JP7174089B2 - 液剤を投薬する計量システムを有するポンプ・エンジン - Google Patents

Description

本発明は、概略、インスリンやその他の液剤のための改良された投薬精度をもたらすポンプ・エンジンまたは流体駆動体のためのフェイルセーフ計量システムに関する。

糖尿病は、インスリン生成、インスリン作用または両方の不足に起因する高濃度の血糖を特徴とする疾病群である。糖尿病は、重大な健康障害や早すぎる死を引き起こす可能性がある。しかし、病気を抑え、障害のリスクを低下させるのに有効である、糖尿病を患う人々にとって周知の製品がある。

糖尿病を患う人々にとっての治療法の選択肢は、特殊な食物、経口薬および／またはインスリン療法を含んでいる。糖尿病の治療法に対する主要目的は、障害の無い生活の可能性を増大化させるために、患者の血中ブドウ糖濃度（血糖値）を抑えることにある。しかしながら、良好な糖尿病管理を達成するとともに、その他の生活要求と環境のバランスを保つことは、必ずしも容易なことではない。

現在、１型糖尿病の治療法に関し、毎日のインスリン療法の２つの基本モードがある。第１のモードは、通常、一日に３～４回の注入毎に、針の突き刺し（a needle stick）が不可欠である注射器やインスリン・ペンを含んでいる。これらの装置は、使用するのに簡単であり、コスト的にも比較的安い。その他の広く採用され、効果のある、糖尿病を管理するための治療方法には、インスリン・ポンプの使用がある。インスリン・ポンプは、膵臓の挙動をしっかりと再現するために、いろいろな割合での連続的な注入を提供することにより、使用者の血糖値を、使用者の個々の必要性に基づく目標範囲内に保持するのに役立つ。インスリン・ポンプを使用することにより、使用者は、インスリン注入が彼らにとってどのように役立っているのかに対し彼等の生活様式を合わせるというよりはむしろ、彼等のインスリン療法を彼等の生活様式に合わせることができる。

従来のインスリン・ポンプは、１日２４時間、皮膚の下に配置されるカニューレ（通常、中空の金属製針または可撓性のプラスチック製カテーテル）を通して、急速な、すなわち作用持続時間が短いインスリンを送出することができる。インスリンの服用量は、通常、基本的な割合で（at a basal rate）、かつ、大量の服用量で（in a bolus dose）投与される。基本的なインスリンが２４時間にわたって連続的に送出され、食間および一晩中において安定した範囲内に血糖値を保つように努力する。いくつかのインスリン・ポンプは、昼と夜の異なる時間によって変化するようにインスリンの基本的な割合をプログラムすることができる。大量の服用量は、通常、使用者が食事を摂取するときに投与され、一般的に、摂取された炭水化物に釣り合わせるために、単一のさらなるインスリン注入をもたらす。いくつかの従来のインスリン・ポンプは、摂取された食事の量またはタイプに従って大量の服用量を使用者がプログラムすることを可能にする。従来のインスリン・ポンプは、また、使用者が修正のまたは追加の量のインスリンを注入し、使用者が食事量を計算しているときに低血糖値を補償することを可能にする。

糖尿病の治療のその他の方法にわたって、従来のインスリン・ポンプの多くの利点がある。インスリン・ポンプは、単一の注入よりはむしろゆっくりと時間をかけてインスリンを送出し、したがって、通常、米国糖尿病協会により推奨される血糖の範囲内に変動が留まることになる。従来のインスリン・ポンプは、患者が耐えなければならない針の突き刺しの数を減少させ、また、使用者にとって糖尿病の管理をより容易に且つ有効にし、使用者の生活の質を向上させ得る。通常、患者は、多数の直接注射（MDIs）であるかポンプであるかにかかわらず、目覚めると、患者は、空腹時血糖剤（FBGM）を飲み、また、食事中または食後の血液中の糖を検査し、補正服用量が必要とされているかどうかを測定する。さらに、患者は、寝る前に血液中の糖を検査し、例えば、簡単な食事の摂取後に、補正服用量が必要とされているかどうかを測定する。

一般的に、インスリン・ポンプには、２つのタイプ、従来型ポンプとパッチ型ポンプがある。

従来型ポンプは、インスリンをポンプ内のタンクから使用者の皮膚内に搬送する、通常、注入セット、管セットまたはポンプ・セットと称される使い捨て可能な構成要素の使用を必要とする。注入セットは、通常、ポンプ接続器、長い管、および中空の金属製注入針または可撓性のプラスチック製カテーテルが延在するハブ（a hub）またはベース（a base）から成る。ベースは、使用中、皮膚表面上にベースを保持する接着剤を有する。ベースは、手で、または、手動または自動挿入装置を用いて皮膚に張り付けられる。多くの場合、挿入装置は、使用者が運んだり、用意したりするのに必要とされる別個の独立型の装置である。

インスリン・ポンプの別のタイプは、パッチ型ポンプである。従来型の注入ポンプと注入セットとの組み合わせとは違って、パッチ型ポンプは、注入部位に接着して取り付けられる、単一のハウジング内に大部分または全ての（流体タンクやポンピング機構を含んでいる）流体要素を合体させている統合装置であって、別個の注入（管）セットの使用を必要としない。パッチ型ポンプは、皮膚にしっかりと付着し、インスリン（または、その他の薬剤）が入れられ、統合された皮下にあるカニューレを介して、ある期間にわたって、インスリンを送出する。いくつかのパッチ型ポンプは、他のものは、全て内蔵されているのに対して、（ブランド名オムニポッド（OmniPod）でインスレット株式会社（Insulet Corporation）より販売された一つの装置のように）別個の制御装置と無線で交信する。これらの装置は、通常、タンクが空になった場合、あるいは、他に面倒なことが起きた場合、頻繁に、例えば、３日毎に取り替えられる必要がある。

