DE69533549T2 - Implantierbare pumpe zur verabreichung einer arznei - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Erfassen des Pegels von Glucose in einer Person bzw. einem Menschen und zum automatischen Abgeben von Glucose oder Glucagon sowie Insulin an die Person, um den Glucose-Pegel in einem gewünschten Bereich zu halten. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regulieren von anderen Bedingungen oder Pegeln von Bestandteilen in einem Menschen, Gewebe oder einem Tier durch kontinuierliches Messen der Bedingung bzw. der Pegel von Bestandteilen und Abgeben eines Wirkstoffs bzw. Mittels sowie eines Gegenmittels, um die Bedingung bzw. die Pegel von Bestandteilen in einem gewünschten Bereich zu halten.
  • Beschreibung der verwandten Technik
  • Bei einem der fortgeschritteneren Verfahren zum Abgeben von Medikamenten wird die Menge eines abgegebenen Medikaments von einem Sensor gesteuert. Der Sensor misst beispielsweise die Konzentration eines Bestandteils in dem Blut oder Gewebe oder den Wert der Ergebnisse einer vorangehenden Medikamentenabgabe und ändert die Menge bzw. die Rate der Abgabe eines Medikaments, um die erfasste Konzentration des Bestandteils zu ändern. Bei einem System zum Abgeben von Insulin kann der Sensor beispielsweise den Blut-Glucosepegel messen und die Menge bzw. Geschwindigkeit der Insulinabgabe entsprechend ändern.
  • Gegenwärtig sind nur wenige Sensoren verfügbar, die auf diese Weise arbeiten können. Ein derartiger Sensor wird in den in Gemeinschaftsbesitz befindlichen US-Patenten Nr. 5,101,814 sowie 5,190,041 und in der US-Patentanmeldung Serien Nr. 08/077,893 offenbart, deren Inhalt hiermit durch Verweis einbezogen wird. Dieser Sensor umfasst eine Masse an lebenden Zellen, die empfindlich für einen bestimmten Bestandteil, vorzugsweise Glucose, sind. Die Zellen sind in einer biokompatiblen halbdurchlässigen Membran eingeschlossen und erzeugen ein erfassbares elektrisches Signal, das sich mit der Konzentration des Bestandteils in dem Medium ändert, das die Zellen bzw. die Kapsel umgibt.
  • Den meisten vorhandenen rückkopplungsgesteuerten Medikamentenabgabesystemen fehlt die Fähigkeit, den Pegel des Medikaments oder seine Wirksamkeit zu verringern, wenn es abgegeben worden ist. Daher kann einer Überdosierung nicht entgegengewirkt werden, und es muss abgewartet werden, bis der natürliche Stoffwechsel und die Exkretion den Pegel des verabreichten Wirkstoffs verringern.
  • Es gibt jedoch Fälle, in denen ein Gegenmittel vorhanden ist. So kann beispielsweise bei der Abgabe von Insulinhormon, wenn eine Überdosis von dem Sensor in Form eines zu niedrigen Glucose-Pegels gemessen wird, die Situation durch die Abgabe von Glucose oder dem Hormon Glucagon usw. korrigiert werden.
  • US-Patent 5,237,993 beschreibt eine Vorrichtung zum Bestimmen interessierender Parameter in lebenden Organismen. Die Vorrichtung enthält eine Analysiereinheit, die Flüssigkeit empfängt, die durch Sensoren in der Analysiereinheit analysiert werden sollen. Die Analysiereinheit erzeugt einen Ausgang in Reaktion auf Parameter, die von den Sensoren erfasst werden. Auf Basis dieses Ausgangs steuert eine Bewertungseinheit die Abgabe von Perfusionsfluid und/oder Medikamenten durch Steuerung der Aktivierung verschiedener Pumpen. Die Sensoren, die von der Vorrichtung des Patents 5,237,993 verwendet werden, sind in der Analysiereinheit aufgenommen, die sich außerhalb des Patienten befindet. Andere Elemente der Vorrichtung des Patents 5,237,993, beispielsweise die Pumpen, Vorratsbehälter und die Bewertungseinheit sind ebenfalls außerhalb des Patienten angeordnet.
