JP4756077B2 - 注入ポンプ及びその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、既知の測定可能な流量にて流体を吐出するための装置、及びそれに関連する方法に関する。より詳しくは、本発明は、医学的治療の流体を静脈注射するためのポンプに関し、流体の流量を直接的に測定せずに、検出された圧力値と質量保存法則とを用いることで、吐出流量を決定できるような、ポンプに関する。

人間又は動物の患者に対して、薬物その他の生物学的活性物質を注射するために、様々な構造による薬物送出装置が使用されている。本願において、“生物学的活性物質”という用語は、人間又は動物の治療処置に使用される、あらゆるタイプの薬物及び生物学的流体を意味していて、限定はしないがそれらには、ペプチド（インスリンなど）や、鎮痛薬、抗不整脈薬、ステロイド、ホルモン、ニコチン、ビタミン、抗片頭痛薬、抗凝血薬、局所麻酔薬、ワクチン、アレルゲン、筋肉弛緩薬などが含まれる。装置はまた、哺乳類、植物、魚類、爬虫類、及び鳥類に対して、流体を与えるためにも適している。投与量のレベルは、代表的には小さいが、患者において所望の効果又は結果を持続させるために、かかるレベルは長期間にわたって維持されることが必要である。正常な生体的活動のために治療が不可欠である場合における、医薬品・薬剤の投与は、その代表的な用途である。そうした事例においては、投与量に従って送出することが重要であるけれども、今日使用されている装置にあっては、測定された流量の形態による効果的なフィードバックはほとんど得られていない。

患者の静脈中に自動的に物質を投与できるような、携帯型の装置を求めるニーズを満足すべく、従来技術によって多彩なアプローチが提案されて来た。そうした装置に対するニーズは指摘されていたけれども、これまでの成功は限られている。成功が限られていた原因の少なくとも一部は、そうした装置においては、物質が実際に送出されている流量を精密に決定するための簡単な手段を提供することが出来なかったことにある。従来技術による装置では、機械式ポンプや、加圧気体、気圧流体、又は気体発生機構などの技術が採用されている。投与される物質は、滅菌環境中に維持しておく必要があるために、かかる物質をポンプや押出気体から隔てるべく、可撓性のダイヤフラムが通例採用されている。

滅菌環境が求められるため、実際に送出されている薬物については、注入流量にせよ、総量にせよ、これらを直接的に測定することは普通はできない。その代わりに、何か別の事項についての予測された速度に基づいて、注入流量を見積もっている。例えば、ある種の装置では、押出気体の流れを調節すべく、流体絞りに関連させた圧力源を用いている。しかしながら、想定された流量は、圧力や温度、投与される薬物の粘性、又はその他の環境的若しくは機械的な要因の変動に起因して、不正確になることがある。気体発生機構を用いた装置にあっては、電圧などの入力に相関させて、流量を決定できるようになっている。いくつかの事例では、体温や脈拍数などの別のパラメータをフィードバック機構として用いて、前記例示における圧力などの、駆動力を変化させている。しかし、多くの事例では、フィードバック機構を利用せずに、物質を投与すべき正確な流量を予め定めている。

米国特許第４，４４３，２１８号 米国特許第５，５２７，２８８号 米国特許第６，１８６，９８２号 米国特許第５，４２１，２０８号

ＤｅＣａｎｔ，Ｊｒらによる米国特許第４，４４３，２１８号が開示している、移植可能な注入ポンプは、注入チャンバのポンプ動作のために、変位リザーバを使用している。
変位リザーバは、高粘性の流体を収容していて、該流体は、機械式ポンプを用いてなる第２の圧力リザーバによって提供される。圧力リザーバと変位リザーバとの間に配置されてなる流体絞りの両側についての圧力差を監視することによって、注入チャンバからの流れを間接的に測定できる。このアプローチは、投与される物質の流れを測定できる手段を提供はするけれども、電力消費や全体寿命、及び無故障動作の観点について、いくつかの不都合を有している。押出液体には漏出する潜在的可能性があること、及び機械式ポンプを使用していることのために、滅菌の用途には貢献することができない。圧力リザーバ中の圧力を制御するために、バネとバルブとを備えた機械式ポンプが複雑な構成になっていることもまた、摩耗によってこの装置を故障しやすくしている。

Ｇｒｏｓｓらによる米国特許第５，５２７，２８８号が開示している薬物送出装置は、気体発生装置の使用を基本としている。可撓性の膜を含んだチャンバ内へ、気体を発生させる時間及び速度は、電子回路を使用して制御される。チャンバ内の圧力を用いて、第２のチャンバに収容された薬物が、双方のチャンバに共通する膜によって、ポンプ送出される。しかし、気体の発生速度は、温度や大気圧などの環境要因に依存する。この装置は測定手段を備えていないので、実際の薬物送出流量を精密に決定することはできない。