代表的なインスリン・パッチ型ポンプ１００が図１に示されている。パッチ型ポンプは、通常、３日分である、ポンプ装置の継続期間中に必要な総服用量を保持する単一のタンク１１０を利用する。ポンプ・エンジン１２０またはその他の流体駆動体は、通常、例えば、プランジャのような補助的要素を介するか、または、タンク１１０の直接的な変形によって、単一のタンク１１０に直接的に力を加える。このことが、タンク１１０から流体ライン１１２およびカニューレ１１１を通して患者の皮下（ＳＣ）組織内にインスリンが流れ出ることを引き起こす。

別のタイプのパッチ型ポンプ２００においては、簡単な形の流体駆動体は、図２に示されるように、予め負荷を加えられたバネ２２０である。予め負荷を加えられたバネ２２０を利用するインスリン・パッチ型ポンプにおいては、皮下組織内へのインスリンの連続した流量は、流体ライン２１２またはカニューレ２１１内の目盛り付き制限オリフィスおよび予め負荷を加えられたバネ２２０によりタンク２１０に加えられたバネ力によってのみ制御される。

このタイプのポンプの欠点は、結果として流量の低下を招くバネの進路に沿うバネ力の低下およびポンプ・エンジンの有効期限が終わるまでバネ力の変化を含んでいる。さらに、このタイプのインスリン・ポンプは、「フェイルセーフ機構」、すなわち患者がうっかりとタンクの容量を全て受け入れてしまうことやタンクの中身を全て送出してしまうことを防止する手段を欠いている。

あるいは、別のタイプのパッチ型ポンプ３００においては、皮下組織内へのインスリンの流量は、図３に示されるように、オン・オフ弁のような方向制御弁３３０を流体ライン３１２に組み込み、必要なときにカニューレ３１１を介して注入を提供することにより不連続になり得る。しかしながら、弁３３０は、流体駆動体３２０とともに使用される場合、依然として開位置に失敗し、結果として、薬剤の全服用量が患者内に注入されることを許容する単一障害点（a single point failure）を招く。例えば、図３に示される弁３３０が失敗した場合、流路は、開のままであり、加圧されたタンク３１０は、患者内に完全に注入される。

図４は、糖尿病の治療のための別のパッチ型ポンプ４００を例示している。示されている流体駆動体は、ポンプ・エンジンまたはモータ４２０である。このような装置は、通常、図４に示されるように、注射器式タンク４１０から注入部位へ流体ライン４１２およびカニューレ４１１を通って少しずつ増加する服用量分前進させる機構のような、ステッピングモータまたは同様に動くその他の装置である。例示される装置は、１型糖尿病および２型糖尿病の両方に対するインスリン療法の広く行き渡った方法である多数の毎日注射（MDIs）に比べてインスリン療法の優れた形態を提供する。業界における基本的な送出に関する最近の傾向は、目標の期間にわたって少しずつ増加する服用量分を送り込み、それにより、連続的な注入に近づくことにある。少しずつ増加する服用量は、また、小児科の応用に、より適している。

投薬の精度は、やはり、ポンプ・エンジンの最近の傾向に対する関心ではある。ＩＥＣ６０６０１－２－２４のような適用規格は、約２マイクロメータ（μｍ）／ステップという極めて小さい線形変換でプランジャを押す従来の容積型ポンプにとって困難である目標値の（＋／－）５％以内である投薬精度を要求する。

注入に関し、注射器のプランジャの同じ線形変換がより小さな服用量をもたらすように、より高い精度が、注射器の直径を減少させることによりもたらされる。例えば、図５Ａに例示されるように、内径Ｄ１が０．３３８インチ（８．５８５２ｍｍ）である３／１０ｃｃの注射器５１０のプランジャの同じ漸増移動は、３ｍｌの注射器５２０と比べて同じ漸増移動に対して１／８の服用量を、または、図５Ｂに例示されるように、内径Ｄ２が０．１１０インチ（２．７９４ｍｍ）である３ｍｌの注射器５２０の８倍の精度をもたらす。３／１０ｃｃの注射器５１０のより高い精度は、服用量の誤差を削除するかまたは減少させ、２型糖尿病を患う患者にしばしば処方されるＵ２００インスリンやＵ５００インスリンのような高濃度の薬剤の使用を可能にする。

米国特許第５，８５８，００１号明細書 米国特許第５，８５８，００５号明細書 米国特許第５，９５７，８９５号明細書 米国特許第６，０７４，３６９号明細書 米国特許第６，５５１，２７６号明細書 米国特許第６，５８９，２２９号明細書 米国特許第６，６５６，１５８号明細書 米国特許第６，７４０，０５９号明細書 米国特許第６，８５２，１０４号明細書 米国特許第６，９６０，１９２号明細書 米国特許第７，０５２，２５１号明細書 米国特許第７，１０９，８７８号明細書 米国特許第７，１２８，７２７号明細書 米国特許第７，２２６，２７８号明細書 米国特許第７，２５０，０３７号明細書 米国特許第７，３０３，５４９号明細書 米国特許第７，６７８，０７９号明細書 米国特許第７，８５７，１３１号明細書 米国特許第８，０２１，３３４号明細書 米国特許出願公開第２００８／００９７３８１号明細書 米国特許出願公開第２００９／００４８５６３号明細書 米国特許出願公開第２００９／００６２７７８号明細書 欧州特許第２，０１９，２０６号明細書

したがって、小さな注射器直径を有する改善された服用量精度を組み込み、且つ不注意による薬剤の過剰投与を受け入れることから患者を守る、流体駆動体またはポンプ・エンジンに対するフェイルセーフ計量システムの必要性がある。