  • US-Patent 4,633,878 beschreibt eine Vorrichtung für die automatische Infusion von Insulin oder Glucose bei Diabetikern, die auf der Überwachung der Glucose des Patienten basiert. Die Vorrichtung des Patents 4,633,878 basiert auf der Überwachung von Glucose in einer Kochsalzlösung, die durch den Patienten zirkuliert wird, statt auf der Probenentnahme von Blut des Patienten. Bei der Vorrichtung des Patents 4,633,878 wird ein normaler Labor-Glucosesensor verwendet, um die Glucose in der Kochsalzlösung zu erfassen. Die Kochsalzlösung zirkuliert durch hohle Fasern, die in den Patienten implantiert werden. Alle anderen Elemente der Vorrichtung des Patents 4,633,878, insbesondere die Sensoren, die Pumpen, die Quellen von Glucose und Insulin und die Steuereinheit befinden sich außerhalb des Patienten.
  • Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, sensorgesteuerte Abgabesysteme zu verbessern, indem die Fähigkeit verliehen wird, automatisch entweder ein chemisches Mittel oder ein Gegenmittel auf Basis kontinuierlicher Sensormessungen zu verabreichen, um den Pegel eines Bestandteils oder eine Bedingung, beispielsweise Blutdruck, innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zu halten.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung, mit denen die Konzentration eines Bestandteils in einem Menschen, in Gewebe, einem Tier usw. innerhalb eines vorgegebenen Bereiches gehalten wird oder einer vorgegebenen programmierten Änderung folgt. Obwohl der Bestandteil vorzugsweise Glucose ist, kann es sich um jeden beliebigen Bestandteil oder jede beliebige Bedingung handeln, die durch die Abgabe eines Mittels zum Erhöhen oder Verringern des Pegels eines Bestandteils oder einer Bedingung und eines Gegenmittels zum Verringern oder Erhöhen des Pegels des Bestandteils oder der Bedingung reguliert werden kann.
  • Ein Sensor, vorzugsweise von dem Typ, der ein erfassbares elektrisches Signal erzeugt, das sich mit der Konzentration des Bestandteils oder dem Vorhandensein des Zustandes bzw. der Bedingung ändert, wird in den Menschen implantiert. Eine Steuerung erfasst das von dem Sensor erzeugte elektrische Signal und stellt fest, ob die Konzentration des Bestandteils oder die Bedingung sich zu einer bestimmten Zeit innerhalb eines vorgegebenen Bereiches befindet. Wenn der Pegel oder die Bedingung zu niedrig oder zu hoch ist, aktiviert die Steuerung eine Pumpe, die bewirkt, dass entweder ein Mittel oder ein Gegenmittel an die Person abgegeben wird, bis der Bestandteil oder die Bedingung sich innerhalb des vorgegebenen Bereiches befinden, oder, wenn die Reaktion des Körpers langsamer ist als die Abgabe, bis der vorgegebene Bestandteil- oder Bedingungspegel innerhalb eines erforderlichen Bereiches liegt.
  • In einer bevorzugten Ausführung ist der Sensor eine implantierbare Masse lebender Zellen, die empfindlich für Glucose-Pegel ist, und die abgegebenen Medikamente sind Glucose oder Glucagon und Insulin. Eine separate Pumpe zum Abgeben jedes der Wirkstoffe und des Gegenmittels kann verwendet werden, oder es kann eine einzelne Pumpe verwendet werden, die zwischen dem Mittel und dem Gegenmittel umgeschaltet werden kann.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild des Medikamenten-Abgabesystems der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt ein Blockschaltbild einer alternativen Ausführung des Medikamenten-Abgabesystems der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführung des Medikamenten-Abgabesystems der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt elektrische Abtastsignale, die von einer implantierten Zellmasse erzeugt werden.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist ein Medikamenten-Abgabesystem, mit dem eine Bedingung oder ein Pegel eines Bestandteils in einem Menschen, in Gewebe oder einem Tier kontinuierlich überwacht und in einem vorgegebenen Bereich gehalten wird. Die Erfindung enthält, wie in 1 dargestellt, einen Sensor 2, eine Steuerung bzw. ein Steuerungssystem 4, ein Mittel-Abgabesystem 6 sowie ein Gegenmittel-Abgabesystem 8. In einer alternativen Ausführung ist, wie in 2 dargestellt, eine separate Pumpe 10 zum Abgeben jeweils des Mittels und des Gegenmittels vorhanden. In der in 1 dargestellten Ausführung ist die Pumpe in das Mittel-Abgabesystem 6 und das Gegenmittel-Abgabesystem 8 integriert.