Ｇｒｏｓｓらによる米国特許第６，１８６，９８２号には、薬物の送出流量を制御する、さらに複雑な手段が開示されている。この特許においては、米国特許第５，５２７，２２８号と基本的に同様な気体発生手段が用いられているものの、温度及び圧力の変動によって生じる誤差を補償するために、閉塞部材が組み入れられている。この装置では、さらに複雑な方法が取り入れられているため、米国特許第５，５２７，２８８号に開示された装置に比べても、より誤動作や較正損失を生じやすい傾向がある。これらの及びその他の源が誤差を発生させるので、この装置を使用しても、薬物の送出流量を精密に決定することはできない。

Ｐａｃｋａｒｄらによる米国特許第５，４２１，２０８号が開示している、液体パラメータを測定するための装置は、腹膜透析に関するものであって、装置に流入及び流出するのは、無菌状態の水溶液でなければならない。２つの気体チャンバを用いて、第３のチャンバ内にある液体の流れについての制御と測定との両方を行なう。２つの気体チャンバのうちの第１のチャンバは、第２のチャンバに対して、必要な流れの方向に応じ、圧力源又は真空源のいずれかとして働く。第２の気体チャンバは、液体チャンバに対し、両者を仕切る可撓性のダイヤフラムを介して、ポンプとして働く。動作中には、ポンプ及び液体チャンバの体積は一定に維持される。従って、ポンプチャンバの体積が決定されれば、液体チャンバの体積が決定される。供給源チャンバからの気体の流れと、ポンプチャンバ内の圧力とを監視することによって、ポンプチャンバの体積、もって液体チャンバの体積は推論することができる。このアプローチのひとつの不都合は、流れ測定センサを必要とすることであって、そうしたセンサは、圧力測定センサに比べて、より複雑で故障しやすい。
気体流れセンサの較正損失や誤動作に起因して、液体流れの測定値に誤差を生じる可能性も大きい。

従って、本発明者は、注入ポンプから吐出される流体について、その送出流量を精密に決定するための、新規な非接触的アプローチを新たに開発した。
本発明による装置は、隣接する気体シリンダの体積を測定するために、理想気体の法則を適用することによって、経時的な流体体積の変化を監視するような、非接触的な方法を提供する。本発明によるアプローチでは、流体に直接接触するようなプローブやセンサを用いることがない。そうしたプローブを使用することは、生物学的活性物質の投与においては望ましくないのであるが、というのは、そうしたプローブは、流体を維持しなければならない滅菌環境に対して、これを汚染するリスクを高めるからである。従って、滅菌環境を維持することは、測定について厳しい制約をもたらす。そうした制約の結果、従来技術による装置は一般に、簡単で小型なパッケージにて、精密な測定値を得ることが出来なかった。推定された反応速度に基づいて流量の近似値を得ようとして、様々な方法が用いられたけれども、環境条件の変化によって導入される誤差を修正された、実際の流量の測定値は得られなかった。間接的な流量の測定値を提供するような装置も提案されたけれども、簡単で、信頼できる精度で、安価な解決策を提供することは出来なかった。

実施形態は３つのチャンバから構成される。第１のチャンバは、一定体積であって、高圧気体を収容している。第２のチャンバは、第１のチャンバに近接して配置され、初期には、ほぼ大気圧になっている。第１のチャンバから第２のチャンバへの気体の流れを制御するために、ソレノイド・バルブを使用する。第２のチャンバは密封されていて、第１のチャンバと第２のチャンバとの中にある気体の合計質量は一定に維持される。第３のチャンバは、第２のチャンバに隣接していて、圧縮不可能な流体の形態であるような薬物を収容していて、この薬物は適当な送出ポートを介して人間又は動物の患者に投与される。
好ましい実施形態においては、第１のチャンバと、第２のチャンバへ気体を送出するための関連するハードウェアとは、単一の再使用可能なハウジングに収容されている。第３のチャンバのためのハウジングもまた、自己充足していて、再使用可能であるか、又は使い捨てになっている。第１のチャンバと第３のチャンバとのハウジングを互いに連結させると、第２のチャンバが形成される。第２のチャンバと第３のチャンバとは、ピストンによって隔てられる。第２のチャンバと第３のチャンバとによって形成される合計体積は、装置の使用中に一定に維持される。第１のチャンバから第２のチャンバへ気体が移動すると、第２のチャンバの体積が増加して、これに対応するピストンの移動によって、第３のチャンバの体積が減少する。薬物は圧縮不可能な流体であることから、この過程の最終的な結果として、第２のチャンバの体積増加に等しい体積だけの薬物が送出されることになる。