さらに、パッチ型ポンプのような完全に使い捨て可能なポンプ装置を含む、流体駆動体またはポンプ・エンジンで作動する低コストの計量システムの必要性がある。

本発明の目的は、上記問題点およびその他の問題点に実質的に取り組むことにあり、インスリンまたはその他の液剤を送出する注入ポンプのためのフェイルセーフ計量システムと組み合わせてより高度の注入精度を提供することにある。

本発明の別の目的は、インスリン注入ポンプの計量システムのタンク内の、安全なまたは害のない服用量の薬剤に予め負荷をかけ、加圧するだけで患者の不注意による過剰投与に取り組むことにある。

本発明の別の目的は、より高濃度の薬剤の使用を可能とするとともに、ポンプ・エンジンの精度に対する業界の要求に従う計量システムを提供することにある。

本発明の別の目的は、連続的注入に近い微細な漸増服用量を可能にする計量システムを提供することにある。

本発明の別の目的は、低レベルのまたは質の悪い精度を有するポンプ・エンジンを含むどのようなタイプの流体駆動体またはポンプ・エンジンとも注入ポンプ装置の一部として統合され得る低コストの計量システムを提供することにある。

インスリン注入用パッチ型ポンプの基本的な要素からなる例示的な実施形態を示している。 ポンプ・エンジンとして予め負荷をかけられたバネを有するインスリン注入用パッチ型ポンプの例示的な実施形態を示している。 予め負荷をかけられたバネのポンプ・エンジンおよび方向制御弁を有するインスリン注入用パッチ型ポンプの例示的な実施形態を示している。 ポンプ・エンジンとしてステッピングモータを有するインスリン注入用パッチ型ポンプの例示的な実施形態を示している。 ３／１０ｃｃ注射器の例示的な実施形態の断面図および端面図を示している。 ３ｍｌの注射器の例示的な実施形態の断面図および端面図を示している。 主ポンプ・エンジンに接続されている本発明のインスリン注入計量システムの例示的な実施形態を示している。 マイクロ電気機械システム（MEMS）用チップに組み込まれた、本発明のインスリン注入計量システムの例示的な実施形態を示している。 ＭＥＭＳ用チップを組み込んでいる、本発明のインスリン注入計量システムの代わりの例示的な実施形態を示している。 ＭＥＭＳ用チップチップを組み込んでいる、本発明のインスリン注入計量システムの別の例示的な実施形態を示している。 ＭＥＭＳ用チップチップを組み込んでいる、本発明のインスリン注入計量システムの別の例示的な実施形態を示している。 ＭＥＭＳ用アクチュエータを組み込んでいる、本発明のインスリン注入計量システムの別の例示的な実施形態を示している。

添付された図面と併せて読むことで、本発明の代表的な実施形態の種々の目的、利点および新規な特徴が、以下の詳細な説明から容易に理解されるだろう。

図面全体にわたって、同じ参照番号は、同じ要素、特徴および構造に言及していることが理解されるだろう。

本発明の実施形態は、インスリンやその他の液剤に対し、改善されたインスリン投与精度をもたらすポンプ・エンジンまたは流体駆動体のためのフェイルセーフ計量システムに関する。

本発明に係るフェイルセーフ計量ポンプ・システム６００の構成要素の例示的な実施形態が図６に示されている。図６を参照すると、注入ポンプ・システムは、概略、ポンプ・エンジン６２０の形をしている流体駆動体、主タンク６１０、および、補助タンク６４０、少なくとも１つの逆止弁６５０、少なくとも１つの方向制御弁６６０、流量調節弁（an adjustable flow valve）６７０を含んでいる計量システム６３０を備えている。本明細書に記載される別の実施形態においては、流量調整弁６７０は、目盛り付きの制限オリフィス（a calibrated limiting orifice）に置き換えられる。さらに別の実施形態においては、逆止弁６５０は、方向制御弁６７０に置き換えられる。流体ライン６１２、６１３、６１４および６１５は、図６に例示されるように、システムの種々の構成要素を接続している。

本発明の例示的な実施形態のポンプ・エンジン６２０は、互換性がある。ポンプ・エンジン６２０は、バネで駆動されるポンプ、ステッピングモータで駆動されるポンプ、電気化学ポンプ、電気浸透ポンプ、または陽圧ポンプのいずれであってもよい。

主タンク６１０、すなわち、マクロ・タンク（macro-reservoir）は、インスリンのような薬剤を貯蔵し、投薬する大量流体貯蔵室（a bulk fluid storage chamber）であり、３ｍｌ注射器を含み得る。主タンクのポンプ・エンジン６２０の投薬精度は、目標の服用量の（＋／－）１０％の範囲内のどこにあってもよい。

補助タンク６４０、すなわち、マイクロ・タンク（micro-reservoir）は、補助タンク６４０内にある安全なまたは害のない服用量のインスリン薬剤を、予め負荷をかけ、加圧するだけで、不注意によるインスリンの送出を制限するために設けられる。予め負荷をかけられているバネ、ソレノイド、またはその他のタイプの流体駆動体であり得る流体駆動体６４１は、補助タンクから注入部位へ漸増の微小服用量（micro-doses）を送出する。

逆止弁６５０は、補助タンクの送出サイクル中に、主タンクへ戻る流れを排除するために設けられている。代表的な実施形態においては、図６に例示されるように、ポンプ・エンジン６２０は、プランジャ６１９に圧力を加え、インスリンを主タンク６１０から流体ライン６１５内に押し出し、インスリンが補助タンク６４０へ移動されるまで逆止弁６５０を開く。

