高い流体処理量を達成するためのマイクロポンプ３０のチャンバ４４に関する関連パラメータに着目すると、本発明によるマイクロポンプ３０は、比較的に大容量のチャンバ４４を利用する。チャンバ４４の形状、すなわち、チャンバ４４の長さ対幅対深さの関係は、チャンバ４４内の流体内に生成される共鳴現象を最適化するために重要な配慮点である。例えば、チャンバ４４の深さｄは、共鳴の大きさに影響を及ぼし、次に、流体処理量を増加させる。しかしながら、極度に大きいと、チャンバ４４内での流体の共鳴は、望ましくないことに、流体の上層においてのみ生じ、流体処理量は低下するであろう。
【００２２】
本発明によるマイクロポンプ３０に対して本明細書において提供される他の最適化されたパラメータに関して、チャンバ４４の底面４６から振動層３６によって形成されるチャンバ４４の上面までの距離ｄは、好ましくは、５０から３００マイクロメートルまで、より好ましくは、１００から２００マイクロメートルまでである。チャンバ４４の長さＩ１は、好ましくは、１から３０ミリメートルまでの範囲内であって、チャンバ４４の幅Ｉ２は、好ましくは、１から５ミリメートルまでの範囲内である。深さｄに関する好ましい範囲において長さ対幅の比率の好ましい範囲は、１：１から６：１まで、より好ましくは、４：１である。例えば、最適化されたチャンバ４４は、４ミリメートルの長さＩ１、１ミリメートルの幅Ｉ２、および２００マイクロメートルの深さを有してもよい。
【００２３】
また、チャンバ４４の形状に関連するものは、ポンプ基部３８の底面４８に対してチャンバ４４の底面４６によって画定される角度Ｒ１である。角度Ｒ１は、チャンバ４４の出口チャネル４２側に向かって、すなわち、図２ｂおよび２ｃに示されるように、チャンバ４４の右側に向かって共鳴を偏向させる役割を果たす。より大きな角度Ｒ１は、流体処理量を増加させるが、過度に急な角度においては、チャンバ４４の下流側における共鳴は低下し、それによって流体処理量も低下する傾向となるであろう。本発明によるマイクロポンプ３０に対して本明細書において提供される他の最適化されたパラメータに関して、ポンプ基部３８の底面４８に対してチャンバ４４の底面４６によって画定される角度Ｒ１は、好ましくは、０から５０度まで、より好ましくは、０．０１から１０度までの範囲内である。
【００２４】
１つのマイクロポンプ３０が所望の処理量を提供しない状況においては、Ｎ個のチャンバ４４を並列または直列に組み合わせることによって、増加した処理量を有するマイクロポンプ３０を形成することができる。そのような多重チャンバ４４ポンプにおいては、同一のチャンバ４４が組み合わされてもよく、または図３に示されるように、異なるサイズおよび処理量を有するチャンバ４４が組み合わされてもよい。異なる流体処理量を提供するように動作可能な異なるサイズおよび／または寸法の複数のチャンバ４４を有するポンプは、より精密な処理量制御およびより広い処理量範囲を可能にする。例えば、処理量が変化させられるべき等の場合、より優れた精度およびより広範囲の処理量等の利点は、１００ミリリットル／時チャンバ４４ａと１０ミリリットル／時チャンバ４４ｂとを組み合わせることによって達成することができる。医療環境において、このことは、１００ミリリットル／時の薬物から１０ミリリットル／時の薬物に変更するときでさえ、ポンプを変更する必要がないことから有利である。
【００２５】
次に、狭窄Ａおよび狭窄Ａの上流の入口チャネル４０に関する関連パラメータに着目する。狭窄Ａのより小さい幅Ｌ２は、処理量の増加と関連付けられるが、しかしながら、より小さい幅Ｌ２はまた、狭窄Ａから下流の負の圧力の増加とも関連付けられることができることに留意されたい。このことは、次に、望ましくない溶解ガスの蒸発の増加をもたらす。本発明によるポンプに対して本明細書において提供される他の最適化されたパラメータに関して、狭窄Ａの幅Ｌ２は、好ましくは、３０から２００マイクロメートルまで、より好ましくは、４０から８０マイクロメートルまで、例えば、５０マイクロメートルである。狭窄Ａの上流の入口チャネル４０の幅Ｌ１は、好ましくは、５０から３００マイクロメートルまで、より好ましくは、８０から１００マイクロメートルまで、例えば、８０マイクロメートルである。比率Ｌ２：Ｌ１の範囲は、好ましくは、０．１３から０．６７までである。