センサを使用して、第１のチャンバと第２のチャンバとの中にある気体の圧力を決定する。第１のチャンバの体積は、既知であり一定値であるから、理想気体の法則、特に質量保存の原理を適用することで、第２のチャンバの体積を決定することができる。第２のチャンバと第３のチャンバとの合計体積は、既知であり一定値であるから、第２のチャンバについて計算された体積から、第３のチャンバの体積を決定することができる。薬物の流量は、２つの時刻における第３のチャンバ中の薬物の体積を計算し、その変化を測定間の時間で割ることによって決定することができる。
上述した技術は、単に前述の用途のみに使用できるものではなく、既知の圧縮可能な流体についての、あらゆる未知の体積を測定するために使用することができることに留意されたい。
変形例としては、ピストンに代えて、可撓性のダイヤフラムその他の手段を用いても、第２のチャンバと第３のチャンバとの間に、可動な境界を提供することができる。可動な境界は、第２のチャンバの中にある気体に対して、ほとんど又はまったく、追加的な圧力を働かせないことが好ましい。可動な境界によって圧力が導入されるのであれば、理想気体の計算中に、それを考慮に入れなければならない。この境界としては、単なる液体／気体の境界面も含まれると共に、境界は、膜又はピストンから構成しても良い。

薬物を吐出させる用途においては、第３のチャンバに設けられたポートは、ルーアー取付具に関連して使用される管が取り付けられるように適切に形成される。ポートには、固定流量のオリフィスが配置される。このオリフィスを用いた独特なアルゴリズムによって、所望の範囲内において、流量／吐出体積についての近似値が得られる。
従来技術による装置と異なって、本発明によれば、任意の時刻において、薬物の精密な吐出体積を決定することができる。送出された薬物の総量と、第３のチャンバの中にある未だ使用できる薬物の残量とは、任意の時刻において、流量の測定値についての時間積分に基づいて決定することができる。装置は、比較的わずかな構成要素しか持たないので、装置は、極めて小型、軽量、及びコンパクトに作ることができる。使用される構成要素は比較的簡単なものであるから、装置は、長期の使用にわたって、較正損失の無い、極めて信頼できるものになる。送出される流体を収容するチャンバには、なんらのセンサ、プローブ、又はその他のハードウェアも取り付けられていないので、装置は、滅菌環境が重要である医療用途に好適である。最後に、電気・電子部品については、マイクロプロセッサと、ソレノイド・バルブと、２つの圧力トランスデューサとであって、また、いくつかの好ましい実施形態においてはこれらに加えて、１又は複数の温度センサが用いられるだけであるから、電力消費は極めて少ない。

本発明のひとつの観点によって提供される、調節可能な分量の流体を送出するための装置は、気体を収容している第１のチャンバと、第２のチャンバと、を備えている。流れを制御する装置、好ましくはバルブ、さらに好ましくはソレノイド・バルブが設けられて、第１のチャンバから第２のチャンバへ、気体を移動させる。第１のチャンバの圧力を検出するために第１のセンサが備えられ、第２のチャンバの圧力を検出するために第２のセンサが備えられる。第３のチャンバは、流体と、流体を送出するためのポートとを含んでいる。境界、これは好ましくはピストンであるが、膜や、単なる気体と流体との境界面であっても良いような、境界によって、第２のチャンバと第３のチャンバとは隔てられる。第１のチャンバから第２のチャンバへと気体が移動すると、境界も動き、これにより、ポートを通って流体が吐出される。第１の圧力センサと第２の圧力センサとによって検出された圧力に基づいて、第３のチャンバから吐出された流体の体積を決定するために、プロセッサが備えられる。変形例としては、２つのチャンバの圧力のうちの一方だけを直接的に検出し、２つのチャンバ間の差圧を検出して、残る他方のチャンバの圧力を計算しても良い。

本発明の別の観点によって教示される、未知の流体流量や吐出体積を測定するための方法は、気体を収容している第１のチャンバを提供する段階と、第２のチャンバを提供する段階とを備えている。気体は、第１のチャンバから第２のチャンバへ移される。第１のチャンバの圧力と、第２のチャンバの圧力とを検出する。第３のチャンバは、送出されるべき流体と、該流体を送出するためのポートとを含む。境界、好ましくはピストンである境界によって、第２のチャンバと第３のチャンバとが隔てられる。第１のチャンバから第２のチャンバへと気体が移動すると、境界も動き、これにより、ポートを通って流体が吐出される。かかる方法にあっては、独特の段階によって、第１のチャンバと第２のチャンバとについて検出された圧力に基づいて、第３のチャンバから吐出された流体の体積を計算することが有利である。