方向制御弁６６０は、補助タンク６４０をいっぱいに満たしたり、補助タンク６４０から投薬したりする場合に、流路の遮断を制御する。方向制御年６６０は、電気的に制御され、通常は、注入部位へのインスリンの意図的ではない送出を防止するように閉じられている。方向弁６６０の実施形態は、限定されるものではないが、仕切り弁のような遮断弁、ピンチ弁（pinch valves）、スプール弁（spool valves）などを含んでいる。

通常は閉じている方向弁６６０が開くことは、インスリンが流量調節弁６７０で制御された流量で注入部位に流れることを可能にする。制御器（図６には示されていない）は、方向制御弁６６０が流体駆動体６４１および流量調節弁６７０の開口／オリフィスによって補助タンク６４０内のインスリンに加えられている圧力に基づいて開いたままである継続期間を計算する。すなわち、制御器は、患者の服用必要量（the patient’s dose requirements）を流量や継続期間の設定（duration settings）に変換する。

図６に示されるフェイルセーフ計量ポンプ・システム６００の動作は、以下に説明される。

補助タンク６４０の流体のレベルが低い場合に、ポンプ・エンジン６２０が作動し、インスリンを主タンク６１０から補助タンク６４０へ移動させる。逆止弁６５０が開位置にあり、流量調節弁６７０が閉位置にある場合、インスリンは、流体ライン６１３、６１４および６１５を通って主タンク６１０から補助タンク６４０内へ流れることが許容される。逆止弁６５０のような逆止弁は、通常、弁座のオリフィスを通る下流への流れを塞ぐような方法で、球体が弁座に係合する、バネで負荷がかけられているＮ／Ｃ（常閉）弁である。したがって、球体に対向するライン圧力が逆止弁の定格クラッキング圧力（the rated cracking pressure）を越えて増大すると、球体は、弁座から押しのけられ、弁座のオリフィスを通って下流に流れることを可能にする。ポンプ・エンジン６２０がプランジャ６１９を移動させ、流体ライン６１５に逆止弁６５０のクラッキング圧力および流体駆動体６４１により発生する流体ライン６１４／６１３の圧力より大きい正圧を作り出すと、逆止弁６５０の開閉が生じる。

システム６００のポンプ制御器がインスリンを供給する信号を受け取ると、方向制御弁６６０が開き、逆止弁６５０は、閉じた位置にあり、流量調節弁６７０により制御される流量で、流体ライン６１２および中空の金属性針または可撓性のプラスチック製カテーテル６１１を通って注入部位へ流れることを可能にする。流量調節弁６７０の実施形態は、限定されるものではないが、ダイアフラム弁などのような数％単位で開口部の直径を変化させることにより流れを調節する制御弁を含んでいる。

この実施形態において、予め負荷がかけられているバネのような流体駆動体６４１により補助タンク６４０に加えられている圧力であるラインの圧力は、既知であり、注入の流れは、基本または大量の服用要求量によって調節される。送出される服用量は、ラインの圧力、方向制御弁６６０が開いている期間、および流量調節弁６７０の可変制限オリフィスの関数である。周囲温度や大気圧も、注入服用量の計算の因子となっており、服用量の精度をさらに向上させる。

本発明の例示的な実施形態の補助タンク６４０を有する計量システム６３０の投与精度は、主タンクに対して選択されたポンプ・エンジンにもかかわらず目標服用量の（＋／－）１％以内にある高水準の注入精度をもたらすとともに、計量システム６３０の補助タンク６４０内の安全なまたは害のない服用量の薬剤を予め負荷をかけ、加圧するだけで、患者の不注意による過剰投与を防止することができる。

本発明の計量システム注入ポンプ装置６００の例示的実施形態は、限定されるものではないが、注入ポンプ装置内の閉塞圧または背圧を検出するセンサ、注入ポンプ装置の送出ライン内の気泡を検出するセンサ、補助タンク６４０の末端または補助タンク内に残っているインスリンを含む、注入ポンプ装置６００の補助タンク６４０の充満状態（the fill status）を検出するセンサ、注入ポンプ装置６００の漏れを検出するセンサ、およびインスリンまたはその他の薬剤の流量を測定するセンサを含み得る。

図７を参照すると、本発明の別の例示的実施形態に係る注入ポンプ・システム７００は、センサと図６の実施形態に示されると同様に、逆止弁７５０、方向制御弁７６０、および流量調節弁７７０のような注入ポンプの計量システム７３０の要素とを組み合わせて、流体ライン７１３、７１４および７１５を介して主タンク７１０と補助タンク７４０を接続しているマイクロ電気機械システム（MEMS）用チップ７０５を作っている。

これらの構成要素を組み合わせてＭＥＭＳ用チップ７０５を作ることは、通常、小さな梱包のインスリン注入ポンプに必要とされる計量システム構成要素や検出素子の多くを提供するのに低コストであり、効果的な方法であり、したがって、注入ポンプ装置の外形寸法を小さくする。

注入ポンプ・システム７００においては、補助タンク７４０の流体レベルが低いと、ポンプ・エンジン７２０が作動し、タンク７１０内のプランジャ７１９を移動させることにより、インスリンを主タンク７１０から補助タンク７４０へ移動させる。逆止弁７５０が開位置にあり、流量調節弁７７０が閉位置にある場合、インスリンは、主タンク７１０から補助タンク７４０内に、流体ライン７１３、７１４および７１５を通って流れざるを得ない。システム７００のポンプ制御器が、インスリンを供給する信号を受け取ると、方向制御弁７６０が開く一方、逆止弁７５０は、閉位置にあり、流体ライン７１２を介して加圧された補助タンク７４０から注入部位へのおよび中空の針またはカテーテル７１１へのインスリンの流れを可能にするとともに、流量調節弁７７０により流量が制御される。流体駆動体７４１は、補助タンク７４０から注入部位へ漸増の微小服用量を送出することができる。

