JP2011020003A - 注入装置用の光学的偏位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】供給装置用の光センサを提供すること。
【解決手段】物質（例えば流体）をリザーバ（３４）から移すピストン（３０）を有する供給装置用の光センサ。光センサは光源（４２）と、ピストンに連結されたプランジャロッド（３８）に沿って配置された符号化特徴をイメージングするための検出器アレー（４４）と、を有する。符号化特徴のパターンによって、基準の位置と関連するプランジャロッドの絶対位置が、独自に決定され得る。このように、リザーバに残っている流体量、流体供給の速度およびリザーバの適切な負荷が正確に確認され得る。加えて、符号化は、例えば、分配される治療薬の異なる濃度に対応するさまざまなバージョンにおいて供給され得るリザーバのバージョンを独自に識別するのに役立つことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は物質（例えば医療用薬剤）の供給源および／または量をモニターするための光センサに関し、供給装置によって供給される。

患者の体内に物質（例えば薬またはインスリン）をローカルリザーバから供給するために使用される装置（例えばポンプまたは手動ペン）は、物質の意図した供給速度を妨げる得る問題となる傾向がある。そのような問題は、凝固、機械的粘着、または投与される物質の誤確認を含み得る。従って、供給された物質の源が供給装置によって明らかに識別されること、物質のリザーバの適切な負荷を確認すること、リザーバ内の物質の瞬時の容量を確認できること、および供給速度と残りの液体の正確な量の両方を正確にモニターすること、は望ましい。類似の出願（例えば、Schneiderらによる米国特許Ｎｏ． ４，４９８、８４３に記載されている）の光モニターの従来の使用は、供給速度の測定に限られていた。

さらに、上述した機能が正確さおよび効果的の両方で提供されることは望ましい。

（発明の要約）
本発明の好ましい実施形態に従って、平行移動するピストンを有するタイプの分配装置用の偏位センサが提供される。該センサはピストンに連結するプランジャロッドを備え、該プランジャロッドは特徴を符号化する符号化パターンを有する。光源は符号化パターンを照らし、そして、検出信号を基礎として、プロセッサが起点の基準位置に関するプランジャロッドの偏位を決定するように、検出アレーは照らされた符号化パターンから光を検出して、検出器信号を生成する。装置によって分配される物質の供給速度は、また決定され得る。加えて、符号化パターンは、例えば、分配装置によって供給される治療薬の異なった濃度によって特徴づけられるリザーバタイプを識別するのに役立つことができる。
（項目１）
平行移動するピストンを有する物質の供給装置用の偏位センサであって、
a． 特徴を符号化する符号化パターンを有するピストンに連結されたプランジャロッド；
b． 符号化パターンを照らす光源；
c． 照らされた符号化パターンから光を検出して、検出器信号を生成する検出器アレー；および
d． 少なくとも該検出器信号に基づく起点の基準位置と関連するプランジャロッドの偏位を決定するプロセッサ；
を備える偏位センサ。
（項目２）
上記符号化特徴は、プランジャロッドを通した調整された光学的透過の領域である、項目１に記載の偏位センサ。
（項目３）
上記符号化特徴は、プランジャロッドによる調整された光学的反射の領域である、項目１に記載の偏位センサ。
（項目４）
上記符号化特徴は、プランジャロッドを通した強化された透過の複数のスロットである、項目１に記載の偏位センサ。
（項目５）
上記各々のスロットは、距離のユニークな組合せによって、最も近い隣の各ペアから偏位される、項目４に記載の偏位センサ。
（項目６）
上記スロット間のどのような二つの隣接した間隔の組合せは、独自にリザーバの特徴を識別する、項目４に記載の偏位センサ。
（項目７）
上記リザーバの識別された特徴は、起点の位置と関連する偏位である、項目６に記載の偏位センサ。
（項目８）
上記リザーバの識別された特徴は、プランジャロッドが関係するリザーバの内容である、項目６に記載の偏位センサ。
（項目９）
上記リザーバの識別された特徴は、少なくとも一つの直径および壁の構成材料を含む、項目６に記載の偏位センサ。
（項目１０）
上記光源は、プランジャロッドの領域を実質的に均一の光学強度で照明するための光学拡散器を含む、項目１に記載の偏位センサ。
（項目１１）
上記特徴を符号化する符号化パターンは、プランジャロッドに沿って繰り返す、項目１に記載の偏位センサ。
（項目１２）
a． 物質を含む円筒状内部容量を有するリザーバ；
b． 物質の測定された量を移動させて供給するためにリザーバの内部容量の中で運動の線形軸に沿ってピストンを推進するためのプランジャロッド；
c． 該ピストンの運動の線形軸と平行な方向にプランジャロッドに沿って配置された、特徴を符号化する符号化パターン；
d． 照らされた符号化パターンから光を検出して、検出器信号を生成するための検出器アレー；および
e． 少なくとも該検出器信号に基づく起点の基準位置と関連してプランジャロッドの偏位を決定するためのプロセッサ；を備えた供給装置。
（項目１３）
上記符号化特徴は、プランジャロッドを通して調整された光学的透過の領域である、項目１２に記載の供給装置。
（項目１４）
上記符号化特徴は、プランジャロッドを通して強化された透過の複数のスロットである、項目１２に記載の供給装置。
（項目１５）
上記各々のスロットは、距離のユニークな組合せによって、最も近い隣の一対から偏位される、項目１２に記載の供給装置。
（項目１６）
１以上のリザーバのバージョンを有し、上記符号化パターンは、リザーバのバージョンを独自に決定する、項目１２に記載の供給装置。
（項目１７）
物質のリザーバの中で、運動の軸に沿って駆動するピストンを有する分配器によって、物質を分配する速度を測定する方法であって；
a． 該ピストンに連結されたプランジャロッドに配置した特長を符号化する符号化パターンを照明すること；
b． 照らされた符号化特徴から光を検出して、検出器信号を生成すること；および
c． .少なくとも検出器信号に基づく起点の基準位置と関連してプランジャロッドの偏位を決定すること；を包含する方法。
（項目１８）
上記光を検出する工程が、照明された符号化特徴のイメージを得ることを更に含む、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
上記偏位を決定する工程が、符号化特徴を通した光透過のピークの位置を決定することを更に含む、項目１７に記載の方法。
（項目２０）
上記各々の連続した検出器配列値を、n個のソフトウェア配列要素の各々の連続したグループに保存する工程を更に備える、項目１７に記載の方法。

