JP2005537907A - 生体特性の測定装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

生体表面の外側層の特性を測定するよう構成されたセンサを備える医療用装置。センサは、生体表面の外側層の表面を局所的に刺激するよう構成されたソース・プローブを備える。さらにセンサは、ソース・プローブによる刺激から得られる前記外側層の応答を測定するよう構成された検出器を備えている。ソース・プローブおよびセンサに接続されたコントローラが、特化された確率的シーケンスを用いてソース・プローブを駆動し、検出器から受信した応答測定結果を用いて外側層の特性を決定する。センサは、微細針運搬装置および無針注射装置を含む薬物投与装置などの医療用装置において使用することができる。

Description

関連出願

本出願は、２００２年９月６日付の米国特許仮出願第６０／４０９，０９０号および２００２年１１月５日付の米国特許仮出願第６０／４２４，１１４号に基づく利益を主張した２００３年９月５日付の発明の名称「無針薬物注射装置」の出願（代理人ファイル番号第００５０．２０４８‐００２）の継続出願である。これら出願における全内容は、参照により本明細書に引用したものとする。

薬物などの液体の人間の患者や農業用動物への注射は、さまざまな方法で実行される。薬物投与の最も簡単な方法の１つは、生体の最も外側の保護層である皮膚を介する方法である。皮膚は、角質層、顆粒層、有棘層および基底層を含む表皮と、毛細管層などを含む真皮とからなる。角質層は、死滅した細胞組織からなる丈夫な鱗状の層である。角質層は、皮膚表面から約１０〜２０ミクロンの範囲にあり、血液は供給されていない。この層の細胞密度が高いため、皮膚を通しての化合物の移動は、体内方向および体外方向のいずれの方向についてもきわめて困難になる。

皮膚を通しての薬物の局所送達における現在の技術には、針やその他の皮膚貫入装置を使用する方法を含む。針やランスの使用などの侵襲的な手段は、角質層の防護機能を効果的に克服する。しかしながら、これらの方法はいくつかの大きな欠点、すなわち、注射部位における皮膚の局所的損傷、出血、および感染の恐れ、ならびに汚染された針またはランスを廃棄しなければならないといった欠点を有する。さらに、これらの装置を農業用動物に薬物を注射するために使用した場合、時には針が破損して、動物の体内に埋め込まれたまま残ることがある。

針に関連するこれらの問題を克服するため、無針注射装置が提案されているが、この提案されている無針注射装置は別の問題を有する。例えば、いくつかの無針注射装置は、制御の範囲が限られているばね式のアクチュエータを利用している。他の装置は、ソレノイド、圧縮空気または油圧アクチュエータを使用しているが、やはり制御の範囲が限られている。

本明細書に説明する皮膚センサ装置および方法は、特化した刺激を利用して、皮膚のコンプライアンス・ゲインおよび／または剛性（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）などの生体表面の１つまたは複数の特性を効果的に測定する。

医療用装置は、生体表面の外側層の特性を測定するよう構成されたセンサを備える。センサは、生体表面の外側層の表面を局所的に刺激するよう構成されたソース・プローブを備える。センサはさらに、ソース・プローブによる刺激の結果として生じる外側層の応答を測定するよう構成された検出器を備える。装置はさらに、センサに接続されたコントローラを備える。コントローラは、特化された確率的シーケンスを用いてソース・プローブを駆動する。次いで、コントローラは、検出器から受信した応答測定結果を用いて外側層の特性を決定する。

生体表面は被験体の皮膚であってもよく、あるいは内部の生体表面であってもよい。生体表面は、二次の機械系としてモデル化することができる。さらに、外側層の特性を、機械系の同定手法を用いて決定できる。

ソース・プローブは、外側層の表面を局所的に刺激するボイス・コイルを備えることができる。例えば、ボイス・コイルを外側層に接触させ、一定の周波数で駆動して表面変位を発生させる。検出器は、例えば加速度計を用いて生体表面の変位を測定する。１つの実施形態においては、検出器は、生体表面の変位を検出する線形差動可変変換器（トランスデューサ）を含む。いくつかの実施形態においては、検出器はさらに、生体表面の静的変位を測定する歪みゲージを含む。

医療用装置は、薬物注射装置であってよい。薬物注射装置はセンサに組み合わされ、決定された外側層の特性に応じて生体内に薬物を注入する。例えば、薬物注射装置は、薬物を投与する投与装置に結合されたサーボ・コントローラを含むことができる。サーボ・コントローラは、表面の特性に基づいて投与装置の投与特性を調節する。１つの実施形態においては、薬物注射装置は無針注射装置である。

薬物を生体に注入する装置は、体に投与される薬物を保持するための薬物注射器を含む。また、注入装置は、生体の皮膚の特性を測定する皮膚センサ、ならびに、薬物注射器および皮膚センサに接続されたサーボ・コントローラを含む。サーボ・コントローラは薬物注射器の注入圧力を調節して、皮膚の特性に基づいて薬物を体内に選択的に投与する。いくつかの実施形態においては、皮膚センサは、特化された確率的シーケンスを用いて生体の特性を測定する。

本発明の前記およびその他の目的、特徴および利点は、添付の図面に示した本発明のいくつかの好ましい実施形態に関する以下のさらに詳細な説明により、明らかになるであろう。添付の図面においては、同一参照符号は異なる図面であっても類似部品を指している。図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。

本発明の好ましい実施形態を以下に説明する。

図１Ａ〜１Ｃを参照すると、例えば薬物のような有効成分の液体調合物を、農業用動物や人間などの生体に注射するのに用いられる薬物投与装置について、種々の視点からの図面が示されている。この実施形態および後で説明する別の実施形態において、投与装置は、一般に参照符号１０で示されている。薬物は、最初は収容室１２（図５Ａ）に収容されており、オリフィスすなわち出口開口１４を通して体内に注入される。