注入ポンプ・システム８００は、注入ポンプ装置の計量システム要素をＭＥＭＳチップ８０５に組み込んでいる本発明の別の例示的な実施形態であり、図８に示されている。図８を参照すると、流体送出システム８００は、概略、ポンプ・エンジン８２０、主タンク８１０および補助タンク８４０、流体駆動体８４１、流れ制御弁８５０、方向制御弁８６０、流量調節弁８７０、圧力センサ８８０および２つの位置センサ８９０、８９１を含んでいる計量システム８３０を備えている。

本発明の例示的実施形態のポンプ・エンジン８２０は、互換性であり、バネ駆動ポンプ、ステッピングモータ駆動ポンプ、電気化学ポンプ、電気浸透ポンプ、または陽圧ポンプのいずれであってもよい。

主タンク８１０すなわちマクロ・タンクは、インスリンまたはその他の薬剤を貯蔵し、投薬する大量流体貯蔵室であり、３ｍｌの注射器からなっていてもよい。ポンプ・エンジン８２０の投与精度は、目標服用量の（＋／－）１０％の範囲内で変化する。

計量システム８３０の補助タンク８４０すなわちマイクロ・タンクは、補助タンク８４０内の安全なまたは害のない服用量のインスリン薬剤を予め負荷をかけ、加圧するだけで不注意によるインスリンの送出を制限するように設けられる。予め負荷をかけられたバネ、ステッピングモータまたはその他の流体駆動体の形をしている流体駆動体８４１は、漸増の微小服用量を補助タンク８４０から送出する。１以上の位置センサ８９０、８９１が補助タンク８４０に接続されている。位置センサ８９０、８９１は、補助タンク８４０の充満状態に関し、ポンプ制御器にフィードバックを供給する。

流れ制御弁８５０は、流体ライン８１３、８１４および８１５を通って主タンク８１０から補助タンク８４０へのインスリンの流れを制御する。流れ制御弁８５０が開き、主タンク８１０からのインスリンで補助タンク８４０を満たす。流れ制御弁８５０は、補助タンク８４０への部分的な送出を許容する。このことは、投与精度が増大することを可能とし、また、より大きな補助タンク８４０の随意選択を許容する。さらに、流れ制御弁８５０を使用することにより、バネ／弾性アクチュエータまたは膜のような簡単なポンプ・エンジンまたはガス・アクチュエータのような定加圧機構が、流体送出システム８００で利用され得る。補助タンク８４０を再度満たすことは、患者への漸増の服用量の送出の間、すなわち、インスリンが患者に送出されていないときに起こる。

方向制御弁８６０は、補助タンク８４０から投薬されるとき、流体ライン８１２と８１３との間の流路の遮断を制御する。方向制御弁８６０は、患者のインスリン要求を満足させるために必要とされる場合にのみ、また、流体ライン８１３から流体ライン８１２内への図８に例示される弁８６０の矢印の方向にのみ、意図的でないインスリンの注入部位への送出を防止するために設けられている。

方向制御弁８６０が開くことは、インスリンが流量調節弁８７０により制御された流量で注入部位へ流れることを可能とする。

圧力センサ８８０は、ラインの圧力を感知し、監視するために使用され、ポンプ・エンジン８２０にさらなるインスリンを補助タンク８４０へ押し出すことを停止させるために、補助タンク８４０が満たされていることを確認するポンプ制御器に対し、信号を発生させことができる。単一の圧力センサ８８０は、圧減衰を検出するのに使用され、弁８５０、８６０および８７０を連続して開くことにより、単一のセンサ８８０は、流体システムにおいて、どこに漏れが存在するか、主タンク８１０および補助タンク８４０の充満状態、および部分的または完全な閉塞のどちらが存在するかを測定することができる。あるいは、位置センサ８９０、８９１がこの目的のために使用され得る。圧力センサ８８０は、システムの漏れを測定するために利用され得る。

図８の本発明の例示的実施形態は、センサと流れ制御弁８５０、方向制御弁８６０、流量調節弁８７０および圧力センサのような計量システムの要素とを組み合わせて、タンク８１０と８４０を接続しているマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）用チップ８０５を作っている。

計量システムの要素をＭＥＭＳ用チップ８０５に組み込んでいる注入ポンプ・システムの動作は、継続して図８を参照しながら説明される。

補助タンク８４０に接続されている位置センサ８９０、８９１により送られる電気信号に従って、補助タンク８４０の流体レベルが低い場合にはいつも、ポンプ制御器（図８には示されていない）により、主タンク８１０を介してポンプ・エンジン８２０が一時的に作動し、流れ制御弁８５０を開くことで補助タンク８４０は、インスリンで満たされる。

一旦、補助タンク８４０が一杯になると、補助タンク８４０の充満状態が、補充サイクルの期間により、または、圧力センサ８８０からのフィードバックにより、あるいは、補助タンク８４０に接続されている位置センサ８９０、８９１からの電気信号により、ポンプ制御器に対し確認される。位置センサ８９１からの信号がシステム８００のポンプ制御器に伝達され、流れ制御弁８５０を閉じ、ポンプ・エンジン８２０は、インスリンを主タンク８１０から押し出すことを停止する。あるいは、検出された圧力が安定したとき、単独でまたは流体ライン８１３または８１４の下流に配置された第２の圧力センサ（不図示）と協力して補助タンク８４０が満たされているとき、圧力センサ８８０が同様の信号を発生し、ポンプ・エンジン８２０は、インスリンを主タンク８１０から押し出すことを停止することができる。

