KR101398486B1 - 마이크로펌프 - Google Patents

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KR101398486B1
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요제프 힐베르
지그프리트 스트래슬러
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젠질레 파트 아게
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Abstract

펌프는 고정자(8), 고정자의 회전자 챔버(10)내에 미끄러질 수 있고 회전 가능하게 적어도 부분적으로 장착된 축방향 연장부(14,16)를 구비하는 회전자(6) 및, 회전자의 적어도 각도 변위의 함수로서 개방 및 폐쇄되고 유입부와 회전 챔버 사이, 그리고 회전자 챔버와 유출부(12) 사이에 각각 있는 적어도 제 1 밸브 및 제 2 밸브를 포함한다. 펌프는 회전자 및 고정자상의 상호 작용하는 캠 요소(42,44)들 및 고정자 캠 요소의 축방향으로 회전자에 힘을 적용하도록 회전자에 작용하는 편향 수단을 포함한다.

Description

마이크로펌프{Micropump}
본 발명은 마이크로펌프 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 의료용으로 이용되는 마이크로펌프에 관한 것이다.
인슐린과 같은 소량의 액체 약물을 정확하게 피하 투여하도록 잘 적합화된 마이크로펌프는 국제 특허 출원 공개 WO 2005 039674 에 개시되어 있다. 상기 언급된 마이크로펌프는 그 구조의 단순성 및 특히 기능 원리 때문에 정확하고, 집약적이고, 휴대 가능하고, 신뢰성이 있다. 그럼에도 불구하고, 액체 약물의 피하 투여는 높은 수준의 안전성을 필요로 하는데, 중요한 요건들중 일부는 환자의 혈액 시스템 안으로 공기가 주입되지 않는 것이 보장되어야 한다는 것과, 실제로 주입되는 약물의 양이 펌프 제어 유니트에서 읽혀지는 것에 대응하는 것이 보장되어야 한다는 것이다.
또한 사용자가 잘못된 조작을 하는 위험성을 감소시키기 위하여, 예를 들면 저장부 카트리지를 펌프에 연결시키는 것과 같이, 구성 요소들의 상호 연결과 같은 약물 투여 시스템의 작동을 위해 사용자가 수행할 필요가 있는 작업들의 수와 복잡성을 감소시킬 필요가 있다.
더욱이, 의료용 장치들의 비용을 감소시켜야 하는 계속적인 필요성이 있다.
위와 같은 점에 비추어, 본 발명의 목적은 정확하고, 신뢰성 있고, 집약적이고, 사용이 매우 안전한 의료용 펌프를 제공하는 것이다.
일회용 시스템으로 제공될 수 있도록, 제조하는데 특히 비용 효과적인 마이크로펌프를 제공하는 것이 유리할 것이다.
투여되어야 하는 약물을 포함하는 저장부와 용이하게 일체화될 수 있고 비워졌을 때 약물 저장부가 제거될 수 있는, 비용 효과적인 일회용 액체 약물 투여용 마이크로펌프를 제공하는 것이 유리할 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 제 1 항에 따른 펌프를 제공함으로써 달성되었다.
본원에 개시된 것은 펌프이고, 특히 의료용으로 적합화된 펌프로서, 이것은 고정자, 펌프 작용을 이루도록 적합화된 고정자의 회전자 챔버에 미끄러질 수 있고 회전 가능하게 적어도 부분적으로 장착된 축방향 연장부를 포함하는 회전자 및, 펌프의 유입부와 회전자 챔버, 그리고 회전자 챔버와 유출 부분 사이에 각각 있는 적어도 제 1 밸브 및 제 2 밸브를 포함한다. 밸브들은 회전자의 적어도 각도 변위의 함수로서 개방되고 폐쇄된다. 펌프는 회전자 및 고정자상의 상호 작용하는 캠 요소들 및 고정자 캠 요소의 방향으로 회전자에 힘을 적용하기 위하여 회전자에 작용하는 편향 수단을 더 포함한다.
바람직한 구현예에서, 회전자는 액체 공급 채널을 가진 상이한 직경들의 제 1 및 제 2 축방향 연장부들과, 제 1 및 제 2 축방향 연장부들 둘레에 장착되어 있는 하우징에 고정된 시일 링들을 포함하여, 그 사이에 제 1 및 제 2 밸브들을 형성한다. 시일 링들은 회전자의 회전축에 수직인 평면에 대하여 경사 각도로 전체적으로 배치됨으로써, 회전자가 회전될 때, 각각의 액체 공급 채널의 극단부가 시일 링의 일 측으로부터 다른 측으로 통과함으로써, 시일 링을 가로질러 액체 소통이 개방되고 폐쇄된다. 회전자의 360°회전 사이클에 걸치는 동안, 각 밸브가 개방되었을 때 회전자가 축방향 변위를 이루게 되며, 따라서 회전자의 2 개의 축방향 연장부들 사이의 직경 차이로부터 초래된 체적 변화에 기인하는 펌프 작용이 발생된다. 이러한 구현예의 기능 원리는 국제 출원 공개 WO 2005 039674 에 개시된 마이크로펌프의 기능 원리와 유사하며, 그 내용은 본원에 참조로서 포함된다.
본 발명에 있어서, 회전자의 축방향 변위는 회전자의 캠 요소의 캠 표면에 의해 발생되는데, 상기 캠 표면은 고정자 하우징의 상보적인 캠 요소의 캠 표면 및, 회전자를 고정자의 면을 향하여 미는 축방향 힘의 적용 수단과 협동한다.
회전자의 축방향 힘은 회전자에 가압되는 스프링이나, 또는 자석에 의해 발생될 수 있다. 바람직한 구현예에서, 스프링은 그것의 단순성 때문에 제공되며, 스프링은 마찰력을 최소화시키기 위하여 축방향 중심에서 회전자에 대하여 가압되는 중앙의 돌출부를 구비한다.