通常はノズルを使用して必要とされる速度および直径で薬物を皮膚に輸送して、必要に応じて皮膚に貫入する。ノズルは一般に、皮膚に当接して配置することができる頭部１７のような平坦な表面、およびオリフィス１４を備えている。オリフィス１４の内径が、薬物の流れの直径を制御する。さらに、オリフィス１４を形成する開口または筒の長さが、注入圧力を制御する。いくつかの実施形態においては、標準的な皮下注射針が所定の長さに切断され、頭部１７に結合される。針の一端を、皮膚に接触する頭部１７の表面に対して同一面またはわずかに凹ますことにより、使用時に皮膚を刺すことがないようにしている。針の内径（例えば、１００μｍ）が開口の直径を決定し、針の長さ（例えば、５ｍｍ）および開口の寸法が、所与の投与装置圧力についての結果として得られる注入圧力を制御する。別の実施形態においては、組立工程を減らすため、頭部１７に直接穴を開けることができる。一般に、オリフィス１４の長さは、例えば５００μｍ〜５ｍｍの範囲で選択可能であり、直径は８０μｍ〜２００μｍの範囲とすることができる。

投与装置１０は、内側にピストン１８が配置されている案内筒１６を備えている。交換可能な頭部１７が、１組のねじ２１によって案内筒１６の拡大端１９に取り付けられている。ピストン１８の一端が拡大端１９および頭部１７の内面と共に収容室１２を形成し、ピストン１８の他端には、押込みブロック２２が取り付けられている。ピストン１８は、筒１６と隙間シールを構成しているが、ピストン１８の周囲に封止リングを配置して、薬物がピストン１８と案内筒１６との間を通って収容室１２から漏れ出すのを防止できる。押込みブロック２２の外面には、電気接触板２４が取り付けられている。別の接触板２６が、交換可能な頭部１７と拡大端１９との間に配置されている。

いくつかの実施形態においては、ピストン１８の摩擦を減らすため、案内筒１６は直線軸受けを備えている。好ましくは、ピストン１８は剛体として、アクチュエータにより加えられる力によって折れ曲がらないようにする。さらに、ピストン１８は軽量として、慣性を小さくして起動の際の急速な加速を確保している。１つの実施形態においては、ピストン１８は、中空のアルミニウム棒から形成されている。有利には、他の部品も軽量材料で構成する。例えば、押込みブロック２２は、機械加工可能なポリアセタールから形成することができる。

接触板２４および２６に加え、アクチュエータ２８は、筒１６の周囲に互いに平行に配置された１〜６本あるいはそれ以上のワイヤ３０を備える。各ワイヤ３０の一端３２は、押込みブロック２２を通過して接触板２４に取り付けられ、ワイヤ３０のもう一方の端部３４は、それぞれのキャプスタン３６に取り付けられている。キャプスタン３６ならびに接触板２４および２６は導電性である。したがって、ワイヤ３０の端部３２および３４は、それぞれ接触板２４および２６を通じて互いに電気的に接続されている。絶縁カラー３８が案内筒１６の周りに配置され、拡大端１９と押込みブロック２２との間の穴３９を通してワイヤ３０を案内している。

ワイヤ３０に適切な張力を加え、収容室１２の容積を形成するため、コイルばね３７が、筒１６の端部と押込みブロック２２の間でピストン１８の周囲に配置され、これにより、キャプスタン３６は、ギターの弦の張力の調整とまったく同様に回転させることができる。ワイヤ３０は、対応するキャプスタン３６の周囲に１回以上巻きつけられている。したがって、ワイヤ３０のうち、キャプスタン３６に取り付けられている終端部３４の付近の歪みは、ワイヤ３０の長さの残りの部分における歪みよりもかなり小さい。例えば、終端部３４の付近の歪みが約１％であるのに対して、ワイヤの残りの部分の歪みは約１５％であることもある。

同様に、ワイヤ３０は同様にキャプスタン３６により接触板２４に固定できる。あるいは、ワイヤ３０を他の方法、例えば米国特許第５，６４１，３９１号に記載の電着によって接触板２４および２６の一方または両者に取り付けることができ、この米国特許の全内容は、参照により本明細書に引用したものとする。

あるいは、各ワイヤ３０を、例えば銅または鉄製の導電ワイヤのそれぞれと撚り合わせることができる。次に、撚り合わせ部分を曲げ返し、部分的に撚り合わせて輪を形成する。この部分的に撚り合わされた部分は、ワイヤ３０による２本の撚線および銅ワイヤからなる２本の撚線で構成される。形成された輪を、例えばピン上に置くことができ、あるいは、完全に撚り合わせた後に曲げ返し、部分的に撚り合わせてもう１つの輪を形成することができる。この部分的に撚り合わされた部分は、ワイヤ３０による４本の撚線および銅ワイヤからなる４本の撚線で構成される。つまり、形成された輪をピン上に置いて、ワイヤ３０を接触板２４および／または２６に固定できる。

さらに一般的には、ワイヤ３０を、励起によって第１の定常状態から第２の定常状態に変化する形状記憶材料から形成することができる。例えば、形状記憶材料は形状記憶ポリマーであってよい。代替方法としてあるいはこれに加えて、形状記憶材料は合金であってもよい。いくつかの実施形態においては、形状記憶材料が加熱されたとき、材料の相の変化が生じる。例えば、形状記憶合金は、異なる２つの格子構造のうちの１つで存在でき、一方の格子構造からもう一方の格子構造への相の変化が、熱エネルギーの印加および／または除去に応じて発生する。

ワイヤ３０は、加熱により収縮する適切な材料で作製され、駆動手段として使用することができる。加熱はワイヤ３０に電流を通すことによって達成でき、これはジュール加熱として知られている。すなわち、ワイヤ３０の両端に電圧が印加されると、ワイヤ３０内に電流が発生する。電圧の印加により収縮する材料の種類には、圧電材料および形状記憶合金が含まれる。圧電結晶の収縮が約１％であるのに対して、形状記憶合金は約１５％またはそれ以上収縮することができる。この大きな収縮が、形状記憶合金を、図示の実施形態にとって望ましいものにしている。したがって、ワイヤ３０は、カリフォルニア州サンノゼのシェイプド・メモリ・アプリケーションズ社（Ｓｈａｐｅｄ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｉｎｃ．）から市販され、さらにカリフォルニア州コスタ・メサのダイナロイ社（Ｄｙｎａｌｌｏｙ Ｉｎｃ．）からフレキシノール（ＦＬＥＸＩＮＯＬ）という商標で市販されている、例えばＮｉ‐Ｔｉ（ニチノールとしても知られている）などの形状記憶合金で作製されている。接触板２４および２６を介してワイヤ３０の両端に電圧が印加されると、ワイヤ３０が加熱する。ワイヤ３０の加熱によって、ワイヤ材料の相の変化が生じ、すなわちワイヤ３０が、マルテンサイト相からオーステナイト相へと相を変化させる。この相の変化がワイヤ３０の収縮を引き起こし、ピストン１８がオリフィス１４に向かって押されて、収容室１２の薬物をオリフィス１４から押し出す。好ましくは、形状記憶合金は高速に作動して、薬物を無針で患者の皮膚に注射するのに適した急激な力を発生する。形状記憶合金およびその使用についてのさらに詳細な説明が、米国特許第５，０９２，９０１号に開示されており、その全内容は参照により本明細書に引用したものとする。

