KR100461947B1

KR100461947B1 - 목표농도 조절 주입기 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR100461947B1
Application number: KR10-2001-0040366A
Authority: KR
Inventors: 안재목; 길호영
Original assignee: 주식회사 바이오넷
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2004-12-17
Also published as: KR20010079309A

Abstract

본 발명은 목표농도 조절 주입기 및 그 제어방법에 관한 것으로, 1) 정맥 마취시 마취의 깊이를 자동 조절하는 방법과 2) 항생제 등 기타 약제를 마이크로콘트롤러의 제어에 의해 적절한 양으로 자동 주입하게 하는 방법으로써, 특히 생체 반응에 대한 약제의 약동학/약력학적 모델(pharmacokinetic & pharmacodynamic modeling)을 구축하여 그 모델을 디지털신호처리기에서 현재의 농도를 추정하고 입력 단으로부터 설정된 약제의 혈중 목표 농도(plasma site)와 효과처(effect site)의 농도를 현재의 농도와 비교함으로써, 농도차에 따라 약제의 주입량을 자동적으로 조절하여 목표농도에 도달할 수 있도록 하기 위한 목표농도조절 주입기(target controlled infusion pump, 이하 TCI) 및 그 제어방법에 관한 것이다.

본 발명은 각종 약제 및 모델 및 모드를 선택하고, 각종 환자 데이터를 입력하기 위한 모드 설정수단과; 약동학적 모델의 모의시험 및 목표농도(혈중 또는 효과처)에 대한 비교 및 처리결과, 주입상황에 대한 각종 데이터를 화면으로 출력하기 위한 출력수단과; 상기 모드설정수단에 의해 설정된 각종 모드 및 그 목표농도에 따른 현재 농도와 설정된 농도와의 농도비교, 연산 및 작동기의 모터 제어를 데이터의 피드백으로 수행하는 제어수단과, 상기 제어수단과 연동되어 작동기 제어를 위한 알고리즘, 통신 인터페이스를 위한 알고리즘, 각종 모드 제어를 위한 알고리즘을 저장하는 데이터저장수단으로 이루어진 처리수단과; 상기 제어수단의 제어신호에 의해 모터를 구동시킴으로써 약제의 주입을 위한 작동기를 구동시키는 작동기구동수단으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명을 적용하면, 마취 약제나 기타 약제의 정맥 주입 시, 사용상의 편리성과 사용 후 임상적 부작용이 거의 없어 경험이 부족한 마취의들도 간단한 조작으로 마취 깊이를 신속하고 자동적으로 조절할 수 있도록 하여 마취의가 수술 중 마취깊이 조절에 투입된 시간을 환자 감시에 좀더 많은 시간을 할애할 수 있게 된다. 또한, 본 발명은 약동학적 모델에서 약물 전달상수를 임의로 변경하여 인종과 개인의 체형에 맞는 약동학적 모델을 설정하는 것이 가능하여 항생제 등 기타 약제를 정확히 적절한 목표양으로 주입하는 것이 가능하기 때문에 약물 남용을 막을 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

Description

목표농도 조절 주입기 및 그 제어방법{Target controlled infusion pump for various drugs and control method of the same}

본 발명은 목표농도 조절 주입기 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 정맥 마취에 있어서 마취의 깊이를 자동 조절하는 방법과 기타 약제를 마이크로콘트롤러의 제어에 의해 정확한 양으로 자동 주입하게 하는 목표농도 조절 주입기 및 그 제어방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 특정 약물에 대하여 그 목표농도를 일정하게 유지하기 위해서 약물 주입계획에 이용된 약동학적 모델의 개념은 1968년부터 시작되었으며, 1980년대 초 computer-controlled infusion pump (CCIP)가 정맥마취제의 복잡한 주입이 가능하다는 것을 입증한 해였다. 그 후 구미 각국에서 infusion pump를 위한 하드웨어와 소프트웨어를 개발하였으며 특히 영국 Glasgow대학에서(1990년) 최초로 정맥 마취용 TCI시스템(Target controlled infusion pump system)을 개발하였다.

그러나, 종래의 TCI시스템은 마취약제 중 하나의 약제(propofol)에서만 이용이 가능하도록 하였으며 propofol약제의 모델만을 마이크로프로세서에서 연산하도록 하여 다른 약제의 이용은 불가능하였다. 이를 보완하고자 최근의 TCI시스템은 PC와의 인터페이스를 통해서 다른 약제와 다양한 약동학적 모델을 선택할 수 있도록 하였으나, 실제 복잡한 수술실 환경에서 PC를 연결하여 사용한다는 것은 쉽지 않으며, 특히 조작하기에 다소 불편한 점이 많아 현실적으로 거의 사용하지 않은 실정이다. 또한 PC와의 연결이 되어 있어도 제한된 약동학적 모델만을 선택할 수 있고, 마취의로서는 인종과 개인의 체형에 맞는 모델을 선택할 필요가 있으나 그 선택의 폭이 매우 한정되어 있는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위해 임상 실험을 통해서 새로운 모델을 개발해야 하고, 모델 개발을 위해서는 약동학적 모델에서의 일부 혹은 전체의 약동학적 약물 전달상수를 변경할 수 있어야만 하고, 특히 변경된 약물 전달상수에 대한 약제의 특성을 미리 평가해보는 모의실험과 그것을 토대로 임상실험을 시도해 보아야 한다.

일반적으로 마취의 깊이는 주 효과처(effect site)의 농도에 따라 결정되는 것이므로 종래의 TCI시스템은 혈중 농도를 목표로 두고 혈중 농도에 따른 효과처의 농도를 예측하는 방법으로만 제공되어 있었으며, 효과처의 농도를 목표로 설정하는 기능은 없었다.

이하, 종래의 TCI 시스템에 대하여 상세하게 기술한다.

종래의 TCI 시스템은 종래에는 특정 약제(propofol 약제)가 든 주사기를 시스템에 장착을 하여 주사기에 부착된 인식 태그(tag)로부터 시스템이 인식하게 되면 동작모드로 전환하여 작동이 가능하게 된다. 따라서, 다른 약제의 사용은 불가능하게 되어 있다.

