KR102250698B1 - 약물 주입 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 약물 주입 장치는, 약물을 저장하는 약물 저장부; 상기 약물 저장부의 일측에 대해 외력(external force)을 가하도록 구성되는 가압부(press portion); 니들부 및 상기 약물 주입 장치가 결합될 시 상기 니들부와 연결되고, 상기 외력에 기초하여 상기 약물 저장부의 다른 일측으로부터 약물을 흡입하여 상기 니들부로 상기 약물을 토출하는 토출부(discharge portion); 및 주입량을 결정하고, 상기 결정된 주입량을 주입하도록 상기 토출부를 제어하는 제어부(control portion)를 포함할 수 있다.

Description

약물 주입 장치 및 방법{METHOD AND DEVICE TO INJECT MEDICINE}
이하, 약물을 주입하는 기술이 제공된다.
약물 주사기에 있어서 스프링의 장력 또는 전동식 모터를 이용하여 인슐린 등 주입하고자 하는 약물을 담고 있는 카트리지 형태의 용기에 피스톤의 움직임을 통해 외력을 인가하고, 그로부터 약물을 용기 외부로 이송 시키는 구조가 사용될 수 있다. 이때 외력을 인가하는 방식은 크게 기계식 과 전자식으로 구분될 수 있다.
기계식 제어 방식의 일례로 사용자가 약물 전달 장치의 회전식 다이얼로 주입량을 설정할 수 있다. 이때 회전식 다이얼과 연결된 기계식 구조물에 의해 토션 스프링이 연장됨으로써, 회전식 다이얼에 가해진 회전력이 직선 방향에 대한 에너지로 변환되어 저장될 수 있다. 이 에너지를 이용하여 피스톤을 지정된 거리만큼 이동시킨 후 스프링에 저장된 에너지를 릴리즈함으로써 약물을 주입하게 된다. 이때 피스톤의 이동 거리가 기계식 구조물에 의해 제한됨으로써 주입량이 조절될 수 있다.
전자식 제어 방식에서는, 기계식 제어 방식의 토션 스프링 역할이 전자식 모터에 의해 수행될 수 있다. 사용자에 의해 입력된 주입량을 주 연산장치의 메모리에 저장하고 이 메모리의 값을 이용 하여 모터의 회전수를 계산하여 모터의 축을 회전시킨다. 이때 엔코더 등을 이용한 피드백 시스템으로 모터의 회전수를 모니터링 하여 약물의 주입량을 조절한다.
그러나, 기존 약물 주입 시스템에서는 약물 투입량의 정밀 제어, 정밀 측정, 및 투입 약물의 정밀 유량 제어가 불가능했으며, 약물 투입용 구동력을 발생시키기 위해 복잡한 구조의 기어 박스 또는 모터제어를 위한 전자회로가 요구되었다.
일 실시예에 따른 약물 주입 장치는 환자의 상태에 맞는 인슐린 주입량을 조절할 수 있다.
일 실시예에 따른 약물 주입 장치는 토출부를 통해 주입시 약물의 유량을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 약물 주입 장치는 토출부를 통해 주입된 약물의 양을 판별할 수 있다.
일 실시예에 따른 약물 주입 장치는, 약물을 저장하는 약물 저장부; 상기 약물 저장부의 일측에 대해 외력(external force)을 가하도록 구성되는 가압부(press portion); 니들부 및 상기 약물 주입 장치가 결합될 시 상기 니들부와 연결되고, 상기 외력에 기초하여 상기 약물 저장부의 다른 일측으로부터 약물을 흡입하여 상기 니들부로 상기 약물을 토출하는 토출부(discharge portion); 및 주입량을 결정하고, 상기 결정된 주입량을 주입하도록 상기 토출부를 제어하는 제어부(control portion)를 포함할 수 있다.