投与装置１０を使用するため、図２に示す通り、装置を一対のリード線５２でコントローラ５０に接続し、次いでコントローラ５０を、もう一対のリード線５６でキャパシタ・バンク５４に接続する。コントローラ５０は、簡単なマイクロプロセッサあるいは多機能な性能を有するパーソナル・コンピュータであってよい。バンク５４のキャパシタは、コントローラ５０内の電源または外部の電源によって充電される。充電され終わると、キャパシタはコントローラ５０からの指令により放電して、リード線５２を通して接触板２４および２６を介してワイヤ３０の両端に電圧を供給する。この方法においては、ワイヤ３０は全体に並列構成で接続され、供給電圧は複数のワイヤ３０のそれぞれの両端に等しく印加される。別の実施形態においては、ワイヤ３０は全体に直列構成に接続される。例えばＡｎｇｅｌおよびＨｕｎｔｅｒによる２００２年７月１９日出願の米国出願第１０／２００，５７４号に記載されているような、さらに別の構成を用いて、ワイヤ３０の両端に電圧を印加することができる。この出願の全内容は、参照により本明細書に引用したものとする。

バンク５４には任意のキャパシタを用いることができるが、大容量キャパシタが、小さな物理的サイズで大きなエネルギー密度を実現する特長を有している。したがって、バンク５４のキャパシタは、容積が１．５ｍｌ（ミリリットル）〜３０ｍｌ、好ましくは３ｍｌであり、エネルギー出力が１０Ｊ〜１ＫＪ、好ましくは１００Ｊである大容量キャパシタ５３とすることができる。ワイヤ３０に供給される電流は、約１００ミリアンペア〜５アンペアであり、ワイヤ３０に加えられる電圧は、約１ボルト〜１０ボルトの間である。１つの実施形態においては、供給される電流は１アンペアであり、印加される電圧は５ボルトである。ワイヤ３０を急速に加熱するため、より大きい２５〜１００アンペアの電流を加えることも可能である。急速な動作が要求されるため、電源も、大電流をミリ秒のタイミングで切換え可能でなければならない。

ワイヤ３０により発生する単位面積あたりの力の大きさは、約２３５ＭＮ／ｍ^２である。図示の実施形態においては、最初に収容室１２に収容される薬物の量は約２００μｌ（マイクロリットル）〜２５０μｌであり、オリフィス１４は約５０μｍ〜５００μｍの間の直径を有している。いくつかの実施形態においては、薬物の量は最大５００μｌである。１５０μｍのオリフィス１４においては、薬物の注入速度は約１５０ｍ／ｓである。一般に、皮膚を完全に貫通する（例えば、皮膚に深さ２ｍｍまで進入する）には、直径１００μｍの流れにおいては、１００ｍ／ｓ以上の注入速度が必要とされる。有利には、無針注射器の流れの直径は、直径が４５０μｍである典型的な２４ゲージ針よりも大幅に小さい。

投与装置１０の長さＬ_１（図１参照）は約１５０ｍｍであり、ワイヤ３０は電圧がワイヤ３０両端に印加されたときに約７ｍｍ収縮する。ワイヤ３０は円形の断面を有することができ、この場合、各ワイヤ３０の直径は約０．０２５ｍｍ〜２ｍｍであり、好ましくは３８０μｍである。あるいは、各ワイヤ３０は、厚さが約０．０２５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲で、幅が約０．７５ｍｍ〜１０ｍｍである平らなリボン形状を有していてもよい。他の適切な形状記憶合金としては、Ａｇ‐Ｃｄ、Ａｕ‐Ｃｄ、Ａｕ‐Ｃｕ‐Ｚｎ、Ｃｕ‐Ａｌ、Ｃｕ‐Ａｌ‐Ｎ、Ｃｕ‐Ｚｎ、Ｃｕ‐Ｚｎ‐Ａｌ、Ｃｕ‐Ｚｎ‐Ｇａ、Ｃｕ‐Ｚｎ‐Ｓｉ、Ｃｕ‐Ｚｎ‐Ｓｎ、Ｆｅ‐Ｐｔ、Ｆｅ‐Ｎｉ、Ｉｎ‐Ｃｄ、Ｉｎ‐Ｔｉ、およびＴｉ‐Ｎｂがある。

次に図３Ａおよび３Ｂを参照すると、Ｎｉ‐Ｔｉ製のワイヤ３０の時間応答のグラフが示されている。図３Ａには、ほぼ５％の歪みを受けるワイヤ３０の応答が示されている。グラフから明らかなように、このワイヤ３０については、収縮時間が約１０ｍｓである。比較のために、図３Ｂは、図３Ａのワイヤ３０に加えられたものより高速なパルスが加えられたワイヤ３０を示している。高速パルスによって、ワイヤ３０に約１ｍｓの収縮時間で約１％の歪みが生じている。

