JP2023552830A - 閉塞検出機能付き輸液ポンプ - Google Patents

Abstract

閉塞検出システムであって、輸液を収容するカートリッジと、カートリッジから輸液を排出するためにカートリッジ内で前進するように構成された駆動機構によって駆動されるプランジャと、プランジャによって加えられる実際の力を感知するように構成された力センサと、力センサによって感知された実際の力と比較するために、プランジャとカートリッジとの間の摩擦力の予測される減衰に基づいて推定される力を決定するように構成された制御ユニットであって、推定力と実際の力との間の偏差が閾値を超えると閉塞警報がトリガされる、制御ユニットと、を含む、閉塞検出システム。

Description

本開示は、一般に、輸液ポンプシステムに関し、より詳細には、閉塞検出のためのシステムおよび方法に関する。

様々なタイプの輸液ポンプが、所定の量または用量の薬物、流体、流体様物質、または輸液（本明細書では、総称して「輸液」）の患者への送達および分配を管理するために有用であった。輸液ポンプは、輸液を長時間にわたって正確に送達することにより、手動投与に比べて大きな利点を提供する。輸液ポンプは、がん、糖尿病、血管障害、神経障害、代謝障害など、定期的な薬理学的介入を必要とする疾患および障害の治療に特に有用である。輸液ポンプは、また、医療従事者が麻酔を行い、痛みを管理する能力を高める。輸液ポンプは、病院、介護施設、その他の短期および長期の医療施設、住宅介護の現場など、さまざまな環境で使用されている。輸液ポンプには、携帯用、大容量、患者管理麻酔（ＰＣＡ）用、エラストマー製、シリンジ型、経腸用、インスリンポンプなど、多くの種類がある。輸液ポンプは、静脈内、腹腔内、動脈間、皮内、皮下、神経近接、術中部位、硬膜外腔、クモ膜下腔など、さまざまな送達方法による薬物投与に使用できる。

いわゆる「シリンジポンプ」を含む薬物送達装置およびシステムの分野では、典型的には、事前に充填された薬剤シリンジがマイクロプロセッサ制御下で機械的に駆動され、シリンジに流体的に接続された輸液ラインを通じて、患者に制御された速度で所定量の薬剤を送達する。シリンジポンプは、通常、リードスクリューを回転させるモータを含む。リードスクリューは、プランジャドライバを作動させ、プランジャドライバは、シリンジのバレル内のプランジャを親指で押して前方に押す。従って、プランジャを押すことにより、用量の薬剤が注射器から外向きに向かって輸液ライン内に入り、患者の静脈内に押し出される。シリンジポンプの例は、例えば、「シリンジポンプ急速閉塞検出システム」と題された米国特許第８，１８２，４６１号、および、「閉塞検出」と題された米国特許第１０，００４，８４７（Ｂ２）号に記載されており、これらの内容は参照により本明細書に組み込まれる。本開示全体を通して使用される場合、用語「シリンジポンプ」は、一般に、シリンジに作用して、そこから外向きに流体を制御可能に押し出す任意の装置を指すことを意図する。

シリンジポンプのサブセットとして、マイクロ輸液ポンプ（「バーストポンプ」とも呼ばれる）が開発されている。マイクロ輸液ポンプは、小型で、通常は携帯用のポンプであり、患者の衣服の下に持ち運ぶなど、患者の注射部位のごく近くに設置することができる。マイクロ輸液ポンプは、低流量の輸液を確実に行うことが可能であり、複数日間連続して使用されることが多い。場合によっては、ポンプは交換可能な注射器のようなカートリッジを利用し、そこにプランジャを前進させて輸液を投与する。電池寿命を長く維持するため、マイクロ輸液ポンプシステムは、通常、比較的短時間または小刻み、または、カートリッジ内のプランジャの非常に小さな前進（例えば、３μｍ以下）を表す「バースト」で輸液を送出し、バースト間の休止時間は比較的長く、低消費電力である。

様々なタイプのシリンジポンプが長年にわたり医療現場で使用されてきたが、これらの機器のメーカーは、より効率的で効果的、かつ安全な使用法を求めて絶えず努力を続けている。場合によっては、従来のシリンジポンプやマイクロ輸液ポンプなどの輸液ポンプは閉塞を起こす場合がある。医療技術において、「閉塞」という用語は、通常開いている通路が閉塞または制限されることを指す。場合によっては、医療処置中に医師が意図的にカテーテルをつまんだり、一時的に閉塞状態にしたりする場合など、閉塞が望まれる場合がある。他の例では、注射器またはカートリッジバレルを通るプランジャの意図され、命令された前方への進行が妨げられるか、または、例えば輸液ラインチューブがよじれるか、または、ある程度構造的に妨げられる場合のように、ポンプから患者への輸液の意図された外向きの流れが妨げられる場合に、意図しない閉塞が発生する可能性がある。閉塞に気付かなければ、患者は処方された輸液を受け取れない可能性が高く、深刻な結果を招く可能性がある。