상기 토출부는, 매 동작 사이클마다 상기 약물 저장부로부터 단위 토출량만큼의 약물을 흡입하고 상기 단위 토출량만큼의 약물을 상기 니들부로 토출하도록 구성되고, 상기 결정된 주입량에 대응하는 횟수만큼 동작 사이클을 반복하는 마이크로 펌프를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 마이크로 펌프의 진동 횟수를 결정함으로써 상기 니들부를 통해 토출되는 약물의 총 주입량을 제어하고, 상기 마이크로 펌프의 진동 주파수를 결정함으로써 상기 니들부를 통해 약물이 토출되는 속도를 제어할 수 있다.
상기 마이크로 펌프는, 상기 약물 저장부의 다른 일측과 연결되고, 상기 약물을 흡입 가능하도록 구성되는 흡입구(inlet); 펌프실(pumping chamber)의 체적(volume)을 변동 가능하도록 구성되는 멤브레인(membrane); 상기 제어부의 제어에 따라 상기 펌프실의 체적을 기본 체적(default volume)으로부터 (미리 결정된) 단위 토출량(unit outflow)만큼 증가시킨 후, 증가된 체적으로부터 상기 기본 체적으로 감소시키도록 멤브레인을 구동시키는(drive) 액추에이터(actuator); 상기 펌프실의 체적이 상기 증가된 체적으로부터 상기 기본 체적으로 감소하는 동안, 상기 펌프실 내로 흡입된 상기 약물을 상기 니들부로 토출 가능하도록 구성되는 배출구(outlet)를 포함할 수 있다.
상기 액추에이터는, 정전기 구동, 압전 구동, 및 전자기력 구동 중 하나를 이용하여 상기 멤브레인을 변형시킴으로써, 상기 펌프실의 체적을 변화시킬 수 있다.
상기 토출부는, 상기 결정된 주입량을 주입하기 위한 약물 주입 신호에 응답하여 상기 니들부로의 약물 토출을 조절하는 제어 밸브를 개방하고, 상기 결정된 주입량만큼의 약물 주입이 완료된 경우에 응답하여 상기 제어 밸브를 폐쇄할 수 있다.
상기 가압부는, 상기 약물 저장부의 일측에 대해 일방향으로 외력을 가하도록 구성되는 탄성 부재, 전자석 부재, 영구 자석 부재 및 가열 부재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 가압부는, 상기 토출부와 공유하는 단일 진동 멤브레인을 이용하여 상기 토출부가 약물을 주입하는 타이밍에 응답하여 외부로부터 공기를 흡입하고, 상기 토출부가 상기 약물 저장부로부터 약물을 흡입하는 타이밍에 응답하여 상기 흡입된 공기를 상기 약물 저장부의 일측으로 전달함으로써 상기 약물 저장부에 대한 외력을 생성하는 추가 펌프를 포함할 수 있다.
상기 가압부는, 상기 약물 저장부에 수용된 카트리지 내의 약물에 가해지는 압력이 일정하도록, 상기 카트리지의 푸셔에 가해지는 외력의 크기를 제어할 수 있다.
상기 가압부는, 상기 카트리지 내의 약물 잔존량, 약물이 가지는 압력, 및 약물 온도 중 적어도 하나를 포함하는 카트리지 정보를 센서를 통해 수집하고, 수집된 카트리지 정보에 기초하여 상기 푸셔에 가해지는 외력의 크기를 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 약물 주입 방법은 약물을 저장하는 약물 저장부의 일측에 대해 외력을 가하는 단계; 니들부 및 약물 주입 장치가 결합될 시 상기 니들부와 연결되는 토출부를 통해, 상기 외력에 기초하여 상기 약물 저장부의 다른 일측으로부터 약물을 흡입하여 상기 니들부로 상기 약물을 토출하는 단계; 및 주입량을 결정하고, 상기 토출부를 제어하여 상기 결정된 주입량을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 약물 주입 장치는 환자의 상태에 맞는 인슐린 주입량을 마이크로 펌프를 통해 초정밀 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 약물 주입 장치는 토출부를 통해 주입시 약물의 유량을 정밀하게 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 약물 주입 장치는 토출부를 통해 주입된 약물의 양을 별도 센서 없이 판별할 수 있다.
