JP2007533381A - 注入ポンプの閉塞を検出する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】本発明は、流体の移送状態の特徴を特定することができる信号に従い、その２つの試験信号の間の差から閉塞が生じたか否かが決定される、閉塞を検出する方法に関する。また、流体圧力及び（又は）力を測定するセンサと、上記請求項の何れか１つの項に記載された方法を実行することのできる評価装置とを備える、閉塞を検出する装置も開示される。

Description

本発明は、注入ポンプの閉塞を検出する装置及び方法に関する。携帯型注入ポンプ内の流体路の閉塞、すなわち、詰まりは、医薬が誤って排出されない時間を最小にするため、可能な限り迅速に検知しなければならない。

本発明は、患者が自己の身体にて装用し、また、医薬の（半）連続的な吐出を保証する極小型の注入ポンプの分野に特に関する。

これらシステムの特別な危険性は、カテーテル又は注入カニューレの何れかが詰まる（閉塞）可能性があることである。それに伴う吐出の中断は、そのまま放置されるならば、患者の生命を脅かす状況に到る可能性がある。一時的な閉塞がその閉塞が検出される前にそれ自体で解消するならば、保持された医薬の全体量が自動的に投与される。この過剰投薬は、同様に、危険な状況に到る可能性がある。この問題点は、例えば、インスリン皮下持続注入法（ＣＳＩＩ）を使用する真性糖尿病の治療にて既知である。

本発明の特別に有利な効果は、特に、次のように、インスリン皮下持続注入法（ＣＳＩＩ）にて見ることができる。

閉塞が生じた後、より迅速に患者に警告することができ、患者は、自分自身でそれを修復するため適当な措置をとる（例えば、カテーテルを交換する）ことができ、また、適当であるならば、潜在的に危険な状況が発現する前に、既に上昇した血糖レベルを矯正することができる。このように、提案された発明は治療の安全性を向上させるものである。

閉塞を検出するのに必要な時間は、吐出量の減少に伴って増すため、この時間は、医薬の必要量が少ない患者（例えば、子供）にて特に極めて重要である。これらの場合、迅速な検出方法を使用してのみ安全な治療が可能である。

原理上、インスリンはかなりの高濃度にて使用することが望ましいが、これは、現在、特に、閉塞の発生と閉塞の検出との間の遅れが長くなることによって妨げられている。提案された方法は、より高濃度のときでさえ、許容可能な検出速度を許容し、このため、より小型で且つより目立たないポンプを使用することができる。

可搬型注入ポンプの閉塞の検出は、現在のシステムにて、例えば、国際出願公開明細ＷＯ ０１７２３５７号、米国特許明細書００５６４７８５３号又はドイツ国特許明細書１９８４０９９２号に記載されているように、力センサによってモータ電流及び（又は）歯車機構内の反力を測定することにより行われる。この状態は、主として装置がアンプルストッパに加える力Ｆの閾値を比較し又は、例えば、回帰線を計算することによりその時間誘導値ｄＦ／ｄｔの数値近似により、評価することができる。これらの方法は、依然として、測定は閉塞をゆっくりのみ反映し、また、測定は、全体として広範囲に渡って変動する全系統の影響変数（例えば、歯車機構及びアンプルストッパの摩擦）に依存するため、検出の遅れが長引き、このため、選ばれる閾値は不正確な検出を回避し得るよう大きくなければならない。このため、既知の方法によれば、検出の遅れを著しく減少させるためには、極めて狭い制限値内にて全ての影響を与える変数を制御することを必要とし、このため、技術的に複雑で且つ高価なものとなろう。

信号を評価し且つ閉塞の警報を発生させるための提案された方法は、純粋に力の測定と関連して使用することもできる。この目的のため、必要とされる制御システムは、例えば、ポンプのファームウェアに一体化することができる。

閉塞を迅速に検出するための提案された方法は、例えば、（略）急激な変化によって閉塞を正確に表わす測定信号の実時間評価に基づくものである。流体圧力は、測定信号として特に適しており、それは、流体圧力は、その他の信号の場合よりも閉塞の発生をより迅速に且つより鋭感に正確に表わすからである。圧力は、好ましくは、商業的に入手可能な圧力センサ（例えば、圧電抵抗型ホイートストン・ブリッジ）にてポンプの出口で測定することが好ましい。