Propofol 약제의 약동학적 모델은 마이크로프로세서에서 구현되고, 여기에서 현재의 혈중 농도를 계산하고 설정된 혈중 목표농도와의 비교를 행하여 그 농도차를 계산한 다음 그 결과값을 주입율/모터회전수 변환기를 통하여 모터 회전수로 변환하여 주입하였다. 수술 도중에서도 마취의가 혈중 목표농도와 각성(awaken)농도를 설정할 수 있도록 되어 있으며 동작정보는 그래프와 해당 추정값을 실시간으로 표시함으로써 목표농도에 도달 되었는지를 평가하도록 되어 있다.

따라서, 상기한 종래의 TCI 시스템은 마취의가 TCI 시스템이 정확하게 동작되고 있는 지, 목표농도의 계산이 정확하게 이루어졌는 지를 그 마취의의 경험을 바탕으로하여 지속적인 확인이 필요하게 된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 고속의 디지털신호처리기를 사용하여 약동학적 모델의 방정식을 연산하고 이것을 토대로 혈중 및 효과처에서의 농도를 목표로 설정하여 소망하는 농도의 연산을 수행할 수 있으며, 디지털신호처리기에서 약물 전달상수를 일부 혹은 전체 변경이 가능하도록 하여, 변경된 약물 전달상수로 약제의 특성을 모의적으로 평가해볼 수 있도록 하여 각종 약제의 목표농도(plasma 혹은 effect)를 보다 정확하게 조절할 수 있도록 한 목표농도 조절 주입기 및 그 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

더불어, 사용자의 인터페이스를 향상하기 위해서 터치스크린으로 모드설정과 약물 전달상수의 변경이 가능하도록 하고, 일정한 주입율로 구동하는 매뉴얼 모드의 설정이 가능하도록 한 목표농도 조절 주입기 및 그 제어방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 목표농도 조절 주입기의 개략적인 구성을 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 목표농도 조절 주입기의 회로구성을 도시한 블록구성도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 목표농도 조절 주입기에서 목표농도 및 약물 전달상수의 설정을 설명하기 위한 도면,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 목표농도 조절 주입기의 신호흐름을 도시한 플로우챠트이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100:모드설정수단 122:TCI모드설정키

124:매뉴얼모드설정키 126:약제종류설정키

128:약동학적모델설정키 130:환자정보설정키

140:약물전달상수설정키 144:모의실험데이터출력부

146:동작정보출력부 621:제1제어부

622:약동학적모델알고리즘 624:혈중목표농도비교부

626:효과처목표농도비교부 628:주입량/회전수변환부

630:제2제어부 636:작동기제어알고리즘

638:통신알고리즘

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 각종 약제 및 모델 및 모드를 선택하고, 각종 환자 데이터를 입력하기 위한 모드 설정수단과; 약동학적 모델의 모의시험 및 목표농도(혈중 또는 효과처)에 대한 비교 및 처리결과, 주입상황에 대한 각종 데이터를 화면으로 출력하기 위한 출력수단과; 상기 모드설정수단에 의해 설정된 각종 모드 및 그 목표농도에 따른 현재 농도와 설정된 농도와의 농도비교, 연산 및 작동기의 모터 제어를 데이터의 피드백으로 수행하는 제어수단과, 상기 제어수단과 연동되어 작동기 제어를 위한 알고리즘, 통신 인터페이스를 위한 알고리즘, 각종 모드 제어를 위한 알고리즘을 저장하는 데이터저장수단으로 이루어진 처리수단과; 상기 제어수단의 제어신호에 의해 모터를 구동시킴으로써 약제의 주입을 위한 작동기를 구동시키는 작동기 구동수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 목표농도 조절 주입기를 제공한다.

바람직하게, 상기 목표농도 조절 주입기에는 그 내부에서 처리된 약제 주입정보 및 각종 실험데이터에 대하여 외부 단말기와 데이터의 송수신을 위한 인터페이스수단이 더 포함되어 구성한다.

보다 바람직하게, 상기 모드설정수단은 약동학적 모델을 이용한 TCI 모드, 약제의 일정 주입율에 의해 주입되는 매뉴얼 모드, 약제의 종류를 설정하는 모드, 약제에 따른 약동학적 모델을 설정하는 모드, 환자 정보 설정(이름, ID, 나이, 몸무게, 성) 모드, 혈중(plasma) 목표농도 설정모드, 효과처(effect)의 목표농도 설정모드, 각성(awaken) 농도 설정 모드, 유도시간(induction time) 모드, 약동학적 모델의 모의실험 모드, 7개의 독립적인 약동학적 약물 전달상수(k10, k12, k21,k13, k31, k14, k41=(k14/10,000), volume) 설정 모드로 이루어진 모드설정키가 구성된 것을 특징으로 하는 목표농도 조절 주입기을 제공한다.

또한, 상기 출력수단은 약동학적 모델의 모의실험 데이터 및 계산된 현재 농도, 목표 농도, 주사기 압력, 환자가 깨어날 예상 시간, 동작 시간, 축전지 정보, 전체 주입량의 동작정보를 그래프와 수치값으로 출력하는 것을 특징으로 하는 목표농도 조절 주입기를 제공한다.