일 실시예에 따른 약물 주입 장치는 마이크로 펌프를 이용함으로써 종래에 비해 한정된 폼 팩터, 예를 들어, 상대적으로 짧은 길이를 가지는 하우징으로 구현될 수 있다.
일 실시예에 따른 약물 주입 장치는 약물 투여를 위한 주입량을 연속적으로 초정밀 조절할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 약물 주입 장치의 개괄적인 구성을 설명하는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 약물 주입 장치의 세부적인 구성을 설명하는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 토출부의 구성을 설명하는 도면이다.
도 4 내지 도 6은 일 실시예에 따른 마이크로 펌프의 예시적인 구성을 설명하는 도면이다.
도 7 내지 도 9는 일 실시예에 따른 가압부의 예시적인 구성을 설명하는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 토출부 및 가압부가 마이크로 펌프로 구현된 구조를 설명하는 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 약물 주입 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 약물 주입 장치의 개괄적인 구성을 설명하는 도면이다.
일 실시예에 따른 약물 주입 장치(100)는, 한번의 침습(invasion)을 통해, 대상 생체 물질의 양을 센싱하고, 그에 대응하는 양의 약물을 주입할 수 있다. 본 명세서에서 생체 물질은 생체(living body)와 연관된 물질(material)을 나타낼 수 있다. 생체 물질은 피분석물(analyte)라고도 나타낼 수 있다. 예를 들어, 생체 물질은 혈당일 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 대상 생체 물질(target analyte)이 혈당인 경우, 그에 대응하는 약물은 인슐린일 수 있다. 예를 들어, 약물 주입 장치(100)는 니들부(110), 토출부(120), 약물 저장부(130), 가압부(140), 제어부(150) 및 하우징(190)을 포함할 수 있다.
니들부(110)는 약물 주입 장치(100)와 탈착 가능하면서, 피부를 침습 가능하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 니들부(110)는 약물 주입 장치(100)의 하우징(190)과 체결가능한 구조를 포함할 수 있고, 니들부(110)는 약물 주입 장치(100)와 체결되는 경우 약물 주입 장치(100)의 토출부(120)와 연결될 수 있다. 니들부(110)는 관통 부재를 포함할 수 있고, 관통 부재의 일측은 피부를 침습 가능하게 형성될 수 있다. 관통 부재의 내부에는 관통 부재의 길이 축을 따라 유체가 이동 가능한 통로가 형성될 수 있다. 관통 부재의 다른 일측은 토출부(120)와 연결 가능하게 형성될 수 있다.
토출부(120)는 가압부(140)로부터 가해지는 외력에 기초하여 약물 저장부(130)의 다른 일측으로부터 약물을 흡입하여 니들부(110)로 약물을 토출할 수 있다. 토출부(120)가 흡입 및 배출하는 약물의 양은 제어부(150)의 제어에 따라 조절될 수 있다. 아래에서 설명하겠으나, 토출부(120)의 구조는 하기 도 3 내지 도 6에서 설명한다.
약물 저장부(130)는 약물을 저장하는 부재로서, 약물을 저장하는 카트리지를 수용할 수 있다. 니들부(110) 및 약물 주입 장치(100)의 헤더가 연결될 시, 약물 저장부(130)는 토출부(120)를 경유하여 니들부(110)와 연결될 수 있고, 따라서 약물 저장부(130) 및 니들부(110) 간에 약물 전달 경로가 형성될 수 있다. 참고로, 카트리지는 약물 저장부(130)로부터 탈착될 수 있다. 따라서, 사용자는 의사의 처방에 따른 카트리지를 약물 주입 장치(100)에 장착할 수 있다. 약물 저장부(130)에 저장되는 약물은 예를 들어, 인슐린 제재일 수 있다.
