(57)【要約】【課題】ポンプを駆動するために使用される方法に関係なく、非常に小さな体積を正確に、再現性をもって送出する新規の制御方式の輸液ポンプ制御装置を提供すること。【解決手段】輸液デバイスの閉ループ制御のための制御装置を説明する。このアーキテクチャは、輸液デバイスからの流量を制御するため、及び幾つかの実施形態では送出圧力を制御するための手段を提供する。閉ループ制御アーキテクチャを使用する様々な輸液システムを説明する。幾つかの実施形態では、閉ループ制御は、重力送り式の静脈内システムなど現在一般的に使用されている輸液手段に適合させることができる。他の実施形態は、ばね、エラストマー、回転モータ、及びリニアモータからなる偏倚及び駆動機構を使用する輸液ポンプシステムを説明する。本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、好ましい実施形態の様々な適合形態及び変形形態を構成することができることを当業者は理解されよう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内で、本明細書で具体的に説明した以外の方法で実施することもできることを理解されたい。【選択図】図５
2010538797.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
輸液デバイスからの流量を制御するための手段において、
a)入口オリフィスと、
b)出口オリフィスと、
c)リザーバと、
d)光源と、
e)前記光源との間に空間を有し、前記光源からの光を検出するように位置決めされた光検出器であって、前記光源と光検出器との間の前記空間を通って横切る前記入口オリフィスからの点滴が前記光源から出力される光を少なくとも部分的に遮るように前記光源と光検出器とが位置決めされ、前記光源から受け取られる光の強度に比例する電気出力を有する光検出器と、
f)前記出口オリフィスに装着された圧縮可能な管を可変的に圧迫するアクチュエータを備える、前記出口オリフィスからの流量を制限するための手段と、
g)処理装置、メモリ、及び前記光検出器からの入力信号を備える制御装置であって、前記メモリが、前記処理装置によって実行されるプログラミングコードを含み、前記コードが、前記輸液デバイスからの流量に比例する出力信号を計算する制御装置とを備える手段。
【請求項２】
さらに、前記リザーバ内の流体の水位に比例する出力信号を有する水位センサを備えることを特徴とする請求項1に記載の流量を制御するための手段。
【請求項３】
前記アクチュエータが、電気的に作動され、前記制御装置が、さらに、前記メモリに流量設定値を入力するための手段を備え、前記メモリが、さらに、前記処理装置によって実行されるプログラミングコードを含み、前記プログラミングコードが、前記光検出器からの入力信号及び前記水位センサからの入力信号の入力を有し、前記コードが、前記入力信号からの流量を計算し、前記コードが、さらに、前記計算された流量と前記流量設定値との差として誤差を計算し、前記コードが、さらに、前記誤差を最小にするために前記圧縮可能な管を可変的に圧迫するための前記アクチュエータへの出力信号を計算することを特徴とする請求項2に記載の流量を制御するための手段。
【請求項４】
前記入口オリフィスのサイズが、前記点滴サイズを制御するように選択されることを特徴とする請求項1に記載の流量を制御するための手段。
【請求項５】
前記制御装置からの前記出力信号が、単位時間当たりに落ちる点滴の数であることを特徴とする請求項1に記載の流量を制御するための手段。
【請求項６】
前記制御装置メモリが、さらに、前記処理装置によって実行されるプログラミングコードを備え、前記コードが、前記入口オリフィスから落ちる点滴の体積を計算することを特徴とする請求項1に記載の流量を制御するための手段。
【請求項７】
前記制御装置メモリが、さらに、前記処理装置によって実行されるプログラミングコードを備え、前記コードが、前記入口オリフィスから落ちる点滴の体積を計算することを特徴とする請求項3に記載の流量を制御するための手段。
【請求項８】
前記制御装置メモリが、さらに、前記処理装置によって実行されるプログラミングコードを備え、前記コードが、モータへの出力信号を計算し、前記モータが、ポンプを駆動し、前記ポンプが、前記入口オリフィスに流体を供給することを特徴とする請求項3に記載の流量を制御するための手段。
【請求項９】
輸液デバイスからの流量を制御するための手段において、
a)複数の入口オリフィスと、
b)出口オリフィスと、
c)リザーバと、
d)複数の光源と、
e)前記光源との間に空間を有し、前記光源の一つからの光を検出するようにそれぞれ位置決めされた複数の光検出器であって、前記光源と光検出器との間の前記空間を通って横切る前記入口オリフィスの一つからの点滴が前記光源から出力された光を少なくとも部分的に遮るように前記光源と検出器とが位置決めされ、前記光源から受け取られる光の強度に比例する電気出力を有する光検出器と、
f)前記出口オリフィスに装着された圧縮可能な管を可変的に圧迫するアクチュエータを備える、前記出口オリフィスからの流量を制限するための手段と、
g)処理装置、メモリ、及び前記光検出器からの入力信号を備える制御装置であって、前記輸液デバイスからの流量に比例する出力信号を有する制御装置とを備えることを特徴とする手段。
【請求項１０】
さらに、前記リザーバ内の流体の水位に比例する出力信号を有する水位センサを備えることを特徴とする請求項9に記載の流量を制御するための手段。
【請求項１１】
前記アクチュエータが、電気的に作動され、前記制御装置が、さらに、前記メモリに流量設定値を入力するための手段を備え、前記メモリが、さらに、前記処理装置によって実行されるプログラミングコードを含み、前記プログラミングコードが、前記光検出器からの入力信号及び前記水位センサからの入力信号の入力を有し、前記コードが、前記入力信号からの流量を計算し、前記コードが、さらに、前記計算された流量と前記流量設定値との差として誤差を計算し、前記コードが、さらに、前記誤差を最小にするために前記圧縮可能な管を可変的に圧迫するための前記アクチュエータへの出力信号を計算することを特徴とする請求項10に記載の流量を制御するための手段。
【請求項１２】
前記入口オリフィスのサイズが、前記点滴サイズを制御するように選択されることを特徴とする請求項9に記載の流量を制御するための手段。
【請求項１３】
前記制御装置からの前記出力信号が、単位時間当たりに落ちる点滴の数であることを特徴とする請求項9に記載の流量を制御するための手段。
【請求項１４】
前記制御装置メモリが、さらに、前記処理装置によって実行されるプログラミングコードを備え、前記コードが、前記入口オリフィスから落ちる点滴の体積を計算することを特徴とする請求項9に記載の流量を制御するための手段。
【請求項１５】
前記制御装置メモリが、さらに、前記処理装置によって実行されるプログラミングコードを備え、前記コードが、前記入口オリフィスから落ちる点滴の体積を計算することを特徴とする請求項11に記載の流量を制御するための手段。
【請求項１６】
前記制御装置メモリが、さらに、前記処理装置によって実行されるプログラミングコードを備え、前記コードが、モータへの出力信号を計算し、前記モータが、ポンプを駆動し、前記ポンプが、前記入口オリフィスに流体を供給することを特徴とする請求項11に記載の流量を制御するための手段。
【請求項１７】
輸液デバイスからの流量を制御するための手段において、
a)複数の入口オリフィスと、
b)複数の出口オリフィスと、
c)複数のリザーバと、
d)複数の光源と、