補助タンク８４０は、補助タンクの１回の完全排気サイクルが患者に対し０．５μＬ／０．２５μＬ送出するように、最も小さな漸増服用必要量、例えば、０．５μＬ／０．２５μＬと同じ大きさを有し得る。補助タンク８４０の小さな直径に起因して、注射器のプランジャの同じ線形変換が小さな服用量をもたらす場合、投与精度は、目標投与量の（＋／－）１％の範囲内に改善される。さらに、補助タンク８４０の相対的に小さな形状に起因して、システムの不具合によって送出され得る最大投与量は、小さく、したがって、患者がインスリンの過剰服用量を受け取ることを防止するというフェイルセーフをもたらす。患者に、例えば、大量の、大きな服用量を送出するためには、（補助タンク８４０の体積以下の）多数の漸増服用量が要求される。

補助タンク８４０からのインスリンの漸増投与は、インスリンが加圧された補助タンク８４０から注入部位へ流れ、流体ライン８１２を通って中空の針またはカテーテル８１１内へ流れることを可能にする方向制御弁８６０が開かれることにより促進される。インスリンの流量は、流量調節弁８７０により制御される。

補助タンク８４０からのインスリン服用量の完全な送出が位置センサ８９０、８９１により感知されると、システム８００のポンプ制御器は、方向制御弁８６０を閉じ、流れ制御弁８５０を開く。したがって、個々のサイクルの後、補助タンク８４０を満たすサイクルを繰り返す。さらに、流体ライン８１５における圧力センサの存在は、流体送出システム８００が、感知された圧力が主タンク８１０のプランジャ８１９の変位または位置に比例していることから、薬剤がどのくらい主タンク８１０内に満たされていたかを測定することを可能にする。

本発明の図示される別の実施形態と一致して、一度に一つの弁だけが開かれている必要がある。例えば、主タンク８１０から補助タンク８４０へインスリンを移動させるために、流れ制御弁８５０は、開かれ、方向制御弁８６０は、閉じられる。インスリンを患者に注入するために、流れ制御弁８５０は、閉じられ、方向制御弁８５０は開かれる。パッチ型ポンプ８００の使用期間中には、弁８５０および８６０の両方が同時に開かれることは決してない。さらに、弁の機能を組み合わせることが可能である。例えば、方向制御弁６６０、７６０、８６０は、流量調節弁６７０、７７０、８７０の機能を達成し得るように、漸増的に調節可能であり得る。そのような実施形態においては、流量調節弁６７０、７７０、８７０を省略することができる。

注射器型のタンクが図６～８に示されているが、本発明に利用されるタンクは、剛体であってもよいしまたは可撓性であってもよい。また、その構造は、選択されたポンプ・エンジンにより変化し得る。

ＭＥＭＳ用チップ内に注入ポンプ装置の計測システムの要素を組み込んでいる本発明のさらに別の例示的な実施形態が図９および１０に示されている。図９は、加圧されたタンクとともにＭＥＭＳ用チップに組み込まれている注入ポンプ装置のための計量システムを例示している。図１０は、線形アクチュエータにより満たされたり、空にされたりするマイクロ・タンクすなわち補助タンクとともにＭＥＭＳ用チップに組み込まれている注入ポンプ装置のための計量システムを例示している。

図９を参照すると、計量システム１０００は、概略、主タンク７、エンジンまたは駆動体４を有するマイクロ・タンク３、圧力センサ２ａ、２ｂ、制御器８、第１および第２Ｎ／Ｃ（常閉）流れ制御弁１ａおよび１ｂ、制御オリフィス５、および流体相互接続体すなわち流体ライン１４～１８を含んでいる。図１０は、また、主タンク７のためのポンプ・エンジン９またはその他の流体駆動体を示している。

本発明の例示的実施形態におけるポンプ・エンジン９は、任意であり、互換性がある。また、ポンプ・エンジン９は、バネ駆動ポンプ、ステッピングモータ駆動ポンプ、電気化学ポンプ、電気浸透ポンプなどであり得る。

主タンク７は、インスリン薬剤を貯蔵し、投薬する大量流体室であり、３ｍｌの注射器型タンクからなっていてもよい。計量システムの補助タンクすなわちマイクロ・タンク３は、該マイクロ・タンク３内の安全なまたは害のない服用量のインスリン薬剤に、予め負荷をかけ、加圧するだけで、不注意によるインスリンの送出を制限するように設けられている。予め負荷がかけられたバネ４、またはその他の駆動体が、漸増の微小服用量をマイクロ・タンク３から注入部位へ送出する。

１以上の圧力センサ２ａ、２ｂがマイクロ・タンク３に接続されている。圧力センサ２ａ、２ｂは、マイクロ・タンク３の充満状態に関してポンプ制御器８へフィードバックをもたらし、注入ポンプ装置の閉塞圧または背圧を検出し、注入装置の漏れを検出し、流体ライン１７および１８の圧力を測定することにより、注入ポンプ装置のインスリンの注入流量を検出する。

ポンプ制御器８は、圧力センサ２ａ、２ｂに連結し、流れ制御弁１ａおよび１ｂのような本発明の計量システムの種々の構成要素を作動させる。ポンプ制御器８は、また、ホスト・コンピュータまたは無線制御器（不図示）に連結する。

第１Ｎ／Ｃ流れ制御弁１ａは、主タンク７からマイクロ・タンク３へのインスリンの流れを制御する。第１Ｎ／Ｃ流れ制御弁１ａは、主タンク７からのインスリンでマイクロ・タンク３を満たすために開く。第２流れ制御弁１ｂは、マイクロ・タンク３から注入部位へ分配するとき流路の遮断を制御し、注入部位への意図的ではないインスリンの送出を防止する。