하나의 밸브가 개방되는 위치로부터 다른 밸브가 개방되는 위치로 천이되는 특정 각도에 있는 동안 양쪽 밸브들이 폐쇄되도록, 액체 공급 채널들이 시일 링들에 대하여 위치된다. 이것은 그 어떤 제조 공차라도 감안하면서 액체 저장부와 피하용 바늘 사이에 자유로운 유동 경로를 회피하기 위하여 양쪽 밸브들이 결코 동시에 개방되지 않는 것을 보장한다.
양쪽 밸브들이 폐쇄되는 각도 영역들중 적어도 한 곳에서, 캠 표면들은 서로 접촉하지 않으며, 회전자상의 캠 요소는 고정자로부터 특정한 축방향 거리에 있다. 시일 링들중 하나에 의도되지 않은 누설이 있는 경우에, 또는 펌프 시스템의 액체 챔버 안에 공기가 있다면, 회전자와 고정자 사이에 가해지는 축방향 힘은 고정자에 대한 회전자의 상대적인 변위를 일으킬 것이다. 회전자의 축방향 변위는 센서에 의해서 검출될 수 있는데, 예를 들면 홀 센서(Hall sensor) 또는 그 어떤 다른 공지의 위치 센서에 의해 검출되며, 그에 의해서 펌프의 제어 유니트에 오작동(malfunction)을 신호한다.
캠 요소들은 캠 요소들이 맞닿을 때까지 회전자를 진전시키고 다시 방향을 역전시킴으로써 고정자에 대한 회전자의 기준 위치를 정하도록 이용될 수도 있다. 기준 위치는 회전자의 각도 위치를 결정하기 위하여 회전자의 시작 위치를 설정하는데 이용될 수 있고, 특히 정지 위치를 정확하게 결정하기 위하여 고정자에 대하여 회전자상의 캠 요소를 설정하는데 이용될 수 있다.
회전자는 영구 자석이 안에 함입되어 있는 사출 플라스틱 재료로 제작될 수 있으며, 회전자는 구동 모듈(drive module)상의 고정자 코일들에 의해 구동되는데, 구동 모듈은 펌프 모듈의 단부 위에 걸쳐 삽입될 수 있다.
본 발명의 목적은 청구항 제 11 항에 따른 펌프 모듈을 제공함으로써 달성되었다.
본원에 개시된 것은 펌프 모듈로서, 상기 펌프 모듈은 상이한 직경들을 가지는 제 1 축방향 연장부 및 제 2 축방향 연장부를 구비하는 회전자, 축방향 연장부들의 적어도 일부를 안에 수용하는 회전자 챔버를 가진 고정자 하우징을 구비하는 고정자 및, 제 1 축방향 연장부 및 제 2 축방향 연장부 둘레에 장착된 제 1 시일 및 제 2 시일들을 포함한다. 축방향 연장부들에는 액체 공급 채널들이 제공되는데, 액체 공급 채널들은 개별의 제 1 시일 및 제 2 시일들과 협동하여, 회전자의 각도 변위의 함수로서 개별 시일을 가로지르는 액체 소통을 개방 및 폐쇄시키는 제 1 밸브 및 제 2 밸브들을 형성한다. 펌프 모듈은, 고정자 하우징에 고정되고 회전자 동체에 근접하게 대직경의 제 1 축방향 연장부 둘레에 위치된 제 3 시일 링을 구비하여, 제 2 시일 링과 제 3 시일 링 사이에 위치된 회전자 챔버의 유출 부분의 범위를 정한다.
이러한 장치로서, 회전자 동체는 펌핑되고 있는 액체로부터 시일되고 펌프 안의 액체 체적은 최소로 유지되며, 따라서 펌프의 시작 사이클 동안에 안에 있는 그 어떤 공기의 배출이라도 용이하게 된다. 더욱이, 회전자 동체에 의한 액체의 불필요한 전단(shear)이 회피되며, 따라서 전단 효과에 기인하는 거대 분자 또는 민감한 분자들의 가능성 있는 손상이 감소된다. 이러한 구성은 또한 펌프 사이클 동안에 그 어떤 역류 펌핑 작용도 제거하며, 즉, 전방 유동의 펌핑 작용만을 제공한다.
다양한 시일 링들이 유리하게 플라스틱 하우징 부품들과 일체로 성형될 수 있어서 특히 집약적이고 비용 효과적인 펌프 장치를 형성한다.
본 발명의 목적은 청구항 제 17 항에 제공된 펌프 모듈의 작동 방법을 제공함으로써 달성되었다.
본원에는 펌프 작동 방법이 개시되는데, 상기 펌프는 고정자, 고정자의 회전자 챔버 안에 미끄러질 수 있고 회전 가능하게 적어도 부분적으로 장착된 축방향 연장부를 구비하는 회전자 및, 회전자의 적어도 각도 변위의 함수로서 개방되고 폐쇄되며, 유입부와 회전자 챔버 사이, 그리고 회전자 챔버와 유출 부분 사이에 각각 있는 적어도 제 1 밸브 및 제 2 밸브를 구비하고, 상기 방법은 회전자의 각도 위치의 함수로서 회전자의 축방향 변위를 검출하는 단계 및, 오작동이 있는지의 여부를 결정하기 위하여 축방향 검출 변위를 예상 변위 값과 비교하는 단계를 구비한다. 오작동은 펌프의 하류 부분에서의 막힘이나, 펌프 유출부에 연결된 장치들 또는 요소들에서의 막힘이나, 또는 밸브의 누설이나, 또는 회전자 챔버 안의 공기 때문일 수 있다.
바람직한 구현예에서, 제 1 시일 및 제 2 시일들은 액체 공급 채널들이 제공된 회전자의 제 1 축방향 연장부 및 제 2 축방향 연장부 둘레에 장착되며, 상기 액체 공급 채널들은 회전자의 적어도 각도 변위의 함수로서 개별 시일을 가로질러 액체 소통을 개방 및 폐쇄시키는 제 1 밸브 및 제 2 밸브를 형성하기 위하여 개별의 제 1 시일 및 제 2 시일과 협동한다. 그러나 밸브들은 본 발명의 범위를 이탈함이 없이 상이하게 구성될 수 있으며, 예를 들면 밸브들은 고정자내에 구성될 수 있고 회전자 챔버의 범위를 정하는 회전자와 고정자 사이의 시일들을 가로질러 브리지(bridge)될 수 있다.