한편, 상기 처리수단은 그 내부에 구비되어 약동학적 모델을 32bit로 연산하는 약동학적 모델 연산 알고리즘과, 상기 모드설정수단의 혈중 목표농도 설정에 따라 혈중 목표농도와 현재 혈중농도를 비교하는 혈중 목표농도 비교부와, 효과처 목표농도 설정에 따라 효과처 목표농도와 현재 효과처의 농도를 비교하는 효과처 목표농도 비교부와, 상기 혈중 목표농도 비교부 또는 효과처 목표농도 비교부로부터 출력된 농도차에 따라 주입량을 계산하고, 그 주입량을 전동기의 회전수로 변환시키는 변환부로 이루어진 제 1 제어부와; 상기 작동기의 구동 제어 및 통신 제어를 행하는 제 2 제어부와; 상기 제 2 제어부와 연동되어 TCI 처리를 행하는 TCI 모드 알고리즘과; 상기 제 2 제어부로부터 동작 제어신호를 인가받아 매뉴얼 모드 처리를 행하는 매뉴얼 모드 알고리즘과; 상기 TCI모드 알고리즘 혹은 매뉴얼 모드 알고리즘을 통한 처리 결과값을 이용한 작동기 자동제어 메커니즘을 실행하는 작동기 자동제어 알고리즘과; 상기 제 1 CPU 및 2 CPU로부터 각종 처리 데이터를 전송받으며, 각종 제어신호를 발생하는 외부 단말기에 대한 데이터의 인터페이스를 위한 통신 알고리즘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 목표농도 조절 주입기를 제공한다.

또한, 매뉴얼 모드는 주사기의 용량과는 무관하게 1회 주입 시간(St)은 전동기의 작동시간(Rt)과 전동기의 정지시간(Dt)의 합으로 변환하고, 설정된 1회 주입시간(St)을 일정하게 유지하기 위해 작동시간(Rt)의 변화에서도 정지시간(Dt)을 식{, St: 1회 주입 시간(sec), Dt: 전동기의 정지시간(sec), Rt: 전동기의 작동시간(sec). }으로부터 가변되도록 함으로써 속도를 오차 없이 일정하게 유지시키는 주입모드인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 모의 실험 알고리즘은 약동학적 모델의 약물 전달상수(k10, k12, k21, k13, k31, k14, k41=(k14/10,000), volume)의 변경이 가능하고, 약제의 특성을 평가하기 위해 입력 신호(주입율)의 임펄스(impulse)와 스텝(step)에 대한 입출력 응답 특성을 수행하고 그 결과 값을 그래픽으로 디스플레이할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 목표농도 조절 주입기를 제공한다.

한편, 본 발명은 각종 약제의 목표농도를 현재 농도와 비교하고, 연산함으로써 주입량을 조절할 수 있도록 한 목표농도 조절 주입기의 제어방법에 있어서, 주입을 소망하는 약제 및 모델을 선택하는 과정과; 목표농도를 설정하는 과정과; 현재농도와 목표농도를 비교하는 과정과; 현재농도와 목표농도가 동일할 경우 주입율을 연산하여 주입하는 과정과; 현재농도와 목표농도가 각기 상이할 경우 농도의 재연산을 행하도록 제어하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 목표농도 조절 주입기의 제어방법을 제공한다.

바람직하게, 현재농도와 목표농도가 상기할 때 재연산하는 과정은부하용량(LOAD DOSE)을 연산하는 과정과; 혈중 농도를 연산하는 과정과; 작용점의 농도를 연산하는 과정과; 상황민감성 감소기에 의한 연산과정을 통하여 전체 주입량을 연산하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 현재의 혈중(plasma)농도는 약제의 정맥 주사 시 디지털신호처리기에서 z-transform을 하고 수학식

{

kij:약동학적 약물 전달상수(단위 min-1), DT:주입 간격(sec) 혹은 샘플링 시간, u(z): 주입율, A1(z): 중심구획의 약물량} 을 이용하여 현재농도와 목표농도를 비교하여 약제의 주입량을 보정하는 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 약제 주입 시 혈중 목표농도가 현재의 농도보다 클 경우에 목표농도로 신속히 도달하기 위해서 LD(Load Dose)를 {CT: 혈중 목표 농도(ug/ml), Cp:현재의 혈중 농도, Vvol: 중심구획의 체적(ml/kg), MW: 환자의 몸무게(kg)}의 식으로 연산하는 것을 특징으로 한다.

또, LD를 계산한 후, 회전축이 연결된 전동기를 이용한 약제의 주입은 약동학적 모델의 약물 전달상수와 전동기의 엔코더 라인수를 이용한 식{,, LD: 부하용량(load dose), p: 작동기의 1회전축 당 전동기의 엔코더 라인수, l: 작동기의 1회전축 당 직선거리, u(t): 주입율, r: 주사기의 내경, C: 단위 보정 상수, l(t): 회전수}으로 전동기의 회전수를 계산하고 그 값에 의해 주사기를 이동시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 혈중 목표농도를 위한 초기 주입시의 주입량 계산은 초기에는 약제가 주입되기 전 현재의 농도를, Cp(z)=0이 되게 하고, 식{, CT: 혈중 목표 농도(ug/ml), Vvol: 중심구획의 체적(ml/kg), MW: 환자의 몸무게(kg)}을이용하여 연산하는 것을 특징으로 한다.

한편, 현재의 효과처(effect) 농도(Ce(z))는 약제의 정맥 주사 시 제 1 COU에서 식{, k14: 중심구획에서 효과처의 약물 전달상수}를 이용하여 동일한 샘플링 시간에서 현재의 혈중 농도를 먼저 계산하고(Cp(z)), Cp(z)으로부터 현재 효과처의 농도를 연산하는 것을 특징으로 한다.

또, 약제 주입 시 효과처의 목표농도가 현재의 농도보다 클 경우에 목표농도에 신속히 도달하기 위한 보정은 식{, CET: 효과처의 목표농도, Ce: 효과처의 현재 농도,: LD의 증폭비율, Vvol: 중심구획의 체적(ml/kg), MW: 환자의 몸무게(kg)}으로 연산함으로써 보정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 효과처의 목표농도에 도달하기 위해서는 상기 LD에 일정한 상수값()을 곱하여 증폭하도록 하고, 증폭비율()은 마취의의 소견에 따라 임의의 값으로 조정이 가능하도록 한 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 효과처의 목표농도를 위한 초기 주입시의 주입량 계산은 초기에는 약제가 주입되기 전에 현재 효과처의 농도를 Ce(z)=0이 되게 하고, LD의 식{, CET: 효과처의 목표농도,: LD의 증폭비율, Vvol: 중심구획의 체적(ml/kg), MW: 환자의 몸무게(kg)}을 이용하여 연산하는 것을 특징으로 한다.