使用においては、投与装置１０は通常、オペレータが保持する投薬器内に取り付けられる。投薬器は、ピストル、円筒、または任意の適切な形状であってもよい。図４Ａ〜４Ｄには典型的な投薬器が示されている。図４Ａを参照すると、１つの実施形態においては、ピストル型の投薬器４００は投与装置１０を収容するよう構成された胴体４０５を備えている。胴体４０５は、投与装置１０を収容する寸法とされた空洞を有する中空の筒または長方形であってもよい。図４Ｂを参照すると、胴体４０５は一端に、投与装置１０の頭部１７を受け入れる寸法の開口４２０を有している。頭部１７は開口４２０を通って突き出て、動物の皮膚との接触を容易にしている。さらに、投薬器４００は、オペレータが把持するように構成されたハンドル４１０を備えている。ハンドル４１０は、一端において胴体４０５に結合されている。さらに投薬器４００は、ハンドル４１０の他端に結合されたベース４１５を有している。ベース４１５は、電源および／または制御ユニットなど、無針注射器の他の部品を収容するように構成されている。ハンドル４１０を同様に（例えば中空に）構成して、無針注射器の部品も収容するようにできる。さらに、投薬器４００はスイッチ４３０を備えることができる。オペレータはスイッチ４３０を制御して投与装置１０を操作し、薬物の注射および／または装置への充填を開始することができる。

図５Ａおよび５Ｂ、ならびに図１Ａを参照すると、オペレータが投薬器４００を位置合わせして、頭部１７の表面６０を生体の皮膚Ｓに接触して配置している。頭部１７を皮膚Ｓに接触させて配置する前に、あるいは頭部１７を皮膚に接触させて位置合わせする間、前述の通り、キャパシタ・バンク５４が充電される。次いで、オペレータはコントローラ５０を通して投与装置１０を起動し、キャパシタ・バンク５４を放電させることにより、ワイヤ３０両端に電圧を印加してワイヤ３０を収縮させる。ワイヤ３０が収縮すると、ワイヤ３０によって押込みブロック２２が引かれてピストン１８を頭部１７に向かって押し、薬物Ｄが収容室１２からオリフィス１４を通って体内に押し出される。注入圧力は、１ＭＰａまたはそれ以下の低い圧力、あるいは３００ＭＰａの高い圧力であってよい。比較のため、直径１００μｍの針を使用して皮膚Ｓの深さ２ｍｍまで貫入するには、約１．９１ＭＰａの最低局所圧力が必要である。キャパシタ・バンク５４のエネルギーが消滅すると、ワイヤ３０両端の電圧がなくなり、コイルばね３７が押込みブロック２２を頭部１７から遠ざけるように押すため、ワイヤ３０が元の長さに延びる。次いで、必要に応じて、収容室１２が、別の生体または同じ生体に注射される追加の薬物Ｄで再び満たされる。

次に図６Ａ〜６Ｄを参照すると、薬物投与装置１０の別の実施形態について種々の視点からの図が示されており、類似の形態については同一参照符号で識別されている。ここでは、投与装置１０が、２つのベース部分７０および７２を備えている。例えば図９Ａに示されている通り、ピストン１８がベース部分７２を貫通して延び、さらにベース部分７０の一部を貫通して延びている。前述の通り、ピストン１８の一端が押込みブロック２２に取り付けられており、押込みブロック２２はベース部分７２の表面７６上を前後にスライドし、それにより、ピストン１８が両ベース部７０、７２分内を前後にスライドする。

さらに図７Ａおよび７Ｂを参照すると、取り外し可能および／または使い捨ての薬瓶８０が、ベース部分７０内に取り付けられている。例えば、薬瓶８０は、ベース部分７０にねじ込んで取り付けることができる。薬瓶８０の一端には、既に述べたとおり、オリフィス１４を形成するノズルが設けられている。さらに、薬瓶８０は、薬瓶８０内に形成された収容室１２内を前後に移動するプランジャ８２を備えている。プランジャ８２は、ピストン１８の終端８４に当接している。したがって、ピストン１８がオリフィス１４方向に移動すると、収容室１２内に収容された薬物Ｄが、オリフィス１４を通って噴射される。いくつかの実施例においては、薬瓶８０のオリフィスまたは図１Ａの実施形態の収容室は、使用に先立って適切な材料でシールされている。このシールは手で取り除くことができ、あるいは、薬瓶８０または収容室１２から噴射されるときの薬物Ｄの噴射圧力によって取り除くことができる。

一本のワイヤ３０が、ベース部分７０および７２の各側に配置されており、一端が先頭キャプスタン９０ａに取り付けられ、続いて中間キャプスタン９０ｂ、９０ｃ、９０ｄに巻き付けられ、他端が終端キャプスタン９０ｅに取り付けられている。ワイヤ３０に適切な張力を加えるため、コイルばね３７がピストン１８の周囲の、ベース部分７２と押込みブロック２２の間に配置され、さらにワイヤ３０の張力を調節するため、ラチェット機構９２が用いられている。キャプスタン９０ａ、９０ｃ、および９０ｅは導電性であり、それぞれの導電棒９４または９６に接続されている。キャプスタン９０ｂおよび９０ｄも導電性であり、それぞれの導電板９８または１００に電気的に接続されている。このとき、導電板９８および１００は押込みブロック２２によって互いに電気的に接続されているが、ピストン１８およびベース部分７２からは電気的に絶縁されている。２つの導電棒９４および９６は、ベース部分７０から電気的に絶縁されている。このようにして、導電棒９４および９６の間に電圧が印加されると、この電圧は各ワイヤ３０の４つの部分の両端に印加される。

１つの実装例においては、図８に示すとおり、図６Ａの投与装置１０が、一対のリード線５２でコントローラ５０に接続され、次いでコントローラ５０が、もう一対のリード線５６でキャパシタ・バンク５４に接続される。既に述べたように、バンク５４のキャパシタは、コントローラ５０内の電源または外部の電源によって充電される。充電が終わると、キャパシタはコントローラ５０からの指令により放電して、リード線５２を通して導電棒９４および９６を介してワイヤ３０の両端に電圧を供給する。ワイヤ３０は加熱して収縮し、ピストン１８をオリフィス１４に向かって押して、薬瓶８０の収容室１２の薬物Ｄをオリフィス１４から押し出す。

ブロックとして示されているが、ベース部分７０および７２は、特定の用途においては図６Ａの投与装置１０の使用を容易にする任意の適切な形状を有することができる。既に述べたように、投与装置１０をオペレータが保持する投薬器内に取り付けることもできる。