e)前記光源との間に空間を有し、前記光源の一つからの光を検出するようにそれぞれ位置決めされた複数の光検出器であって、前記光源と光検出器との間の前記空間を通って横切る前記入口オリフィスの一つからの点滴が前記光源から出力された光を遮るように前記光源と検出器とが位置決めされ、前記光源から受け取られる光の強度に比例する電気出力を有する光検出器と、
f)前記出口オリフィスに装着された圧縮可能な管を可変的に圧迫するアクチュエータを備える、前記出口オリフィスからの流量を制限するための手段と、
g)処理装置、メモリ、及び前記光検出器からの入力信号を備える制御装置であって、前記輸液デバイスからの流量に比例する出力信号を有する制御装置とを備えることを特徴とする手段。
【請求項１８】
さらに、前記リザーバ内の流体の水位に比例する出力信号を有する水位センサを備えることを特徴とする請求項17に記載の流量を制御するための手段。
【請求項１９】
前記アクチュエータが、電気的に作動され、前記制御装置が、さらに、前記メモリに流量設定値を入力するための手段を備え、前記メモリが、さらに、前記処理装置によって実行されるプログラミングコードを含み、前記プログラミングコードが、前記光検出器からの入力信号及び前記水位センサからの入力信号の入力を有し、前記コードが、前記入力信号からの流量を計算し、前記コードが、さらに、前記計算された流量と前記流量設定値との差として誤差を計算し、前記コードが、さらに、前記誤差を最小にするために前記圧縮可能な管を可変的に圧迫するための前記アクチュエータへの出力信号を計算することを特徴とする請求項18に記載の流量を制御するための手段。
【請求項２０】
前記入口オリフィスのサイズが、前記点滴サイズを制御するように選択されることを特徴とする請求項17に記載の流量を制御するための手段。
【請求項２１】
前記制御装置からの前記出力信号が、単位時間当たりに落ちる点滴の数であることを特徴とする請求項17に記載の流量を制御するための手段。
【請求項２２】
前記制御装置メモリが、さらに、前記処理装置によって実行されるプログラミングコードを備え、前記コードが、前記入口オリフィスから落ちる点滴の体積を計算することを特徴とする請求項17に記載の流量を制御するための手段。
【請求項２３】
前記制御装置メモリが、さらに、前記処理装置によって実行されるプログラミングコードを備え、前記コードが、前記入口オリフィスから落ちる点滴の体積を計算することを特徴とする請求項19に記載の流量を制御するための手段。
【請求項２４】
前記制御装置メモリが、さらに、前記処理装置によって実行されるプログラミングコードを備え、前記コードが、モータへの出力信号を計算し、前記モータが、ポンプを駆動し、前記ポンプが、前記入口オリフィスに流体を供給することを特徴とする請求項19に記載の流量を制御するための手段。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
(関連出願の相互参照)
本出願は、参照として本明細書に組み込む、本願と同一発明者による2007年9月17日出願の「More Apparatuses for Low Cost Infusion Pumps」という名称の現在係属中の米国仮特許出願第60/994194号、及び参照として本明細書に組み込む、本願と同一発明者による2007年11月15日出願の「Cost-Effective, High Precision Infusion Pumps」という名称の現在係属中の米国仮特許出願第61/003384号の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、輸液ポンプ用の装置、及び輸液ポンプ制御装置を提示し、さらにそれらを制御する方法を説明する。
【背景技術】
【０００３】
輸液ポンプは、治療対象の患者の循環系に流体、薬剤、又は栄養剤を輸液する。輸液ポンプは、看護スタッフが手で行った場合には法外にコストがかかるか、又は信頼性が低いはずの仕方で、流体を投与するために使用される。市販の輸液ポンプは、一回の注射で数十ナノリットル程度の少量の注射剤を投与することができ、典型的には、継続的に1時間で100マイクロリットル未満を送出することができる。これらの送出体積レベルは、滴下するには小さすぎ、また、その送出ペース及びタイミングで人が注射するのは現実的でない。輸液ポンプは、スケジュールされた時間間隔で、例えば1分毎に注射剤を送出することができ、(例えば、患者制御鎮痛法において)患者が要求する繰返しのボーラスで、事前選択された1時間当たりの最大回数まで注射剤を送出することができる。また、輸液ポンプは、一日のうちの時間帯によって体積を変えて流体を送出するようにプログラムすることもできる。
【０００４】
輸液ポンプは、かなり高い圧力を発生させることもできるので、制御された量の流体を皮下に(皮膚の下)、又は硬膜外に(ちょうど中枢神経系の表面の内部に-出産時に非常によく用いられる局部腰椎麻酔)注射することもできる。様々なタイプの輸液には、以下のものが含まれるが、それらに限定されない。
【０００５】
・連続輸液は、通常、ポンプの設計に応じて通常は20ナノリットル〜100マイクロリットルの間の小さなパルスの輸液からなり、これらのパルスのレートは、プログラムされた輸液速度に応じて決まる。
【０００６】
・間欠的輸液は、カニューレを開いておくために、プログラム可能な低い輸液ペースと交互する、「高い」輸液ペースを有する。タイミングはプログラム可能である。このモードは、抗生物質、又は血管を刺激することがある他の薬物を投与するために使用されることが多い。
【０００７】
・患者制御鎮痛法は、通常は中毒を避けるための事前プログラムされた最高限度をもつ、オンデマンドでの輸液である。ペースは、患者が作動させることができる圧力パッド又はボタンによって制御される。これが、患者制御鎮痛法(PCA)に最良の方法である。
【０００８】
・非経口栄養剤は、通常、普段の食事時間と同様の輸液カーブを必要とする。
【０００９】
・患者制御硬膜外鎮痛法(PCEA)は、間欠的ボーラス又は輸液ポンプによる、硬膜外の空間内への鎮痛剤の患者制御投与を表す関連用語である。これは、最も一般的には、終末期癌患者が使用するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非常に小さい体積の、しばしば非常に強力な薬物のための輸液ポンプの使用が始まっているが、輸液ポンプの精度が依然として問題である。市販の輸液ポンプの最近の調査から、送出体積のかなりの誤差が見つかっている。幾つかの場合には、典型的には較正で使用されるように長期にわたって送出される量は、数パーセントの誤差で、正確であることがある。しかし、短い時間尺度にわたる送出体積、及び送出ペースは、目標設定から50%程度も異なることが判明している。過剰投与又は過小投与により、強力な薬物に対する短期の有害な反応が生じることや、投与が複数回要求されることがある。温度に伴う送出体積の大幅な変化も判明している。そのため、輸液ポンプは、過剰投与及び過小投与の悪影響がそれほどない治療への使用に限定されている。小さな体積で送出される非常に強力な薬物は、今日の輸液ポンプ技術にとっての対象とはなっていない。
【００１１】