そのため、医療機器における閉塞を感知または検出する試みがなされてきた。例えば、シリンジポンプの中には、前述のシリンジの親指がプランジャドライバに加える力を感知する圧力センサを使用して閉塞を検出するものがある。圧力センサが感知した力が所定の閾値を超えると、圧力センサに接続されたプロセッサが、閉塞が発生した可能性がある、または、発生しつつあることを示す信号を生成する。それにもかかわらず、閉塞検出のさらなる進歩が望まれている。本開示は、これらの懸念事項の１つまたは複数に対処する。

本明細書において、例として詳細に説明される閉塞検出システムおよび方法は、操作使用中のプランジャとシリンジカートリッジとの間の摩擦力の変動などの入力パラメータの新規かつ創意に富んだ使用を行う。いくつかの実施形態では、摩擦力の予測される変化に対するこのような補償は、有利には、より正確な圧力検出、閉塞の存在を特定するのに必要な時間の短縮、および閉塞検出におけるより高い信頼度をもたらす。

本開示の一実施形態は、閉塞検出のためのシステムを提示し、このシステムは、輸液を収容するカートリッジと、カートリッジから輸液を排出するためにカートリッジ内でプランジャを前進させるように構成された駆動機構と、プランジャによって加えられる実際の力を感知するように構成された力センサと、力センサによって感知された実際の力と比較するために、プランジャとカートリッジとの間の摩擦力の予測される減衰に基づいて推定される力を決定するように構成された制御ユニットであって、推定される力と実際の力との間の偏差が閾値を超えると閉塞警報をトリガする、制御ユニットと、を備える。

一実施形態において、推定される力は、駆動機構の作動の間に予測される摩擦力の減衰を予測するために使用される数学的モデルに基づいている。実施形態では、数学的モデルは２つの指数方程式である。一実施形態では、数学的モデルは、式Ｆ（ｔ）＝Ｃ_０＋Ｃ_１＾（－（（ｔ－ｔ_０））／ｔ_１）＋Ｃ_２＾（－（（ｔ－ｔ_０））／ｔ_２）によって表される。実施形態において、推定される力は、システムによって測定可能な１つまたは複数の入力パラメータに基づく。実施形態において、入力パラメータは、駆動機構の作動の終了時に力センサによって感知された実際の力、および／または、システムの１つまたは複数の材料コンプライアンスの少なくとも１つを含む。

本開示の別の実施形態は、閉塞検出のためのシステムを提示し、このシステムは、輸液を含むカートリッジと、カートリッジから輸液を排出するためにカートリッジ内のプランジャを前進させるように構成された駆動機構と、プランジャによって加えられる実際の力を感知するように構成された力センサと、一連のバーストサイクルにわたるバーストサイクル内のある瞬間の力センサによって感知された力を結ぶことによって傾向線をプロットするように構成された制御ユニットであって、閾値を超える傾向線の傾きは、閉塞警報をトリガする、制御ユニットと、を備える。一実施形態において、各バーストサイクルは、駆動機構の作動の間の期間によって表され、駆動機構の作動の停止時に始まり、停止時に終わる。実施形態では、傾向線は、駆動機構の作動停止時に感知された圧力の平均に適合される。実施形態では、傾向線の正の傾きは閉塞を示す。

本開示の別の実施形態は、閉塞検出方法であって、システムコンプライアンスを推定することと、システム閉塞の確率を計算することと、システム閉塞の計算された確率が閾値を超えると判定したときに、閉塞警報、警報、または通知のうちの少なくとも１つをトリガすることと、を含む方法を提供する。一実施形態において、システムコンプライアンスは、駆動機構の作動停止後の減圧測定によって計算される。実施形態において、システムコンプライアンスは、予測される摩擦力の減衰の関数として計算される。実施形態において、システムコンプライアンスは、力センサによって測定された圧力の変化を輸液量の変化で除算することによって計算される。一実施形態では、システム閉塞の確率の計算にはベイズ推論が含まれる。

上記の概要は、図示された各実施形態または本開示の全ての実施形態を説明することを意図するものではない。以下の図および詳細な説明は、これらの実施形態をより具体的に例示するものである。

本開示は、添付図面との関連において、本開示の様々な実施形態に関する以下の詳細な説明を考慮することにより、より完全に理解することができる。
図１は、本開示の実施形態による、患者に取り付けられた輸液ポンプシステムを示す透視図である。 図２は、本開示の実施形態による、輸液ポンプを示す分解透視図である。 図３は、本開示の実施形態による、カートリッジ内のプランジャの前進中の摩擦力の増加を示すグラフである。 図４は、本開示の実施形態による、プランジャの「バースト」間の摩擦力の自然減衰を示すグラフである。 図５は、本開示の実施形態による、一連のバーストサイクルにわたる各バーストサイクル内のある瞬間における感知された力の読み取り値に渡る傾向線を示すグラフである。 図６は、本開示の実施形態による、ベイズ推論を使用する閉塞検出方法を示すフローチャートである。 図７Ａは、本開示の実施形態による、カートリッジコンプライアンスおよびシステムコンプライアンスの分布曲線を描いたグラフである。 図７Ｂは、本開示の実施形態による、図７Ａのカートリッジコンプライアンスとシステムコンプライアンスを組み合わせた平均分布曲線を示すグラフである。 本開示の実施形態は、様々な修正および代替形態に従うことができるが、図面に例として示されるその詳細が説明される。しかしながら、本開示を説明した特定の実施形態に限定することを意図するものではないことを理解されたい。逆に、その意図は、特許請求の範囲によって定義される主題の精神および範囲内にある全ての修正、均等物、および代替物を網羅することである。