  • Sensor 2 ist in das Körpergewebe bzw. -fluid einer Person implantiert und erzeugt ein elektrisches oder ein anderes erfassbares Signal in Reaktion auf das Vorhandensein von Bestandteilen, für die der Sensor empfindlich ist, oder andere Bedingungen, d. h. Temperatur, Druck usw. Ein derartiger Sensor kann beispielsweise von dem Typ sein, der in den in Gemeinschaftsbesitz befindlichen US-Patenten Nr. 5,101,814 und 5,190,041 sowie in der US-Patentanmeldung Serien Nr. 08/077,893 offenbart ist. In diesen Sensoren sind lebende Zellen, die beim Vorhandensein von Bestandteilen, für die die Zellen empfindlich sind, ein variierendes elektrisches Signal erzeugen, in einer biokompatiblen halbdurchlässigen Membran eingeschlossen, und die elektrische Aktivität der lebenden Zellen wird gemessen. Die Sensoren können beispielsweise empfindlich für Glucose-Pegel sein und ein elektrisches Signal erzeugen, das mit der Konzentration von Glucose in dem den Sensor 2 umgebenden Medium variiert. Die Sensoren können auch andere nicht elektrische Signale, d. h. optische, chemische usw. erzeugen, wenn die Signale erfassbar sind. Natürlich ist vorgesehen, dass jeder beliebige geeignete Typ Sensor in dem vorliegenden System eingesetzt werden kann.
  • Steuerung 4 empfängt den elektrischen Ausgang von Sensor 2 und stellt fest, ob der Pegel des Bestandteils bzw. der Bedingung zu hoch oder zu niedrig ist und daher Abgabe eines Mittels bzw. eines Gegenmittels erforderlich ist, um den Pegel zu erhöhen bzw. abzusenken. Die Steuerung reguliert dann die Abgabe von Mittel und Gegenmittel, um den Pegel des Bestandteils bzw. die Bedingung, für die der Sensor empfindlich ist, in einem vorgegebenen Bereich zu halten oder vorgegebenen programmierten Änderungen zu folgen. Die Steuerung 4, Pumpe 10 und die Abgabesysteme 6 und 8 sind vorzugsweise in den Körper implantiert, wobei der Sensor 2 unter Verwendung herkömmlicher Leiter mit der Steuerung verbunden ist und die Mittel sowie Gegenmittel der Person durch beliebige in der Technik bekannte Einrichtungen verabreicht werden. Als Alternative dazu kann sich jede beliebige Kombination aus der Steuerung 4, Pumpe 10, Abgabesystemen 6 und 8 sowie eines Vorrats des Mittels und des Gegenmittels außerhalb des Körpers befinden, wobei der Sensor mit der Steuerung unter Verwendung herkömmlicher Elektroden oder elektrischer Abnehmer verbunden wird und Mittel sowie Gegenmittel der Person über Leitungen des in der Technik bekannten Typs verabreicht werden.
  • Obwohl die bevorzugte Ausführung ausführlich unter Bezugnahme auf die Abgabe eines löslichen Medikaments beschrieben wird, kann es sich bei dem/den abzugebenden Wirkstoff/en um jedes beliebige Medikament, Hormon, pH-Pufferlösung, lebende Zellen oder andere Wirkstoffe in Suspension oder jedes beliebige andere biologisch aktive Material usw. handeln, wobei dies vom Typ des eingesetzten Sensors 2 und dem Bestandteil oder der Bedingung abhängt, der/die überwacht wird.
  • Das Medikamenten-Abgabesystem muss in der Lage sein, ein gesteuertes Volumen oder eine gesteuerte Rate des Mittels bzw. des Gegenmittels in den entsprechenden Flüssigkeitskörper, Hohlraum oder das Gewebe, d. h. Blut, die Bauchfellhöhle, subkutanes Gewebe usw. abzugeben. In einer bevorzugten Ausführung wird, wie in 2 dargestellt, die Abgabe des Medikaments von einer elektrisch gesteuerten Pumpe 10 bewerkstelligt. Die Pumpe 10 kann von jedem beliebigen herkömmlichen Typ sein und eine von einem Kolben oder einem Äquivalent zu einem Kolben (Fluid oder Gas) angetriebene Pumpe, eine peristaltische Pumpe, eine Zentrifugalpumpe usw. einschließen. Als Alternative dazu kann die Abgabe des Medikaments durch gesteuerte Diffusion ausgeführt werden, durch einen elektrischen Strom, der einen geladenen Wirkstoff trägt, durch geladene Moleküle oder Teilchen, durch magnetische Teilchen usw.