図９Ａおよび９Ｂならびに図６Ａを参照すると、投与装置１０を使用するため、オペレータは投薬器を、薬瓶８０の表面１０１が生体の皮膚Ｓに接触するよう位置合わせする。表面１０１を皮膚Ｓに位置合わせする前に、あるいは表面１０１を皮膚Ｓに接触して位置合わせする間、前述のとおりキャパシタ・バンク５４が充電される。次いで、オペレータはコントローラ５０を通して投与装置１０を起動し、キャパシタ・バンク５４を放電させることにより、ワイヤ３０両端に電圧を印加してワイヤ３０を収縮させる。ワイヤ３０が収縮すると、ワイヤ３０によって押し込みブロック２２が引かれてピストン１８を押し、次いでピストン１８がプランジャ８２をオリフィス１４に向かって押して、薬物Ｄを収容室１２からオリフィス１４を通って体内へと押し出す。キャパシタ・バンク５４のエネルギーが消滅すると、ワイヤ３０両端の電圧がなくなり、コイルばね３７が押込みブロック２２を薬瓶８０から遠ざけるように押すため、ワイヤ３０が元の長さに延びる。次いで、必要に応じて、収容室１２が、別の生体に注射される追加の薬物Ｄで再び満たされる。

図１Ａまたは５Ａの投与装置１０は、一回使用の装置として、あるいは多数回の使用に用いる装置として使用できる。多数回使用の装置として用いる場合には、各使用の間のサイクル時間を、０．５秒またはそれ以下にすることができる。

例えば、図１０においては、図１Ａの投与装置１０は貯蔵タンク１００に接続されており、この貯蔵タンク１００は、収容室１２に各回の注射のために充分な量の薬物Ｄを供給するとともに、約２０〜２００回あるいはそれ以上の注射のための充分な薬物を収容している。あるいは、個々の投与量を投与装置１０に順次に接続される複数の貯蔵タンク１００に蓄えることもできる。バルブ１０２が、貯蔵タンク１００を収容室１２の入口開口１０４に接続しているチューブ１０３に結合されている。バルブ１０２は、コントローラ５０または追加のコントローラの指令により開閉し、各回の注射のために所望の量の薬物Ｄが収容室１２内に入るようにする。図６Ａの投与装置１０も、先に述べたように動作する同様の貯蔵タンク１００に接続することができる。

図１０の投与装置１０の使用中において、コントローラ５０はバルブ１０２に開放の指令を出し、薬物Ｄを貯蔵タンク１００から入口開口１０４を通って収容室１２に流し込み、所定の時間後、コントローラ５０はバルブ１０２に閉鎖の指令を出して、一回の注射のため所望の量の薬物Ｄが収容室１２に保持されるようにする。

次いで、または収容室１２を薬物Ｄで満たす間、オペレータは投薬器を位置合わせして、頭部１７の表面６０が生体の皮膚Ｓに接触するように配置する。一方で、前述の通り、キャパシタ・バンク５４が充電される。次いで、オペレータはコントローラ５０を通して投与装置１０を起動し、キャパシタ・バンク５４を放電させることにより、ワイヤ３０両端に電圧を印加してワイヤ３０を収縮させる。ワイヤ３０が収縮すると、ワイヤ３０によって押込みブロック２２が引かれてピストン１８を頭部１７に向かって押し、薬物Ｄが収容室１２からオリフィス１４を通って体内に押し出される。キャパシタ・バンク５４のエネルギーが消滅すると、ワイヤ３０両端の電圧がなくなり、コイルばね３７が押込みブロック２２を頭部１７から遠ざけるように押すため、ワイヤ３０が元の長さに延びる。次いで、コントローラ５０がバルブ１０２に開放の指令を出して、収容室１２を別の生体に注射するための貯蔵タンク１００からの追加の薬物Ｄで満たす。

投与装置１０が複数回の使用を意図している場合、特定タイプの防護用無菌バリアを頭部１７と生体の皮膚Ｓとの間に設けて、後続の生体が先行の生体からの汚染に晒されるのを排除するか、あるいは少なくとも最小にすることが望ましい。

例えば、図１１には、供給ローラ１１０からのリボン１１１の供給を備える投与装置１０が示されており、供給ローラ１１０は支持具１１２によって投与装置１０に取り付けられている。シート状のリボン１１１が、表面６０（例えば、図１Ａを参照）と生体の皮膚Ｓとの間を通過する。使用後、リボン１１１は、支持具１１６により投与装置１０に取り付けられている巻取ローラ１１４に巻き取られる。リボン１１１は表面６０を覆うのに十分な幅を有し、表面６０が皮膚Ｓに接触することはない。リボン１１１は、例えば無孔の可撓性材料のような、生体間の交差汚染を防止する任意の適切な材料で作製される。

巻取ローラ１１４の動作、および随意ではあるが供給ローラ１１０の動作は、コントローラ５０または追加のコントローラによって制御できる。このようにして、使用時、投与装置１０は、オリフィス１４からリボン１１１を通して薬物Ｄを体内に注入する。薬物Ｄを体内に注入後、前述の方法に従って貯蔵タンク１００から追加の薬物Ｄを供給できる一方で、コントローラ５０はローラ１１４に指令を出して、十分な量のリボン１１１をＡの方向に巻き取り、この結果、次の生体は、注射の工程の間、リボン１１１の新しい無菌部分だけに晒される。

別の実施例においては、注射の後に、新しい無菌の頭部１７が投与装置１０に配置され、先の頭部１７は適切な方法で処分される。

次に図１２Ａおよび１２Ｂを参照すると、多数回使用の動作に適した投与装置１０の別の実施形態が示されている。投与装置１０に、例えば柔軟なウェブ１２０によって一体に接続された一連の薬瓶８０を備えている。薬瓶８０の拡大部分１２２および１２４（例えば、図７Ａを参照）は、ベース部分７０の溝１２６にはめ込まれる。このようにして、各回の注射の後、投与装置１０と別個または一体である駆動装置１５０が、ウェブ１２０したがって薬瓶８０を、薬物で満たされた、ベース部分７０の上部から供給される薬瓶８０が次の注射のためにピストン１８と適切に結合するまで、Ｂの方向に引っ張る。注射の工程は、例えば図６Ａの実施形態に関する前述の説明通りに進行する。このように、投与装置１０を「マシンガン」のように使用して、新しい薬瓶８０をベース部分７０の上部を通じて供給すると同時に、使用済みの薬瓶８０を基部７０の底部から引き出すことができる。駆動装置１５０は、コントローラ５０で制御できるが、別のコントローラで制御することもできる。薬瓶８０を、ベース部分７０の側方から供給および取り出すことも可能である。さらに、このような自動化構成を、図１〜４の投与装置１０に実装することも可能である。