図１を参照すると、本開示の一実施形態による、患者（Ｐ）に輸液を投与するための輸液ポンプシステム１００が示されている。輸液ポンプシステム１００は、ポンプ１０２と患者Ｐとの間に流体的に結合された輸液セット１０４または他のチューブを介して患者Ｐへの輸液の送達を制御するように構成された輸液ポンプ１０２を含み得る。

図２を参照すると、本開示の実施形態による輸液ポンプ１０２の分解透視図が示されている。実施形態において、輸液ポンプ１０２は、駆動機構１１０、電源１１２、制御ユニット１１４、メモリ１１５、およびグラフィカルユーザインタフェース１１６などの輸液ポンプ１０２の他の構成要素が組み立てられ得るシャーシを提供するように構成された前部ハウジング１０８Ａおよび後部ハウジング１０８Ｂを備えることができる。

輸液ポンプ１０２は、輸液を収容するカートリッジ１１８をさらに備え得るか、または、これに動作可能に結合され得、このカートリッジは、そこから輸液を排出するためのプランジャ１２０を備え得る。カートリッジ１１８は、輸液量を収容または供給する任意の適切な注射器状の物体、容器、または他の供給源であってもよい。いくつかの実施形態では、カートリッジ１１８は、例えば、その中の輸液の供給が枯渇したときなど、必要に応じて選択的に取り外して交換することができる。輸液セットコネクタ１２２は、カートリッジ１１８の分注端１２４を輸液セット１０４に流体的に結合することができる。

プランジャ１２０は、例えば、プランジャ１２０を協働的に作動させ、それによってカートリッジ１１８から流体を駆動するように構成されたリードスクリュー構成を介して、駆動機構１１０によって駆動され得る。駆動機構１１０は、電源１１２によって電力を供給され得る。いくつかの実施形態において、電源１１２は、１つまたは複数の使い捨て電池または充電式電池の形態とすることができ、これらの電池は、電池蓋１２６を介して選択的に取り外して交換することができる。駆動機構１１０は、制御ユニット１１４を介して制御することができる。

制御ユニット１１４は、デジタルデータを入力として受け入れ、命令またはアルゴリズムに従って入力を処理するように構成され、結果を出力として提供する、任意の適切なプログラム可能デバイスであってよい。一実施形態では、制御ユニット１１４は、コンピュータプログラムの命令を実行するように構成された中央処理装置（ＣＰＵ）とすることができる。一実施形態では、制御ユニット１１４は、高度なＲＩＳＣ（縮小命令セットコンピューティング）マシン（ＡＲＭ）プロセッサまたは他の組み込みマイクロプロセッサであってよい。実施形態において、制御ユニット１１４は、マルチプロセッサクラスタを備える。したがって、制御ユニット１１４は、少なくとも基本的な算術演算、論理演算、および入出力演算を実行するように構成することができる。

メモリ１１５は、命令またはアルゴリズムを実行するためのスペースを提供するだけでなく、命令自体を記憶するためのスペースを提供するために、結合された制御ユニット１１４の要求に応じて、揮発性メモリまたは不揮発性メモリを備えることができる。実施形態において、揮発性メモリは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、または、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）を含むことができる。実施形態において、不揮発性メモリは、例えば、読み取り専用メモリ、フラッシュメモリ、強誘電体ＲＡＭ、ハードディスク、フロッピーディスク、磁気テープ、または光ディスクストレージを含むことができる。前述の例は、実施形態が例示としてのみ与えられており、本明細書の主題を限定することを意図していないため、使用可能なメモリのタイプを限定するものではない。

制御ユニット１１４は、実施形態ではタッチスクリーン入力表示システムとすることができるグラフィカルユーザインタフェース１１６から入力を受信することができる。実施形態では、制御ユニット１１４は、モバイルコンピューティングプラットフォーム（例えば、スマートフォン、タブレット、パーソナルコンピュータなど）、および／または、ネットワークなどの１つまたは複数の外部コンピューティングデバイスと無線でデータを送受信するように構成されたアンテナ１２８と通信することができる。一実施形態では、アンテナ１２８はＲＦＩＤコイルであってもよいが、他のタイプのアンテナも考えられる。

一実施形態では、制御ユニット１１４は、センサ１３０などの他の入力デバイス、センサおよびモニタからの入力を追加的に受信することができる。いくつかの実施形態において、駆動機構１１０とインラインに配置され得るセンサ１３０は、システム仕様に従って、駆動機構１１０とプランジャ１２０との間の力、および／またはカートリッジ１１８に対するプランジャ１２０の位置を監視するように構成され得る。センサ１３０は、力センサ、圧力センサ、距離センサ、近接センサ、または任意の他の適切なセンサを備えることができる。いくつかの実施形態では、センサ１３０は、さらに、輸液の流体圧力が所定の閾値を超えたときに感知し、それによってカートリッジ１１８および／または輸液セット１０４における閉塞の可能性を示すように構成された閉塞検出センサとして機能し得る。