한편, 약동학적 모델의 약물 전달상수는 새로운 약물 전달상수를 근거로 혈중(plasma)과 효과처(effect)의 농도를 예측하여 주입량을 계산하는 것이 가능한 것을 특징으로 한다.

또, 약동학적 모델의 약물 전달상수 변경은 제 1 CPU에서 미리 프로그램된 것을 특징으로 하며, 전동기 구동 시 발생되는 전류의 크기는 정맥 주입시 라인의 막힘 현상을 나타내는 기준으로 별도의 압력 센서 없이 주사기 내의 압력을 나타낼 수 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 설정된 주입 속도(ml/hr)를 1회 주입시간(St)으로 변환, 설정하기 위하여 주사기의 반경, 전동기의 엔코더 라인수의 함수로 표현된 식{, St: 1회 주입 시간(sec), r: 주사기의 반경(cm), ML: 전동기의 1회 이동거리에 대한 엔코더의 라인수, p: 작동기의 1회전축 당 전동기의 엔코더 라인수, ml/hr: 주입 속도}을 적용하여 연산하는 것을 특징으로 하는 목표농도 조절 주입기의 제어방법을 제공한다.

더욱 바람직하게, 상기 CSDT 연산은 현재의 목표농도에서 약제의 주입이 정지 되었을 경우 환자가 깨어날 예상 시간을 예측하기 위한 것으로, 식{, Cp : 현재 혈중 농도, Ca : 설정된 각성 농도,(1∼3): 청구범위 제 10항의 해}와, 식{,,}을 이용하여 연산하는 것을 특징으로 하는 목표농도 조절 주입기의 제어방법을 제공한다.

이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 목표농도 조절 주입기의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.

이를 참조하면, 본 발명은 정맥 마취에 있어서 마취의 깊이를 자동 조절하고, 기타 약제를 제어수단의 제어에 의해 정확한 양으로 자동 주입하게 하는 목표농도 조절 주입기와 그 제어방법을 제공한다.

따라서, 상기 목표농도 조절 주입기는 각종 모델 또는 모드의 선택, 각종 정보의 입력 등을 행하는 모드 설정수단(110)과, 그 목표 농도(혈중 또는 효과처)에 대한 비교 및 처리결과, 주입상황 등의 상태를 화면 출력시키기 위한 출력수단(120)으로 구성된 입/출력수단(100)이 제공된다.

또한, 상기 목표농도 조절 주입기는 그 내부에 상기 모드설정수단(110)에 의해 설정된 각종 모드 및 그 목표농도에 따른 현재 농도와 설정된 농도와의 농도비교, 연산 및 작동기의 모터 제어를 데이터의 피드백으로 수행하는 처리수단(600)이 제공된다.

보다 상세하게, 상기 처리수단(600)은 그 내부에 현재 농도와 설정농도를 비교하고, 그에 대한 농도의 조절을 행하며, 농도의 조절이 완료된 다음에는 작동기의 모터를 제어하는 제어수단이 제공된다. 또한, 상기 처리수단(600)은 그 내부에 작동기 제어를 위한 알고리즘, 통신 인터페이스를 위한 알고리즘, 각종 모드 제어를 위한 알고리즘을 저장하는 데이터저장수단(620)을 포함한다.

한편, 상기 제어수단(610)은 약제의 주입을 위하여 작동기 구동수단(300)을제어하게 되는 바, 상기 작동기 구동수단(300)은 상기 제어수단(610)으로부터 제어신호를 인가받아 모터를 구동시킴으로써 작동기(200)의 약제 주입을 행하는 것이다.

또한, 상기 제어수단(610)은 인터페이스수단(500)과 연계되어 각종 외부 단말기(400: 예컨대, PC 등)와 데이터의 송수신을 행하는 바, 그 외부 단말기(400)로부터 각종 제어신호를 수신하거나 각종 알고리즘의 업데이트 데이터를 전송받을 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 목표농도 조절 주입기는 약제를 조절하고, 주입하는 주입자 예컨대, 마취의가 마취의 깊이를 수술 중에라도 상시 조절이 가능하게 하여 기존의 마취에서 문제시 되어 왔던 정확한 마취농도조절의 어려움, 마취의 복잡한 계산에 의한 약용량의 실수, 임상적 부작용 등을 해결할 수 있다.

이를 위해 생체반응에 대한 약동학/약력학적 모델(pharmacokinetic & pharmacodynamic model)을 구축하여 그 모델을 바탕으로 상기 제어수단(610)에서 현재의 농도를 연산하고 설정된 목표농도와의 농도 비교에 따라 약제의 주입량을 조절한다. 따라서 본 발명에 따른 목표농도 조절 주입기(target controlled infusion pump, TCI)는 자동적이고 신속하게 목표농도에 도달할 수 있도록 할 수 있다.

또한, 이와 같은 상기 목표농도 조절 주입기는 그 기술적인 과제를 달성하기 위하여 상기 작동기(200)의 동작을 제어하는 전동기 자동제어 방법이 제공된다.

이때, 전동기 자동 제어방법에서 제어루프의 응답특성은비례적분미분(proportional, integral and derivative, PID)제어기에 의해 조절되도록 한다. 또한, 속도파형은 EPROM(Erasable programmable read only memory)에 기저장시킨 후 소망하는 속도에 해당하는 파형을 독취하여 기준속도로 사용한다.

한편, 상기 전동기 자동 제어방법은 전동기 구동 시 발생되는 전류의 크기를 계산하여 전동기 부하의 크기로써 이용하고, 부하의 크기는 정맥 주입 시 라인의 막힘 현상을 나타내는 데이터로 활용한다. 상기한 방법은 압력센서 등 추가의 센서를 사용하지 않고 압력을 예측 가능하도록 한 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 목표농도 조절 주입기의 회로구성을 도시한 블록구성도이다.