送出の誤差の理由は、幾つかある。多くの輸液ポンプが、ポンプチャンバとして使い捨ての注射器を使用する。これらの輸液ポンプは、一回使用又は使い捨ての注射器を使用し、したがって、起こり得る薬剤の交差汚染を防止するのに理想的である。しかし、これらの注射器タイプはそれぞれ異なり、所与の体積を送出するために注射器ピストン又はプランジャを所与の距離だけ移動させるのに必要な力が、注射器ごとに異なることがある。適切なフィードバック制御システムを用いない場合、この力のばらつきにより、送出される体積の誤差が生じる。さらに、現在の技術におけるポンプからの送出体積は、温度の変化に伴って変化することが判明している。この送出体積変化に関する主な要因は、温度に伴う薬剤の粘性の変化であることもある。また、送出体積は、注射に対する背圧又は抵抗による影響も受ける。生物学的環境において注射に対する背圧又は抵抗の変化が生じる状態でさえ、皮下注射及び硬膜外注射を可能にする圧力下で輸液ポンプが薬剤を送出することができることを利用するためには、送出体積の綿密な制御が必要である。まだ理解されていない他の要因も、重要となる可能性がある。正確で再現性のある送出体積及び送出圧力を保証するためのシステムが必要である(これは、本来、送出体積ではないだろうか。圧力は、送出体積が正確になるように実際の部品に応じて変わることがある。当然、正確な送出圧力を保証するために、力の制御を使用することもできる)。
【００１２】
さらに、注射(及び/又は輸液)を行う(投与する)ための新規の機構が開発途中又は開発済みである。重力及びばね駆動式のポンプ機構を使用して必要な投与量を送出することができる簡略化された機構が見い出されている。これらの単純なシステムは、モータ駆動機構及び関連の電子回路をなくし、それらの高い電力消費をなくす。これらのシステムは、かなり低コストで、新たな水準の信頼性及びコンパクトさを提供することができる。しかし、新規の制御機構が必要である。
【００１３】
閉ループフィードバック制御機構が、ロボット工学、機械工学、及び機械制御で知られている。しかし、これらの制御方法は、輸液ポンプなど医療デバイスではまだ用いられていない。従来のサーボモータ駆動機構は、比例積分微分位置ループ(PID)及び比例位置ループ積分及び比例速度ループ(PIV; proportional position loop integral and proportional velocity loop)フィードバック制御方式、並びに他の非線形制御方式を含む。本明細書では以後、前述の方式を、単に「フィードバック制御方式」と表す(これは適切と思われるか。そうでない場合には、何か他の用語をご自由に使用していただきたい)。モータ駆動式の輸液ポンプと共に使用するためのそのようなフィードバック制御方式を開発する必要がある。さらに、モータ駆動式でない単純な輸液機構が、同様に効果的な制御手段を必要とする。既知のフィードバック制御方式、すなわちPID及びPIVは、必ずしも、モータ駆動式でないポンプシステムに直接適用できるとは限らない。ポンプを駆動するために使用される方法に関係なく、非常に小さな体積を正確に、再現性をもって送出する新規の制御方式が求められている。新規の方式は、モータ駆動式の注射器、ばね駆動式の注射器、重力送り、ばねバッグ、蠕動ポンプなどに必要とされる。制御方式は、輸液ポンプの医療的及び生物学的使用における独特な変動要因に適合することができなければならない。制御方式は、変化する温度、粘性、背圧、及び機構構成要素の製造上のばらつきがある状態で、ある期間にわたって正確な送出体積を提供しなければならない。
【００１４】
本明細書で提案する装置は、医療分野で使用される全ての様々な輸液方法に対して直接、又は簡単な変更を施して使用することができる。本明細書で提案する装置は、排他的な列挙を表さず、単に本明細書で提示する手法を代表するものであることに留意されたい。したがって、当業者が拡張して派生させることができる装置も、本出願の所期の範囲内に含まれる。  
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一実施形態は、輸液ポンプに関するシステムアーキテクチャ設計を含み、その設計の幾つかの例示を説明する。このシステムアーキテクチャは、様々な輸液ポンプの物理的設計に関する閉ループフィードバック制御を可能にする。このシステムアーキテクチャは、ある範囲の投与体積及び投与ペースにわたって、正確で精密な投与を可能にする。一実施形態では、アーキテクチャは、低コストの重力送り式の輸液システムで使用される。別の実施形態では、ばね駆動式の輸液システムに適用されるアーキテクチャが示される。さらに他の実施形態では、システムアーキテクチャは、サーボモータ駆動式のポンプ用の精密な制御を提供する。一実施形態では、ポンプは、注射器ポンプである。
【００１６】
本発明の他の実施形態は、従来の静脈内輸液システムに簡単に装着することができる一体型のセンサ機構及び制御装置を含む。重力送り式の静脈内システム用の一体型の点滴カウンタ及び制御装置が提供される。別の実施形態は、輸液機構の吐出配管を圧迫及び解放することによって流量を制御する制御機構を一体となって提供する制御装置及びアクチュエータを含む。一実施形態では、制御装置は、点滴カウンタから流量信号を受け取る。別の実施形態では、制御装置は、移動を検出及び測定するために、注射器プランジャ内に組み込まれた、又は注射器プランジャに装着されたエンコードから流量信号を受け取る。一つの好ましい実施形態では、制御機構は、ソレノイド作動式の狭窄器を含む。別の実施形態では、配管が、オフセットカム機構など他の機構によって圧迫される。
【００１７】
別の実施形態では、ばね駆動式の注射器が、投与体積及び投与ペースに関するフィードバック機構を含み、さらに、前述したフィードバック制御方式の使用によって精密で正確な送出ペースを保証する制御装置を含む。この注射器は、より高い背圧が重力送り式のシステムの使用を妨げる場合に投与を可能にする。一実施形態では、フィードバックシステムは、注射器のプランジャ内に組み込まれた磁気センサを含む。別の実施形態では、センサは、誘導コイルと結合された磁性プランジャであり、プランジャの位置と移動量との両方、したがって送出体積及び送出ペースを測定する。測定された体積及びペースは、前述した方法に従って、閉ループフィードバックシステムで使用される。別の実施形態では、同軸誘導コイルに電流を印加することによって送出ペースを制御するために、誘導コイル及び磁性プランジャも使用される。別の実施形態では、誘導コイルは、注射器の筒部内に組み込まれる。別の実施形態では、誘導コイルは、軸をずらして取り付けられる。別の実施形態では、誘導コイルをドライブするために使用される電流が、ポンプの下流での圧力の尺度として使用される。他の実施形態は、プランジャの位置を計測するために、容量エンコーダ、光エンコーダ、及び他の磁気エンコーダを含む。
【００１８】
本発明の他の実施形態は、モータ駆動式の注射器ポンプを提供する。一実施形態では、リニアモータ駆動式のポンプが提供される。別の実施形態では、送りねじ駆動式の注射器ポンプが提供される。注射器プランジャ位置に対する位置センサと、流量、泡、及び圧力に対する光センサ及び他のセンサとの組合せが、送出される体積及び送出ペースに関する閉ループ制御システム内に含まれる。別の実施形態では、センサは、さらに、閉塞、漏れ、又は接続が外れた配管などの誤動作に対するフェールセーフシステムを提供する。
【００１９】
別の実施形態では、駆動機構は、外部ばね機構である。「既製」の注射器が、ポンプシステムを提供するために機構に取り付けられることがある。別の実施形態では、外部ばね駆動機構が、さらに、注射器プランジャの移動を検出して測定するためのセンサを含む。別の実施形態では、外部ばね駆動機構が、さらに、注射器からの流量の閉ループフィードバック制御を提供するために、制御装置及びアクチュエータを含む。一実施形態では、アクチュエータは、注射器の吐出針に装着された可撓性配管を圧迫し、それにより流量を制御可能に制限することによって流量制御を提供するソレノイド駆動式の機構である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】システムアーキテクチャの実施形態のブロック図。
【図２】一体型の流量センサ及び制御ユニットの実施形態の図。
【図３】一体型の流量センサ及び制御ユニットの実施形態の詳細断面図。