図１および図２に示されている輸液ポンプ１０２は、広範囲の療法および治療を提供するために使用することができる携帯型ポンプの一例である。このような携帯型ポンプは、ベルト、ストラップ、クリップ、または他の簡単な固定機構によって、在宅での外来診療のために、ユーザが快適に着用したり、または他の方法で取り外し可能にユーザに結合したりすることができ、また、病院および他の医療施設内の歩行用ポールに取り付けて設置することもできる。

一実施形態では、輸液ポンプ１０２は、長期間にわたって少量の薬剤を間欠的に注入するように構成されたバーストまたはマイクロ輸液ポンプであってよい。非限定的な実施形態において、輸液ポンプシステム１００は、トレプロスチニル（ユナイテッドセラピューティクスによりリモジュリン（登録商標）の品名で販売されている）、または、肺動脈性肺高血圧症（ＰＡＨ）の処置のための他の薬剤を皮下または静脈内に投与するように構成され得るが、トレプロスチニル以外の輸液の投与もまた企図される。

図１および図２に示される輸液ポンプ１０２の実施形態は、例示としてのみ提供されており、本明細書における主題の範囲を限定することを意図していない。他のタイプのポンプおよび他のポンプ構成が、種々の実施形態において利用され得る。さらに、本明細書に記載のシステムおよび方法、特に、プランジャと輸液容器またはカートリッジとの間の閉塞を識別するように構成されたシステムおよび方法は、他のタイプの輸液ポンプ、特に、シリンジポンプ、および、例えば、上記で参照により組み込まれている「シリンジポンプ急速閉塞検出システム」と題された米国特許第８，１８２，４６１号および「閉塞検出」と題された米国特許第１０，００４，８４７（Ｂ２）号に開示されたものなどのような、輸液を含むシリンジ、カートリッジまたは他の容器内の前進するプランジャを介して輸液を投与するように構成された他のタイプの輸液ポンプにも同様に適用できることを理解されたい。

閉塞検出は、典型的には、カートリッジ１１８および／または輸液セット１０４内の圧力を推定し、その値が設定限界値を超えたときに警告、警報、または通知を発することによって実行される。マイクロ輸液ポンプまたはバーストポンプのような薬剤流量が低い場合、そのような従来の方法では、閉塞が検出されるまでの時間が過度に長くなる可能性がある。閉塞が検出され、駆動機構１１０が停止された後でも、閉塞と駆動機構１１０との間の輸液セット１０４内の圧力は、高められた圧力（例えば、駆動機構１１０が停止した時点の圧力）のままである。閉塞が突然解除される（例えば、輸液ラインのねじれが突然解除される）と、加圧された流体が、輸液の大きなボーラスとして患者に供給される可能性があり、これは、輸液の種類によっては危険な場合がある。本開示の実施形態は、これらの問題に対処する。

１．パラメータ依存の摩擦モデル
バーストポンプの圧力推定における大きな誤差の原因の１つは、典型的にはカートリッジ１１８の壁とプランジャ１２０との間に生じる摩擦の変動である。プランジャ１２０が前進している間の摩擦力の変動は、現在の「バースト」中のプランジャ１２０の移動距離、材料コンプライアンス、およびプランジャ１２０に加えられる法線力を含むが、これらに限定されない多くの要因によって非常に大きくなる。図３を参照すると、本開示の実施形態による、カートリッジ１１８内でのプランジャ１２０の前進中の摩擦力２００Ａの増加の例を示すグラフが示されている。図３のグラフに示されるように、Ｘ軸は、時間（秒）を示し、Ｙ軸は、力（ニュートン）を示す。

プランジャ１２０の移動が停止すると（例えば、「バースト」の完了時）、プランジャ１２０の前進中に蓄積された摩擦力は、時間の経過とともに自然に減衰する。減衰の速度と大きさは、材料特性、移動距離、時間、および他の要因を含むが、これらに限定されない多くの要因に大きく基づく。図４を参照すると、本開示の実施形態による、プランジャの「バースト」間の摩擦力２００Ｂの減衰の例を示すグラフが示されている。図４のグラフに示すように、Ｘ軸は時間（秒）を示し、Ｙ軸は力（ニュートン）を示す。

いくつかの実施形態において、曲線２０２は、摩擦力２００Ｂの実際の測定された減衰に適合させることができ、曲線２０２は、数学的モデルによって表すことができる。その後、数学的モデルを使用して、プランジャのバースト間の摩擦力の将来の、または、予測される減衰を予測することができる。例えば、一実施形態では、数学的モデルは、以下の２つの指数方程式によって表すことができる。