本発明のさらに別の観点によって開示される、チャンバ中にある圧縮可能な流体についての未知の体積を決定するための方法は、第１のチャンバと第２のチャンバとを有していて、第１のチャンバが気体を収容し一定の体積を有しているような装置を提供する段階と、第１のチャンバから第２のチャンバへと、気体を移動させる段階とを備えている。第１のチャンバの圧力と第２のチャンバの圧力とを同時に検出し、その後に、第１のチャンバと第２のチャンバとについて検出された圧力値と、第１のチャンバについての一定である体積とを用いて、第２のチャンバの体積を計算する。

本発明のさらに別の観点によって開示される、チャンバ中にある圧縮可能な流体についての未知の体積を決定するための方法は、第１のチャンバと第２のチャンバとを有していて、第１のチャンバが気体を収容し一定の体積を有しているような装置を提供する段階と、第１のチャンバから第２のチャンバへと、圧力調節器を用いて気体を移動させる段階とを備えている。この方法では、まず第１のチャンバの圧力を検出し、その後に、第１のチャンバについて検出された圧力と、圧力調節器によって設定されたために既知である、第２のチャンバの圧力とを用いて、第２のチャンバの体積を計算する。

図１は、本発明のひとつの実施形態による注入ポンプについて、その構成要素を示した模式的な斜視図である。 図２は、図１の実施形態について、その一部を破断して内部構造の特徴を示した分解斜視図である。 図２Ａは、図１及び図２の注入ポンプにおける、ハードウェア・モジュールを示した斜視図である。 図３は、本発明による注入ポンプについて、その初期の流体体積を決定するための、好ましい方法を示したフローチャートである。 図４は、本発明による注入ポンプについて、目標とする吐出流量ないし体積を決定するための、好ましい方法を示したフローチャートである。 図５は、本発明による注入ポンプについて、その運転シーケンスを示したフローチャートである。 図６は、本発明による注入ポンプについて、その終了シーケンスを示したフローチャートである。 図７は、本発明による注入ポンプについて、エラー・シーケンスを示したフローチャートである。 図８は、本発明による注入ポンプについて、その制御組立体を示した模式的なブロック図である。

以下、本発明及びその追加的な特徴及び利点について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

例示を目的として図示したように、本発明は、流体を吐出し流体の流量を測定する、新規な装置として具体化される。
図１に示すように、好ましい実施形態においては、本発明の装置１は３つのチャンバを備えている。第１のチャンバ１０と第２のチャンバ１１とは、気体１２を収容していて、該気体は、第３のチャンバ１４に収容されている流体１３を送り出すために使用される。
第１のチャンバ１０から第２のチャンバ１１へ気体１２が流入すると、流体１３は、制御された流量にて、ポンプ送出される。２つの圧力プローブ１６及び１８は、チャンバ１０及び１１の圧力を検出する。これら２つの圧力を監視することによって、第２のチャンバ１１の体積を、もって第３のチャンバ１４の体積を、精密に決定することができる。第３のチャンバ１４の体積を知ることによって、該チャンバから排出される体積ないし流量を、任意の時刻において、決定することができる。結果として、装置は、流体を送出するための簡単で経済的な方法を提供する。本発明では、少数の構成要素だけしか用いないので、その動作及び精度について、極めて信頼できる。本発明においては、理想気体の法則を革新的なやり方で利用することで、流体を直接測定することなく、流体の流れを決定する。その結果、なんらのポンプも測定プローブも流体に接触しないので、医療用途には理想的である。

より詳しくは、図２に示すように、好ましい実施形態における注入ポンプ１は、ハードウェア・モジュール２０と、送出モジュール２２とから構成されている。好ましくは、ハードウェア・モジュール２０は、その構成要素が比較的高価であるため、再使用可能にできるという、魅力的な特徴を有している。他方、送出モジュール２２は、使い捨てにすることが好ましい。このように使い捨てにすることは、医療用途など、滅菌環境が求められる用途における、送出モジュールにおいて望ましい。
図２Ａを参照すると、ハードウェア・モジュール２０と、送出モジュール２２とが一緒になって、流体の流量を測定するポンプと装置との双方を構成することになる、３つのチャンバを形成する。第１のチャンバ１０は、本体２４の内面と、ハードウェア・モジュール２０における挿入体２６の、一対の端部キャップとによって形成される。第１のチャンバ１０は、空気や窒素、その他の適度に圧縮可能である気体などの、気体１２によって充填される。第１のチャンバ１０は、第２のチャンバ１１へ気体１２が不用意に漏れることを防ぐために用いられるチェック・バルブ２９を含んでなる、充填ポート２８を介して充填される。挿入体２６の端部キャップには、２つのＯリング３０及び３１が用いられて、第１のチャンバ１０の内部に気体１２を密封している。挿入体２６は、保持リング３２を用いて、本体２４に固定される。