【図４】複数の流量センサ及び制御ユニットを使用する実施形態を示す図。
【図５】ばね駆動式の注射器の実施形態の図。
【図６】強磁性プランジャ及び誘導コイルを組み込む一実施形態の断面図及びより詳細な図。
【図７】強磁性プランジャ及び誘導コイルを組み込む一実施形態の拡大断面図。
【図８】軸をずらして取り付けられた誘導コイルを有する注射器の実施形態を示す図。
【図９】送りねじ駆動式の注射器の実施形態を示す図。
【図１０】リニアモータ駆動式の実施形態を示す図。
【図１１】固定された送りねじと移動するモータとを有する、送りねじの実施形態を示す図。
【図１２】外部ばね駆動機構の複数の図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
輸液システムからの流量の制御が、本発明の重要な特徴である。システムアーキテクチャの一実施形態が、輸液ポンプシステムの閉ループフィードバック制御用の手段の概要を示す。このアーキテクチャは、単純で低コストの重力駆動式のシステム、及びサーボモータ駆動式のシステムに適用可能なものとして示されている。一般的に言えば、このアーキテクチャは、全ての輸液ポンプの精密な制御に適用可能であり、バイアス力(例えば、モータ、ばね、重力など)を使用して流れが生成され、実際の流量の尺度となるフィードバックの手段が提供される。幾つかの注射器システムの物理的実施形態が示される。制御アーキテクチャは、全てのポンプ実施形態に当てはまり、実際、以下に述べるように他の医療デバイスにも拡張可能である。このアーキテクチャは、モジュール式であり、拡張可能である。このアーキテクチャは、流量の精密で正確な閉ループ制御を提供するリアルタイム制御装置からなる。以下の論述における用語「バイアス機構」は、輸液を達成するために使用される流体ポンプ作動の全ての可能な方法を表し、非限定的な例として、重力、バイアスばね、リニアモータ、ボールねじ、誘導コイル、ソレノイド、及びボイスコイルアクチュエータがある。同様に、用語「フィードバック」は、実際の流量に関するフィードバックを得る全ての方法を表し、非限定的な例として、光学エンコーダ、磁気エンコーダ、容量エンコーダ、誘導エンコーダ、点滴をカウントするためのスルービームセンサ、及び流量に変換することができる圧力降下測定値がある。リアルタイム制御装置は、精密で正確な流量を得るために作動信号とフィードバック信号との間でループを閉じる。また、このシステムは、任意に指定された流量プロファイルを調整することもできる。リアルタイム制御装置の別の実施形態は、入出力(IO)を含み、これは、デジタル性質であってもアナログ性質であってもよい。このIOは、制限スイッチ、安全スイッチの追加、患者入力、病院内の他の医療デバイスとの閉ループ又は開ループでのインターフェース、及びそれに基づく輸液戦略のプログラミング、システム性能の最適化を可能にする。一実施形態では、制御は、選択されたパラメータと、流量、圧力、又は他のパラメータのセンサからのフィードバックとに基づいて、目標輸液に達するためにバイアス機構のモータのPID又はPIV制御を使用する。一実施形態は、固定バイアス機構の閉ループ制御を含む。例示的な固定バイアス機構としては、重力及びばねがある。ばねには、ばね駆動式の注射器プランジャと、供給バッグを圧縮し、それによりシステム内に圧力を誘発させて流体流れを起こすために使用されるばねとが含まれる。別の実施形態は、バッグが形成される材料の弾性によって流体を外に絞り出す弾性供給バッグを使用する。別の実施形態では、バイアス機構を提供するために、ゴムバンド又はカラー、或いは他の弾性材料のバンド及びカラーが使用される。別の実施形態では、バイアス機構は、バッグを圧搾するばね負荷式のローラを含む。
【００２２】
別の実施形態は、リアルタイム制御装置と外部デバイスとの間の通信インターフェースを含み、これは有線であっても無線であってもよい。外部デバイスの非限定的な例としては、セル電話、PDA、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、及びティーチペンダントがあり、これらは、制御装置と通信して、輸液パラメータを報告するため、及び輸液パラメータを設定するために使用される。これらの外部デバイスは、ポンプをプログラムし、臨界パラメータのデータをログし、監視し、必要であればポンプ動作への外部からの介入を提供するために使用することができる。通信インターフェースは、必要であれば、リアルタイム制御装置又は個別の制御装置に常駐させることができることに留意されたい。また、通信インターフェースは、病院管理システム、エンタープライズリソースプラニングシステム、顧客関係管理システムなどにポンプを統合するために使用することもできる。提示する制御アーキテクチャは、そのまま任意の医療デバイスに適用することができることに留意されたい。したがって、この制御アーキテクチャは、医療デバイス用の汎用制御装置も表す。
【００２３】
別の実施形態は、重力送り式の静脈内システム用のセンサ及び制御装置を含む。このセンサ/制御装置は、従来のシステムに、変更なしで装着することができる。このセンサ/制御装置は、リザーバに対して取り付けられたスルービーム放出器及び受信器と、流量を調整する手段としての、接続管を圧迫するための手段とからなる。一つの好ましい実施形態では、管を圧迫するための手段がソレノイドである。他の実施形態では、管を圧迫するための手段の非限定的な例として、モータ、空気圧手段、液圧手段、及び蠕動手段がある。本項での以下の論述は、一般性を失うことなくソレノイドに限定するが、本項での以下の論述が、説明する他の作動手段にも当てはまることを理解されたい。ソレノイド及びセンサは、閉ループ制御システムの一部である。
【００２４】
幾つかのポンプ実施形態も提供される。第1の実施形態では、ばね駆動式の注射器は、注射器からの吐出配管を狭窄するための機構を使用する。注射器プランジャの位置を計測するために、注射器の注射器の筒部のフランジに、センサ手段が設けられる。一実施形態では、センサ手段は、プランジャ本体に埋め込まれた磁石と、注射器の筒部アセンブリに装着された読取装置とを含む。センサ手段は、注射器の筒部に対するプランジャの位置、したがって送出された体積及び送出ペースの尺度を提供する。この尺度は、流量を制御するために注射器からの吐出管を締め付けるための手段と共に、閉ループ制御システムで使用される。この注射器用のバイアス機構はばねであるので、閉ループシステムは、プランジャが筒部内にさらに入るにつれてばねが弛緩する際のばね力の変化を考慮に入れる。ばねのサイズは、プランジャの任意の位置で、システムに必要となることがある最大流量を提供するのに十分なバイアス力が存在するように選択される。
【００２５】
注射器ポンプの別の実施形態は、ばね駆動式の注射器ポンプのプランジャに装着された強磁性部片を含む。強磁性部片は、誘導コイル内部に閉じ込められる。誘導コイルを通る強磁性体の移動により、磁石の位置及び移動に対する、したがって装着されたプランジャが注射器筒部内に移動するときの流体の送出に関するセンサ手段が提供される。次いで、センサは、注射器からの吐出管を収縮させるための手段と制御装置とに結合されて、閉ループ制御システムを提供する。別の実施形態は、注射器の筒部内に誘導コイルを組み込み、それにより、よりコンパクトなシステムを提供する。別の実施形態では、閉ループ制御のために注射器プランジャに追加の制御力を提供するために、誘導コイルに電流が印加される。別の実施形態は、強磁性体及び誘導コイルを注射器プランジャに接続するが、注射器プランジャ及び注射器筒部の軸からずらして位置させる。
【００２６】