図１には、かかるシステムの関連する構成要素、すなわち、医薬リザーバ１、カテーテル２、カニューレ３、歯車機構４、モータ５、ポンプ制御装置６、例えばディスプレイのような、ユーザインタフェース、ブザー、振動器、キーボード７、電源８及び圧力測定装置９が示されている。例えば、電圧の形態にて、センサ１０により提供された測定信号は、下流のアナログ・デジタル変換器１２を有する増幅器１１により処理される。

センサ１０は、例えば、アンプル１、カテーテル２、及び（又は）カニューレ３内の流体圧力を測定することができる。

しかし、提案された評価方法は、例えば、歯車機構の反力Ｆのようなその他の測定信号に対して使用することもできる。例えば、圧力の測定又は力の測定のため、その他の適当なセンサを使用してその他の測定信号に適応化することは、本明細書に記載した説明に基づいて容易に可能である。

閉塞の検出方法に対して、圧力信号を連続的に記録することが望ましいが、必須のことではない。その代わり、例えば、医薬を排出する前又は排出した後、若しくは連続的な間隔にて、例えば、直接的に、画成された時間に個々の測定を実行することができる。測定時間を正確に選択することは、閉塞の検出のため重要ではない。測定装置９の電力消費量を最小に維持するため、測定装置は連続的に作動させる必要はなく、その代わり、例えば、測定時間にのみ電源８からのエネルギによりポンプ制御装置６によって作動させることができる。

信号の評価については、以下に、一定の走査間隔Δｔにて行われる走査に基づいて説明する。可変の走査間隔の場合、同一の方法を使用することができる。この場合、圧力差ｐ_ｉ−ｐ_ｉ−１（１は、連続的な測定指数）及び関係した差分係数を次式のように使用することができる。

ｐ_ｉ−ｐ_ｉ−１／ｔ_ｉ−ｔ_ｉ−１
閉塞の検出は、ポンプ制御装置６のマイクロプロセッサにてアルゴリズムを使用して実行されることが好ましい。しかし、この閉塞の検出は、特殊な機器構成要素を使用して行うこともできる。

図２ａは、閉塞が時間ｔ_閉塞１４にて生じるとき、ポンプ出口１３における流体圧力の概略図である。図２ｂには、圧力の時間誘導値が示されている。閉塞が生じる前、圧力（雰囲気圧力に対する）は、平均零（１５）であり、その後、圧力はほぼ直線状に上昇し、時間単位当たりの上昇は、それぞれの時間誘導値（１８、１９）から理解し得るように、高吐出量（１７）のときよりも低吐出量（１６）のときの方が小さい。

しかし、実際には、圧力信号は、閉塞の発生を知らせるため警報が鳴るときの圧力上昇と同一程度の大きさとなる可能性がある、多数の高周波数及び低周波数の妨害による影響を受ける。特に、携帯型注入ポンプの恒久的な使用時の典型的な特徴は、ポンプ及び注入箇所ｈ_注入（カニューレの座部）の測地高さｈ_ポンプは、同一ではなく、また、一定でない（例えば、ポンプを作動させるとき、注入箇所、配置の位置を変化させるとき等）。カテーテル内の柱状医薬の液圧力のため、高さの差Δｈ＝ｈ_ポンプ−ｈ_注入の結果、これに比例する圧力信号となる。

図３には、閉塞時間（２１）にて１μｌ／ｈの吐出量の実際の状態にて生じる圧力プロファイル（２０）の一例が示されている。閉塞が開始する前に圧力ピーク値（２２）となる明確な変動が存在し、また、閉塞が開始した後、極めて長い一定の又は降下する圧力（２３）段階も存在する。

このため、本発明において、直接的な圧力信号ｐを評価する代わりに、適当な（非直線）フィルタリングを使用して次の特性を有する変更した圧力信号Ｐ＝ｆ（ｐ）を決定することが提案される。