ハードウェア・モジュール２０を送出モジュール２２の中に挿入すると、第２のチャンバ１１が形成される。第２のチャンバ１１の体積は、挿入体２６の端面３４と、シリンジ本体３６の内壁３５と、送出モジュール２２の内部に配置されてその一部分となる、ピストン４０の外側端面３８とによって定められる。本発明による流量計算においては、チャンバ１０及び１１における気体１２の合計質量が一定に維持されることを仮定しているので、Ｏリング４２を用いて第２のチャンバ１１を密封している。
第３のチャンバ１４は、シリンジ本体３６の内壁３５と、ピストン４０の内側端面４４とによって形成される。第３のチャンバ１４は、送出されるべき流体１３によって充填されるが、該流体は、薬物や、その他の生物学的活性物質である。流体１３は、流体ポート４８を介して、患者へ送出される。流体の概略の流量を確立するために、流体絞り５０を使用する。使用される流量及び圧力の範囲に応じ、様々なサイズの流体絞り５０を提供することができる。任意的事項として、流体絞り５０に代えて、所定の圧力にて破壊されるような圧力安全弁を使用することもできる。そうした実施形態においては、連続的な流れよりもむしろ、塊状に薬物が吐出される。

チャンバ１０及び１１の間における気体１２の流れを制御するために、挿入体２６の隔壁５４には、ソレノイド・バルブ５２が取り付けられる。気体１２の流れを制御すべく、ソレノイド・バルブ５２に関連して、空気流絞り５６が使用される。絞りの目的は、ソフトウェアによる所定のサンプリング速度で容易に制御できる流量にて、第１のチャンバから第２のチャンバへの気体の流れを許可することである。流れが速すぎると、第１のチャンバから第２のチャンバへ過大な気体が流れることで、過剰な吐出を生じさせる。他方において、流れが遅すぎると、ソレノイドを開く時間が長くなって、バッテリの寿命が短くなる。

電子組立体５８は、圧力プローブ１６及び１８と、オプションである温度センサとから後述するように情報を得て、送出される流体１３の量を計算し、ソレノイド・バルブ５２のデューティー・サイクルを制御することによって流体の流量を調節するという目的のために提供される。モード・スイッチ６０は、印刷回路基板組立体５８によって制御される、様々なシーケンスを開始させるものである。シール６２と、スイッチ・プランジャ６３とは、モード・スイッチ６０を通って気体１２が漏れることを防ぐ。バッテリ６４は、ハードウェア・モジュール２０の内部にある電気的な構成要素に対して、電力を供給する。エラー条件が発生した場合に、それを示すために、ＬＥＤ６６が設けられる。治療の合間に、バッテリを充電するために、１組の充電接点６８が設けられる。

好ましい実施形態においては、圧力プローブ１６を用いて、第１のチャンバ１０の内部の絶対圧（ＰＳＩＡ）を検出している。好ましい実施形態では、圧力プローブ１８は、第２のチャンバ１１の内部の絶対圧を検出する。変形例としては、ゲージ圧を検出し、その値から絶対圧の値を計算しても良い。しかしながら、絶対圧（ＰＳＩＡ）トランスデューサを直接使用する場合に比べると、大気圧を基準とするゲージ圧トランスデューサの精度は低下するし、絶対圧トランスデューサは高度にかかわらず正確である。
好ましい実施形態においては、第１の温度センサ７４と第２の温度センサ７６とを用いて、それぞれ第１のチャンバ１０と第２のチャンバ１１とにおける、気体１２の温度を得ている。気体の温度は、流体１３についての流量を計算するために必要である。別の実施形態においては、流体温度が一定であると仮定できる用途にあっては、いくらか精度は低下するだろうけれども、第１の温度センサ７４と第２の温度センサ７６とのいずれか又は両方を省略しても良い。

好ましい実施形態においては、送出モジュール２２は、患者のカテーテルやＩＶ（図示せず）に結合される、毛細管７８とルーアー取付具８０とを備えている。第３のチャンバ１４を流体１３によって充填するために、液体充填ポート８２とチェック・バルブ８４とが設けられる。別の実施形態において、医療治療流体を静脈に注入することがないような用途にあっては、送出モジュール２２と、毛細管７８と、ルーアー取付具８０と、液体充填ポート８２とを他の手段に置換し又はこれらを省略しても良い。
好ましい実施形態においては、ソレノイド５２の誤動作時にそれ以上の薬物の吐出を防ぐべく、フェール・セーフの特徴としてソレノイド・排気バルブ８５が用いられていて、チャンバからすべての気体（空気）を排出する。