他の実施形態では、フィードバック及び作動の手段は、吐出流量を制御するための作動手段を含み、この作動手段は、ソレノイドが管を圧迫するのではなく、可変オリフィス、流量調整弁、ニードル弁などを通した流量調整を含む。他の実施形態では、流体を送るための偏倚圧力を提供するためのバイアス機構として、引張ばね、電磁手段、磁気手段、空気圧手段、液圧手段、弾性手段を含めた他の手段があり、しかしそれらに限定されない。
【００２７】
別の実施形態では、注射器内のプランジャ位置及び動作の感知が、容量手段によって提供される。プランジャは、良好な誘電体材料を埋め込まれ、又はそれ自体、良好な誘電体材料からなることがある。誘電体材料を含むプランジャの幾らかの区域が平行電極の間に常にあるように一対の平行電極が位置決めされ、それによりプランジャ区域によって電極が部分的に遮られる。プランジャが移動するとき、電極間の誘電体の量が変化する。プランジャの位置及び速度は、電極間の容量を測定することによって測定される。別の実施形態では、プランジャ位置及び動作は、光学手段によって計測される。例示的な光学手段として、プランジャに取り付けられた格子からなるエンコーダテープがあり、光学読取ヘッドが筒部フランジに取り付けられることがあり、位置及び速度のリアルタイム測定を可能にする。
【００２８】
他の実施形態では、注射器は、従来のサーボモータ及び関連の制御機器によって駆動される。この機構は、ボールねじ又は送りねじに装着された回転モータであってよい。これらの場合には、モータ動作の閉ループ制御のために、回転エンコーダがモータに装着されることがある。また、モータは、リニア駆動モータであってもよい。さらに、他の実施形態に関連して説明するセンサが組み込まれることもある。そのようなセンサには、体積測定用の点滴カウンタと、注射器プランジャの位置に対する直線位置検出器とが含まれる。正確で精密な体積送出のために、センサの組合せがフィードバック機構に組み込まれる。また、モータは、間接的な圧力測定の形で追加のフィードバックを提供する。モータを駆動するのに必要な電流負荷は、流体送出に対する背圧の指標である。さらに、負荷測定が、閉ループ制御に含まれることがある。別の実施形態では、駆動モータに対する負荷が、閉塞又は漏れ、或いは破損した配管のフェールセーフ指標として使用される。
【００２９】
システムアーキテクチャ
図1は、システムアーキテクチャに関するブロック図を示す。このアーキテクチャは、点滴システム101と、ばね駆動式の注射器ポンプ102と、モータ駆動式の注射器ポンプ103とから選択される輸液ポンプシステムの少なくとも一つへのインターフェースに適用可能であり、そのようなインターフェースを含む。別の実施形態では、システムアーキテクチャは、閉ループフィードバック制御から利益を得る他の病院システム104に適用することもできる。非限定的な例として、多軸バージョンの制御装置を使用する医療ロボットの制御や、血圧など身体からのフィードバックが特定の値に達していなければならず、血圧が目標値に達してその値を保つように制御装置がこのフィードバックを使用してシステムを制御するようなシステムの制御がある。同様のシステムが、フィードバックセンサとして心拍数を使用することもある。システムは、さらに、制御装置108用の制御アルゴリズムを提供するインターフェースソフトウェア105と、ユーザへの通信インターフェース106、107とを備える。リアルタイム制御装置と外部デバイスとの間の通信インターフェースは、有線であっても無線であってもよい。外部デバイスの非限定的な例として、セル電話、PDA、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、及びティーチペンダントがあり、これらは、制御装置と通信して、輸液パラメータを報告し、輸液パラメータを設定するために使用される。これらの外部デバイスは、ポンプをプログラムし、臨界パラメータのデータをログし、監視し、必要であればポンプ動作への外部からの介入を提供するために使用することができる。通信インターフェースは、必要であれば、リアルタイム制御装置又は個別の制御装置に常駐させることができることに留意されたい。また、通信インターフェースは、病院管理システム、エンタープライズリソースプラニングシステム、顧客関係管理システムにポンプを統合するために使用することもできる。
【００３０】
制御装置108は、モータ駆動式の注射器システムの場合にはバイアス機構110に駆動信号を提供し、また、作動手段112に制御信号を提供して、ホース狭窄デバイス又は他の手段などの機構を制御して流量を調整するハードウェア要素である。バイアス機構は、輸液を達成するために使用される全ての可能な流体ポンプ作動方法を表し、非限定的な例として、重力、偏倚ばね、リニアモータ、ボールねじ、誘導コイル、ソレノイド、及びボイスコイルアクチュエータがある。フィードバック手段111は、流量、圧力、及び他のシステム制御された応答に関係する信号を制御装置に提供する。フィードバックは、実際の流量に関するフィードバックを得る全ての方法を表し、非限定的な例として、光学エンコーダ、磁気エンコーダ、点滴をカウントするためのスルービームセンサ、及び圧力トランスデューサがある。別の実施形態では、フィードバックはまた、注射器プランジャの選択された移動量を達成するためにモータを駆動するのに必要な負荷など、応答の間接的な尺度であってもよい。注射器プランジャの移動量は、注射器プランジャに関連する磁気センサ、光学センサ、容量センサ、又は他のセンサなどの位置センサによって提供される。動作制御装置は、さらに、外部アラームシステムや患者監視機器など他の外部入力と共に使用するために、I/Oインターフェース109を含む。このIOは、制限スイッチ、安全スイッチの追加、患者入力、病院内の他の医療デバイスとのインターフェース(閉ループ又は開ループ)、及びそれに基づく輸液戦略のプログラミング、システム性能の最適化を可能にする。
【００３１】
別の実施形態では、エンコーダフィードバック誤差が、液体を輸液するのに必要な力の推定される尺度として使用される。次いで、流量と共に、推定された力が、閉ループ制御システムで使用される。エンコーダフィードバック誤差は、式(1)によって与えられる。
【００３２】
ε(x)=X-X0    式(1)
ここで、εは、エンコーダ位置の誤差であり、Xは、実際のエンコーダ位置であり、X0は、目標エンコーダ位置である。目標値X0は、時間の関数である。輸液プログラムは、単位時間当たりの体積、又は全体の体積輸液時間を提供するためのプログラムである。また、輸液プログラムは、輸液が行われる時間全体にわたる輸液量のプログラムされた変化も含む。位置X及びX0は、注射器に残る体積に正比例し、差分をとると送出された体積である。単一のパラメータでは、閉ループシステムXが定期的に測定され、誤差ε(x)が計算され、誤差を最小にするようにアクチュエータ電位が調節される。また、誤差ε(x)は、輸液への抵抗、又は流体を輸液するのに必要な力に比例する。別の実施形態では、誤差ε(x)はまた、圧力と送出される体積との両方が、選択された軌跡に沿って制御されるように、輸液プログラムにおいてプログラムされる。一実施形態では、インターフェースソフトウェアは、選択されたパラメータと、流量、圧力、又は他のパラメータのセンサからのフィードバックとに基づいて、目標輸液を達成するためにモータベースバイアス機構のPID又はPIV制御を使用するように制御装置をプログラムする。別の実施形態は、固定バイアス機構の閉ループ制御を含む。例示的な固定バイアス機構としては、重力及びばねがある。ばねには、ばね駆動式の注射器プランジャと、供給バッグを圧縮し、それによりシステム内に圧力を誘発させて流体流れを起こすために使用されるばねとが含まれる。
【００３３】
センサ/制御装置