  • Die vorliegende Erfindung wird, wie in 3 dargestellt, im Folgenden unter Bezugnahme auf ein implantiertes Insulin-Glucose- oder Insulin-Glucagon-Abgabesystem beschrieben. Die Glucosesensoren 2 sind von dem Typ, wie er in den erwähnten US-Patenten Nr. 5,101,814 sowie 5,190,041 und der US-Patentanmeldung Serien Nr. 08/077,893 beschrieben ist. Jeder Sensor umfasst eine Masse aus lebenden Zellen 14, die empfindlich für Glucose-Pegel sind und die ein elektrisches Signal erzeugen, das sich mit der Konzentration von Glucose in dem die Zellen umgebenden Medium ändert, wie dies in vereinfachter Form in 4 dargestellt ist. Die Masse der Zellen 14 kann in einer Kapsel des Typs enthalten sein, die in der in Gemeinschaftsbesitz befindlichen gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung unter dem Titel "IMPLANTABLE CAPSULE FOR ENHANCING CELL ELECTRIC SIGNALS" ("implantierbare Kapsel zur Verstärkung von elektrischen Zellsignalen") offenbart ist, die gleichzeitig hiermit eingereicht wurde.
  • Die Sensoren 2 sind in einen Körperhohlraum implantiert, in dem die Glucosekonzentration repräsentativ für die Gesamt-Glucosekonzentration in dem Menschen ist. Die Sensoren 2 messen kontinuierlich die Glucosekonzentration mittels Elektroden 16 und übertragen diese Information zu dem Steuerungssystem 4 über Leiter 17. Elektroden 16 können von jedem beliebigen Typ sein, der dem Fachmann bekannt ist.
  • Das Steuerungssystem 4 enthält einen Verstärker 18, der die Signale von den Sensoren 2 empfängt und verstärkt. Die Steuerung 4 verarbeitet die Eingänge, um die Glucose-Pegel in dem Menschen zu bestimmen. Die Steuerung kann des Weiteren die Sensormessungen verarbeiten, um Konzentrationsverringerung und Verzögerungen aufgrund von Diffusion usw. auszugleichen. Unter Verwendung der Glucosemessungen und eines Medikamentenaktivierungs-Algorithmus 20 stellt die Steuerung 4 fest, ob Medikamentenabgabe angebracht ist, und erzeugt, wenn dies der Fall ist, Steuersignale, die die Abgabe von Glucose über Glucosepumpe 22 oder die Abgabe von Insulin über Insulin-Pumpe 24 veranlassen.
  • Die Steuerung 4 kann von jedem beliebigen Typ zum Durchführen der hier aufgeführten Funktionen sein. Steuerung 4 kann beispielsweise von einem modifizierten An-Aus-Typ oder vom Typ mit Proportionsregelung sein. Im ersten Fall wird, wenn die Steuerung 4 feststellt, dass die Glucosekonzentration ein vorgegebenes Kriterium zu der bestimmten Zeit übersteigt, Insulin-Pumpe 24 mit vorgegebenen Raten über angegebene Zeiträume aktiviert, um entsprechend die Blut-Glucosepegel abzusenken. Der Pumpmechanismus selbst kann entweder eine spezielle Pumpe für jeden Wirkstoff enthalten, wie dies in 3 dargestellt ist, oder eine einzelne Pumpe, die mehr als einen Wirkstoff pumpen kann, wie dies in 2 dargestellt ist. Bei der Ausführung mit einer einzelnen Pumpe aktiviert die Steuerung 4 die Pumpe 10 und koppelt sie mit dem entsprechenden Abgabesystem, d. h. dem Glucosesystem oder dem Insulinsystem. Die Kupplung 12 kann ein mechanisches Getriebe sein, das beispielsweise den Pumpenzylinder umschaltet, oder ein Ventil, das den richtigen Wirkstoff strömen lässt, wenn das System unter Druck gesetzt worden ist, oder jede beliebige andere herkömmliche bekannte Kupplung. Wenn die Sensoren 2 und Steuerung 4 einen normalen Glucose-Pegel erfassen, wird die Pumpe 10 angehalten oder auf einen Grundpegel oder einen anderen vorgegebenen Pegel geschaltet, der anzeigt, dass sich der Pegel ohne weiteren Eingriff dem normalen Bereich nähert.