送出モジュール２２は、滅菌袋の中に包装されて、その包装は、資格のある医療専門家や薬剤師によって開封される。送出モジュール２２への流体１３の注入は、資格のある医療専門家や薬剤師によって、液体充填ポート８２を介して行なわれる。所望の体積だけ充填されると、送出モジュール２２は、使用に備え、袋に入れられ、ラベルを貼られる。ポンプの容量上限までの任意の体積の流体を投与することができる。
送出モジュール２２が充填されたならば、これを臨床医に引き渡し、ハードウェア・モジュール２０に結合し、プライミングしてから、患者に結合する。毎回の使用後には、バッテリ６４と、第１のチャンバ１０の気体圧との両方を再充填して、次回の使用に備える。目標圧、Ｐ_targetは、与えられたサイズの流体絞り５０に対して、求められる流体の流量を得るために必要な、第２のチャンバ１１の中の圧力として定められる。初期には、チャンバ１０に対する空気圧の充填が充分に高いので、ピストン４０がそのストロークの終端に達したとしても、第１のチャンバ１０の中の圧力はＰ_targetに比べて大きい。第１のチャンバ１０に必要とされる、初期の充填圧力、Ｐ_1iは次のように定められる。すなわち、ストロークの終端における第２のチャンバ１１の体積が"Ｘ"であり、目標圧Ｐ₂が"Ｙ"であるとするならば、第１のチャンバ１０の体積にＰ_1iを掛けた積は、積"ＸＹ"を、いくらかの余裕をもって越えていることが必要である。

［プライミング（準備）］
第２のチャンバ１１についての初期の体積は、ハードウェア・モジュール２０を送出モジュール２２に挿入する際に定められる。モード・スイッチ６０を押し下げると、毛細管７８を通って、流体１３が流出し始める。いったんこの工程が開始されると、ソレノイド・バルブ５２が励磁されて、気体１２はチャンバ１０とチャンバ１１との間を通過するようになる。第２のチャンバ１１の圧力上昇によって、ピストン４０には力が働き、これが第３のチャンバ１４の流体圧力を増加させることによって、流体１３は流体ポート４８を介して排出される。毛細管７８の中にあるすべての空気が流体によって押し出されるまで、第３のチャンバ１４から流体を吐出させる。この時点で、ユニットは患者に対して使用する準備が出来たことになる。

［初期の流体体積の決定］
流体の流量を精密に監視するためには、装置を使用する前に、第２のチャンバ１１についての初期の体積を決定しなければならない。好ましい実施形態においては、図３のフローチャートに示した初期化手順を実行することによって、かかる決定を行なう。モード・スイッチ６０を用いて、初期化手順を開始する。初期化手順中においては、第２のチャンバ１１の体積を一定の体積Ｖ_2iに維持すべく、ピストン４０の位置が一定に維持されるものと仮定する。
初期化手順は、「初期化」と記したように、参照符号３０２から開始する。段階３０４においては、チャンバ１０の圧力Ｐ_1iと、チャンバ１１の圧力Ｐ_2iとを、それぞれ圧力プローブ１６と１８とを用いて測定する。段階３０６においては、ソレノイド・バルブ５２を用いて、充分な量の気体１２をチャンバ１０とチャンバ１１との間にて移動させ、第２のチャンバ１１の圧力がＰ_targetに近似した値になるようにする。段階３０８においては、チャンバ１０及び１１についての新たな圧力を再び測定して、それぞれをＰ_1fとＰ_2fとする。気体１２の移動中に、両方のチャンバの体積が固定されていることから、段階３１０においては、理想気体の法則を利用して、第２のチャンバ１１の体積Ｖ₂を以下の如く計算する。

Ｖ_2f ＝ Ｖ_2i ＝ Ｖ₁ × [(Ｐ_1f − Ｐ_1i)／(Ｐ_2i − Ｐ_2f)] …（１）
ここで、Ｖ₁は、第１のチャンバ１０の体積である。第１のチャンバ１０は一定の体積であるから、装置の動作の全体にわたって、Ｖ₁の値は既知であり一定値である。第２のチャンバ１１と第３のチャンバ１４との合計体積Ｖ₂₃もまた、装置の動作の全体にわたって、既知であり一定値である。ゆえに、体積Ｖ_3fは、以下の如く計算される。
Ｖ_3i ＝ Ｖ₂₃ − Ｖ_2f …（２）
２つのチャンバの中にある気体１２の圧力及び体積を知れば、再び理想気体の法則を利用して、気体の合計質量と、その２つのチャンバ間における分布を決定することができる。段階３１２においては、第１の温度センサ７４若しくは第２の温度センサ７６又はこれらの双方を使用して、気体１２の温度を測定する。別の実施形態においては、気体１２の温度Ｔが標準的な室温２０℃であると仮定することで、第１の温度センサ７４又は第２の温度センサ７６の必要性を排除する。段階３１４に示すように、第１のチャンバ１０についての質量Ｍ_1fと、第２のチャンバ１１についての質量Ｍ_2fとは、以下の如く計算される。
Ｍ_1f ＝ (Ｖ₁ × Ｐ_1f)／(Ｋ × Ｔ) …（３）
Ｍ_2f ＝ (Ｖ_2f × Ｐ_2f)／(Ｋ × Ｔ) …（４）
ここで、Ｋは、一般気体定数である。系における気体の合計質量は簡単で、次の通りになる。