ここで、Ｆ（ｔ）は、モータが停止したｔ_０後に発生する、時間ｔのある瞬間における摩擦力の値（例えば、曲線２０２に対応する）を表し、Ｃ_０、Ｃ_１、およびＣ_２は、摩擦力の実際の、測定された、または実験的な減衰に、摩擦力の予測される減衰時間ｔを曲線適合させるための様々な数学的プロセスを通じて決定することができる定数を表す。

予測される摩擦力Ｆ（ｔ）は時間ｔの関数として表されるが、定数Ｃ_０、Ｃ_１、Ｃ_２を決定する際に考慮される入力パラメータは多数存在する。例えば、前述したように、これらの入力パラメータは、他の要因の中でも、前回のバースト中にプランジャ１２０が移動した距離、バースト終了時にプランジャ１２０に加わる法線力、およびシステムの材料コンプライアンス（例えば、プランジャ１２０、カートリッジ１１８、および／または、延長セット１０４の材料特性）を含み得る。

いくつかの実施形態では、定数Ｃ_０、Ｃ_１、およびＣ_２のそれぞれは、これらの入力パラメータの関数で書くことができる。例えば、Ｃ_０は次式で表すことができる。

ここで、ｄは、前回のバースト中にプランジャ１２０が移動した距離を表し、Ｆ_{ｂｕｒｓｔ}は、バーストの終了時にプランジャ１２０に加えられる法線力を表し、（．．．）は、定数Ｃ_０を決定する際に考慮される他の入力パラメータを表す。特定の入力パラメータ（例えば、プランジャ１２０の移動距離（ｄ）およびバースト終了時にプランジャ１２０に加わる法線力（Ｆ_{ｂｕｒｓｔ}））がシステムによって測定可能である場合、時間ｔの任意の所与の瞬間における予測される摩擦力Ｆ（ｔ）は、時間ｔおよび測定された入力パラメータの両方の関数で表すことができる。例えば、いくつかの実施形態では、予測される摩擦力Ｆ（ｔ）は、次式で表すことができる。

したがって、いくつかの実施形態では、予測される摩擦力の減衰Ｆ（ｔ）（例えば、曲線２０２に対応する）の決定は、バーストサイクル間の摩擦力の減衰に影響を及ぼすことが知られている入力パラメータ間の既知の関係または推定される関係を使用することができる。摩擦力の減衰の予測にこれらの入力パラメータを含めることで、より正確な圧力検出が可能になり、その結果、不快な警報の減少や閉塞までの時間の短縮といった臨床的な利点が得られる。

２．モータ停止後の減圧測定による閉塞検出
いくつかの実施形態において、予測される摩擦力の減衰２０２は、動作中のカートリッジ１１８の圧力の自然な変動を決定する際の補助として使用することができる。例えば、いくつかの実施形態において、輸液ポンプ１０２は、プランジャ１２０が受ける力を感知するように構成された力センサ１３０を含むことができる。式Ｐ＝Ｆ／Ａに従って、感知された力をカートリッジシリンダ１１８内の面積で除算すると、カートリッジシリンダ１１８内の圧力が得られる。摩擦力の実際の減衰または予測される減衰（力センサ１３０によって測定可能であるべき等価かつ反対の反作用）を考慮することによって、カートリッジシリンダ１１８内の圧力の予測される経時変化をより明確に理解することができる。

輸液ポンプ１０２のモータ１１０の動きが停止すると（例えば、バーストの完了時）、カートリッジ１１８内の圧力の蓄積により、一般に、流体がカートリッジ１１８および関連する延長セット１０４から流出し、患者に流入し、それによってカートリッジ１１８内の圧力が低下する。バースト間に十分な時間が経過すると、閉塞がなければ、カートリッジ１１８内の圧力は平衡圧力（例えば、患者の流体圧力または組織抵抗によって決定される）まで低下し、カートリッジ１１８からの流体のさらなる流出は停止する。しかしながら、システム１００が閉塞している場合、圧力はわずかに低下するだけであり（例えば、材料のコンプライアンスと摩擦力の減衰の結果として）、周囲の平衡圧力に達することはない。

上記で簡単に説明したように、本システムは、圧力の低下が、閉塞しているシステム１００の特徴であるか、または、閉塞していないシステム１００の特徴であるかを判定することを目的として、モータ１１０の停止（例えば、バーストの完了）後の一定期間に渡ってカートリッジ１１８内の圧力を（例えば、センサ１３０を介して）監視するように構成することができる。いくつかの実施形態では、圧力の低下が、閉塞しているシステムの特徴であるか、または、閉塞していないシステムの特徴であるかを判定することは、圧力の実際の変化を、摩擦力の予測される減衰に基づいて決定することが可能な圧力の予測される変化と比較することによって行うことができる。

いくつかの実施形態では、圧力の減少が閉塞しているシステム１００の特徴であるか、閉塞していないシステム１００の特徴であるかを判定することは、ある予測される緩和量（例えば、予測される摩擦力の減衰によって予測される緩和量）に対する緩和量を比較することによって、または、その情報を使用して特徴的なシステムパラメータ（この場合はシステムコンプライアンス）を計算することによって行うことができる。システムコンプライアンスは、以下の式に従って計算することができる。