閉塞時に生じる連続的な圧力上昇は、実質的に遅れ無しにて且つ、減衰無しにてｐからＰに伝達される。

その他の変動及び急激な変化は、極めて強力に減衰されるため、これらが誤警報に到ることはない。

閉塞の圧力上昇は、極めてゆっくりとのみ伝達するため、単純な（線形）低通過フィルタは、この目的にとって適当ではない。

提案されたフィルタリングは、走査する間の圧力上昇Δｐ＝ｐ_ｉ−ｐ_ｉ−１を制限するステップから成っており、次のように変更した圧力信号は計算される。

Ｐ_０＝０（初期化）
ΔＰ_ｉ＝ｆ（Δｐ_ｉ）
Ｐ_ｉ＝Ｐ_ｉ−１＋ΔＰ_ｉ
ここで、ｆは、圧力上昇を制限する伝達関数である。最も簡単な場合、ｆは、勾配０及び１を有する３つの線形セグメントから成る、図３による非線形関数である。閾値ｐ_限界は、走査間隔当たりの変更圧力信号における最大の変化を画成する。これは、閉塞時に各吐出毎に生じる圧力急上昇Δｐ_閉塞は可能な限り完全に伝達される一方、ポンプの急激な上昇又は降下は、その後の検出アルゴリズムに何らの応答を生じさせないように選ぶ必要がある。従って、閉塞の検出のため、単純な閾値λが変更した圧力信号に与えられるならば、これは次式を意味するものでなければならない。

Δｐ_限界 ≧ Δｐ_閉塞
ｃΔｐ_限界 ＜ λ
ここで、ｃは、必要とされる検出の安全性及び誤警報の許容可能な発生率によって決定される定数である。Δｐ_閉塞は、吐出量の増大と共に上昇するため、Δｐ_限界はまた、吐出量の増大と共に増すよう選ぶ必要がある。

図４に示した関数に加えて、ｆは、図５に従って次式で示す別の線形関数とすることもできる。

｜Δｐ｜≦Δｐ_限界の場合、ΔＰ／Δｐ＝１
｜Δｐ｜≦Δｐ_限界の場合、０＜ΔＰ／Δｐ＜
その結果、Δｐ_閉塞の選択は重要ではない。これと代替的に、常時、差があるようにすることのできる同様のプロファイルの関数を使用することが可能である。

図６には、変更した圧力信号を得るための信号の流れが示されている。ｆの具体化は、解析関数又は検索表によって行われる。

上記に掲げたフォーミュレーションにおいて、Δｐ_限界、従って伝達関数ｆは、実際の吐出量に基づいてのみ画成される。しかし、検出の安全性を向上させるためには、雑音及び妨害レベルを含めることによりｆを適応化することが推奨される。このようにして、高妨害レベル（例えば、スポーツ活動の間）にて誤警報が生じることなく、低妨害レベル（活動休息、夜間等の間）にて閉塞が可能な限り迅速に検出されることを保証することが可能である。妨害レベルに適した汎用的で且つ単純な測定方法は、次式による第二の差Δ（Δｐ）である
Δ（Δｐ）_ｉ＝Δｐ_ｉ−Δｐ_ｉ−１＝ｐ_ｉ−２ｐ_ｉ−１＋ｐ_ｉ−２
これは、第二の時間誘導値の近似値を表わす。（Δｐ）が小さければ小さい程、より大きいΔｐ_限界を選ばなければならない。Δｐ_限界＝ｇ（Δ（Δｐ））の選択は、図８又は同様の関数に従ってｇにて行われる^１。Δｐ_限界をΔ（Δｐ）の単一の値から決定せず、その代わり、（Δ（Δｐ）に対してフィルタすることも可能である。このことは、摺動平均値又はその他の線形又は非線形低通過フィルタによって行うことができる。

このようにして変更した圧力信号Ｐの場合、例えば、閾値λにより閉塞の検出を極めて容易に行うことができ、閾値λを超えたとき、閉塞警報をトリガーさせることができる。λは一定とし又は吐出量の関数として選んでもよい。