Ｍ₂₃ ＝ Ｍ_1f ＋ Ｍ_2f …（５）
こうして確立した、合計気体質量Ｍ₂₃は、系が閉じているために、以降のすべての動作にわたって一定に維持される。
段階３１６においては、毛細管７８のキャップを取り外し、第２のチャンバ１１の中の圧力によって、流体１３を毛細管に流出させて、すべての空気を押し出す。最初の数滴がオリフィスから流出したことをオペレータが確認したならば、毛細管７８の端部にキャップを再び取り付けて流れを止める。以上の初期化が完了したならば、印刷回路基板組立体５８にプログラムされたファームウェアによって、装置は、段階３１８に示した待機状態になる。ユーザによるオリフィス開始の旨の信号を受けると、この段階は終了して、段階３２０へ移行する。

［吐出流量の決定］
数分から数時間にわたる待機状態の期間の後に、毛細管７８からキャップを取り外すと、流体１３は流出を開始する。ルーアー取付具８０を患者の注射針に取り付けて、治療を始める。オペレータは、再びモード・スイッチ６０を使用して、装置を起動させる。
初期化手順中に計算されたＭ₂₃の値は、チャンバ１０及び１１によって形成される閉じた系においては、一定のままに維持される。
印刷回路基板組立体５８が起動信号を受信すると、図４に示した手順を用いて、流体の流量が決定される。この手順は、「オリフィス」と記した、参照符号４０２から開始する。段階４０４においては、ソレノイド・バルブ５２が励磁されて、気体１２は再び、第１のチャンバ１０から第２のチャンバ１１へと流れられるようになる。第２のチャンバ１１の圧力が、ほぼＰ_targetに等しくなると、ソレノイド・バルブ５２は閉じられる。段階４０６においては、第１のチャンバ１０と第２のチャンバ１１との圧力、それぞれＰ₁及びＰ₂が測定される。段階４０７においては、第１の温度センサ７４若しくは第２の温度センサ７又はこれらの双方を使用して、気体１２の温度を測定する。変形例としては、前述の如く、適切であるならば、気体１２の温度Ｔが標準的な室温２０℃であると仮定することで、第１の温度センサ７４又は第２の温度センサ７６の必要性を排除しても良い。

気体１２の合計質量Ｍ₂₃は、既に段階３１４にて決定されていて、既知の定数のままである。第１のチャンバ１０の体積もまた既知の定数であるから、第１のチャンバ１０と第２のチャンバ１１とについての質量は、常に、Ｐ₁とＴとから計算できる。これらの計算は、段階４０８において、第２のチャンバ１１の体積及び第３のチャンバ１４の体積を併用して、以下の如く行なわれる。

Ｍ₁ ＝ (Ｖ₁ × Ｐ₁)／(Ｋ × Ｔ) …（６）
Ｍ₂ ＝ Ｍ₂₃ − Ｍ₁ …（７）
Ｖ₂ ＝ Ｍ₂ × Ｋ × Ｔ ／ Ｐ₂ …（８）
Ｖ_3a ＝ Ｖ₂₃ − Ｖ₂ …（９）
ここで、Ｖ_3aは、ある瞬間における流体１３の体積である。短い遅れ時間Ｄ₁（段階４１０）の後に、段階４１２において、第２のチャンバ１１の圧力を再び測定して、遅れ時間の後に残っている流体１３の量を決定する。段階４１４においては計算を行なう。

Ｖ₂ ＝ Ｍ₂ × Ｋ × Ｔ ／ Ｐ₂ …（１０）
Ｖ_3b ＝ Ｖ₂₃ − Ｖ₂ …（１１）
ここで、Ｐ₂とＶ₂とは、初期の測定値から変化している。次に、段階４１６において、流量が測定される。
Ｒ ＝ (Ｖ_3a − Ｖ_3b) ／ Ｄ₁ …（１２）
ここで、Ｒは流量である。流量の値は、１ミリリットル／時間、１０ミリリットル／時間、又は１００ミリリットル／時間というような、最も近い既知のオリフィスサイズの増分に丸められる（段階４１８及び段階４２０）。段階４２２においては、理論的な流量Ｒ_tと、初期の流体体積Ｖ_3iとを用いて、理論的な吐出時間ｔ_tを計算する。
ｔ_t ＝ Ｖ_3i ／ Ｒ_t …（１３）
いったん流量が確立したならば、装置は、段階４２４から運転シーケンスへ移行する。