상기에 설명된 방법은, 예를 들면 유출 부분 또는 카테테르에서의 막힘에 기인하는, 회전자 챔버 하류의 막힘이나, 회전자 챔버내의 공기의 존재 또는 잘못된 밸브의 검출을 유리하게 허용한다. 상기 언급된 방법은, 본원 발명에 개시된 구조적 특징들을 가지는 펌프들이나, 또는 보다 일반적으로 국제 출원 공개 WO 2005 039674 에 개시된 구조적인 특징들을 가진 종래 기술의 펌프들이나, 또는 펌프의 작용이 회전자 챔버 안에서의 회전자의 회전 및 축방향 변위의 조합에 기초하는 다른 펌프 구성들에서조차도 채용될 수 있다.
본원에는 펌프 모듈을 작동시키는 방법이 개시되는데, 펌프 모듈은, 축방향 연장부를 구비하는 회전자, 축방향 연장부의 적어도 일부를 안에 수용하는 회전자 챔버를 가진 고정자 하우징을 구비하는 고정자 및, 회전자의 적어도 각도 변위의 함수로서 개방되고 폐쇄되는, 유입부와 회전자 챔버 사이, 그리고 회전자 챔버와 유출 부분 사이에 각각 있는 적어도 제 1 밸브 및 제 2 밸브를 구비하며, 펌프 모듈은 회전자 및 고정자상의 상호 작용하는 캠 요소들 및, 고정자 캠 요소의 축방향으로 회전자에 힘을 적용하기 위하여 회전자에 작용하는 편향 수단을 더 구비하고, 상기 방법은:
회전자를 펌핑 방향으로 한번 이상의 사이클로 회전시키는 단계; 및
고정자에 대한 회전자의 기준 각도 위치를 형성하기 위하여 회전자 및 고정자 캠 요소들의 어깨부들이 맞닿을 때까지 차후에 회전 방향을 역전시키는 단계;를 포함한다.
기준 각도 위치가 유리하게는 밸브 테스트 과정을 수행할 때 테스트 위치를 정확하게 결정하고 찾는데 이용될 수 있거나, 또는 펌프의 작동이 사용중에 정지되었을 때 밸브들 양쪽이 폐쇄되는 위치에서 회전이 정지되는 것을 보장하도록 이용될 수 있다.
본원에는 패치 펌프(patch pump) 장치가 개시되어 있는데, 이것은 저장부에 장착된 펌프 모듈을 구비하는 일회용 유니트 및 펌프 모듈의 회전자를 구동하기 위한 구동부를 구비하는 베이스 유니트를 포함한다. 패치 펌프 장치의 일회용 유니트는 펌프 모듈의 유출부에 연결된, 피하 약물 투여에 적합화된 카테테르를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적 및 유리한 특징들은 도면과 관련된 본 발명의 구현예에 대한 다음의 상세한 설명 및 청구항들로부터 명백해질 것이다.
도 1a 는 본 발명의 구현예에 따른 펌프 시스템의 단면도로서, 여기에서 회전자는 0°로서 식별된 최초 각도 위치에 있다.
도 1b 는 도 1a 에 도시된 펌프 시스템의 부분적인 사시 단면도이다.
도 2a 및 도 2b 는, 회전자가 60°의 각도 위치에 있다는 점을 제외하고, 도 1a 및 도 1b 에 각각 유사한 도면이다.
도 3a 및 도 3b 는, 회전자가 180°를 방금 지나간 각도 위치에 있다는 점을 제외하고, 도 1a 및 도 1b 에 각각 유사한 도면이다.
도 3c 는 회전자가 도 3a 에 도시된 축방향 위치에 대하여 변위되어 있는 축방향 위치에 있다는 점을 제외하고, 도 3a 에 유사한 도면이다.
도 4 는 회전자가 270°의 각도 위치에 있다는 점을 제외하고, 도 1 에 유사한 도면이다.
도 5 는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 펌프 시스템의 캠 요소를 가지는, 회전자 및 대응하는 고정자 부분의 분해 사시도이다.
도 6a 내지 도 6c 는 제 1 구현예의 상이한 각도 위치들에서 캠을 가진 회전자 및 상보적인 캠이 고정자상에 있는 것을 간단하게 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 구현예에 따른 펌프 시스템의, 회전자 및 캠 요소를 가진 대응 고정자 부분을 도시하는 분해 사시도이다.
도 8a 및 도 8b 는 제 2 구현예의 상이한 각도 위치들에서 캠을 가진 회전자 및 고정자상의 상보적인 캠을 간단하게 개략적으로 나타낸 것이다.
도 9a 는 제 1 구현예의 회전자 및 고정자의 상대 위치의 함수로서 시일들이 개방 및 폐쇄되는 것을 그래프로 설명한 개략도이다.
도 9b 는 제 1 구현예의 회전자 및 고정자의 상대 위치의 함수로서 시일들이 개방 및 폐쇄되는 것을 그래프로 설명한 개략도로서, 특히 막힘의 검출을 나타낸다.
도 9c 는 제 1 구현예의 회전자 및 고정자의 상대 위치의 함수로서 시일들이 개방 및 폐쇄되는 것을 그래프로 설명한 개략도로서, 특히 누설 또는 공기 검출 기능을 도시한다.
도 10a 는 제 2 구현예의 회전자 및 고정자 캠 요소들의 상대 위치의 함수로서 시일들이 개방 및 폐쇄되는 것을 그래프로 설명한 개략도이다.
도 10b 는 제 2 구현예의 회전자 및 고정자의 상대 위치의 함수로서 시일들이 개방 및 폐쇄되는 것을 그래프로 설명한 개략도이다.