しかし、Ｐに対して直接的な閾値を使用することに代えて、次式に従って関数Ｕ（初期化Ｕ_１＝０）の再帰的計算方法を使用することが特に有益であることが判明している。

Ｕ_ｉ＝Ｕ_ｉ−１＋（ΔＰ_ｉ−ｋ）
Ｍ_ｉ＝ｍｉｎＵ_{ｋ
１≦ｋ≦ｉ}
Ｒ_ｉ＝Ｕ_ｉ−ｍ_ｉ
ここで、ｋは、閉塞時の走査当たりの最小圧力上昇（吐出量に依存する）である。平均２ｋ以下である（例えば、センサのドリフトによる）圧力差を有する圧力上昇の結果、確実に閉塞警報となることはない。閉塞の検出は、Ｒを閾値λと比較することにより行われる。

Ｒ_ｉ≦λならば、閉塞無し
Ｒ_ｉ＞λならば、閉塞
この方策の特別な確実さは、次の検討事項から理解することができる。閉塞が生じない限り、項Δｐ_ｉ−ｋは平均マイナスであり、このため、Ｕ_ｉもまた益々大きいマイナスとなる（雑音の結果、プラスの加数となる場合でさえ）。従って、ｍｉｎＵは、益々大きいマイナスとなり、このことは、Ｕと顕著に相違しない（最高値に向けた孤立値がないならば、このことは各時点にてｍ_ｉ＝Ｕ_ｉであることを意味するであろう）。このため、Ｒは常にプラスであり且つほぼ零である。ΔＰに対する個別の「最高値に向けた孤立値」は、Ｕの顕著な増大に到らず、このため、閉塞の誤検出に到ることはない。

閉塞が生じた後、項Δｐ_ｉ−ｋは平均にてプラスであり、このため、Ｕは、また平均値にて増大する（雑音の結果、マイナスの加数となる場合でさえ）。ｍｉｎＵは、最早、変化しないため、Ｒはまた上昇し、勾配（ｋによる）は、Ｐの場合よりも僅かに小さくなる。全体としてΔＰに対する個別の「最小値に向けた孤立値」は、またＵの顕著な降下に到ることはない。

図９及び図１０において、振舞いが単に一例として示されている。図９には、最小に全体的な関数ｆ（閉塞の検出のΔＰに相応する）が示されている。最初、平均値は、ｆ´_１＝０であり、重ね合わせた通常分配される雑音は、σ＝５の標準偏差を有する。指数ｉ_ｊｕｍｐ＝３００のとき、平均値はｆ´_２＝０．５に急上昇する（閉塞の開始）一方、雑音は無変化のままである。図１０には、Ｕ（青）、ｍ＝ｍｉｍＵ（緑）及びＲ（赤）のプロファイルが示されている。比較のため、ｆ_１の合計（Ｐに相応する、青緑色）が更に示されている。Ｕは、最初、平均値にて減少し、ｉ＝２５０にてその最小値に達する（雑音無しであるならば、Ｕはｉ＝３００となるであろう）、また、Ｒは最初、極めて小さい。ｉ＞ｉ_ｊｕｍｐの場合、Ｕ、従ってＲもまた連続的に上昇する。ｉ＝４００の場合、Ｒは、急上昇する前、既に、最大値以上であることが明白である一方、これは依然としてｆ_ｉの合計値に当て嵌まり、このため、Ｒは、迅速に検出するためにより好ましい。時間の経過に伴い、双方の関数は互いに更に近似する^２。この方法は、ペイジ−ヒンクレー停止規則（Ｐａｇｅ−Ｈｉｎｋｌｅｙ Ｓｔｏｐｐｉｎｇ ｒｕｌｅ）として文献から既知であり、通常分配された雑音であると想定するならば、この方法は、平均検出時間を最小にすることが示されている。

極端な妨害のため、圧力信号を評価することができない極めて不利な条件の下でさえ、閉塞を検出することを許容するため、本明細書にて提案された方法を従来から使用された１つ又はより多くの方法（モータ電流又は歯車機構の反力の測定法）と組み合わせることが可能である。２つの方法が考えられる。