［運転シーケンス］
図５に概略を示した運転シーケンスによって、流体１３は、患者に投与され続ける。このシーケンスは、「運転」と記した、参照符号５０２から開始する。運転シーケンス中には、第２のチャンバ１１の圧力は、おおよそＰ_targetに維持されるけれども、ソレノイド・バルブ５２のデューティー・サイクルは、吐出流量を「スピードアップ」又は「スローダウン」させるように、可変される。言い換えれば、ソレノイド・バルブのデューティー・サイクルを必要に応じてスキップすることで、吐出流量を所望の範囲に維持させる。Ｐ₂を所望の範囲に維持することは、薬物の過剰吐出を防ぐために、重要である。段階５０６においては、所定の間隔にてタイマー５０４を用い、経過時間Δｔと理論的な流量Ｒ_tとに基づいて、理論的な流体体積Ｖ_3tを計算する。
Ｖ_3t ＝ Ｖ_3i − (Ｒ_t × Δｔ) …（１４）

段階５０８においては、吐出時間ｔ_tを越えているか否かを調べる。この時間を越えているならば、段階５１０ではエラー・シーケンスを呼び出す。未だ時間が残っているならば、段階５１２においては、第１のチャンバ１０と第２のチャンバ１１との圧力を測定し、必要があれば、温度Ｔも測定する。段階５１２では、これらの値を用いて、流体１３の残りの体積を計算する。
Ｍ₁ ＝ Ｐ₁ × Ｖ₁ ／ (ｋ ×Ｔ) …（１５）
Ｍ₂ ＝ Ｍ₂₃ − Ｍ₁ …（１６）
Ｖ₂ ＝ Ｍ₂ × ｋ × Ｔ ／ Ｐ₂ …（１７）
Ｖ₃ ＝ Ｖ₂₃ − Ｖ₂ …（１８）
Ｖ₃は、実際の流体体積であり、理論的な流体体積と比較される。Ｖ₃が理論的な流体体積と異なっているならば、求められる流量を維持すべく、ソレノイド・バルブ５２のデューティー・サイクルについて、微調整が施される。段階５１４及び段階５２４には、この調整の手順を示していて、理論的な吐出時間内にすべての流体が吐出され終えるまで、かかる手順は続けられる。Ｐ₂が所定範囲から外れたならば、段階５２０と段階５２２とで、エラー・シーケンスを呼び出す。Ｖ₃が所定値を下回ったならば、段階５２８では、終了シーケンスを呼び出す。Ｖ₃が、Ｖ_3minを上回る場合には、段階５３０において、所定の遅れ時間Ｄ₂だけ待った後、段階５０４からシーケンスを再開する。

［終了］
流体が所定の最小値Ｖ_3minを下回ったならば、図６に示した終了シーケンスが呼び出されて、段階６０２から始められる。段階６０４では、ＬＥＤ８１６を点灯させて、吐出体積が用い尽くされて、運転が終了したことをユーザに合図する。段階６０６では、装置が停止する。

［エラー］
エラーに遭遇すると、図７に示したエラー・シーケンスが呼び出されて、段階７０２から始められる。段階７０４では、ＬＥＤ８１６を点灯させて、オペレータに問題がある旨を警告する。装置は、段階７０６で停止する。
本発明による装置及び方法は、発明の精神や本質的な特徴から逸脱せずに、別の形態によって実施することもできる。開示した実施形態は、あらゆる点において、単なる例示であって、制限ではないとみなされるべきである。従って、本発明の範囲は、発明の詳細な説明によってではなく、特許請求の範囲によって示されている。特許請求の範囲の意義及びその均等物の範囲に含まれるあらゆる変更は、発明の範囲に包含されるものである。

Claims (4)

1. 流体の流量を測定するための方法であって、この方法が、
   気体を収容している第１のチャンバを提供する段階と、
   第２のチャンバを提供する段階と、
   前記第１のチャンバから前記第２のチャンバへ、前記気体を移動させる段階と、
   前記第１のチャンバ内の圧力を検出する段階と、
   前記第２のチャンバ内の圧力を検出する段階と、
   流体と前記流体を送出するためのポートとを含んでなる、第３のチャンバを提供する段階と、
   前記第２のチャンバを前記第３のチャンバから隔てる境界を提供し、前記第１のチャンバから前記第２のチャンバへと前記気体が移動すると、前記境界が動いて、これにより、前記ポートを介して前記流体が吐出されるような段階と、
   前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとについて検出された圧力に基づいて、前記第３のチャンバからの流体の吐出体積を計算する段階と、
   を備えていることを特徴とする方法。
2. 前記境界は、前記気体と前記流体との間の境界面を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記境界は膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記境界はピストンを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

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