도 10c 는 제 2 구현예의 회전자 및 고정자의 상대 위치의 함수로서 시일들이 개방 및 폐쇄되는 것을 그래프로 설명한 개략도로서, 특히 누설 또는 공기 검출 기능을 나타낸다.
도 11a 는 본 발명에 따른 펌프 시스템을 포함하는 패치 펌프의 제 1 구현예에 대한 분해 단면도이다.
도 11b 는 패치 펌프의 제 1 구현예에 대한 단면도이다.
도 12a 는 본 발명에 따른 펌프 시스템을 포함하는 패치 펌프의 제 2 구현예에 대한 분해 단면도이다.
도 12b 는 패치 펌프의 제 2 구현예에 대한 단면도이다.
도면을 참조하면, 특히 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 펌프 모듈의 구현예는 고정자(4) 및 고정자에 회전 가능하게 장착된 회전자(6)를 구비한다. 고정자(4)는 챔버(10,12)를 형성하는 하우징(8)을 구비하는데, 상기 챔버는 이후에 회전자 챔버로 호칭되며, 챔버 안에 회전자의 제 1 및 제 2 축방향 연장부(14,16)가 장착되며, 제 1 및 제 2 시일(18,20)들은 고정자 하우징(8) 안에 장착되어 시일 링을 형성하여 회전자의 제 1 및 제 2 연장부(14,16)를 각각 시일되게 둘러싼다. 액체 공급 채널(22,24)들이 회전자의 제 1 및 제 2 축방향 연장부내에 제공된다. 제 1 축방향 회전자 연장부는 직경 D1 으로써 전체적으로 실린더형 형상을 가지는데, 상기 직경(D1)은 전체적으로 실린더형 형상을 가지는 제 2 축방향 연장부(16)의 직경(D1) 보다 작다.
액체 공급 채널(22,24)들은 도시된 구현예에서 개별 연장부들의 표면상에 축방향으로 연장된 홈(grooves)들의 형태로서, 고정자에 대한 회전자의 각도 및 축방향 위치에 따라서, 유입 채널 및 유출 채널(26,28)이 제 1 시일 링(18)과 제 2 시일 링(20) 사이에 위치된 회전자 챔버(10)의 일부와 각각 소통되게 한다.
제 1 및 제 2 시일 링(18,20)들은 회전자의 회전축에 수직인 평면에 대하여 경사지게 됨으로써 시일 링들의 경사각은 서로 같거나 또는 다를 수 있다. 액체 공급 채널들과 관련하여, 경사진 시일 링들의 주 목적은 밸브들로서 작용하는 것이며, 밸브들은 회전자의 각도 및 축방향 위치의 함수로서 개방되고 폐쇄된다. 이것은 어느 밸브가 개방될 때 회전자의 축방향 변위에 의해 야기되는 시일 링(18,20) 사이의 회전자 챔버 부분(10)의 체적 변화에 기인하여, 저장부로부터 유입부(26)를 통하여 공급되고 유출부(28)로 배출되는 액체의 펌핑 작용을 가능하게 한다. 일반적인 기능 원리는 선행 특허 출원 WO 2005/039674 에 설명되어 있으며, 이것은 본원에 참조로서 포함된다. 바람직한 구현예에서 유입부(26)는 회전자의 축방향 중심에 배치되지만, 이것은 또한 유입부(26)가 유출부가 되고 유출부(28)가 유입부가 되도록 밸브들의 개방 및 폐쇄의 함수로서 회전자의 축방향 운동의 적절한 변화에 의해 펌프 작용 방향을 반전시키는 것도 가능하다.
회전자 챔버 부분(10)과 유입부 및 유출부 사이의 액체 소통의 개방 및 폐쇄는 액체 공급 채널(22,24) 및 시일(18,20)들의 위치 및 디자인의 상이한 형태에 의해 달성될 수 있으며, 그것의 주 목적은 회전자의 각도 및 축방향 위치의 함수로서 시일들을 가로질러 액체 소통을 개방하고 폐쇄시키는 것이라는 점이 주목될 수 있다. 예를 들면, 축방향 연장부들의 표면상의 홈들 대신에, 액체 공급 채널들이 회전자 안에 함입되고 연장부의 표면에 오리피스(유입부, 유출부)들을 가질 수 있으며, 그에 의해서 상기 오리피스들이 반드시 축방향으로 정렬되지는 않는다. 더욱이, 액체 공급 채널들은 회전자에서 반드시 직경상 반대 위치들에 있을 필요가 없고 시일 링들은 단차 형상이나 또는 S 형상을 가질 수 있으며, 즉, 일정하지 않은 경사각을 가질 수 있다.
도시된 구현예에서, 시일(18,20)은 일체화된 시일 요소(30)의 일부로서 형성되는데, 시일 요소가 유리하게는 하우징의 일부(32)에 사출 성형으로써 제작되며, 하우징도 예를 들면 플라스틱 재료로 사출 성형에 의해 제작될 수 있다. 그러나 시일 링들은 별도의 요소들일 수도 있거나, 하우징에서 사출 성형되거나 또는 하우징 안에서 조립될 수 있다. 시일들이 예를 들면 실리콘 베이스 또는 열가소성의 엘라스토머 또는 고무로부터 사출될 수 있으며, 그에 의해서 하우징 부분과 시일들의 성형은 펌프 모듈의 구성 요소들을 제조하기 위한 특히 비용 효과적인 방법을 제공하여, 조립된 구성 요소들의 정밀도를 향상시키고 적은 구성 요소들을 제공하면서, 개별 구성 요소들 뿐만 아니라 그 조립체의 제조 비용을 절감하게 한다.
회전자(6)는 예를 들면 전체적으로 실린더형 디스크 형태일 수 있는 모터 부분(34)을 포함하는데, 실린더형 디스크는 그 둘레에 복수개의 자극(magnetic poles)을 제공하는 하나 이상의 영구 자석들을 가지며, 베이스 부재(38)에 배치된 전자석(36)들에 의해 회전 구동된다.