図１は、従来技術の医療流体ポンプの基本的な構成を示す。 図２は、本発明の好ましい実施形態に従う液状薬剤の供給のための光学的リニアエンコーダの模式図である。 図３は、本発明の実施形態に従う光学的リニアエンコーダを含んでいる医療流体ポンプの斜視図である。 図４は、医療流体ポンプに適用される本発明に従う光学的リニアエンコーダの実施形態の分解図である。

（特定実施形態の詳細な説明）
治療薬を患者の体内に供給するためのポンプの主要素は、図１に関して記載されている。
薬剤リザーバ１１（典型的には円筒形状）は、ハウジング１６内に保持され、供給管１８および皮下注射針（図示せず）を介して患者に供給される液状薬剤を含む。そのリザーバに含まれる液状薬剤は、リザーバの軸と同軸方向８に沿って、ピストン３０の線形運動によって、決定された速さでリザーバから押し出される。減速ギアドライブを介してスクリュードライブ１４に連結されたモーター（見えない）によって、ピストンは、順番に、所定の速度で駆動されるプランジャロッド１２によって動かされる。本発明は、ポンプ（例えばインスリンペン）以外の供給装置のために都合よく適用され得ると理解され、同様に、様々な流体の供給、または薬剤または他の物質であり得る物質の供給装置のために都合よく適用され得ると理解される。ポンプの、そして患者への治療薬の供給に関する説明は限定することなく、そして、実施形態だけとしてある。本発明の実施形態は、例えば、給水に浄化剤の供給のためにも、都合よく適用され得る。供給される流体は典型的には液体であるが、本願明細書において記載され、そして添付の特許請求の範囲でクレームしているように、他の物質の供給もまた本発明の範囲内である。

ピストンが液状薬剤を所定の速度で供給するために、ポンプモータが駆動される速度は、リザーバの断面（つまり、ピストンのユニット線形運動につき放出された薬剤の容量）およびリザーバに含まれる流体内の薬剤濃度を基にしてプロセッサによって支配される。