【００２６】
次に、狭窄Ａおよび狭窄Ａの下流の入口チャネル４０に関する関連パラメータに着目する。狭窄歯幅角（ｃｏｎｓｔｒｉｃｔｉｏｎ  ｗｉｄｔｈ  ａｎｇｌｅ）Ｒ２は、狭窄Ａとチャンバ入口５２との間のこの漏斗状、すなわち、三角形の形態の入口チャネル４０によって画定される。換言すると、狭窄歯幅角Ｒ２は、長さＩ３および幅Ｌ３によって形成される三角形の頂点に形成される角度を指す。狭窄歯幅角Ｒ２の増加は、より大きな流体処理量を達成するが、狭窄歯幅角Ｒ２の増加はまた、狭窄Ａの上流の負の圧力を増加させる。角度Ｒ２は、以下の式：
【００２７】
【数１】
2013514836.tif 000003
によって決定される。
【００２８】
換言すると、角度Ｒ２は、Ｌ３からＬ２を減算し、それに０．５を乗算して、Ｉ３で除算したものの正接の２倍に等しい。本発明によるポンプに対して本明細書において提供される他の最適化されたパラメータに関して、狭窄Ａの幅Ｌ２は、好ましくは、３０から２００マイクロメートルまで、より好ましくは、５０マイクロメートルであり、チャンバ入口５２の幅Ｌ３は、好ましくは、５０から３００マイクロメートルまで、より好ましくは、８０マイクロメートルであって、狭窄Ａからチャンバ出口５２までの入口チャネル４０の長さＩ３は、好ましくは、１から１５ミリメートルまで、より好ましくは、１０ミリメートルである。狭窄歯幅角Ｒ２は、好ましくは、０．００００１から１０度まで、より好ましくは、０．０００５度である。
【００２９】
振動層３６、次に、圧電体３２の関連パラメータに着目すると、より厚い圧電体３２の利用は、振動の増加をもたらして、より大きな共鳴が生成されるようにさせ、それによって流体処理量を増加させる。しかしながら、共鳴の増加はまた、狭窄Ａにおける負の圧力の増加をもたらし、それによって溶解ガスの蒸発を生じさせ得る。圧送速度を増加させるために、０．１ミリメートルから１ミリメートルまでの厚さを有する２つまたは３つの圧電体を積層することができる。
【００３０】
最後に、周波数ｎで圧電体３２に印加される電圧Ｖに関して、周波数および／または電圧の増加は、最初は、流体処理量を増加させるであろう。本発明によるマイクロポンプ３０に対して本明細書において提供される他の最適化されたパラメータに関して、周波数ｎは、好ましくは、５０から４５００ヘルツまでの範囲内にある。電圧に関して、電圧が高いほど、圧電体が振動する振幅が大きくなり、チャンバ内に生成される共鳴現象の増加および流体流動の増加をもたらすであろう。しかしながら、強力な共鳴現象はまた、狭窄Ａにおいてより大きな負の圧力を生成し、溶解ガスの蒸発をもたらすであろう。故に、本発明によるポンプに対して本明細書において提供される他の最適化されたパラメータに関して、電圧Ｖは、好ましくは、２０から１００ボルトまでの範囲内にある。
【００３１】
さらに、電圧が印加される態様もまた、本発明によるマイクロポンプの処理量に影響を及ぼす。例えば、狭窄Ａの領域内の負の圧力、したがって、溶解ガスの蒸発は、電圧Ｖの立ち上がりの比率を制御することによって制御される。図４は、電圧が好ましく印加される態様を示す。図４に提供されるグラフにおいて、水平軸６０は時間の経過を表し、垂直軸５８は、電圧の増加を表す。線５６は、角度Ｒ３が決定される基準線として提供される。溶解ガスの蒸発を低減または防止するために、本発明によるポンプに対して本明細書において提供される他の最適化されたパラメータに関して、角度Ｒ３は、好ましくは、３から４５度までの範囲内にある。
【００３２】