ここで、β_ｅｓｔは、推定されるシステムコンプライアンスであり、ΔＦ_{ｒｅｌａｘ}は、摩擦力の変化（例えば、前述のとおり）であり、ΔＦ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}は、測定または感知されたプランジャ力の変化であり、ΔＶは、バーストにおいて送達された体積であり、Ａ_{ｃａｒｔｒｉｄｇｅ}は、カートリッジ１１８の面積である。次に、推定されるシステムコンプライアンスを、直接またはベイズ推論を通じて、期待値と比較することができる。いくつかの実施形態では、この方法に従って、圧力の低下が、閉塞しているシステム１００の特徴であるか、または、閉塞していないシステム１００の特徴であるかを判定することは、閉塞の判定が行われるまでの時間の短縮をもたらすだけでなく、閉塞がむしろ突然解消される場合には、患者に投与されるボーラスのサイズを縮小することができる。

３．圧力の傾向による閉塞検出
従来の方法（例えば、カートリッジ１１８および／または投与セット１０４内の圧力を感知し、感知された圧力が所定の限界値を超えたときに閉塞警報を提供する）による閉塞検出は、特に低流量の場合、閉塞の判定が行われるまで過度に長い時間を要する可能性がある。さらに、閉塞の判定が行われるまでに、閉塞が存在すると判定するのに必要な時間にわたってカートリッジ１１８および／または投与セット１０４内に閉じ込められた加圧注入液の量が、閉塞の除去時に患者に大量のボーラスを送達することになる可能性がある。

閉塞の存在を判定するのに必要な期間を短縮するために、いくつかの実施形態では、システム１００は、閉塞の存在を判定するために最適化された勾配に基づく方法を使用することができ、カートリッジ１１８および／または投与セット１０４内の圧力が動作中に変動するにつれて、（例えば、システム１００の動作サイクルのある時点で測定されるような）傾向的な圧力上昇が閉塞警報をトリガすることができる。

例えば、図５を参照すると、傾向線３０２は、一連のバーストサイクルにわたって、各バーストサイクル３０４内のある瞬間の感知された力の読み取り値３００を結ぶことによって、ポンプ動作中に作成され得る。いくつかの実施形態では、感知された力の読み取り値３０１Ａ－Ｃは、感知された力のノイズを低減するために、バーストの直前に取得できる。感知された力におけるノイズは、電力サイクルの間（例えば、カートリッジ１１８および／または投与セット１０４内の流体圧力の通常の減衰の間）に生じる可能性が最も高い。所定の閾値を超える正の傾きを有する傾向線３０２は、閉塞を示す可能性がある。

いくつかの実施形態では、圧力の変化は、以下の式に従って、測定の間に供給された輸液量で除算することができる。

圧力の変化を体積の変化で除算することは、圧力の変化を正規化できるという利点がある。いくつかの実施形態では、正規化された圧力変化は、閉塞を予測するために使用される、推定されるシステムコンプライアンスに相当し得る。

いくつかの実施形態では、バーストサイクル３０４内の所与の瞬間におけるカートリッジ１１８および／または投与セット１０４内の圧力が動作中に一般的に増加しているか否かを判定するために傾向圧力３０２を監視することは、閉塞の判定が行われるまでの時間の短縮をもたらすだけでなく、閉塞がむしろ突然解消される場合に患者に投与されるあらゆるボーラスのサイズの縮小をもたらすことができる。

４．ベイズ推論による閉塞検出
いくつかの実施形態では、閉塞が発生している（または、閉塞がトリガされようとしている）確率または尤度を、ベイズ推論アルゴリズムに従って計算することができる。ベイズ推論とは、「知識に基づく推測」の正式な表現であり、条件または事象の尤度は、アルゴリズムに受信されるいくつかのデータが与えられた場合に推定される。いくつかの実施形態では、ベイズ推論アルゴリズムを使用して、１つまたは複数の既知のシステムパラメータ（例えば、システムコンプライアンス）について受信したデータに基づいて、システムが閉塞されているか否かを判定することができる。いくつかの実施形態では、ベイズ推論アルゴリズムは、システムに関する追加の知識を閉塞検出方法に取り込む論理的方法を提供することによって、不快な警報と、閉塞警報をトリガするのに必要な時間を削減することができる。

図６を参照すると、本開示の一実施形態による、ベイズ推論を用いた閉塞検出方法４００を示すフローチャートが示されている。４０２において、推定されるシステムコンプライアンス（β_ｅｓｔ）が決定される。例えば、実施形態において、推定されるシステムコンプライアンスは、モータ停止後の減圧測定、圧力の傾向、および／または、何らかの他の方法のうちの少なくとも１つに従って計算され得る。