本発明の好ましい実施形態に従って、光学的リニアエンコーダは、絶対ピストンおよびプランジャロッドの運動の速度の両方を決定するために用いられる。加えて、リザーバおよびピストンが一体型ユニットとしてユーザに供給され得るので、後で詳しく述べるように、付加的情報がプランジャロッドに符号化され得る。

特に、四つの機能性が流体供給に関連して使用されるセンサに提供されることは、望ましい：
a． 供給精度をモニターすること；
b． リザーバ（例えばその内容に関して）の特徴を識別すること；
c． リザーバに残っている流体量を決定すること；および
d． リザーバの適切な負荷を検査すること。

本発明の好ましい実施形態に従ってのように、上記機能性の全てが単一のセンサによって提供される場合、特に有利である。

本発明の好ましい実施形態に記載のように、リザーバの識別が注入装置によって供給される薬の流体の濃度と関係している場合、プログラムされた投薬は、直線距離に変換され得る。

好ましい実施形態では、透過タイプ（transmission-type）の符号化が使用されるが、いかなる類似の反射タイプ符号化も本発明の範囲内である。図２を参照すると、ピストン３０が、オリフィス３６からリザーバ３４の液体成分を押し出すために、軸３２に沿って駆動される。ピストン３０は、プランジャロッド３８によって推進され、それはリードねじ４０が回転するにつれて進む。透過タイプ符号化の好ましい実施形態において、光源４２および検出器４４は、プランジャロッド３８の両側に配置されている。本願明細書で使用しているように、用語「検出器」は、文脈が要求しているかぎり、検出器の配列のことをいう。検出器または検出器の配列は、本願明細書において、「イメージセンサ」または「イメージ配列」のことをいう。用語「検出器アセンブリ」は、プリアンプおよび信号ー調節電子機器に関連して検出器または検出器の配列のことをいう。検出器４４によって認識され得る特徴４６によって、そのような実施形態では、プランジャロッド３８が符号化される。

本発明の一実施形態に従って、符号化特徴４６はピストンの移動３２軸に直交するスロットであり、プランジャロッド３８にしるしを付ける。別の実施形態では、丸い（またはそれ以外は形の）穴または軸３２に平行なスロット、楔形または他の光伝送の特徴が、限定されるものではないが、実施形態のためにだけに記載した上記全てに適用され得る。スロット４６または他の光学的な透過の特徴は、完全に光学的に透過し得るか、又はソース４２と検出器４４との間で透過される光（点線４８によって示される）の若干の検出可能な特徴を変調し得る。透過する特徴４６は、従って、フィルタ（中立密度またはその他の）を使用でき、それによって、透過光の強度および／またはスペクトル特性を調整し、または、偏光器または遅延プレートを使用でき、それによって透過光の偏光または位相を調整する。本願明細書において記載し、および添付の特許請求の範囲でクレームしたように、符号化透過光の全てのそのような技術は本発明の範囲内である。

本発明の好ましい実施形態に従って、下記により詳しく説明するように、検出器４４は、好適には単にプランジャロッドの一部の領域だけに広がるが、検出器４４およびプランジャロッド３８のどのような相対寸法も本発明の範囲内である。

光源４２から検出器４４への光の経路は、示されるように、プランジャロッド３８を通した直接の伝送のうちの１であり得る。あるいは、符号化４６は、光源４２と同じ側のプランジャロッド３８の検出器４４の適切な配置によって、反射において検出され得る。光源４２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）の配列であってもよい。そこで、ケース拡散器５０が使用され得る。エレクトロルミネッセンス光源など他の散乱光の光源もまた使用され得る。示されるように、拡散器５０は、マルチ拡散ステージを含み得る。照明は、また、非拡散光によって提供され得る。示されるように、照明は、検出器４４上の直接の符号化４６を通して透過され得る、または、本発明の他の実施形態では、光ファイバまたはその他の光パイプを介した、反射光路または照射パターンの転写が使用され得る。レンズ、マイクロチャネルプレートなどの介在光学もまた、光学通路に提供され得、本発明の範囲内である。