이를 참조하면, 도 2는 본 발명에 따른 목표농도 조절 주입기의 구성을 보다 상세하게 나타낸 도면으로, 참조부호 122는 상기 입출력수단(100; 예컨대, 터치스크린)의 내부에 구비되며 약동학적 모델을 이용한 TCI 모드를 설정하는 TCI 모드설정키를 나타내며, 124는 약제를 단위시간당 기설정된 주입량에 의해 주입시키는 메뉴얼 모드를 설정하는 매뉴얼모드 설정키를 나타낸다.

한편, 126은 TCI 모드에서 주입코자하는 약제의 종류를 설정하는 모드 설정키를 나타내며, 128은 약동학적 모델을 설정하는 모드 설정키를 나타내고, 130은 이름, 성별, 나이, 몸무게, ID 등을 입력하는 환자 정보 설정하는 모드 설정키를 나타낸다.

또한, 132는 혈중(plasma)농도를 목표농도로 설정하는 모드 설정키를 나타내고, 134는 효과처(effect) 농도를 목표농도로 설정하는 모드 설정키를 나타낸다.

더불어, 136은 현재 시각에서 약제의 주입이 정지 되었을 경우 환자가 깨어날 예상 시간을 설정된 각성(awaken)농도에까지 도달하는데 걸리는 시간으로 나타내기 위한 각성(awaken) 농도 설정 모드키를 나타내며, 138은 초기 주입시 소망하는 목표농도에 도달할 때까지의 소요시간을 설정하는 유도시간 모드키를 나타낸다.

또, 140은 약물 전달상수를 변경한 약동학적 모델의 모의실험을 행하기 위한 모드키를 나타내며, 142는 다수의 독립적인 약물(예컨대, 7개) 전달상수의 설정이 가능하도록 한 약동학적 약물 전달상수 설정 모드키를 나타낸다.

한편, 144는 약동학적 모델의 모의실험의 화면으로 출력시키기 위한 모의실험데이터 출력부를 나타내고, 146은 계산된 현재 농도, 목표 농도, 주사기 압력, 환자가 깨어날 예상 시간, 동작 시간, 축전지 정보, 전체 주입량 등의 동작정보를 그래프와 수치값을 실시간으로 출력하는 입/출력수단(예컨대, 터치스크린)의 동작 정보 출력부를 나타낸다.

이하, 상기 처리수단(600)으로 구성된 구성요소에 대하여 기술한다.

먼저, 참조부호 621은 약동학적 모델의 연산과 상기 입/출력수단(100)의 키조작신호를 인가받아 각종 연산 및 비교를 행하는 제 1 제어부(32bit 디지털신호처리기)를 나타내며, 622는 상기 제 1 제어부(621)의 내에 구비되어 약동학적 모델을 32bit로 연산하는 약동학적 모델 연산 알고리즘을 나타낸다.

또한, 624는 상기 모드설정수단(110)의 혈중 목표농도 설정에 따라 혈중 목표농도와 현재 혈중농도를 비교하는 혈중 목표농도 비교부를 나타내며, 626은 상기 모드설정수단(110)의 효과처 목표농도 설정에 따라 효과처 목표농도와 현재 효과처의 농도를 비교하는 효과처 목표농도 비교부를 나타낸다.

한편, 628은 상기 혈중 목표농도 비교부(624) 또는 효과처 목표농도 비교부(626)로부터 출력된 출력된 농도차에 따라 주입량을 계산하고, 그 주입량을 전동기의 회전수로 변환시키는 변환부를 나타낸다.

동 도면에서, 630은 상기 작동기(200)의 구동 제어 및 통신 제어를 행하는 제 2 제어부(16 bit 마이크로프로세서)를 나타내며, 632는 상기 제 2 제어부(630)과 연동되어 TCI 처리를 행하는 TCI 모드 알고리즘을 나타내고, 634는 상기 제 2 제어부(630)로부터 동작 제어신호를 인가받아 매뉴얼 모드 처리를 행하는 매뉴얼 모드 알고리즘을 나타낸다.

한편, 636은 상기 TCI모드 알고리즘(632) 혹은 매뉴얼 모드 알고리즘(634)을 통한 처리 결과값을 이용한 작동기 자동제어 메커니즘을 실행하는 작동기 자동제어 알고리즘을 나타낸다. 또한, 638은 본 발명에 따른 목표농도 조절 주입기의 처리 데이터를 전송받으며, 각종 제어신호를 발생하는 외부 단말기(400)에 대한 각종 데이터의 인터페이스를 위한 통신 알고리즘을 나타낸다. 이때의 통신 알고리즘(638)은 데이터의 송수신을 동시에 행하는 쌍방향 통신 알고리즘이다.

또한, 300은 상기 작동기(200)를 구동하기 위한 작동기 구동수단을 나타내며, 상기 제 2 제어부(630)는 그 내부에 배터리 충전용 에너지 관리 알고리즘을 더 포함하고 있어서 따로 충전용 하드웨어 회로를 구현할 필요가 없다.

한편, 상기 처리수단(600)을 통해 연산된 주입량에 따라 회전축을 안정적이고 정확하게 회전 할 수 있도록 하기 위해서 전동기의 엔코더 신호를 그대로 위치및 속도제어에 사용하고, 이 신호들은 일정한 각도로 회전자가 회전할 때마다 발생하게 되어, 위치 제어부에서는 엔코더 신호의 출력신호를 계수하여 기설정값에 도달하면 전동기를 정지하도록 하여 더 이상의 약제 주입이 이루어지지 않도록 한다.

본 발명에서, 상기한 작동기(200)의 제어방법은 정확하게 주어진 거리를 이동하도록 보장해주며 동시에 이동거리를 쉽게 변화시킬 수 있다. 엔코더 신호를 상기 제 2 제어부(630)의 알고리즘에 입력값으로 인가하여 속도응답을 얻은 뒤 기준 속도파형과 비교하여 그 차이를 피드백 시키는 전동기 서보 메커니즘으로 구성된다.