推定されるシステムコンプライアンス（β_ｅｓｔ）により、４０４において、システムが閉塞している確率（Ｐ（ｏｃｃｌｕｄｅｄ｜β_ｅｓｔ））が計算される。このステップでは、システムに関する追加情報（例えば、システム構成部品の材料コンプライアンス）を使用して、実際の閉塞の検出を改善することができる。例えば、閉塞がカートリッジの出口に近接して発生した場合、推定されるシステムコンプライアンスは、カートリッジのみのコンプライアンス（例えば、「カートリッジコンプライアンス」）とほぼ等しくなる。しかしながら、閉塞が輸液セットの端部に近接して発生した場合、推定されるシステムコンプライアンスは、カートリッジと輸液セットの両方のコンプライアンス（例えば、「システムコンプライアンス」）にほぼ等しくなる。

図７Ａをさらに参照すると、誤差の標準偏差（例えば、温度範囲にわたる材料の変化など）を考慮して、カートリッジコンプライアンス５００Ａおよびシステムコンプライアンス５００Ｂの分布曲線が互いに隣接してプロットされている。図７Ａのグラフに示すように、Ｙ軸はコンプライアンス値の範囲を示し、Ｘ軸は、例えばカートリッジ１１８の出口に近接した閉塞の場合、および、例えば輸液セット１０４の端部に近接した閉塞の場合に、任意の特定のコンプライアンス値を測定する確率をそれぞれ示す。通常、システム内のどこで閉塞が起こり得るかを確実に知る方法がないことを考慮すると、閉塞の実際のコンプライアンス値は、２つの分布５００Ａ－Ｂの間の任意の値を取り得る。したがって、図７Ｂをさらに参照すると、任意の閉塞のコンプライアンス値がカートリッジコンプライアンス５００Ａとシステムコンプライアンス５００Ｂの間で発生する確率または尤度は、２つのピークの平均であると仮定することができる。

したがって、一実施形態では、システム１００が閉塞している確率または尤度は、以下の式に従って計算することができる。

ここで、「｜」は「与えられた」と解釈し、式の左辺（すなわち、Ｐ（ｏｃｃｌｕｄｅｄ｜β_ｅｓｔ））は、ステップ４０２で決定された推定されるシステムコンプライアンス（β_ｅｓｔ）が与えられた場合に、システムが実際に閉塞される確率を表す。さらに、Ｐ（ｏｃｃｌｕｄｅｄ）は、以前に計算されたＰ（ｏｃｃｌｕｄｅｄ｜β_ｅｓｔ）、または、何らかの初期の開始値である。すなわち、最初は、Ｐ（ｏｃｃｌｕｄｅｄ）に対して開始値を仮定することができ、その後、新たなβ_ｅｓｔ測定が行われるときに、以前に計算されたＰ（ｏｃｃｌｕｄｅｄ｜β_ｅｓｔ）を使用することができる。Ｐ（β_ｅｓｔ｜ｏｃｃｌｕｄｅｄ）は前回のステップで決定された確率であり、Ｐ（β_ｅｓｔ）はアルゴリズムの反応性を制御するために使用される正規化係数である。

したがって、いくつかの実施形態において、システム１００が閉塞している確率Ｐ（ｏｃｃｌｕｄｅｄ｜β_ｅｓｔ）は、システム１００がカートリッジ１１８の出口と輸液セット１０４の端部との間のどこかに閉塞があることがわかっている場合、システムコンプライアンス値β_ｅｓｔを決定する尤度（ステップ５０２において）を表す。４０６において、閾値（例えば、約０．８５に等しいか、またはそれ以上）を上回る確率の決定は、閉塞警報、警報、または通知をトリガすることができる。閾値を下回る確率の決定は、ノイズとみなすことができる。

ベイズ推論法を使用することの注目すべき利点は、システム情報（例えば、コンプライアンス、システム圧力または他の測定可能な特性の特徴的な分布）を使用して、閉塞の特徴であるには低すぎるか、またはスプリアスノイズの特徴であるには高すぎるために妥当でないシステム測定値を無視することによって、システム内のノイズを低減できることである。従って、ベイズ推論法は、不快な警報を低減するため、および／または、閉塞の判定に必要な時間を短縮するため（閉塞がむしろ突然解消される場合、患者に投与されるボーラスのサイズを縮小するため）に使用することができる。有利なことに、ベイズ推論法は、β_ｅｓｔ値を推定するどのアルゴリズムも現在の確率推定値を更新するために使用できるため、複数の閉塞アルゴリズムを連携して機能させることもできる。

閉塞検出のためのシステムおよびその方法は、添付の図および明細書を参照して特に示され、説明されてきたが、それに対する他の修正ももちろん可能であり、それらの全ては、本明細書に記載された新規かつ独創的なシステムおよび方法の真の精神および範囲内にあることが意図されていることを理解されたい。したがって、様々な特徴の構成および設計は、特定の実施形態に応じて修正または変更され得る。

本明細書では、システム、装置、および方法の様々な実施形態を説明してきた。これらの実施形態は、例示としてのみ与えられたものであり、特許請求される主題の範囲を限定することを意図するものではない。さらに、説明されてきた実施形態の様々な特徴は、様々な方法で組み合わされて、多数の追加の実施形態を生成し得ることが理解されるべきである。さらに、開示された実施形態と共に使用するために、様々な材料、寸法、形状、構成および位置などが説明されてきたが、開示されたもの以外のものも、特許請求される主題の範囲を超えることなく利用することができる。