図２の物質拡散器要素を実施するためのハウジング６０は、図３の斜視図に示されている。モータ駆動６２は図から隠されているが、破線の要素として示される。リザーバ３４は、そこから延長したプランジャロッド３８とともに、ハウジング内に挿入する前で示されている。図４の分解図は、ドライブモジュール７０を示し、それは駆動モータ６２およびリザーババレル７２、光源モジュール４２、拡散器５０、検出器４４を含んでいる。

検出器４４は、多数の検出器の解像要素からなることができ、例えば、CMOS線形イメージセンサ、または、他の実施形態としては電荷結合素子（CCD）アレーとして理解され得る。多くのフォーマットが都合よく使用され得る。本発明の範囲内では、検出器素子は線形または二次元に配列され得、検出器アレーの線形でおよび横方向の重層の両方による設計の検討が要求される場合、そのような配列が理解され得る。

以下に詳細に述べられるさまざまなアルゴリズムに従って、ＡＤ変換器５４を経て、プロセッサ５６に検出器４４の出力信号を導くことによって、検出器４４に形成された画像が分析される。ピクセルのサイズおよび数は、プロセッサ５６の中で要求される解像度およびリソースに関して最適化される。

繰り返さない符号化パターンを使用することによって、固定された光学アセンブリ（照明および光学検出の両方を含むと考えられる）に関する可動プランジャロッドの位置ぎめは、厳格に都合よく決定され得る。あるいは、スロットパターンまたは他の符号化パターンは、一つ以上時繰り返され得、それによって、平行移動をかなりの移動距離にわたって符号化し得る。符号化パターンがプランジャロッドの非固有の現在の位置を規定する実施形態において、プランジャロッド３８は、繰り返しを計数して参照を決めるため、および基準位置に対するプランジャロッドの絶対の現在位置を決めるために、起点の位置５２（
例えば制限ストッパ）に動かされ得る。
本発明の好ましい実施形態において、ほぼ１６μｍのピクセル解像度については、検出器４４は、５１２ピクセルの線形配列として理解される。検出器４４は、プランジャロッド３８の移動線に沿ってかつ平行に配置され、リードねじ４０の端部で実質的に開始する。特に、集束光学素子が使用されないとき、検出器４４がプランジャロッド３８に非常に近くに配置されるのが好ましい。

本発明の好ましい実施形態において、プランジャロッドスロット４６の間隔は、隣接した二つの間隔がユニークな配列を形成するような方法で選択される。加えて、いかなる二つの間隔の長さの合計は、二つの近接するスロット間の距離より常に大きい。従って、スロットが意図せずにブロックされる場合において、異常は検出することができ、他の絶対位置と間違えられることはない。加えて、いずれの３つまたはそれ以上のスロットも、いつでもイメージセンサで見ることができるようにされ、そうでなければ、ロッドの端部および少なくとも一つのスロットは特定の時間にイメージセンサに見える。

スロット間隔（表１でインチで与えられる）の３のバージョンは、前述のパラグラフで述べた好適な基準を満たしている。どのような二つの隣接したスペースの間隔は、独自にリザーバのバージョンを規定するために符号化され得、その結果、医療用薬剤の異なる濃度が供給され得、および区別され得る。これに限定されるものではないが、このような方法で識別され得るリザーバのバージョンの特徴は、リザーバの内径およびリザーバの壁の組成（例えば、プラスチックまたはガラス）が挙げられる。加えて、プランジャロッドの端部と最後のスロットの間の距離は、リザーバのバージョンを独自に識別することができ
、その結果、一つより多くないスロットがイメージセンサの視野の中にある場合、リザーバのバージョンは独自に識別され得る。

画像を作成するために、検出器４４の全てのピクセルがリセットされる。それから、光が指定された時間発光するように光源４２が発光する。可変の露出時間が採用され得、スロットが見られるときは、より長い時間が使われる、しかし、プランジャロッドの端部が見られるときには、より短い時間が使われる。スロットにおいては５mの露出時間が、ロッドの端部においては０．７mの露出時間が満足であるとわかった。配列のプロセッサ５６によって保存され、一つ以上のアルゴリズムを使用して解釈される、各々のピクセルの値とともに、検出器４４からの信号が読み込まれる。