베이스 부재(38)는 펌프(2)의 일부이거나, 또는 분리된 베이스 유니트의 일부일 수 있으며, 베이스 유니트 안으로 펌프 모듈이 제거 가능하게 장착된다. 베이스 유니트에는 전자부가 제공될 수 있는데, 전자부는 무선 또는 유선 링크를 통하여 신호를 제어 유니트에 송신하고 그리고/또는 펌프를 제어 및 작동시키기 위한 것이다. 바람직스럽게는, 펌프 모듈이 처리되는 동안 베이스 유니트가 재사용될 수 있도록 펌프 모듈은 베이스 유니트 안으로 제거 가능하게 삽입된다.
예를 들면, 도 11a, 도 11b 및 도 12a, 도 12b를 참조하면, 환자의 피부에 적용하기 위한 패치 펌프(patch pump, 1,1')가 도시되어 있는데, 회전자를 구동하기 위한 전자석(36)을 구비하는 베이스 부재(38)는 패치 펌프의 저장부(41)의 하우징(40) 및 펌프 모듈(2)에 분리 가능하게 장착된다.
펌프 유니트 또는 모듈(2)은 펌프되어야 하는 액체를 포함하는 저장부에 단일 유니트로서 장착되는 것이 유리할 수 있는데, 일단 저장부 안의 액체가 소비되었거나, 또는 주사 지점의 변화를 필요로 하는 특정한 사용 기간 이후와 같은 다른 이유 때문에 상기 단일 유니트가 제거된다. 펌프 하우징(8)은 저장부에 영구적으로 고정되고 시일되거나 또는 일체화된 하우징(40)에 영구적으로 장착된다. 대안으로서, 펌프 유니트(2)는 그 어떤 시일 결합 수단에 의해서라도 액체 공급 저장부로부터 분리 가능하게 제공될 수 있고 액체 공급 저장부에 연결될 수 있으며, 시일 결합 수단은 예를 들면 저장부의 고무 멤브레인을 통한 바늘의 꽂힘, 시일 배요넷(sealed bayonet) 결합 및 다른 공지의 수단이다.
펌프 및 저장부를 단일 유니트로서 포함하는 것은 고도의 안전성이 필요한 의학적 적용 기구에서 특히 유리한데, 이는 유니트가 단일 요소로 제거되므로 펌프를 액체 약품 저장부에 연결하는데 있어서의 조작의 위험성이 제거되고, 저장부의 재충전 및 펌프의 재사용이 방지되기 때문이다.
도 11a, 도 11b, 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 예를 들면 패치 펌프의 형태인 특히 콤팩트 유니트(compact unit, 1, 1')가 제공될 수 있는데, 이것은 피하의 약물 투여를 위해 환자의 피부상에 직접적으로 부착되는 접착 베이스(43)를 패치(3')에 편입시키기 위한 것이거나, 또는 분리 패치 유니트(3)에 연결되기 위한 것이다.
펌프 모듈(2)의 유출부(28)는 피하 약물 투여를 위해 적합화될 수 있는 적절한 카테테르의 형태로 제공될 수 있거나, 또는 패치 펌프 또는 다른 시스템의 카테테르(5,5') 안으로 인도될 수 있다.
제 1 패치 펌프 구현예(도 11a 및 도 11b)에서, 유연하거나 또는 견고한 튜브 형태일 수 있는 카테테르(5)는 바늘(미도시)에 의해 환자의 피부를 통해 도입되는데, 바늘은 패치 펌프 하우징(40)의 공동(7) 및 카테테르(5) 안에 위치되고 패치 펌프의 상부로부터 돌출한다. 환자 피부에 패치 펌프를 적용하고 바늘 및 카테테르의 피하 삽입 이후에, 바늘은 철회되며 공동(7)은 시일 플러그(9)를 자체 회복시키거나 또는 자체 폐쇄시킴으로써 밀폐 시일된다.
제 2 패치 펌프 구현예(도 12a 및 도 12b)에서, 패치(3) 및 카테테르(5')는 환자에 부착되는데, 저장부(41) 및 펌프 모듈(2)을 패치 유니트(3)상에 장착하기 전에 카테테르는 바늘(미도시)에 의해 피하에 삽입된다.
회전자의 자극 및 고정자의 전자석들은 스텝 모터로서 유리하게 작동될 수 있는데, 이것은 정확한 각도의 정지, 시작 및 회전자의 전방 또는 후방 운동을 허용한다. 그러나 다른 모터들을 채용하는 것도 가능하고 고정자에 대한 회전자의 각도 위치를 결정하기 위한 센서를 이용하는 것도 가능하다.
회전자의 축방향 변위는 고정자 및 회전자상의 각각에 있는 캠 요소(42,44)들에 의해서 한정된다. 캠 요소들은 표면(46,48)들을 각각 가지는데, 이들은 고정자에 대한 회전자의 각도 위치의 함수로서 고정자에 대한 회전자의 축방향 위치를 결정한다. 도시된 구현예에서, 캠 요소(44)는 회전자의 전체적으로 디스크 형상인 모터 부분(34)상에 위치되고 특정의 원호에 걸쳐 연장된다. 캠 표면(48)은 회전자의 축방향 위치를 결정하는데 반해, 고정자의 캠 요소(42)는 회전자 캠 표면(48)을 따라서 진행되는 단순 돌출부이다. 캠 돌출부는 상이한 형상들을 취할 수 있고, 회전자 및 고정자 캠들의 기능을 반대로 할 수도 있으며, 즉, 돌출부가 회전자에 있고, 돌출부가 진행되는 캠 표면이 고정자에 있도록 할 수 있다는 점이 주목되어야 한다.