本発明による注入ポンプ１０は、最大約２８０ミリリットル／時以上の流体流量を提供するように動作可能である。しかしながら、注入ポンプ１０によって達成される流量は、患者の循環系によって付与される背圧に依存することを理解されたい。故に、注入ポンプ１０に付与される背圧が増加することに伴って、マイクロポンプ３０に提供される制御因子は、所望の流量を達成しつつ、そのような背圧を克服するために変更されなければならない。例えば、すべての他の設計パラメータおよび制御因子定数を０キロパスカルの背圧に維持しながら、本発明による注入ポンプ１０は、周波数５０ヘルツ（Ｈｚ）において、約７８０マイクロリットル／分、周波数１００Ｈｚにおいて、１，６１０マイクロリットル／分、および周波数１５０Ｈｚにおいて、１，９３０マイクロリットル／分の流量を達成し得る。背圧６０キロパスカルにおいて、本発明による注入ポンプ１０は、周波数５０Ｈｚにおいて、約２３０マイクロリットル／分、周波数１００Ｈｚにおいて、４４０マイクロリットル／分、および周波数１５０Ｈｚにおいて、６３０マイクロリットル／分の流量を達成してもよい。
【００３３】
本発明のさらに別の実施形態において、図５ａおよび５ｂに示されるように、マイクロポンプ３３０は、振動層３６の片面に取着された圧電体３２を備える。振動層３６の反対側の面は、ポンプ基部３８に添着される。ポンプ基部３８は、入口チャネル４０と、出口チャネル４２と、チャンバ４４とを備える。前述のマイクロポンプ３０と対照的に、マイクロポンプ３３０はさらに、入口弁６０と、出口弁６２とを備える。入口弁６０および出口弁６２は、図５ａおよび５ｂに示されるように、置換可能なよう動作可能である。
【００３４】
動作時、圧電体３２が矢印６４の方向に操作されると、チャンバ４４は、負に加圧された状態となり、入口弁６０は、開放し、チャンバ４４内への流体流動を可能にする。反対に、出口弁６２は、閉鎖されるように引っ張られ、それによって、チャンバ４４内の流体のいかなる逆流をも阻止する。圧電体３２が、矢印６６の方向に操作されると、チャンバ４４は、正に加圧された状態となる。出口弁６０は、閉鎖されるように押され、それによって、入口チャネル４０を通る流出を防止する。反対に、出口弁６２は、出口チャネル４２を通る流体流動を可能にするように開放される。
【００３５】
マイクロポンプ３３０に関する前述の弁６０および６２等の特徴は、本発明によるマイクロポンプを達成するために、マイクロポンプ３０に関して説明された設計特徴のいずれかと組み合わされてもよく、その逆も然りであることが理解されるであろう
図６に示されるように、本発明による注入ポンプ１０はさらに、第１の回路７０と、第２の回路７２と、流量計７４とを備える。第１の回路は、図２ａに示される電極３４に電力を提供し、第２の回路７２は、流量計７４への電力および流量計７４と関連付けられたセンサからのデータのＡＣ／ＤＣ変換を提供する。第１および第２の回路７２ならびに７４は、したがって、壁取付けプラグ、バッテリ、またはそれらの組み合わせ等の電源と電気的に連絡する。バッテリを利用する注入ポンプ１０の明白な利点は、注入流体の不断の流動を維持しながらの注入ポンプ１０の対応する移動性である。
【００３６】
注入ポンプ１０と関連付けられた流量計７４は、種々の周知の流量計を備えてもよい。流量計７４は、種々の周知の流量計を備えてもよい。例えば、流量計７４は、監視される流体を加熱し、加熱器の下流で加熱された流体の流動を感知する加熱器を利用することによって、流体流量を決定するように構成されてもよい。そのような流量計は、Ｓｅｎｓｉｒｉｏｎ  ＡＧ（スイス）およびＳｉａｒｇｏ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ（米国）から市販されており、少なくとも、Ｍａｙｅｒらの米国特許第６，８１３，９４４号および米国公開第２００９／０１６４１６３号に詳細に説明されており、参照することによって本明細書に組み込まれる。代替として、流量計３４は、流体流路内の狭窄の両側に配置された２つの圧力センサを利用するように構成されてもよい。流体流量は、圧力センサ間の相対的な差異とその変化とによって決定される。