次に図2を参照すると、別の実施形態が、静脈内システムのための組合せ型のセンサ及び制御装置209を含む。センサ/制御装置209は、従来のシステムに、変更なしで装着することができる。センサ/制御装置は、供給手段201と、患者208につながる管との間で直列に配置される。センサ/制御装置は、リザーバ203に対して取り付けられたスルービーム放出器及び受信器204と、流量を調整する手段としての、接続管207を圧迫するための手段とからなる。一つの好ましい実施形態では、管を圧迫するための手段がソレノイドである。他の実施形態では、ソレノイドを作動させて管を圧迫するための手段が、モータ、空気圧手段、液圧手段である。他の実施形態では、管を圧迫するための手段は、前述の作動手段の任意のものによって駆動される機構又は伝動手段(例えばローラ、リンク機構、ギアなど)を含み、ソレノイドを使用することもできる。センサ/制御装置は、さらに、一体化された電子制御機構206を含む。電子制御機器は、処理装置と、メモリと、センサを通る流量を計算するためにメモリに格納されたプログラミングコードとを含む。別の実施形態では、センサは、さらに、流量に関する設定値の入力を可能にするための入力手段を含み、プログラミングコードは、さらに、設定値と測定された流量との差、すなわち誤差を計算するコードを含み、プログラミングコードは、さらに、流量を増加又は減少させることによって誤差を最小にするための、アクチュエータへの出力信号と制御可能な偏倚とを計算するためのアルゴリズムを含む。
【００３４】
別の実施形態では、センサ/制御装置はまた、チャンバ203内部の流体水位を測定するための手段205を含む。センサ/制御装置から出る流量は、点滴センサによって測定された流量から、水位センサによって測定されるセンサ/制御装置内に貯留された体積を引いた量に等しい。本項での以下の論述は、一般性を失うことなくソレノイドに限定するが、本項での以下の論述が、説明する他の作動手段にも当てはまることを理解されたい。ソレノイド及びセンサは、閉ループ制御システムの一部である。
【００３５】
別の実施形態では、流体がセンサ/制御装置に入る供給手段201は、ばね負荷式の容器、流体が加圧される容器、空気圧負荷式の容器、ボールねじ又は送りねじ又はラックアンドピニオン又はローラなどの機構によって流体が排出される容器、磁気手段や電磁気手段などによって流体が排出される容器のうちのいずれかである。基本的に、容器は、上に列挙した任意の容器を含めた多様な手段によって流体を排出することができる。
【００３６】
図3は、センサ/制御装置209の構成要素の詳細な断面図である。管301は、供給手段に接続する。バッグからの流体は、点滴の形で、オリフィス309を通ってリザーバ302に入る。センサ/制御装置は、以下のように、流体の流量を自動的に調整する。流体の点滴がリザーバに入るたびに、点滴が、光放出器304から光受信器305へのビームを遮断する。例示的な光放出器としては、発光ダイオードがあり、例示的な光受信器としては、フォトダイオードがある。受信器305での信号は、点滴の前縁(点滴の最初の縁部)がセンサビームを遮断したときに低い値に落ち、その後、点滴の後縁がセンサビームから離れたときに高い値に戻る。受信器での信号の前述の変化を、本明細書では以後、パルスと呼ぶ。パルスの周波数を測定することによって測定される点滴の頻度は、体積流量(すなわち、体積流量とは、点滴の頻度に、各点滴当たりの体積を掛けた値である)に対応する。一実施形態では、システムは、パルス幅を使用して点滴体積の変化を補償する。各パルスの時間幅は、各点滴の体積を表し、例えば、点滴当たりの体積を計算する目的や、例えば粘性又は温度による点滴サイズの変化を補償する目的で使用され、しかしそれらに限定されない。別の実施形態では、センサビームは、垂直軸からリザーバの軸が大きく逸れている場合でさえ(すなわち、リザーバが完全に垂直には保たれていない場合でさえ)装置が正確に機能するように、点滴が通り抜ける位置で広くなるように設計することができる。ビームの幅は、放出器及び受信器で光学系を使用して調整されることに留意されたい。別の実施形態では、複数のビームが各点滴によって遮断されるように、複数の放出器及び受信器が使用される。これは、冗長も提供する。別の実施形態では、個別の放出器及び受信器ではなく、同じヘッドにある放出器及び受信器を有する反射センサも使用することができる。この場合、放出器と受信器とがどちらもヘッド304内に含まれ、反射器が、符号305の位置に、対向して位置決めされる。別の実施形態では、超音波手段など流量の直接測定法や、層流型流量計などの従来の流量測定法なども、ここで提示した装置で使用することができる。別の実施形態では、点滴がビームを遮断するとき、受信器信号での強度の変化を使用して、点滴の形状を正確に再構成して、より一層正確な流量の測定を実現することができるように、受信器信号はアナログ性質のものであってよい。さらなる実施形態では、高速CCDカメラなどのビジョンシステムがストロボ光と共に使用されて、点滴の写真を撮影し、画像の適切な処理によって体積を計算する。
【００３７】
別の実施形態では、単一のセンサ、又は複数のセンサのアレイであってよい追加のセンサ306が、リザーバ302内に貯留された流体の水位、及び水位の変化を測定するために提供される。これは、リザーバ内の貯留を測定することによって、流量測定の追加の精度及び追認を提供することができる。何らかの理由により、入力中に流れの何らかの貯留が生じた場合、点滴の頻度及びサイズに加えて、このセンサを使用して、流量を正確に計算し、それをフィードバック制御システムの一部として使用することができる。
【００３８】
センサ/制御装置の幾つかの実施形態は、さらに、流量を制御するために吐出配管303を圧迫又は解放するように作動させることができるソレノイド307を備える。センサ及びアクチュエータは、一体化された電子回路308によって制御される。
【００３９】
流量制御は、閉ループ制御アルゴリズムの使用によって達成され、流量設定値が、公称点滴体積を使用した点滴量又は頻度となるように計算される。点滴数と点滴サイズとの両方が測定される。公称の点滴体積は、実際の点滴体積の測定に基づいて調節され、流量が計算され、設定値と比較される。ソレノイド307は、所望の流量に達するように、パルスの周波数に応じて管303を圧迫又は解放する。
【００４０】
別の実施形態では、上述した点滴センサ/制御装置は、蠕動ポンプなどのポンプ内で使用されるモータと統合されて、正確な閉ループ蠕動ポンプを提供する。同様に、点滴センサは、他の輸液形態(ダイアフラム式のポンプ、ベロー、弾性バッグなど)と統合して、正確な閉ループ輸液ポンプを形成することができる。
【００４１】
別の実施形態では、単独の点滴センサ、スルービーム、及び任意選択で貯留センサが、通常のバッグ静脈内輸液システム用の補助として使用される。医師は、通常使用されるローラを調節しながら時計及び点滴カウントを使用する代わりに、点滴の頻度を示すディスプレイを使用し、手動でローラ位置を調節し、それにより点滴頻度、したがって流量を目標値に調節する。
【００４２】
別の実施形態では、入口オリフィス309は、可変オリフィスである。この第2の可変オリフィスの目的は、リザーバに入る点滴のサイズを変えることである。非常に正確な流量のために、この手法を使用して各点滴の体積を最小にすることができ、それにより単位流量当たりの点滴の数が最大にされ、したがってシステムの解像度がより高くなり、その結果、精度がより高くなる。
【００４３】