流量調節弁からなり得る制御オリフィス５が、患者の皮下組織内へのインスリンの流量が計算されることを可能にするように設けられている。

逆止弁（不図示）が任意に設けられ、マイクロ・タンクの送出サイクル中におけるマクロ・タンクすなわち主タンク７へ戻る流れを排除し得る。通常、そのような逆止弁は、Ｎ／Ｃ流れ制御弁１ａがシステムの一部ではなかった場合にシステムに組み込まれる。

図９および１０のいずれもが、図７および８に例示されている実施形態と同様の方法でＭＥＭＳ用チップに組み込まれている計量システム１０００、１００１を例示している。該システム１０００、１００１においては、Ｎ／Ｃ流れ制御弁１ａとマイクロ・タンク３との組み合わせが、マイクロ・タンク３内の安全なまたは害のない服用量のインスリン薬剤に予め負荷をかけ、これを加圧するだけで、注入ポンプ・エンジンが不注意によりインスリンを送出することから守っている。予め負荷をかけられたバネ、ソレノイド、またはその他の流体駆動体の形をした流体駆動体４は、目標の服用量の（＋／－）１％以内にまで、注入部位へ送出されるインスリン服用量の精度を向上させるために、マイクロ・タンク３から収入側へ漸増の微小服用量を送出する。さらに、図９および１０に例示されている圧力センサ２ａ、２ｂは、マイクロ・タンク３の充満状態に関するフィードバックを提供し、注入ポンプ装置の閉塞圧または背圧を検出し、注入装置の漏れを検出し、また、注入ポンプ装置の注入流量を検出する。

図１１は、本発明のＭＥＭＳ用チップに組み込まれ得る計量システムの別の実施形態を例示している。該実施形態においては、ＭＥＭＳ用アクチュエータが２位置仕切り弁１１の出入り口を代えるために利用される。具体的には、電位が仕切り弁１１のプレート（the plate）に加えられると、中央プレートが作動し、外側プレートに対して摺動する。中央プレートの位置により、仕切り弁１１は、主タンクから補助タンクへかまたは補助タンクから注入部位へのどちらか１つに流れることを可能にする。しかしながら、電位がない場合、仕切り弁１１の中央プレートは、図１１に示されるように、主タンクから補助タンクへ流れることを可能にするように位置合わせされる。仕切り弁１１、圧力センサ２ａ、２ｂ、２ｃ、マイクロ・タンク３、エンジン４および付随する相互接続体は、カスタム・マニフォールド（a custom manifold）５０またはＭＥＭＳ用チップに組み込まれ得る。あるいは、仕切り弁１１は、電力がない場合、全ての流れが遮断されるように、第３の位置を含み得る。

本発明の別の実施形態においては、ＭＥＭＳ用アクチュエータは、単一の仕切り弁１１に代えて、２つのＮ／Ｃ転移仕切り弁（N/C displacement gate valves）１２ａ、１２ｂを開き、主タンク７から補助タンク３へ及び補助タンク３から注入部位への流れの独立制御を可能にするために利用される。具体的には、電位がＮ／Ｃ仕切り弁１２ａのプレートに加えられると、その中央プレートが作動し、外側プレートに対して摺動する。このことにより、Ｎ／Ｃ仕切り弁１２ａは、主タンク７から補助タンク３への流路に位置が合わされ、該流路を開く。Ｎ／Ｃ仕切り弁１２ａから電力が取り去られると、中央プレートは、Ｎ／Ｃ位置へ移動する。補助タンク３から注入部位への流れを提供するために、Ｎ／Ｃ仕切り弁１２ｂの中央プレートに電力が加えられ、中央プレートが、作動し、外側プレートに対して摺動する。このことより、仕切り弁１２ｂの中央プレートは、補助タンク３から注入部位への流路に位置が合わされ、該流路を開く。しかしながら、電位がない場合、２つの仕切り弁１２ａおよび１２ｂのプレートは、位置がずれ、このことが、流路を遮断し、注入部位への流れを停止する。

したがって、本発明の例示的な実施形態は、インスリン注入ポンプのためのフェイルセーフ計量システムとの併用で高度の注入精度を提供し、患者の不注意による過剰投与を、インスリン注入ポンプの計量システムのタンク内の安全なまたは害のない服用量の薬剤を予め負荷をかけ、加圧するだけで防止し、ポンプ・エンジンの精度に対する業界の要求に従う限りは高濃度の薬剤の使用を許容し、連続注入に近い微細な漸増投与を可能にし、低精度のポンプ・エンジンを含むいかなるタイプのポンプ・エンジンとも交換が可能な低コストの計量システムを提供する。

ポンプ・エンジン、流体アセンブリ、計量システム、カテーテル配備アセンブリ、流体タンクおよび制御システムを含む本明細書に開示される代表的なパッチ型ポンプの実施形態に使用される個々の構成要素は、当該技術分野において周知である既存設計や技術に基づいていてもよい。例えば、ポンプ・エンジン、流体アセンブリおよびステッピングモータを利用する計量システム、形状記憶合金（ＳＭＡ）アクチュエータ、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）用装置、および方向制御弁が使用され得る。流体タンクは、剛体であってもよいし、（例えば、移動可能なプランジャまたは予め負荷をかけられたバネにより加えられた力で）変形可能であってもよい。

本発明の実施に際して使用され得る代表的な構成要素およびサブシステムが本明細書に参照により組み込まれている、上記米国特許文献やその他の外国特許文献に開示されている。

本発明の特定の例示的な実施形態がその特定の好ましい実施形態を参照して本明細書に示され、説明されているけれども、添付されるクレームに定義されるような発明およびその等価物の精神および範囲を逸脱することなく形状や細部において種々の変更がなされ得ることが当業者により理解されるであろう。