閉塞の検出のための異なる方法は、互いに平行に且つ独立的に作用する。１つの方法（ＯＲ関数）により検出されたとき、常に、閉塞が想定される。

圧力信号の妨害レベルは恒久的に監視される（例えば、２回目の時間差を評価することにより、上記参照）。高信頼性の評価が最早、保証されない閾値を超える妨害レベルであるならば、圧力利用の閉塞測定値は、一時的に不作動となり、不正確な警報を回避し、それに代えて別の方法が採用され、圧力信号の妨害レベルの測定が続行される。その妨害レベルが所定の閾値以下に降下するならば、より敏感な圧力利用の閉塞検出の方法に切り換えられる。

特に有益な変更例は、双方の代替例が組み合わされたものである。この場合、異なる方法は平行して作用する。個別の方法の開始信号（例えば、圧力及び歯車機構の反力を測定する場合、Ｒ及びＦである）は、ファジー及び論理演算の助けの下、組み合わされる。圧力測定値は、力測定値と比較してより強力に過重値が与えられるならば、雑音信号は益々、低下する。上述した２つの代替例は、圧力信号に対して極めて小さい妨害及び極めて大きい妨害の限界値を提供する。

また、圧力信号（例えば、線形又は非線形の回帰関数の勾配）から更なる閉塞判定基準を生成させ、また、これらをファジー及び論理演算により本明細書にて提案された方法と組み合わせることが可能である。

このため、閉塞の場合、さもなければ走査当たり（ほぼ）一定の圧力上昇は、完全に伝達しないであろうから、単純な差Δｐに基づいて妨害レベルを決定することは適当ではない^１。

ｋのため、ｆ_ｉの合計値は、幾つかの時点にてＲよりも大きくなるであろう^２。

本発明の一実施例の各構成要素を示す図である。 図２ａは、ポンプ出口の流体圧力を示すグラフである。

図２ｂは、図２ａの導関数のグラフである。
実際の圧力グラフの一例である。 圧力変化の関数を示すグラフである。 圧力変化の関数を示すグラフである。 修正圧力信号を得るための信号の流れを示す図である。 圧力と修正圧力を示すグラフである。 圧力変化の関数を示すグラフである。 実例を示すグラフである。 実例を示すグラフである。

Claims (10)

1. 流体の移送状態の特徴を特定することができる信号が測定され、その測定された２つの信号の間の差から閉塞が生じたか否かが決定される、閉塞を検出する方法。
2. 請求項１に記載の方法において、例えば、アンプル（１）、カテーテル（２）及び（又は）カニューレ（３）内の流体圧力が測定され且つ（又は）力、特に、歯車機構の反力が測定される、方法。
3. 請求項１又は２の何れかに記載の方法において、測定された信号はフィルタされる、方法。
4. 請求項３に記載の方法において、フィルタリングは、時間的に連続的な測定の間の圧力上昇を制限することにより実行される、方法。
5. 請求項１ないし４の何れか１つの項に記載の方法において、信号の測定は連続的に及び（又は）個別に実行される、方法。
6. 請求項１ないし５の何れか１つの項に記載の方法において、測定された信号をフィルタリングし及び（又は）評価するため、それぞれの吐出量が考慮される、方法。
7. 請求項１ないし６の何れか１つの項に記載の方法において、測定された信号をフィルタリングし及び（又は）評価するため、圧力信号の妨害レベルが考慮される、方法。
8. 請求項１ないし７の何れか１つの項に記載の方法において、測定された信号に基づいて閾値演算子によって閉塞が選ばれる、方法。
9. 請求項１ないし８の何れか１つの項に記載の方法において、ページ−ヒンクレー停止規則を使用することにより閉塞が検出される、方法。
10. 流体圧力及び（又は）力を測定するセンサ（１０）と、請求項１ないし９の何れか１つの項に記載された方法を実行することのできる評価装置（９ないし１２）とを備える、閉塞を検出する装置。

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