고정자(4)에는 고정자에 대하여 축방향으로 회전자를 편향시키는 수단이 더 제공됨으로써 개별의 캠 요소들이 함께 밀린다. 도시된 구현예에서, 편향 수단은 스프링(50)의 형태인데, 스프링은 고정자에 고정되고 회전자의 회전축(A)의 영역에 있는 중앙 부분(52)으로써 회전자의 외측 단부에 대하여 가압된다. 스프링 요소(50)는 많은 상이한 형상들 및 구성들을 가질 수 있는데, 주 목적은 회전자 캠 요소를 고정자의 캠 요소를 향하여 정해진 스프링의 힘으로 편향시키는 것이다. 도시된 구현예에서, 스프링 요소는 탄성적인 박판 금속으로부터 유리하게 스탬핑(stamping)되고 형성되어 회전자 디스크상에 걸쳐 걸쇠 또는 캡의 형태로 장착되는데, 단부(54)들이 다른 수단에 의해 고정자 하우징에 죄여지거나 고정된다. 스프링 비임 부분(56)은 캡 부분(58)을 벗어나도록 형성되어 회전자로 가압될 수 있다. 회전자와 고정자 사이에 자기장이 통과되도록 하기 위하여 스프링 요소(50)가 바람직스럽게는 비 자기(non magnetic) 스프링 금속으로 제작된다. 회전자의 축방향 길이를 감소시키고 틸팅(tilting)에 대한 안정성을 향상시키기 위하여, 회전자 동체 부분(34)에는 중앙 공동 부분(59)이 제공될 수 있으며, 공동 부분 안에 캠 요소들이 위치된다.
주목되어야 하는 바로서, 본 발명의 범위내에서, 회전자를 스프링 편향시키는 대신에, 자기장 발생 수단을 채용하는 것이 가능하다. 그러한 구현예에서, 하나 또는 그 이상의 영구 자석들을 회전자 디스크내에 장착하고 그에 대향하여 하나 또는 그 이상의 전자석들 또는 영구 자석들을 베이스(38)에 장착하여 회전자를 고정자 하우징을 향하여 밀거나, 또는 영구 자석들을 고정자내에 장착하여 회전자를 끌어당긴다. 회전자의 축방향 위치는 위치 센서로 검출될 수 있는데, 위치 센서는 예를 들면 베이스(38)에 있는 홀 센서(Hall sensor, 62) 및 회전자에 함입된 영구 자석(60)을 포함할 수 있다. 복수개의 위치 센서들이 원주 둘레에 배치될 수 있다.
유리하게는, 도시된 본 발명의 구현예에서, 캠 요소(42,44)들 및 회전자의 모터 부분(34)이 펌핑되어야 하는 액체 안에 잠기지 않으며, 제 3 시일(64)은 모터 부분(34)에 가까운 축방향 연장부(16) 둘레에 위치된다. 제 3 시일(64)은 회전자 챔버의 유출 부분(12)의 체적을 감소시키고 국제 출원 공개 WO 2005/039674 에 개시된 종래 기술의 펌프에서 발생하는 역류 단계를 방지한다. 제 2 축방향 연장부(16)상에 제 3 시일(64)을 배치하는 것은 여러 가지 장점을 가진다: 이것은 회전자 챔버의 체적을 감소시키고 시작 사이클 동안에 회전자 챔버의 에어 포켓(air pocket)의 감소를 향상시킨다; 그리고 다른 베어링 지지를 제공하여 회전자의 틸팅에 대한 안정성을 향상시킨다.
제 3 시일(64)은, 하우징 부분(32)에 조립되거나 또는 일체화된 사출 성형 하우징 부분(66)과 함께, 실리콘 베이스 또는 열가소성 엘라스토머 또는 고무와 같은 엘라스토머로부터 유리하게 사출 성형될 수 있다. 회전자 모터 부분 및 캠 요소들을 펌핑되어야 하는 액체 안에 잠기게 하는 것보다 공기 중에 두는 것의 다른 장점은 액체의 전단력을 감소시킨다는 것이며, 따라서 예를 들면 인슐린과 같은 거대 분자들이 전단력의 영향하에서 쉽사리 손상될 수 있는 것과 같은, 가능성 있는 불리한 결과를 감소시킨다는 것이다.
제 1 캠의 변형에 대한 도 5, 도 6a 내지 도 6c 및 도 9, 그리고 제 2 캠 변형에 대한 도 7, 도 8a, 도 8b 및 도 10을 참조하면, 펌프의 기능 및 안전상의 특징들이 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 9 및 도 10 에 있어서, 선(S1)은 회전자의 각도 위치의 함수로서 제 1 시일(18)에 대하여 제 1 액체 공급 채널(22)의 상대적인 축방향 위치를 나타내고, 선(S2)은 회전자의 각도 위치의 함수로서 제 2 시일(20)에 대하여 제 2 액체 공급 채널(24)의 상대적인 축방향 위치를 나타낸다. 선(R1 및 R2)은 캠 표면(48)에 의해 한정된 바로서, 각도 위치의 함수로서 회전자의 축방향 위치(즉, 변위)를 각각 나타낸다. 선(S1, R1)의 중첩은 제 1 밸브(V1)가 개방되고 폐쇄되는 위치들을 나타내고, 선(S2,R2)의 중첩은 제 1 밸브(V2)가 개방되고 중첩되는 각도 위치를 나타낸다. 또한 2 개의 그래프로부터 제 1 및 제 2 밸브(V1,V2) 양쪽이 폐쇄되는 겹침 위치들을 구별할 수 있으며, 그에 의해서 저장부와 유출부 사이의 직접적인 액체 소통을 회피하기 위하여 양쪽 밸브들이 결코 동시에 개방되지 않는다. 이러한 그래프들에서, 액체 공급 채널(22,24)들 및 캠 요소(42,44)들의 위치들이 개략적으로 도시되어 있다.