또한, 동 도면에서 상기 외부 단말기(400)의 구성을 보다 상세하게 기술하면, 참조부호 402는 약동학적 모델을 이용한 TCI 모드를 설정하는 TCI 모드설정키를 나타내며, 404는 약제를 단위시간당 기설정된 주입량에 의해 주입시키는 메뉴얼 모드를 설정하는 매뉴얼모드 설정키를 나타낸다.

한편, 406은 TCI 모드에서 주입코자하는 약제의 종류를 설정하는 모드 설정키를 나타내며, 408은 약동학적 모델을 설정하는 모드 설정키를 나타내고, 410은 이름, 성별, 나이, 몸무게, ID 등을 입력하는 환자 정보 설정하는 모드 설정키를 나타낸다.

또한, 412는 혈중(plasma)농도를 목표농도로 설정하는 모드 설정키를 나타내고, 414는 효과처(effect) 농도를 목표농도로 설정하는 모드 설정키를 나타낸다.

더불어, 416은 현재 시각에서 약제의 주입이 정지 되었을 경우 환자가 깨어날 예상 시간을 설정된 각성(awaken)농도에까지 도달하는데 걸리는 시간으로 나타내기 위한 각성(awaken) 농도 설정 모드키를 나타내며, 138은 초기 주입시 소망하는 목표농도에 도달할 때까지의 소요시간을 설정하는 유도시간 모드키를 나타낸다.

또, 418은 약물 전달상수를 변경한 약동학적 모델의 모의실험을 행하기 위한 모드키를 나타내며, 420는 다수의 독립적인 약물(예컨대, 7개) 전달상수의 설정이 가능하도록 한 약동학적 약물 전달상수 설정 모드키를 나타내고, 422는 상기 통신 알고리즘(638)과 연동되어 본 발명에 따른 목표농도 조절 주입기와의 데이터 인터페이스를 제어하는 통신 알고리즘을 나타낸다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 목표농도 조절 주입기에서 목표농도 및 약물 전달상수의 설정을 설명하기 위한 도면이다.

이를 참조하면, 4차 콤파트먼트(800)의 약동학적 모델을 미분 방정식으로 표현하면 수학식 1과 같이 4개의 1차 미분 방정식으로 나타낼 수 있다.

u(t):주입율, A(1∼4):각각 제(1∼4) 콤파트먼트에서의 약물량, K_ij: 각 콤파트먼트 사이의 약물 전달상수.

현재의 혈중 농도계산(Cp)은 중심구획(제 1 콤파트먼트; 650)으로 약물의 주입율 u(t)만큼 일정하게 정주될 경우, 중심구획(제 1 콤파트먼트에서)의 약물량, A₁을 먼저 계산해야 하며 수학식 1의 미분방정식으로부터 A₁을 계산하기 위해 다음과 같은 수학식 2로 표현해야 된다.

A₁: 중심구회의 약물량, a, b, c, d:상수, (1∼4): 미분방정식의 해.

수학식 2는 현재 주사기에서 정주되는 주입율이 일정하다고 볼 때 정상상태에서의 A₁은 u(t)와 같게 되며 정상상태에 도달하는 시간 상수(time constant)는 약제의 종류에 따라 각기 상이하다. 약제의 종류가 다르면 a, b, c, d의 상수 및 (1∼4)의 값이 달라지게 되며 이러한 상수들은 약물 전달상수의 함수가 된다.

이로써, 수학식 2를 제 1 제어부(621)로 연산하기 위해 수학식 3과 같이 z-transform으로 표현해야 하며 표현된 결과가 약물 전달상수의 함수가 된다는 것을 알 수 있다. 수학식 3은 중심구획에서의 약물량을 상기 제 1 제어부(621)로 계산하기 위해 z-transform한 것이다.

k_ij:약동학적 약물 전달상수(단위 min-1), DT:주입 간격(sec) 혹은 샘플링 시간, A..H: 상수

중심구획으로 약제를 주입하면 주입량에 따라 중심구획에서의 약물량을 수학식 3으로부터 예측한다. 본 발명에 따른 수학식 3은 제 1 제어부(621)에 프로그램하고 약물 전달상수의 값을 입력으로 받아 주는 알고리즘을 구축한다. 여기서 계산된 중심구획의 약물량을 현재의 혈중 농도로 변환하기 위해서는 수학식 4를 매개하여 연산한다.

Cp(t): 현재의 혈중 농도, A1: 중심구획의 약물량, V_vol: 중심구획의 체적(ml/kg), MW: 환자의 몸무게(kg).

설정된 목표농도에 신속하게 도달하기 위하여 초기 주입을 부하용량(load dose, LD)이라 하고 LD의 계산은 수학식 5에 의해 표현할 수 있다.

C_T: 혈중 목표 농도(ug/ml), V_vol: 중심구획의 체적(ml/kg), M_W: 환자의 몸무게(kg)

수학식 5의 결과로 초기 주입율의 계산은 수학식 6으로 표현된다.

수학식 6에 의해 계산된 주입율은 전동기의 회전수로 변환하여야 하며 변환 공식은 수학식 7과 같다.

p: 작동기의 1회전축 당 전동기의 엔코더 라인수, l: 작동기의 1회전축 당 직선거리, u(t): 주입율, r: 주사기의 내경, C: 단위 보정 상수.

이하, 효과처에서의 초기 농도 계산(Ce(z))은 중심구획에서의 약물량과 현재의 혈중 농도(Cp(z))를 각각 수학식 3과 수학식 4로부터 계산하고, Cp(z)을 중심구획에서 효과처로 전달되는 약물 전달상수 k14와 샘플링 시간 DT와의 곱으로 계산한다. 상기 결과 값을 Ce(z)라 하고 다음 샘플링 시간에서는 현재의 Ce(z)가 직전의 Ce(z-1)로 표현된다. 이와 같은 방법으로 효과처의 현재 농도를 계산한 공식은 수학식 8로 표현된다.