関連する技術分野における通常の知識を有する者は、本明細書の主題が、上述した個々の実施形態に例示されるよりも少ない特徴を含み得ることを認識するであろう。本明細書で説明する実施形態は、本明細書の主題の様々な特徴を組み合わせることができる方法の網羅的な提示を意味するものではない。したがって、実施形態は、特徴の相互に排他的な組み合わせではなく、むしろ、様々な実施形態は、当業者によって理解されるように、異なる個々の実施形態から選択される異なる個々の特徴の組み合わせを含み得る。さらに、１つの実施形態に関して記載された要素は、特に断りのない限り、そのような実施形態に記載されていない場合であっても、他の実施形態において実施することができる。

従属請求項は、１つまたは複数の他の請求項との特定の組み合わせを指す場合があるが、他の実施形態は、従属請求項と他の各従属請求項の主題との組み合わせ、または１つまたは複数の特徴と他の従属請求項もしくは独立請求項との組み合わせを含むこともできる。そのような組み合わせは、特定の組み合わせが意図されていないことが記載されていない限り、本明細書において提案される。

上記文書の参照による取り込みは、本明細書の明示的な開示に反する主題が取り込まれないように制限される。上記文書の参照による取り込みは、文書に含まれる請求項が参照により本明細書に組み込まれないように、さらに制限される。上記文書の参照による取り込みは、本明細書に明示的に含まれない限り、文書に規定されるいかなる定義も参照により本明細書に取り込まれないように、さらに制限される。

クレームの解釈上、「ｍｅａｎｓ ｆｏｒ」または「ｓｔｅｐ ｆｏｒ」という特定の用語がクレームに記載されていない限り、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２（ｆ）の規定は発動されないことが明示的に意図されている。

Claims (15)

1. 輸液を収容するカートリッジと、
   前記カートリッジから輸液を排出するために、前記カートリッジ内で前進するように構成された駆動機構によって駆動されるプランジャと、
   前記プランジャによって加えられる実際の力を感知するように構成された力センサと、
   前記力センサによって感知された前記実際の力と比較するために、前記プランジャと前記カートリッジとの間の摩擦力の予測される減衰に基づいて推定される力を決定するように構成された制御ユニットであって、前記推定される力と前記実際の力との間の偏差が閾値を超えると閉塞警報をトリガする、制御ユニットと、
   を備える、閉塞検出システム。
2. 前記推定される力は、駆動機構の作動の間に予測される摩擦力の減衰を予測するために使用される数学的モデルに基づく、請求項１に記載のシステム。
3. 前記数学的モデルは、２つの指数方程式である、請求項２に記載のシステム。
4. 前記数学的モデルは、式Ｆ（ｔ）＝Ｃ_０＋Ｃ_１＾（－（（ｔ－ｔ_０））／ｔ_１）＋Ｃ_２＾（－（（ｔ－ｔ_０））／ｔ_２）によって表される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記推定される力は、前記システムにより測定可能な１つまたは複数の入力パラメータに基づく、請求項１に記載のシステム。
6. 前記入力パラメータは、駆動機構の作動の終了時に前記力センサによって感知された前記実際の力、および／または、前記システムの１つまたは複数の材料コンプライアンスのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
7. 輸液を収容するカートリッジと、
   前記カートリッジから輸液を排出するために、前記カートリッジ内で前進するように構成された駆動機構によって駆動されるプランジャと、
   前記プランジャによって加えられる実際の力を感知するように構成された力センサと、
   一連のバーストサイクルに渡って、バーストサイクル内のある瞬間に前記力センサによって感知された力を結ぶことによって傾向線をプロットするように構成された制御ユニットであって、閾値を超える傾向線の傾きが閉塞警報をトリガする、制御ユニットと、
   を備える、閉塞検出システム。
8. 各バーストサイクルは、駆動機構の作動間の期間によって表され、前記駆動機構の作動の停止時に、開始し、終了する、請求項７に記載のシステム。
9. 前記傾向線は、駆動機構の作動の停止時に感知された前記圧力の平均値に適合される、請求項７に記載のシステム。
10. 前記傾向線の正の傾きが閉塞を示す、請求項７に記載のシステム。
11. システムコンプライアンスを推定することと、
    システム閉塞の確率を計算することと、
    計算された前記システム閉塞の確率が閾値を超えたと判断した場合に、閉塞警報、警報、または通知の少なくとも１つをトリガすることと、
    を含む、閉塞検出方法。
12. 前記システムコンプライアンスは、駆動機構の作動停止後の減圧測定により計算される、請求項１１記載の方法。
13. 前記システムコンプライアンスは、摩擦力の予測される減衰の関数として計算される、請求項１１に記載の方法。
14. 前記システムコンプライアンスは、力センサによって測定される圧力の変化を輸液量の変化で除算することによって計算される、請求項１１に記載の方法。
15. システムの閉塞の確率を計算することは、ベイズ推論を含む、請求項１１に記載の方法。

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