いくつかの実施例においては、コントローラ５０は皮膚の特性を検出するセンサに接続される。この情報を用いてアクチュエータ２８をサーボ制御し、注入圧力、したがって、薬物の皮膚への浸透深さを特定の用途に合わせて調整することができる。例えば、投与装置１０を乳幼児に使用するとき、センサが乳幼児の皮膚の柔らかさを検出し、コントローラ５０が、この乳幼児の皮膚の特性を用いて、注入圧力を低くする。注入圧力は、例えばワイヤ３０に流す電流の振幅、および／または電流パルスの立ち上がり時間、および／または継続時間を制御することによって調整可能である。成人または皮膚が日焼けした者に対して使用されるとき、コントローラ５０は注入圧力を高くすることができる。注入圧力を、例えば患者の顔面と腕など、体における皮膚の位置に応じて調節してもよい。さらに注入圧力を調整して、薬物を皮膚の直下、あるいは奥深く筋肉組織まで送達することもできる。また、注入圧力を、時間と共に変化させてもよい。例えば、いくつかの実施例においては、最初に大きな注入圧力を使用して薬物で皮膚を貫通し、次いで低い圧力を使用して、薬物を送達する。高圧での注入は、収容室または薬瓶を密封しているシールを破るためにも使用できる。

皮膚は非線形な粘弾性物質である。細胞の機械的特性や組織間の付着における微視的な変化を、組織の静的または動的な機械特性の巨視的な変化として観測することができる。これらの要因が組み合わさって、外部からの刺激に反応する皮膚の挙動を決定する。加えられた静的な力の小さな力変動については、皮膚の機械的動力学特性は、皮膚の変形ｘ（ｔ）に対して加えられた力Ｆ（ｔ）に関する二次の機械系としてモデル化された線形機械系として近似することができ、以下の式で表される。

ここで、Ｉはｋｇ単位の皮膚の慣性であり、Ｂはｋｇ／ｓ単位の粘性であり、ＫはＮ／ｍ単位の剛性である。式（１）のラプラス変換を行なった後、皮膚の機械的コンプライアンスを周波数ωの関数として表わす等価伝達関数は、以下の式となる。

ここで、

および、

である。

上記の機械系についてボード線図（周波数に対するゲイン）を得ることができ、皮膚の剛性の増加に伴いコンプライアンスが減少することが示される。さらに、特化された確率的シーケンスを、Ｆ（ｔ）を調整することによって実行して、関連するパラメータを導き出すことができる。このようにして、皮膚の特性を、系の同定手法によって決定することができる。このような技法は、バイオメディカル・エンジニアリング年鑑（Ａｎｎａｌｓ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）、第２４巻、２５０〜２６９頁、１９９６年のＭｉｃｈａｅｌ Ｊ．ＫｏｒｅｎｂｅｒｇおよびＩａｎ Ｗ．Ｈｕｎｔｅｒによる論文「非線形生体系の同定：ボルテラ・カーネル・アプローチ（Ｔｈｅ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ：Ｖｏｌｔｅｒｒａ Ｋｅｒｎｅｌ Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ）」に記載されており、この全内容は参照により本明細書に引用したものとする。

次に図１３を参照すると、薬物投与装置１０と組み合わせた皮膚特性センサ２００が示されている。センサ２００は、ソース・プローブの一部である電磁駆動のボイス・コイル２０２を備えており、このボイス・コイル２０２は湾曲部２０４を有する検出器の一部である力変換器２０６に接続されている。次いで、力変換器２０６は、ソース・プローブおよび検出器の一部であるセンサ先端２０１を備える検出器の一部である線形可変差動変換器（ＬＶＤＴ）２０８に接続されている。図示の実施例では、ボイス・コイル２０２、力変換器２０６、およびＬＶＤＴ２０８がコントローラ５０などのコントローラに接続され、このコントローラ５０がセンサ２００を駆動し、またセンサ２００からの信号を受信する。センサ２００は投与装置１０と一体化することも、あるいは別個のユニットとすることもできる。図示の通り、センサ２００は投与装置１０内に配置され、センサ先端２０１はオリフィス１４（図１Ａ、５Ａ、および６Ａも参照のこと）の近くに置かれる。

したがって、投与装置１０をセンサ２００と共に使用するとき、最初に投与装置１０が生体の皮膚Ｓに接触して配置され、この結果、センサ先端２０１も皮膚Ｓに接触した状態になる。次いで、コントローラ５０が、例えば最大２０ｋＨｚでボイス・コイル２０２を駆動して、皮膚Ｓに振動を発生させ、同時に、力変換器２０６が、先端２０１が皮膚Ｓに加える力を検出し、さらにＬＶＤＴ２０８が皮膚Ｓの変位を検出する。このデータがコントローラ５０にフィードバックされ、次いでコントローラ５０が、前述の系の同定手法によって皮膚Ｓの特性を評価する。コントローラ５０は検出された皮膚Ｓの特性に基づきアクチュエータ２８に指令を出して、収容室１２内に収容されている薬物Ｄを、オリフィス１４を通して所望の注入圧力で噴射する。あるいは、収容室１２が形成されている本体部２１０を、センサ先端２０１として機能させることもできる。そのような実施例においては、本体部２１０がＬＶＤＴ２０８および力変換器２０６に結合され、収容室１２、本体部２１０、およびセンサ２００が一直線に配置される。