현재의 목표농도에서 약제의 주입이 정지된 경우, 환자가 깨어날 예상 시간을 예측하기 위한 방법으로써, 현재의 혈중 농도에서 설정된 각성농도(Ca)에 도달하는 시간을 환자가 마취에서 깨어날 시간으로 하여 나타내는 것이며, 이를 상황민감성 감소기(CSDT :context sensitive decrement time)라 부르고, CSDT를 계산하는 공식은 수학식 9로 표현된다.

C_p: 현재 혈중 농도, C_a: 설정된 각성 농도,(1∼3): 수학식 1의 해.

수학식 9의 CSDT계산 방법으로써, 수학식 2로부터 임펄스 입력(주입량)에 대한 입출력 특성이 지수 함수적으로 감소하게 되고 이러한 감소의 정도를 3개의 시간 구역별로 표현한 것이 수학식 10이다.

, ,

수학식 10을 이용해서 매 15초 간격으로을 계산하여 가장 큰 값의 시간을 CSDT로 활용한다. 또한 전체 약물의 주입량은 수학식 11로부터 계산한다.

상기한 구성의 본 발명의 일실시예에 따른 목표농도 조절 주입기의 기능과 작용을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 3을 통하여 기술된 수학식 [1∼11]으로부터 계산된 결과 값을 이용한 목표농도의 자동으로 조절하는 방법을 기술한 것으로, 사용자는 먼저 주입을 소망하는 약제 및 모델을 설정한다.(제 1 단계: ST-1)

약제 및 모델이 설정된 다음에는 각종 데이터를 기준으로 소망하는 목표농도를 설정한다.(제 2 단계: ST-2)

그리고, 현재농도를 추출하여 기설정된 목표농도와 비교한다. 비교한 결과 현재 농도와 목표농도가 동일한 경우에는(제 3 단계: ST-3) 상기 작동기(200)를 통해 주입되는 주입율을 연산한 다음(제 4 단계: ST-4) 약제를 주입토록 제어한다(제 5 단계: ST-5).

만약, 상기 과정에서 현재 농도와 목표농도를 비교한 결과 목표농도가 현재 농도보다 큰 경우나(제 6 단계: ST-6), 또는 목표농도가 현재 농도보다 작은 경우에는(제 7 단계: ST-7) 주입을 중단함과 동시에 재 연산을 실행한다.

이때, 재 연산은 부하용량(LOAD DOSE)을 연산하고(제 8 단계: ST-8), 혈중농도를 연산하며(제 9 단계: ST-9), 작용점의 농도를 연산하고(제 10 단계: ST-10), 각성시간을 연산하는 CSDT를 연산하여(제 11 단계: ST-11), 그 결과치에 의해 전체 주입량을 재연산한다(제 12 단계: ST-12).

재 연산이 완료되면, 샘플링 시간 15초 간격마다 현재 농도와 목표농도를 다시 비교하는 과정으로 피드백시켜 현재 농도와 목표농도가 일치할 경우 주입을 실행한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 목표농도 조절 주입기 및 그 제어방법은 단지 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경이 가능하다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 목표농도 조절 주입기 및 그 제어방법은마취 약제나 기타 약제의 정맥 주입 시, 사용상의 편리성과 사용 후 임상적 부작용이 거의 없어 경험이 부족한 마취의들도 간단한 조작으로 마취 깊이를 신속하고 자동적으로 조절할 수 있도록 하여 마취의가 수술 중 마취깊이 조절에 투입된 시간을 환자 감시에 좀더 많은 시간을 할애할 수 있게 된다. 또한, 본 발명은 약동학적 모델에서 약물 전달상수를 임의로 변경하여 인종과 개인의 체형에 맞는 약동학적 모델을 설정하는 것이 가능하여 항생제 등 기타 약제를 정확히 적절한 목표양으로 주입하는 것이 가능하기 때문에 약물 남용을 막을 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

Claims

각종 약제 및 모델 및 모드를 선택하고, 각종 환자 데이터를 입력하기 위한 모드 설정수단과;

약동학적 모델의 모의시험 및 목표농도(혈중 또는 효과처)에 대한 비교 및 처리결과, 주입상황에 대한 각종 데이터를 화면으로 출력하기 위한 출력수단과;

상기 모드설정수단에 의해 설정된 각종 모드 및 그 목표농도에 따른 현재 농도와 설정된 농도와의 농도비교, 연산 및 작동기의 모터 제어를 데이터의 피드백으로 수행하는 제어수단과;

상기 제어수단으로부터 제어신호를 인가받아 각종 모드 및 그 목표농도에 따른 현재 주입량에 따라 중심구획의 약물량을

[k_ij:약동학적 약물 전달상수(단위 min-1), DT:주입 간격(sec) 혹은 샘플링 시간, A.H: 상수]의 연산을 통해 예측하고,[Cp(t): 현재의 혈중 농도, A1: 중심구획의 약물량, V_vol: 중심구획의 체적(ml/kg), MW: 환자의 몸무게(kg)]의 식을 통해 현재농도를 연산/비교하는 연산 알고리즘과, 현재농도와 목표농도가 상이할 경우에 초기 주입의 부하용량을[C_T: 혈중 목표 농도(ug/ml), V_vol: 중심구획의 체적(ml/kg), M_W: 환자의 몸무게(kg)]에 의해 연산하고, 초기 주입율을)에 의해 연산하여, 이를 바탕으로[p: 작동기의 1회전축 당 전동기의 엔코더 라인수, 1: 작동기의 1회전축 당 직선거리, u(t): 주입율, r: 주사기의 내경, C: 단위 보정 상수]에 따라 그 주입율을 전동기의 회전수로 변환하며, 주입후 효과처의 현재 농도를에 의해 연산 샘플링하고, 그 샘플링을 통한 주입량의 입출력 특성의 감소정도를