Claims (19)

1. 液剤を貯蔵し、全体にわたって第１の断面積を有する第１のタンク、及び、前記第１の断面積の範囲内でプランジャを移動するためのポンプ・エンジンと、
   前記第１のタンクから受け取られた液剤を貯蔵し、全体にわたって前記第１の断面積より小さい第２の断面積を有する第２のタンクであって、当該第２のタンクの最大貯蔵容量が、使用者にとって安全なまたは害の無い服用量である、前記第２のタンク、及び、前記第２のタンクの第２の断面積の範囲内でプランジャを移動するための流体駆動体と、
   第１のタンクから第２のタンクへの液剤の流れを制御するように構成され、前記第１のタンクから前記第２のタンクへの流体が移動することを許容し、前記第１のタンクから前記液剤を受け取るために、前記第２のタンクの容量を増加するように構成される第１の弁と、
   前記流体駆動体が前記第２のタンクから流体を駆動するときに、第２のタンクから注入部位への液剤の流れを制御するように構成されている第２の弁と、
   を備え、
   前記第１の弁は、選択的に、開かれるかまたは閉じられ、第１のタンクから第２のタンクへ前記液剤を入れ、および、前記第２の弁は、選択的に、開かれるかまたは閉じられ、第２のタンクから注入部位へ液剤を投薬し、
   注入部位への液剤の流量を制御する第３の弁をさらに備え、
   注入ポンプ・システム内の閉塞圧または背圧を検出する１以上のセンサ、
   注入ポンプ・システムの送出ラインの気泡の有無を検出する１以上のセンサ、
   注入ポンプ・システムの第２のタンクの充満状態を検出する１以上のセンサ、
   注入ポンプ・システムの漏れを検出する１以上のセンサ、および／または
   注入ポンプ・システムの液剤の流量を測定する１以上のセンサ、
   をさらに備え、
   第２のタンクの液剤の量が低レベルであるときまたは許容レベルであるときを制御器に知らせ、第２のタンクの液剤の量が低レベルであるとき、制御器は、ポンプ・エンジンを作動させ、第２のタンクを満たし、第２のタンクが許容レベルに到達したとき、ポンプ・エンジンを停止させる第２のセンサをさらに備え、
   前記第２のセンサは、前記第２のタンクのプランジャの位置を検出するように構成されている位置センサであることを特徴とする液剤を投薬する注入ポンプ・システム。
2. 第１の弁は、逆止弁であり、第２の弁は、方向制御弁であることを特徴とする請求項１に記載の注入ポンプ・システム。
3. 第２のタンク、流体駆動体、第１の弁、第２の弁、第３の弁および流体接続器が計量システムを構成することを特徴とする請求項１に記載の注入ポンプ・システム。
4. 第３の弁は、液剤が注入部位へ流れる調節可能なオリフィスを備えている流量調節弁であることを特徴とする請求項１に記載の注入ポンプ・システム。
5. 第１の弁、第２の弁および第３の弁を備えているマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）用チップ・ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の注入ポンプ・システム。
6. 流体ラインの圧力を感知し、監視し、第２のタンクが許容レベルにまで満たされたときを制御器に知らせ、該制御器が、第２のタンクが許容レベルに到達したとき、ポンプ・エンジンを停止させる第１のセンサをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の注入ポンプ・システム。
7. 第１のセンサは、圧力センサであることを特徴とする請求項６に記載の注入ポンプ・システム。
8. 第１の弁が閉じ、第２の弁が開いているときに、第２のタンクから注入部位への液剤の増分投与が起こり、第３の弁が、液剤の注入部位への流量を制御していることを特徴とする請求項１に記載の注入ポンプ・システム。
9. 第１の弁は、流れ制御弁であることを特徴とする請求項１に記載の注入ポンプ・システム。
10. 第１のタンクは、注射器タイプのタンクであることを特徴とする請求項１に記載の注入ポンプ・システム。
11. 第２のタンクの液剤の最大貯蔵容量は、使用者にとって安全なまたは害の無い服用量であることを特徴とする請求項１に記載の注入ポンプ・システム。
12. 第１のタンクの液剤の最大貯蔵容量は、第２のタンクの最大容量よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の注入ポンプ・システム。
13. 第２のタンク、流体駆動体、第１の弁、第２の弁および関連する流体接続器は、計量システムを構成することを特徴とする請求項１に記載の注入ポンプ・システム。
14. 第１のタンクと第２のタンクとの間の流体ラインの圧力を感知し、監視し、第２のタンクが許容レベルにまで満たされたときを制御器に知らせ、第２のタンクが許容閾値に到達したとき、制御器は、ポンプ・エンジンが第１のタンクに圧力を加えることを妨げる第２のセンサ、
    をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の注入ポンプ・システム。
15. 第１の弁および第２の弁は、それぞれ、流れ制御弁を備えることを特徴とする請求項１に記載の注入ポンプ・システム。
16. 第２のタンクに接続され、第２のタンクの充満状態に関するフィードバックを提供し、注入ポンプ・システムの閉塞を検出し、注入ポンプ・システムの背圧を検出し、および／または注入部位内への液剤の流量を検出する複数の圧力センサ、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の注入ポンプ・システム。
17. 前記第１の弁、前記第２の弁、前記第３の弁のいずれかまたは全てを備えているマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）用チップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の注入ポンプ・システム。
18. ＭＥＭＳ用チップは、第２のタンクに接続されることを特徴とする請求項１７に記載の注入ポンプ・システム。
19. ＭＥＭＳ用チップは、第１のセンサをさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載の注入ポンプ・システム。

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