図１４にブロック図として示したセンサ構成３００などの、別の皮膚特性センサの構成も、投与装置１０において使用することができる。センサ３００は、堅固な枠体に垂直に取り付けた線形電磁アクチュエータ３０２（例えば、ブリューエル・アンド・ケアー社（Ｂｒｕｅｌ ａｎｄ Ｋｊａｅｒ）から市販されているモデル４９１０）を備えている。歪ゲージ型ロードセル３０４（例えば、ニュージャージ州フェアフィールドのエントラン社（Ｅｎｔｒａｎ）から市販されているモデルＥＬＦ‐ＴＣ１３‐１５）が、信号調節増幅器３０５を介してマルチメータ３０３（例えば、カリフォルニア州パロ・アルトのヒューレット・パッカード社（Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ）から市販されているモデルＨＰ９７２Ａ）で測定される静的な荷重に相当する系のＤＣオフセットを測定する目的で、アクチュエータの台座に取り付けられている。ロードセル３０４の下方には、圧電式加速度計３０６ａおよび圧電式力変換器３０６ｂからなるインピーダンス・ヘッド３０６（ブリューエル・アンド・ケアー社のモデル８００１）が位置している。この加速度計からの２つの出力は、皮膚に加えられた力およびその結果生じた加速度を示している。２つの電荷増幅器３０８’、３０８”（一般に３０８）（ブリューエル・アンド・ケアー社のモデル２６３５）が、力を比例電圧に変換し、加速度を二重積分して皮膚の変位を得る。アクチュエータ３０２は電力増幅器３１０を介して、Ｖｉｓｕａｌ ＢＡＳＩＣプログラムなどの動的信号解析器を模擬するアルゴリズムによって駆動される。このアルゴリズムは、所定の周波数範囲の掃引正弦信号を出力する。この変調は、ロードセル３０４の出力電圧から決定される初期の静荷重に加わる小さな擾乱である。次いで、測定されたアクチュエータ３０２の力および変位がデータ取得ボード３１２の２つの別々のチャンネルに入力され、これを用いて、コンピュータまたはコントローラ５０でコンプライアンス伝達関数ゲインおよび位相を計算する。１つの実施例においては、データ取得ボード３１２はチャンネルあたり５０ｋＨｚであり、多重化した場合には、チャンネルあたり１００ｋＨｚまで増加できる。Ａ／Ｄコンバータは１８ビット、±４．５Ｖであり、Ｄ／Ａコンバータは１８ビット、±３．０Ｖである。センサ２００に関して図１３に示したように、好ましくは、センサ３００も、コントローラ５０を通じて投与装置１０に組み合わされる。したがって、皮膚の特性は、センサ３００からのデータに基づいてコントローラ５０によって解析される。次いで、コントローラ５０は投与装置１０に指令を出して、薬物を適切な注入圧力で体内に注入する。

センサ２００および３００を、投与装置１０との組み合わせにおいて示したが、これらのセンサは、他の種類の医療用装置と組み合わせることもできる。例えば、センサを、磁気式、化学式、油圧式、およびばね式のアクチュエータを使用する無針注射器、ならびに２００２年７月１９日出願の米国特許出願第１０／２００，５７４号および２００２年９月６日出願の米国特許仮出願第６０／４０９，０９０号に記載の無針注射器など、他の形式の無針注射器と組み合わせて使用することができる。これらの出願の全内容は参照により本明細書に引用したものとする。さらに、センサを、微細針注射器ならびに２００２年９月９日出願の米国特許出願第１０／２３８，８４４号および２００２年１０月２１日出願の米国特許出願第１０／２７８，０４９号に記載の注射器など、針を使用する注射器と組み合わせることができる。これらの出願の全内容も参照により本明細書に引用したものとする。有利には、検出された特性を、針の深さおよび／または挿入力の制御に利用できる。

さらに、前述の通り、センサ２００、３００は、被験体の皮膚特性を測定するのに使用でき、あるいは、生体の他の表面の特性を測定するのにも使用できる。例えば、センサを用いて、外科手術において内部空洞または器官の表面など、対象の内部組織の特性を測定できる。

いくつかの実施形態においては、センサ２００および３００を独立ユニットとして構成することができる。すなわち、図１３および１４に関して説明したシステムの構成部品を、１つの筐体内に収めることができる。筐体を外部の電源に接続することができ、あるいは、電池などの内部電源を備えることができる。さらに、独立ユニットを、包帯や粘着剤を使用して患者の体に取り付けることができる着用可能な装置として構成することもできる。例えば、小型の力変換器および加速度計を、皮膚Ｓに取り付ける粘着帯に収めることができる。最初に、変換器は一定の時間（例えば、数秒）の間、共振周波数（例えば５０Ｈｚ）で共振する。変換器が皮膚Ｓを局所的に刺激し、加速度計が皮膚Ｓの変位を検出する。次いで、コントローラ５０は結果として生じた皮膚Ｓの変位をメモリに記録し、皮膚Ｓのコンプライアンス・ゲインを計算できる。さらに、コントローラ５０は、計算によって得たコンプライアンス・ゲインを使用し、皮膚Ｓの機械的挙動（例えば、剛性）を決定できる。さらにまた、コントローラ５０は、計算によって得た機械的挙動および／またはコンプライアンス・ゲインを使用して、皮膚Ｓの種類を特定することができる（例えば、乳幼児のものであるか、成人のものであるかなど）。最終的にセンサ２００、３００は、オペレータへの指示および／または医療用装置への制御信号として使用される信号または命令を生成できる。

本発明を好ましい実施形態により詳細に図示し、説明してきたが、当業者には、添付の特許請求項に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態または細部にさまざまな変更を加えるのが可能であることは理解されるであろう。例えば形状記憶合金の代わりに、収縮性ポリマーや他の任意の適切な収縮材料を用いることができる。投与装置１０は、複数の収容室１２を備えていてもよく、あるいは複数の薬瓶８０を収容してもよい。すなわち、投与装置１０によって、薬物Ｄを順次に、または同時に投与することができる。例えば、投与装置１０によって、２つ以上の薬物Ｄを同時に生体に投与することができる。