図4に示される別の実施形態は、1時間当たり1リットル以上で、大きな体積を輸液することができる輸液ポンプと共に使用される。大きな体積の輸液を達成するために頻繁に用いられる解決策は、リザーバへの進入口でのより大きな直径の配管及びより大きなオリフィスを使用して達成される。これにより、点滴サイズがより大きくなり、したがって解像度がより低くなる。さらにまた、リザーバへの進入口でもはや点滴が生じなくなる管及びオリフィス直径の大きさに関する物理的限界が存在する。前述の点滴センサ/制御装置は、大きな体積の正確な輸液のために使用することができる。供給手段401からの配管は、T字分岐402を使用して、二つのセンサ/制御装置403、404に引き回され、点滴カウンタから出る流れは、別のT字分岐405を使用して一つの流れに合流される。それにより、図4に示される構成は、システムの解像度及びシステムの精度に影響を及ぼすことなく、流れの二重化を可能にする。この手法は、ただ二つの点滴カウンタに制限されない。別の実施形態では、解像度及び精度を損なわずにシステムの最大流量を増加させるために、複数のセンサ/制御装置が使用される。
【００４４】
別の実施形態(図示せず)では、リザーバから出る管それぞれに対する個別のアクチュエータではなく、下流側T字分岐405の下流で管を圧迫するための単一のアクチュエータが使用される。この場合、リザーバそれぞれで測定された流量が足し合わされて、総計の流量として使用され、この総計の流量を制御するために、吐出管を圧迫するためにアクチュエータが使用される。
【００４５】
別の実施形態では、図3の単一のリザーバ302に、複数のオリフィス及び点滴センサが設けられる。これは、複数のオリフィス309を通って一つのリザーバ本体302に入る複数の流れに対応する。図4を参照すると、これは、全てのセンサ及び配管を図示のままにして、二つのリザーバを、図示される二つのリザーバを包含する一つのリザーバに併合した場合に対応する。
【００４６】
ばねバイアス式の注射器ポンプ
別の実施形態が、図5及び6に示されている。閉ループ輸液ポンプは、一体型センサ及び流量制御手段を有するばねバイアス式の注射器から構成される。輸液ポンプは、注射器筒部501及びプランジャ502から構成されるばねバイアス式の注射器からなる。プランジャは、プランジャと注射器筒部との間の液密シールを生成するための注射器ガスケット503で終端する。注射器は、ばね504によって駆動又は偏倚される。注射器筒部内に含まれる流体は、圧縮可能な管507及び送出管又は針509を通して注射器から排出される。一連の磁石505が、注射器のプランジャ内に埋め込まれる。注射器筒部のフランジに、磁気読取ヘッド506が設けられる。圧縮可能な管507が注射器先端に装着され、ソレノイド508又は同様のアクチュエータが、流量を制御するために管を圧迫するために使用される。
【００４７】
ポンプは、以下のように動作する。圧縮ばね504は、完全に開いたオリフィスが完全に開いた圧縮可能な管の管腔507に対応する状態で、ポンプを使用することができる任意の用途に必要な最大の流量を提供するようにサイズ設定される。輸液される流体の流量及び体積を測定するために使用されるプランジャ502の速度及び位置は、埋め込まれた磁石が読取ヘッドを通るときに読取ヘッド506で得られる信号を測定することによって得られる。前述の信号は、信号を調整するために使用される電子回路のタイプに応じて、本質的に正弦電圧又は電流信号である。この正弦信号は、プランジャの位置の非常に正確な指標である。さらに、この正弦信号はまた、慣用の正弦余弦エンコーダ及び誘導エンコーダの場合と同様に、さらなる精度を得るために補間することもできることに留意されたい。流量は、ソレノイド508を使用して、注射器の先端に装着された圧縮可能な管507を圧迫することによって調整される。ソレノイド作動信号と、磁石を有するプランジャからの位置及び速度フィードバックとが、閉ループシステムを形成して、非常に良好な制御及び精度を与える。
【００４８】
ばねバイアス式の注射器ポンプ及び強磁性センサ
図6及び7に示される別の実施形態は、既に論じた実施形態と同様に注射器の先端に装着された圧縮可能な管を有するばね負荷式の注射器からなる。注射器本体604と、プランジャにあるガスケット606で終端するプランジャ605とを有する注射器は、ばねバイアス機構607を採用してプランジャを駆動し、流体を注射器から可撓性配管609及び針610を通して排出する。ここでも、注射器を通る流量は、注射器先端に装着された圧縮可能な管609を圧迫するために注射器先端に取り付けられたソレノイドアクチュエータ608を使用することによって調整される。しかし、この場合には、プランジャの位置は、埋め込まれた磁石を有するプランジャではなく、本明細書で「磁性プランジャ」と呼ぶ強磁性部片602を装着することによって検出される。磁性プランジャは、図6及び7に示されるように、筒部604の延長部601又は筒部に装着された部品の中に収容された誘導コイル603と同軸に取り付けられる。輸液される流体の体積及び体積流量を示す注射器のプランジャ605の位置及び速度は、誘導コイル603のインダクタンスを測定することによって測定され、このインダクタンスは、コイル内での磁性プランジャ602の位置に応じて変化する。他の実施形態の場合と同様に、ソレノイドへの作動信号と、コイルのインダクタンスに対応する誘導コイルからの信号とが、閉ループフィードバックシステムを形成して、非常に正確で精密な流体送出をもたらす。
【００４９】
別の実施形態では、磁性プランジャ602は、位置フィードバックとして作用するのに加えて、(インダクタンスを測定するために使用される電流よりも上の)適切な量の電流を印加することによってバイアスばね圧力を増加又は減少させるために使用することもできる。これは、(ソレノイド作動によって提供される調整/制御に加えて)流量のさらなる調整/制御を可能にする。別の実施形態では、磁性プランジャは、永久磁石612も設けられる。
【００５０】
別の実施形態(図示せず)では、注射器に設けられた部品に誘導コイルを取り付けるのではなく、誘導コイルは、注射器筒部に直接取り付けられ、注射器のプランジャ自体が、強磁性部片である。
【００５１】
図8に示される別の実施形態では、誘導コイルは、軸をずらして取り付けられる。注射器本体801と、プランジャ及びガスケット804と、ばねバイアス機構803とからなる注射器が、磁性プランジャ808に接続されたプランジャ802を有し、磁性プランジャ808は、注射器の本体と並ぶ第2の本体809の内部に保持された誘導コイル810の内部に進む。この実施形態は、さらに、注射器の出口にある可撓性配管806を含み、配管806は、針807、又は患者に流体を送出するための他の適切な配管につながる。流量は、流量を減少させるために可撓性配管806を狭窄することができるソレノイドアクチュエータ805によって制御される。
【００５２】
別の実施形態では、磁性プランジャ808は、位置フィードバックとして作用するのに加えて、(インダクタンスを測定するために使用される電流よりも上の)適切な量の電流を印加することによってバイアスばね圧力を増加又は減少させるために使用することもできる。これは、(ソレノイド作動によって提供される調整/制御に加えて)流量のさらなる調整/制御を可能にする。
【００５３】
別の実施形態では、磁性プランジャは、永久磁石も設けられる。
【００５４】
別の実施形態では、誘導コイルをドライブするのに必要な電流を使用して、ポンプの下流での配管の圧力変化を監視することができる。
【００５５】
上述したシステムアーキテクチャはまた、モータ駆動式の注射器に閉ループフィードバック制御を提供する際に使用される。送りねじアセンブリを有する回転モータ駆動式の注射器と、リニアモータ駆動式の注射器との両方を使用することができる。図9に示される一実施形態では、注射器は、ボールねじ上へのブラケット919と、ガイドアセンブリ911とを使用して取り付けられる。注射器906のプランジャは、回転モータ915の回転によって筒部904に対して駆動され、回転モータ915は、ACサーボ、DCサーボ、ステッパモータなどであってよい。モータは、モータの閉ループ制御を可能にする回転エンコーダ914を設けられる。これにより、さらに、プランジャ移動の正確な制御が可能になり、正確な輸液が得られる。より一層正確な閉ループ制御のために、ブラケット912にエンコーダを取り付けることができ、ブラケット912にボールねじ及びリニアガイドが取り付けられ、プランジャが装着される(可動の)ブラケットにエンコーダ読取ヘッド918が取り付けられる。