表Iが関連する実施形態において、二つのスロットだけがロッドの端部と同様に見える（９および１０）箇所では移動の小さい部分がある。単一の間隔だけが利用できるので、二つの隣接した間隔を使用している注射器を識別する通常の手段を用いることができない。ロッドの端部と最後のスロットとの間の距離を使用して注射器を識別する代替の手段を用いることができない。なぜなら、スライド窓アルゴリズムを使用して検出される図の端部に、その端部があまり近いからである。このように、二つのスロットだけが見えるときに、そして、ロッド位置の端部は測定されないが見えるときに、注射器を識別する第３の手段が用いられる。この第３の方法は、固有のスロット9からスロット１０の間隔に依存する。

一つの露出手順に従って、光はついたままにされる。それから、検出器は、特定の時計速度で順番に各々のピクセルを読み込んでリセットする。配列は、それから二回読み込まれ、第１の読み込みがピクセルをリセットするのに役立つ。このように各々のピクセルの中で二回目の読み込みが、ピクセルがリセットしてから、時計周期を「ｎ」回起きる。

好適な操作法において、プランジャロッド位置の測定は、ピストンの基礎ステップにつき、丸薬の供給の間、そして、プライミングの間、一度なされる。測定の間に、位置の決定は絶対であるので、イメージセンサのパワーは除去され得る。

本発明の実施形態に従って、さまざまなアルゴリズムが、指定された解像度の範囲内で透射光ピークの位置を検出するために使用され得る。一つのピーク検出アルゴリズム（Peak Detection Algorithm）は、二つの等しい半体に分割するスライド窓を使用する。各々の半体のピクセルの値は合計され、そしてその合計が各々から減算される。二つの半体での信号の間の相違が、スライド窓の全ての可能な位置のために算出され、強度カーブの傾斜の尺度が与えられる。ゼロがローカル極値で起こるにつれて、ピークまたは谷かどうか、ゼロ点として相違値のサインが、これらの２のケースを区別するために用いられる。アルゴリズムを識別する他のピークおよびエッジは本発明の範囲内である。ピークの変化は、プランジャロッド運動の精度および、従ってリザーバから追い出される液状薬剤の供給をトラックするために用いられ得る。

本発明のさらなる実施形態に従って、スロット間の間隔は、A/Dピクセル値を、センサアレーより多くの要素のパワー（power-of-2）を有するソフトウェア配列に保存することにより、検出器４４のピッチより微細な増加に分解され得る。例えば、仮に５１２の画像イメージが４０９６の要素ソフトウェア配列に保存される場合、解像度は８倍に増加する。これは、一番目のセンサーアレイ値を各々の一番目の８ソフトウェア配列要素に保存することによってなされる。第２のセンサーアレイ値は、各々の次の８のソフトウェア配列要素、その他に保存される。

あるいは、ｎ番目のピクセルによって、ここでnは２の累乗である、そして、これらの値をセンサーアレイと同じ要素の数を有するソフトウェア配列に保存することによって、画像の読み取り回数は、スロット測定解像度にスロットに悪影響を与えることなく減少し得る。

このように、本発明のさまざまな例示の実施形態、いくつかのその効果および任意の特徴を記載したが、この種の実施形態は例示であって限定ではないことは明らかである。本発明の教示が、ほかの応用（例えば飲用水の供給に対する化学剤の配送で、単に単一の実施形態だけという名前をつける）の流体のメーターで測られた供給に適用され得ると理解される。当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、これらの実施形態の代替替および改良を、さらなる実施形態と同様に直ちに発明することができる。クレームしたように、全てのこの種の変形態様は本発明の範囲内である。

Claims (1)

1. リザーバと平行移動するピストンとを有する偏位センサであって、
   該センサは、
   ａ．少なくとも１つの符号化特徴を有するピストンであって、該符号化特徴は、少なくとも１つの反射特徴を含む、ピストンと、
   ｂ．該符号化特徴を照明する光源と、
   ｃ．該照明された符号化特徴からの光を検出し、検出器信号を生成する検出器と、
   ｄ．該検出器信号に少なくとも基づいて、基準位置に対する該ピストンの偏位を決定するプロセッサであって、該ピストンの偏位は、該ピストンの任意の移動または非移動の後に、いつでも決定することが可能である、プロセッサと
   を含む、偏位センサ。