本発明による薬物投与装置の斜視図である。 図１Ａの薬物投与装置の側面図である。 図１Ｂの線１Ｃ‐１Ｃから見た薬物投与装置の端面図である。 コントローラおよびエネルギー源を備えた図１Ａの薬物投与装置の斜視図である。 図１Ａの薬物投与装置の形状記憶合金ワイヤが大きい歪みを受けたときの時間応答のグラフである。 図１Ａの薬物投与装置の形状記憶合金ワイヤが高速パルスを印加されたときの時間応答のグラフである。 可搬型の薬物投与装置の側面図である。 可搬型の薬物投与装置の正面図である。 可搬型の薬物投与装置の上面図である。 図４Ａ〜４Ｃに示した薬物投与装置の斜視図である。 図１Ｃの線４Ａ‐４Ａで切断された薬物投与装置の断面図であり、薬物投与前の図である。 図１Ａの薬物投与装置の薬物投与中の断面図である。 本発明による薬物投与装置の別の実施形態の斜視図である。 図６Ａの薬物投与装置の側面図である。 図６Ｂの線６Ｃ‐６Ｃから見た薬物投与装置の上面図である。 図６Ｂの線６Ｄ‐６Ｄから見た薬物投与装置の正面図である。 図６Ａの薬物投与装置の薬瓶の斜視図である。 図７Ａの薬瓶の断面図である。 コントローラおよびエネルギー源を備えた図６Ａの薬物投与装置の斜視図である。 図６Ｄの線９Ａ‐９Ａで切断された薬物投与装置の断面図であり、薬物投与前の図である。 薬物投与装置の薬物投与中の断面図である。 本発明による薬物投与装置の別の実施形態の断面図である。 本発明による防護用無菌リボンを備える図１０の薬物投与装置を示している。 本発明による薬物投与装置のさらに別の実施形態を示している。 本発明による薬物投与装置のさらに別の実施形態を示している。 皮膚の特性を検出するのに用いられる本発明によるセンサを備える薬物投与装置を示している。 皮膚の特性を検出するのに用いられる本発明によるセンサの別の実施形態のブロック図である。

符号の説明

１０ 薬物投与装置
５０ コントローラ
２００ センサ
２０１ センサ先端
２０２ ボイス・コイル
２０６ 力変換器
２０８ 線形可変差動変換器
Ｓ 皮膚

Claims (25)

1. 生体表面の外側層の表面を局所的に刺激するよう構成されたソース・プローブと、
   前記ソース・プローブによる刺激の結果として生じる外側層の応答を測定するよう構成された検出器とを備え、
   前記生体表面の外側層の特性を測定するよう構成されたセンサと、
   前記センサに接続され、特化された確率的シーケンスを用いて前記ソース・プローブを駆動し、
   前記検出器から受信した応答測定結果を使用して前記外側層の特性を決定するコントローラと、を備えた医療用装置。
2. 請求項１において、前記特性が系の同定手法により決定される医療用装置。
3. 請求項２において、前記生体表面が二次の機械系としてモデル化される医療用装置。
4. 請求項１において、前記生体表面が内部の生体表面である医療用装置。
5. 請求項１において、前記生体表面が被験体の皮膚である医療用装置。
6. 請求項１において、さらに、薬物を投与するために投与装置に結合されたサーボ・コントローラを備え、このコントローラが、前記生体表面特性に基づいて前記投与装置の投与特性を調節する医療用装置。
7. 請求項１において、前記ソース・プローブがボイス・コイルを備えている医療用装置。
8. 請求項１において、前記検出器が前記生体表面の変位を検出する加速度計を備えている医療用装置。
9. 請求項１において、前記検出器が前記生体表面の変位を検出する線形差動可変変換器を備えている医療用装置。
10. 請求項９において、前記検出器が前記生体表面の静的な変位を測定する歪ゲージをさらに備えている医療用装置。
11. 請求項１において、さらに、前記センサに結合され、前記決定された外側層の特性に応じて生体に薬物を注入する薬物注射装置を備えている医療用装置。
12. 請求項１１において、前記薬物注射装置が無針注射器を備えている医療用装置。
13. 生体の外側層の特性を測定する方法であって、
    前記生体の外側層にセンサを接触させて配置し、
    特化された確率的シーケンスを用いて、前記センサで前記生体の外側層を刺激し、
    前記刺激に対する前記生体の外側層の応答を測定し、
    前記特化された確率的シーケンスの刺激に対する前記応答の測定結果に基づき、前記生体の外側層の特性を決定する方法。
14. 請求項１３において、前記特性の決定が系の同定手法を用いることをさらに含んでいる方法。
15. 請求項１４において、さらに、前記生体の外側層を二次の機械系としてモデル化することを含んでいる方法。
16. 請求項１３において、さらに、薬物を投与するための投与装置の投与形態を調節することを含んでいる方法。
17. 請求項１６において、前記投与装置が薬物注射装置である方法。
18. 請求項１７において、前記薬物注射装置が無針注射装置である方法。
19. 請求項１６において、前記調節が、前記決定された特性に基づいてサーボ・コントローラを用いて実行される方法。
20. 請求項１６において、前記生体の外側層を刺激することが、ボイス・コイルを前記外側層に接触させて配置し、一定の周波数で駆動することを含んでいる方法。
21. 請求項１６において、前記刺激に対する前記生体の外側層の応答を測定することが、前記外側層の変位を測定することを含んでいる方法。
22. 薬物を生体に注入する装置であって、
    前記生体に投与される前記薬物を保持するための薬物注射器と、
    生体の皮膚の特性を測定する皮膚センサと、
    前記薬物注射器および前記皮膚センサに結合され、および前記皮膚の特性に基づいて前記薬物注射器の注入圧力を調節して、前記薬物を前記生体に選択的に投与するサーボ・コントローラと、を備えている装置。
23. 請求項２２において、前記皮膚センサが特化された確率的シーケンスを用いて前記生体の特性を測定する装置。
24. 薬物を生体に注入する方法であって、
    前記生体に投与される前記薬物を薬物注射器内に保持し、
    生体の皮膚の特性を測定し、
    前記皮膚の特性に基づき、サーボ・コントローラと用いて前記薬物注射器の注入圧力を調節し、前記生体に前記薬物を注入する方法。
25. 請求項２４において、前記皮膚センサが、特化された確率的シーケンスを用いて前記生体の特性を測定している装置。

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