【００３７】
注入ポンプ１０は、図１および６において、単一のユニットまたは構成要素として描かれているが、注入ポンプ１０のある要素は、異なる構成要素または本体内に区画化されてもよいことに留意されたい。例えば、図７は、本体２０ｂ内に格納される、それぞれ、第１および第２の回路７０および７２が、本体２０ａ内に含有されるマイクロポンプ３０、３３０および流量計７４から分離している注入ポンプ１０を示す。そのようなシステムは、いくつかの理由から有利である。例えば、マイクロポンプ３０、３３０および流量計を備える本体１０ａを使い捨てとして加工することが好ましいであろう。故に、異なる患者と併用するために、マイクロポンプ３０、３３０および流量計７４を洗浄し、調製することに関連した汚染の危険ならびにコストを低減することができる。しかしながら、注入ポンプの生産のコストが最小にされ得るためには、可能な限り少ない注入ポンプ１０の構成要素を使い捨てにすることが望ましいであろう。故に、回路７０および７２が収容される本体２０ｂは、非使い捨てまたは再使用可能と見なされてもよい。
【００３８】
本体２０ａおよび２０ｂ等、複数の本体を備える本発明の注入ポンプ１０は、相互間の電気的な連絡を確立するための構造を利用してもよい。例えば、図１に示されるように、本体２０ａは、第１および第２の回路７０および７２が、それぞれ、マイクロポンプ３０および流量計７４の導体３４と電気的に連絡した状態に置かれ得る連通ポート２６を備えてもよい。連通ポート２６は、当技術分野において周知の種々の電気コネクタ／端子およびワイヤのタイプから加工されてもよい。
【００３９】
代替として、図８ａに示されるように、本体２０ａと本体２０ｂとは、これらが相互に物理的に取着されることができるように形成されてもよい。例えば、本体２０ａは、本体２０ｂの周縁の実質的に周囲に形成される陥凹７６を備える。本体２０ｂは、次に、同様に、本体２０ｂの周縁の実質的に周囲に配置される結束具７８を備える。結束具７８は偏向可能であって、本体２０ａに形成される陥凹７６の中に嵌合するように成形される。使い捨て本体２０ａが非使い捨て本体２０ｂと嵌着されるべきとき、２つの本体は相互に対して圧着され、それによって、結束具７８を付勢することにより、結束具７８は、本体２０ａの陥凹７６に係合するまで、本体２０ａの基部８４の周囲において外側に偏向させられる。本体２０ｂの結束具７８が、本体２０ａの陥凹７６に係合すると、２つの本体は相互に向かって引っ張られ、摩擦嵌合状態に維持される。
【００４０】
電気的な連絡は、本体２０ａの表面８６および本体２０ｂの表面８８上に形成される相補的な電極８２を介して本体２０ａと２０ｂとの間に確立される。
【００４１】
本発明のある実施形態において、流体密の環境内に電極８２を密閉することが望ましいであろう。従って、シール８０が、本体２０ａの表面８６および／または本体２０ｂの表面８８に埋め込まれてもよい。２つの本体２０ａと２０ｂとの嵌着に応じて、シール８０は係合され、流体密の環境が電極８２の周囲に確立される。シール８０は、Ｔｅｆｌｏｎ、シリコーン、または他のポリマー材料等、軟質の柔らかい材料を備えてもよい。シール８０が移動することを防止するために、シールは、取着される表面の中に少なくとも半分、埋め込まれてもよい。
【００４２】
圧電体３２は、動作の間、振動するので、本体２０ａと２０ｂとの構造および嵌着は、本体間の電気的な連絡を維持するために十分でなければならないことに留意されたい。このため、圧電体３２を本体２０ａの電極に接続する任意のワイヤは、可撓性であり、かつ圧電体と強力に接合する材料から作製される必要がある。
【００４３】