도 1a 및 도 1b 에 도시된 바와 같은 회전자의 위치에 대응하는, 도 7 에 도시된 위치(O°)에서, 액체 공급 채널(22,24)과 제 1 및 제 2 시일(18,20)들의 상대적인 위치는 각각 양쪽 시일들을 가로질러 액체 소통이 없도록 되어 있다. 즉, 제 1 밸브 및 제 2 밸브는 폐쇄된다. 회전자가 회전하면, 대략 40°와 170°의 각도 위치 사이에서, 제 1 액체 공급 채널(22)의 단부는 제 1 시일(18)을 넘어가서 시일들 사이의 회전자 챔버 부분(10)과 저장부에 대한 유입부(26) 사이에 액체 소통을 허용한다. 즉, 제 1 밸브(V1)가 개방된다. 제 1 밸브가 개방되는 이러한 각도 위치에 걸쳐서, 회전자가 스프링(F)의 편향력에 대하여 변위되도록 캠 표면(48)은 램프(ramp, 66)를 가진다. 축방향 연장부가 방향(F)(도 1a 에 도시된 바와 같음)으로 움직이면, 제 1 시일(18)과 제 2 시일(20) 사이의 회전자 챔버 부분(10)의 체적이 증가됨으로써 저장부로부터 상기 챔버 부분 안으로 액체를 유인한다.
170°의 각도 위치 둘레에서, 제 1 밸브(V1)는 폐쇄되고 도시된 나머지 360°에 대해서 폐쇄된 상태로 유지된다. 제 2 액체 공급 채널(24)과 제 2 시일(20)의 협동에 의해 형성된 제 2 밸브(V2)는 도 7에서 알 수 있는 바와 같이 대략 330°에 이를 때까지 대략 200°에서 개방된다.
따라서 대략 170°내지 200°에서 양쪽 밸브들이 폐쇄되는 겹침(overlapping)이 있으며, 그러므로 양쪽 밸브들이 결코 동시에 개방되지 않는 것을 보장하는 안전상의 마진(margin)을 제공한다. 양쪽 밸브들이 폐쇄되고 적절하게 기능하는 동안, 회전자 챔버 부분(10)의 유체 비압축성에 기인하여 회전자의 축방향 위치는 차단된다.
일단 제 2 밸브(24,20)가 개방되면, 회전자상의 편향력은 회전자의 축방향(-F)을 역전시킴으로써 챔버 부분(10)의 체적을 감소시키고, 따라서 그 안의 액체는 회전자 챔버 유출 부분(12)으로 그리고 펌프 유출부(28)를 향하여 펌핑된다.
양쪽 밸브들이 폐쇄되었을 때 각도 변위의 적어도 일부에 걸쳐서, 캠 요소들이 특정한 최대 거리(h)에 의해 축방향으로 분리되도록(도 6b 및 도 9와, 도 8b 및 도 10 참조) 캠 요소들이 설계된다. 도 9 에 도시된 제 1 변형예에서, 캠 요소들 사이의 이러한 축방향 분리는 대략 190°로 달성되고, 도 10 에 도시된 제 2 변형예에서 대략 180°로 달성됨으로써, 양쪽 밸브들은 여전히 폐쇄되고 회전자의 축방향 위치는 차단되어야 한다. 회전자는 이러한 위치에서 정지될 수 있으며(이후에는 "시험 위치(T)로 지칭된다), 회전자 챔버 부분(10)내 공기의 존재 또는 밸브들의 그 어떤 오작동을 측정할 목적으로, 특정 위치를 측정하는 스텝 모터를 이용하거나 또는 위치 센서에 의해서 상기 위치가 측정된다.
회전자가 테스트 위치(T)에 있을 때, 결함 또는 손상된 시일 또는 그 어떤 다른 이유로 밸브들중 어느 것이 누설된다면, 제 1 시일과 제 2 시일 사이의 챔버 부분(10)의 액체는 스프링에 의해 회전자에 가해지는 편향력 때문에 결함 있는 밸브를 통하여 누설될 것이다. 밸브들이 정확하게 기능하고 누설되지 않는 상황에서조차, 회전자 챔버 부분(10)내에 그 어떤 공기가 있다면, 그것의 압축성은 회전자의 일부 축방향 운동을 허용할 것이다. 회전자의 축방향 변위는 위치 센서에 의해 검출될 수 있는데, 위치 센서는 예를 들면 회전자상의 자석을 포함하는 위치 센서(60,62) 및 베이스 또는 고정자에 있는 홀 효과 센서(Hall Effect sensor)를 포함한다. 센서는 축방향 거리의 절대 값을 측정할 수 있지만, 바람직스럽게는 고정자에 대한 회전자의 절대 위치보다는 축방향 변위가 검출되도록 고정자에 대한 회전자의 축방향 거리의 미분 측정을 출력할 것이다. 상기 후자의 경우는 제조 공차 및 센서 측정 편차(drift)에 관련된 그 어떤 문제도 제거한다.
테스트 위치(T)에서의 회전자의 축방향 변위의 경우에, 위치 센서는 경보를 발생시킬 것이다. 경보는 예를 들면 펌프 안에서의 그 어떤 공기라도 제거하는 것을 보장하도록 펌프 시스템이 특정한 수의 펌프 사이클들을 겪게 하고 이후에 제 2 테스트가 뒤따르게 할 수 있으며, 제 2 테스트에 의하여 테스트 위치(T)에서 회전자의 축방향 변위가 있는 경우에 제어 유니트는 펌프의 오작동(malfunction)을 나타낼 것이다.
캠 요소들을 분리하는 축방향 거리(h)는 펌프의 막힘을 테스트하는데 이용될 수도 있으며, 펌프의 막힘은 펌프에 기인하거나 또는 펌프 하류의 카테테르에서 엉긴 덩어리 또는 다른 막힘에 기인할 수 있다. 그러한 막힘이 발생되면, 일단 제 2 밸브(V2)가 개방되었을 때 회전자상의 편향력이 캠 요소들을 함께 밀 수 없으며, 그에 의해서 제 2 밸브가 개방되었을 때 예상되는 회전자의 축방향 위치 변화가 발생되지 않았다는 것을 고정자에 대한 회전자의 축방향 위치 미분 측정이 검출할 것이다. 즉, 회전자의 각도 위치 및 축방향 위치의 각도 방향 양쪽을 읽는 것은 펌프 또는 펌프 하류에서 막힘의 검출을 허용하여 오작동을 신호할 것이다.