【００５６】
一つの好ましい実施形態では、ボールねじのピッチは、ボールねじを逆転駆動することができるように、典型的には10mmを超えるように選択される。この構成により、モータは、ボールねじの出力での負荷の変化に対してより敏感になる。これにより、モータの追従誤差の変化を示すことによって、注射器の筒部の圧力変化の検出が可能になる。追従誤差は、モータの実際の位置と命令された位置とを比較することによって求められる。別の実施形態では、用途の圧力要件が要求する場合には、ボールねじに対して10mm未満のピッチが使用される。
【００５７】
リニアモータ駆動式の注射器ポンプ
別の実施形態では、バイアス機構としてリニアモータが使用される。図10は、リニアモータ駆動式の注射器ポンプの平面図1004、斜視図1001、上面図1003、及び正面図1002を示す。リニアモータは、固定具1010に取り付けられた永久磁石及び固定ステータ1011を含むキャリッジ1006からなる。コイルに電流を適切に供給することにより、キャリッジ1006が移動する。また、剛性、安定性、及び精度のために、キャリッジは、例示されるようにリニアガイド1009を使用して案内される。注射器プランジャ1012が、キャリッジ1006に装着される。リニアモータステータ1011に対して固定されたエンコーダ1007を取り付けることによって、注射器位置、速度、及び加速度のリアルタイムフィードバックが提供される。エンコーダ読取ヘッド1008は、キャリッジ1006、したがって注射器プランジャに対して固定される。このエンコーダ構成は、流量の非常に正確な閉ループ制御を可能にする。エンコーダは様々なタイプものであってよく、非限定的な例として、光学センサエンコーダ読取ヘッドと光学エンコーダストリップ、並びに磁気センサ、誘導センサ、及び容量センサと磁気エンコーダ、誘導エンコーダ、及び容量エンコーダとの同様の組合せを含む。
【００５８】
別の実施形態では、筒部の圧力は、リニアモータの命令された位置と実際の位置との差であるリニアモータの追従誤差を監視することによって特徴付けられる。
【００５９】
他の実施形態では、エンコーダ及び読取ヘッドの位置が変えられる。一実施形態(図示せず)では、エンコーダは、移動部である注射器のプランジャに直接取り付けられる。別の実施形態では、エンコーダが、プランジャに直接取り付けられ、読取ヘッドが、モータのステータでの静止位置に取り付けられる。別の実施形態では、読取ヘッドは、静止した注射器の筒部に取り付けられる。
【００６０】
リニアモータ変化は、既述したのと同様のフィードバック制御システムによって動作される。相違点は、この場合のバイアス機構がリニアモータであることである。したがって、バイアス機構を制御することができる。可変オリフィスによって前に説明した制御を、リニアモータによって置き換えることができる。しかし、リニアモータが両方向でプランジャを駆動できるようにする一方で、圧縮ばねは、当然、一方向のみで偏倚力を提供することに留意されたい。
【００６１】
別の実施形態(図示せず)では、リニアモータの代わりに、バイアス機構にボイスコイルアクチュエータが使用される。移動部がコイルであり、静止部が磁石を有する。
【００６２】
他の実施形態では、ステータ及びコイルの一部である磁石がキャリッジ内に統合される。
【００６３】
送りねじ注射器ポンプ
別の実施形態が、図11に示されている。注射器1101は、固定具に対して固定位置で注射器筒部1104をクランプすることによって、固定具1107に取り付けられる。また、注射器プランジャ1102は、モータ1110に装着された可動手段1103にクランプ1112で留められる。モータのロータ1111は、送りねじ1108に係合し、それにより、モータの回転が、モータ、したがって注射器プランジャを注射器筒部に対して駆動させ、それにより注射器から流体を放出する。モータは、注射器プランジャを最小の誤差で正確に移動させることができるようにするために、ガイド1114内に載置する可動キャリッジ1113に装着される。モータ、したがって注射器プランジャの位置は、読取ヘッド1115によって検出され、読取ヘッド1115は、ブラケット1116によって、注射器プランジを保持するのと同じブラケットに装着される。読取ヘッドは、移動するモータ及び注射器に対して位置を固定された磁石1109を感知する。別の実施形態では、位置読取ヘッド1115及び磁石1109が、他の位置感知手段によって置き換えられる。そのような手段の非限定的な例としては、光学、磁気、誘導、及び容量デバイスがある。
【００６４】
外部ばね駆動式の注射器ポンプ
別の実施形態では、バイアス機構は、取付固定具に組み込まれたばねであり、それにより、標準の既製の注射器をばねバイアス機構と共に使用することができる。図12を参照すると、注射器1201が固定具1211内に取り付けられ、それにより注射器の筒部1202が固定具に対して固定される。注射器のプランジャ1203は、固定具に対して可動のブラケット1205に取り付けられ、ばねバイアス機構1207によって駆動される。可撓性管1204が注射器の出口に装着され、アクチュエータ手段1206が可撓性管の周りに装着され、したがってアクチュエータは、作動されるときに、可撓性管を制御可能に圧迫することができ、それにより注射器からの流量を制御する。また、可動ブラケット1205に位置センサ手段1208が装着され、位置センサ手段1208は、符号化ストリップ1210に対する位置センサの位置を感知することによって、固定具内部での可動ブラケット、したがって注射器プランジャの位置を感知することができる。そのような位置センサ手段及び符号化ストリップの非限定的な例としては、光学、磁気、誘導、及び容量デバイスがある。注射器からの流量の閉ループ制御は、注射器プランジャの位置を感知し、測定された位置と、輸液制御装置プログラムにおいて符号化された目標位置との間の誤差を最小にすることによって得られる。流量は、アクチュエータ1206を開くことによって増加され、アクチュエータ1206を閉じることによって減少され、その際、閉鎖手段が可撓性管1204を圧迫する。
【００６５】
概要
輸液デバイスの閉ループ制御のためのシステムアーキテクチャを示す。このアーキテクチャは、輸液デバイスからの流量を制御するため、及び幾つかの実施形態では送出圧力を制御するための手段を提供する。閉ループ制御アーキテクチャを使用する様々な輸液システムを説明する。幾つかの実施形態では、閉ループ制御は、重力送り式の静脈内システムなど現在一般的に使用されている輸液手段に適合させることができる。他の実施形態は、ばね、エラストマー、回転モータ、及びリニアモータからなるバイアス及び駆動機構を使用する輸液ポンプシステムを説明する。本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、好ましい実施形態の様々な適合形態及び変形形態を構成することができることを当業者は理解されよう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内で、本明細書で具体的に説明した以外の方法で実施することもできることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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