本発明のある実施形態において、ユーザインターフェースまたはインジケータ（図示せず）が、本体２０ｂ上に提供される。ユーザインターフェースは、ポンプによって注入される流体または薬剤（単数または複数）の名称および仕様等の情報を提供してもよい。ユーザインターフェースはまた、薬物のタイプを容易に認識することができるように色分けされてもよい。複数の薬物が注入されるべき場合に、複数の注入ポンプ１０が利用されるシステムにおいて、ユーザインターフェースは、特有のポンプを容易に識別可能にするポンプ識別子をユーザに提供してもよい。ユーザインターフェースはまた、特定の動作パラメータまたは遭遇した動作状態をユーザにアラートする警告灯を提供してもよい。
【００４４】
本発明のさらに別の実施形態において、注入ポンプ１０は、第１および第２の回路７０および７２と電気的に連絡する制御端末（図示せず）をさらに備える。制御端末は、制御因子をマイクロポンプ３０に提供する役割を果たす。マイクロポンプ３０制御因子として、例えば、周波数ｎで圧電体３２に印加される電圧Ｖと、電圧Ｖが動作の間に上昇および降下される態様または速度とが挙げられる。制御端末は、第１および第２の回路７０および７２と無線または有線で通信する。一実施形態において、看護士または他の医療提供者は、１つの制御端末を利用し、独立して単一注入ポンプ１０との電気的な連絡を確立し、それによって、それを制御してもよい。制御因子が、注入ポンプ１０に提供されると、同一制御端末が、第２の注入ポンプ１０の制御因子を提供するために、実行される、または別様に、異なる注入ポンプ１０に移行されてもよい。換言すると、例えば、病院環境では、複数の異なる注入ポンプ１０が、単一制御端末によって、制御され得ることが想定される。そのような実施形態において、制御端末はまた、注入ポンプ１０と関連付けられた流量計７４から、流体流量データを受信する役割を果たしてもよい。
【００４５】
別の実施形態において、制御端末は、患者の治療の過程の間、単一患者と関連付けられた、中央患者流体管理システムを備える、すなわち、制御端末は、複数の患者間で共有されない。そのような実施形態において、制御端末は、制御因子を複数の注入ポンプ１０に提供し、流量計７４から流量データを受信し、制御端末と関連付けられた種々の患者センサから患者の生物学的データを受信し、受信したそのような患者データに基づいて、医療提供者に、種々の患者情報を提供するように動作可能である。そのような制御端末は、（現在未定）に出願される譲受人の米国特許出願第（現在未定）号「Ｐａｔｉｅｎｔ  Ｆｌｕｉｄ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍ」により詳細に説明されている。
【００４６】
特に重要なことは、注入ポンプ１０のマイクロポンプ３０が、制御端末とデータの交換をしない、すなわち、マイクロポンプ３０と制御端末との間の電気的な連絡が、制御端末からマイクロポンプ３０までの一方向であるという事実である。マイクロポンプ３０は、制御端末のスレーブである。この構成は、簡略され、かつより経済的注入ポンプ１０を提供するために有利である。例えば、マイクロポンプ３０を制御端末のスレーブにすることによって、マイクロポンプ３０内の回路は、簡略化され、それによって製造がより経済的となる。マイクロポンプ３０が使い捨てである前述の実施形態に照らして、病院または医院は、より経済的に注入ポンプ１０の使い捨て部分のみを取得し、限定数のより複雑かつよりコストがかかる制御端末の入手および維持のみが必要となり得る。
【００４７】
本発明は、特定の実施形態および用途の観点から説明されたが、当業者は、本教示に照らして、請求される発明の精神から逸脱することなく、またはその範囲を超えることなく、加的実施形態および修正をもたらすことができる。故に、本明細書における図面および説明は、本発明の理解を促進するために、一例として、提案され、その範囲を限定するものと解釈されるべきではないことを理解されたい。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【国際調査報告】
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