상기 설명된 캠 요소(42,44)들의 구성은, 스텝 모터의 계수(counting)를 시작하고 그에 기초하여 회전자를 특정한 각도로 회전시키는데 이용될 수 있는 회전자의 기준 위치를 설정하도록 유리하게 이용될 수도 있다. 따라서 기준 위치는 회전자의 정확하고 신뢰성 있는 각도 위치 선정을 가능하게 할 것이며, 이것은 특히 테스트 과정이 수행될 때 회전자를 테스트 위치(T)에 정지시키는데 유용할 것이다.
제 1 변형예(도 5, 도 6a 내지 도 6c, 도 9)에서, 기준 위치는 회전자의 캠 요소(44)의 어깨부(68)에 의해 형성될 수 있는데, 이것은 고정자 캠 요소(42)의 대응하는 어깨부(70)에 맞닿는다. 기준 위치를 달성하도록, 회전자는 펌프가 최초 시작 단계에 있는지 또는 중간 단계에 있는지의 여부에 따라서 특정한 수의 사이클을 회전하고, 다음에 어깨부(68,70)가 맞닿아서 더 이상의 역회전이 방지될 때까지 도 6c에 도시된 바와 같이 역전되는데, 상기 최초 시작 단계에서는 펌프 시스템이 액체로 채워지고 공기가 제거되며, 상기 중간 단계는 고정자(42)의 캠 요소와 회전자 사이의 축방향 거리가 실질적으로 존재하지 않는(상기 거리는 미분 측정으로써 축방향 위치 센서에 의해 검출될 수 있거나 또는 그렇지 않으면 위에서 설명된 바와 같이 측정될 수 있다) 위치에서 정지된 것이다. 상기의 맞닿음 위치는 제어 유니트에 회전자의 기준 위치로서 저장될 수 있다.
제 2 변형예(도 7, 도 8a, 도 8b, 도 9)에서, 기준 위치는 캠(42)이 캠 표면과 맞물렸을 때 회전자 각도 변위의 함수로서 회전자의 축방향 변위 프로파일을 검출함으로써 설정될 수 있다. 제 2 변형예는 제 1 변형예의 어깨부 대신에 역의 램프(reverse ramp, 66')를 가져서, 시스템의 역 펌프 작용에 대한 회전자의 역회전을 허용한다. 즉, 제 2 변형예에서, 펌프는 특정의 적용예들에서 소망될 수 있는 그 어떤 방식으로 액체를 펌핑시킬 수 있다.
4. 고정자 6. 회전자
8. 하우징 10.12. 챔버
18. 제 1 시일 20. 제 2 시일

Claims (11)

  1. 모터 부분(34), 그로부터 연장되고 상이한 직경을 가지는 제 1 축방향 연장부(14) 및 제 2 축방향 연장부(16)를 구비하는 회전자(6), 적어도 축방향 연장부들을 내부에 수용하기 위한 회전자 챔버(10,12)를 가지는 고정자 하우징을 구비하는 고정자(8) 및, 제 1 축방향 연장부 및 제 2 축방향 연장부 둘레에 장착된 제 1 시일(18) 및 제 2 시일(20)을 포함하는 펌프로서, 축방향 연장부들에는 액체 공급 채널들이 제공되고 액체 공급 채널이 제 1 시일 및 제 2 시일과 협동하여 회전자의 적어도 각도 변위의 함수로서 개별 시일을 가로지르는 액체 소통을 개방하고 폐쇄시키는 제 1 밸브 및 제 2 밸브를 형성하고,
    펌프 모듈은 회전자의 모터 부분(34)에 근접한 제 2 축방향 연장부 둘레에 장착되어 회전자 챔버의 유출 부분(12)의 범위를 정하는 제 3 시일을 포함하는, 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    회전자(6)는 상이한 직경들을 가지는 적어도 제 1 축방향 연장부(14) 및 제 2 축방향 연장부(16)를 구비하고, 제 1 시일(18) 및 제 2 시일(20)은 제 1 축방향 연장부 및 제 2 축방향 연장부 둘레에 장착되고, 제 1 축방향 연장부 및 제 2 축방향 연장부에는 액체 공급 채널들이 제공되며, 상기 액체 공급 채널들은, 회전자의 적어도 각도 변위의 함수로서 개별 시일을 가로지르는 액체 소통을 개방하고 폐쇄하는 제 1 밸브 및 제 2 밸브를 형성하도록 개별의 제 1 시일 및 제 2 시일과 협동하는, 펌프.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    펌프의 유입부(26)는 제 1 축방향 회전자 연장부(14)의 단부에 위치하는, 펌프.
  4. 제 3 항에 있어서,
    펌프 유입부를 형성하는 하우징 부분(40)은 펌핑되어야 하는 액체를 포함하는 저장부와 일체로 형성되는, 펌프.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제 1 시일 및 제 2 시일은 단일의 일체형 시일 요소(30)로서 형성된, 펌프.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제 3 시일은 고정자 하우징의 적어도 일부와 함께 사출 성형되는, 펌프.
  7. 제 2 항에 있어서,
    제 1 시일 및 제 2 시일은 고정자 하우징의 적어도 일부와 함께 사출 성형되는, 펌프.
  8. 저장부(41) 및, 상기 저장부(41)에 장착되고 제 1 항에 따른 펌프를 구비하는 일회용 유니트(disposable unit)를 포함하는 패치 펌프 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    환자의 피부에 패치 펌프를 접착시키도록 적합화된 접착 베이스(43)를 더 포함하는, 패치 펌프 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    펌프의 유출부와 소통되고 피하의 약물 투여에 적합화된 카테테르(catheter)를 더 포함하는, 패치 펌프 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    펌프 회전자를 구동하기 위한 구동부(36)를 구비한 재사용 베이스 유니트(38)를 더 포함하고, 베이스 유니트는 일회용 유니트에 제거 가능하게 장착되는, 패치 펌프 장치.
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