  • Wenn die Sensoren 2 und Steuerung 4 einen Glucose-Pegel unter einem bestimmten Pegel erfassen, wird das Glucose-Abgabesystem 22 aktiviert. Dies kann entweder bewerkstelligt werden, indem die entsprechende Pumpe aktiviert wird, oder indem die einzelne Pumpe zur Abgabe von Glucose umgeschaltet wird. Das Steuerungssystem 4 kann, wenn gewünscht, ein Glucagon-Abgabesystem aktivieren. Glucagon ist ein Hormon, das vielen der Wirkungen von Insulin entgegenwirkt und Blut-Glucosepegel erhöht.
  • Wenn die Steuerung 4 vom proportionalen Typ ist, veranlasst der Steuerungsalgorithmus, dass das Abgabesystem eine Menge bzw. eine Abgaberate der Mittel oder Gegenmittel proportional zu dem erfassten Pegel des erfassten Bestandteils ausgibt.
  • Das vorliegende System kann, wenn gewünscht, so modifiziert werden, dass mehr als zwei zusammenhängende Chemikalien abgegeben werden können. Das System kann beispielsweise ein System zur Abgabe von drei Wirkstoffen sein, wobei die Steuerung die Abgabe von Insulin, Glucose und Glucagon jeweils mit der geeigneten Rate und Menge aktivieren und regulieren kann.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungen und Beispiele beschrieben worden ist, gibt es Änderungen und Abwandlungen, die in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zum Regulieren einer Bedingung oder Konzentration eines Bestandteils in einer Person, einem Tier oder einem lebenden Gewebe, wobei der Bestandteil oder die Bedingung erhöht werden kann, indem ein Mittel zu der Person oder dem Tier zugeführt wird, und vermindert werden kann, indem ein Gegenmittel zu der Person oder dem Tier zugeführt wird, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Sensor (2), der ein feststellbares Signal erzeugt, das mit der Konzentration des Bestandteils oder dem Vorhandensein der Bedingung in einem Medium um den Sensor herum variiert, eine Quelle für das Mittel (6), eine Quelle für das Gegenmittel (8), eine Zuführeinrichtung (10, 6, 8) zum steuerbaren Zuführen jeweils des Mittels und des Gegenmittels zu der Person oder dem Gewebe, und eine Steuereinrichtung (4), die mit dem Sensor verbunden ist, um das durch den Sensor erzeugte Signal festzustellen und zu bestimmen, ob sich die Konzentration des Bestandteils oder die Bedingung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs befindet, wobei die mit der Zuführeinrichtung verbundene Steuereinrichtung veranlasst, dass die Zuführeinrichtung selektiv das Mittel oder das Gegenmittel zuführt, um die Konzentration des Bestandteils oder der Bedingung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine implantierfähige Masse von lebenden Zellen, die empfindlich gegenüber Glucosepegeln sind, für die Implantation in der Person oder dem Gewebe umfasst und dass die Zuführeinrichtung und die Steuereinrichtung für eine Implantation ausgebildet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestandteil Glukose ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel Glukose und das Gegenmittel Insulin ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel Glukagon und das Gegenmittel Insulin ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung umfasst: eine Pumpe für das Mittel (6), und eine Pumpe für das Gegenmittel (8).
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung umfasst: eine Pumpe (10), und eine Verbindung (12) zum Schalten der Pumpe zwischen der Quelle des Mittels und der Quelle des Gegenmittels.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Regulieren von Glukosepegeln in einer Person verwendet wird, wobei das Signal, das durch den in der Person implantierten Sensor (2) erzeugt wird, mit der Konzentration der Glukose in der Person variiert, wobei das Mittel Glukose oder Glukagon ist und das Gegenmittel Insulin ist und wobei die Steuereinrichtung (4) betrieben werden kann, um das durch den Sensor (2) erzeugte elektrische Signal festzustellen, um zu bestimmen, ob die Glukosekonzentration in der Person innerhalb eines vorbestimmten Bereichs ist, und um die Zuführeinrichtung (10, 6, 8) dazu zu veranlassen, wahlweise Glukose bzw. Glukagon oder Insulin zu der Person zuzuführen, bis sich die Glukosekonzentration in der Person innerhalb eines vorbestimmten Bereichs befindet.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung umfasst: eine Pumpe für die Glukose bzw. das Glukagon (6), und eine Pumpe für das Insulin (8).
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung umfasst: eine einzige Pumpe (10) zum Pumpen der Glukose bzw. des Glukagons und des Insulins, und eine Verbindung (12) zum Schalten der Pumpe zwischen der Quelle der Glukose bzw. des Glukagons (6) und der Quelle des Insulins (8).
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