을 통해 연산하고, 이를 통해 전체 약물의 주입량을을 통해 재연산하는 알고리즘과, 그 연산 알고리즘으로부터 연산된 해당 주입량을 주사기의 용량과는 무관하게 1회 주입 시간(St)은 전동기의 작동시간(Rt)과 전동기의 정지시간(Dt)의 합으로 변환하고, 설정된 1회 주입시간(St)을 일정하게 유지하기 위해 작동시간(Rt)의 변화에서도 정지시간(Dt)을 식{, St: 1회 주입 시간(sec), Dt: 전동기의 정지시간(sec), Rt: 전동기의 작동시간(sec). }으로부터 가변되도록 함으로써 속도를 오차 없이 일정하게 유지하여 주입시키는 주입모드인 매뉴얼 모드 알고리즘과, 약동학적 모델의 약물 전달상수(k10, k12, k21, k13, k31, k14, k41=(k14/10,000), volume)의 변경이 가능하고, 약제의 특성을 평가하기 위해 입력 신호(주입율)의 임펄스(impulse)와 스텝(step)에 대한 입출력 응답 특성을 수행하고 그 결과 값을 그래픽으로 디스플레이할 수 있도록 한 모의실험 알고리즘이 각각 저장된 데이터저장수단으로 이루어진 처리수단과;

상기 제어수단의 제어신호에 의해 모터를 구동시킴으로써 약제의 주입을 위한 작동기를 구동시키는 작동기 구동수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 목표농도 조절 주입기.
제 1 항에 있어서, 상기 목표농도 조절 주입기에는 그 내부에서 처리된 약제 주입정보 및 각종 실험데이터에 대하여 외부 단말기와 데이터의 송수신을 위한 인터페이스수단이 더 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 목표농도 조절 주입기.
제 1 항에 있어서, 상기 모드설정수단은 약동학적 모델을 이용한 TCI 모드, 약제의 일정 주입율에 의해 주입되는 매뉴얼 모드, 약제의 종류를 설정하는 모드, 약제에 따른 약동학적 모델을 설정하는 모드, 환자 정보 설정(이름, ID, 나이, 몸무게, 성) 모드, 혈중(plasma) 목표농도 설정모드, 효과처(effect)의 목표농도 설정모드, 각성(awaken) 농도설정 모드, 유도시간(induction time) 모드, 약동학적 모델의 모의실험 모드, 7개의 독립적인 약동학적 약물 전달상수(k10, k12, k21, k13, k31, k14, k41=(k14/10,000), volume) 설정 모드로 이루어진 모드설정키가 구성된 것을 특징으로 하는 목표농도 조절 주입기.
제 1 항에 있어서, 상기 출력수단은 약동학적 모델의 모의실험 데이터 및 계산된 현재 농도, 목표 농도, 주사기 압력, 환자가 깨어날 예상 시간, 동작 시간, 축전지 정보, 전체 주입량의 동작정보를 그래프와 수치값으로 출력하는 것을 특징으로 하는 목표농도 조절 주입기.
제 1 항에 있어서, 상기 처리수단은 그 내부에 구비되어 약동학적 모델을 32bit로 연산하는 약동학적 모델연산 알고리즘과, 상기 모드설정수단의 혈중 목표농도 설정에 따라 혈중 목표농도와 현재 혈중농도를 비교하는 혈중 목표농도 비교부와, 효과처 목표농도 설정에 따라 효과처 목표농도와 현재 효과처의 농도를 비교하는 효과처 목표농도 비교부와, 상기 혈중 목표농도 비교부 또는 효과처 목표농도 비교부로부터 출력된 농도차에 따라 주입량을 계산하고, 그 주입량을 전동기의 회전수로 변환시키는 변환부로 이루어진 제 1 제어부와;

상기 작동기의 구동 제어 및 통신 제어를 행하는 제 2 제어부와;

상기 제 2 제어부와 연동되어 TCI 처리를 행하는 TCI 모드 알고리즘과;

상기 제 2 제어부로부터 동작 제어신호를 인가받아 매뉴얼 모드 처리를 행하는 매뉴얼 모드 알고리즘과;

상기 TCI모드 알고리즘 혹은 매뉴얼 모드 알고리즘을 통한 처리 결과값을 이용한 작동기 자동제어 메커니즘을 실행하는 작동기 자동제어 알고리즘과;

상기 제 1 CPU 및 2 CPU로부터 각종 처리 데이터를 전송받으며, 각종 제어신호를 발생하는 외부 단말기에 대한 데이터의 인터페이스를 위한 통신 알고리즘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 목표농도 조절 주입기.
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각종 약제의 목표농도를 현재 농도와 비교하고, 연산함으로써 주입량을 조절할 수 있도록 한 목표농도 조절 주입기의 제어방법에 있어서,

주입을 소망하는 약제 및 모델을 선택하는 과정과;

목표농도를 설정하는 과정과;

주입량에 따라 중심구획의 약물량을

[k_ij:약동학적 약물 전달상수(단위 min-1), DT:주입 간격(sec) 혹은 샘플링 시간, A.H: 상수]의 연산을 통해 예측하는 과정과;

[Cp(t): 현재의 혈중 농도, A1: 중심구획의 약물량, V_vol: 중심구획의 체적(ml/kg), MW: 환자의 몸무게(kg)]의 식을 통해 현재농도를 연산하는 과정과;

현재농도와 목표농도를 비교하는 과정과;

현재농도와 목표농도가 동일할 경우 주입율을 연산하여 주입하는 과정과;

현재농도와 목표농도가 각기 상이할 경우 초기 주입의 부하용량을[C_T: 혈중 목표 농도(ug/ml), V_vol: 중심구획의 체적(ml/kg), M_W: 환자의 몸무게(kg)]에 의해 연산하고, 초기 주입율을)에 의해 연산하여, 이를 바탕으로[p: 작동기의 1회전축 당 전동기의 엔코더 라인수, l: 작동기의 1회전축 당 직선거리, u(t): 주입율, r: 주사기의 내경, C: 단위 보정 상수]에 따라 그 주입율을 전동기의 회전수로 변환하며, 주입후 효과처의 현재 농도를에 의해 연산 샘플링하고, 그 샘플링을 통한 주입량의 입출력 특성의 감소정도를

을 통해 연산하고, 이를 통해 전체 약물의 주입량을을 통해 재연산을 행하도록 제어하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 목표농도 조절 주입기의 제어방법.
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