가압부(140)(press portion)는 약물 저장부(130)의 일측에 대해 외력(external force)을 가하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 가압부(140)는 약물 저장부(130)의 일측에 일방향(예를 들어, 약물 주입 장치(100)의 말단으로부터 전단을 향하는 방향)으로 외력을 가함으로써, 약물이 약물 저장부(130)로부터 토출부(120)를 향해 배출되려고 하는 압력을 생성할 수 있다.
참고로 본 명세서에서 약물 주입 장치(100)의 전단(front end)은 하우징(190)에서 니들부(110)와 결합되는 체결부를 가지는 헤더(하기 도 2의 202)에 인접한 부분을 나타낼 수 있다. 약물 주입 장치(100)의 말단(back end)은 헤더(하기 도 2의 202)로부터 먼 부분을 나타낼 수 있다.
약물 주입 장치(100)는 하우징(190)을 포함할 수 있다. 하우징(190)은 니들부(110) 및 카트리지 등을 지지할 수 있다. 하우징(190)에는 다양한 정보를 제공하기 위한 출력 인터페이스 및 사용자로부터 조작을 수신하기 위한 입력 인터페이스가 배치될 수 있다.
기계식 주입 구조 및 전자식 주입 구조에서는 카트리지의 피스톤을 하우징(190)의 말단으로부터 전단으로 구동하기 위해 카트리지 길이 L(하기 도 2 참조)에 대응하는 스트로크 Ls가 요구된다. 따라서 기계식 주입 구조 및 전자식 주입 구조에서는 최소한 2L 의 길이가 하우징(190)에 대해 요구된다. 이와 달리, 일 실시예에 따른 약물 주입 장치(100)는 가압부(140) 및 토출부(120)를 통해 약물 주입량을 조절하므로, 카트리지 길이 L의 2배보다는 짧은 길이의 하우징(190)으로 구현될 수 있다. 따라서 약물 주입 장치(100)의 소형화가 가능하다.
또한, 사용자가 매 투입시마다 주입량을 수동으로 설정하여 불연속적으로 약물을 주입하는 기계식 주입 구조와 달리, 일 실시예에 따른 약물 주입 장치(100)는 약물 투여를 위한 주입량을 연속적으로 초정밀 조절할 수 있다.
더 나아가, 기계식 주입 구조 및 전자식 모터 구조에서는 탄성을 가진 피스톤의 재질로 인해 발생 하는 피스톤의 수축 및 복원과 같은 측정이 불가능한 변형으로부터 의도치 않은 주입량의 변화가 생길 수도 있다. 이와 달리, 일 실시예에 따른 약물 주입 장치(100)에서는 카트리지의 피스톤의 형상의 변화와 무관하게 토출부(120)에서 토출되는 약물의 양을 정확하게 모니터링할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 약물 주입 장치의 세부적인 구성을 설명하는 도면이다.
니들부(210)는 도 1에서 상술한 바와 같이, 하우징(290)으로부터 탈착 가능하게 구성될 수 있다. 니들부(210)는 약물 주입 장치의 하우징(290)과 결합될 시 토출부(220)와 연결되어, 약물 전달 경로를 형성할 수 있다. 상기와 같은 니들부(210)는 하우징(290)과 체결되는 니들 지지부(210a)와, 니들 지지부(210a)에 고정된 관통 부재(210b)를 포함할 수 있다.
토출부(220)는 약물 저장부(230)로부터 흡입된 약물을 니들부(210)로 전달할 수 있다. 예를 들어, 토출부(220)는 제어부(250)의 제어에 따라 결정된 횟수만큼 단위 토출량(unit outflow)만큼의 약물을 배출할 수 있다. 토출부(220)는 가압부(241)에 의해 생성된 압력에 대하여, 제어부(250)의 제어에 따라, 적절한 양의 약물이 니들부(210)로 전달되도록, 유체 흐름을 제어할 수 있다. 일 실시예에 따르면 토출부(220)는 약물 저장부(230)로부터 헤더에 결합된 니들부(210)로 배출되는 약물의 배출량을 결정된 주입량에 따라 조절할 수 있다. 예를 들어, 토출 조절부는 마이크로 펌프 등으로 구현될 수 있고, 약물 저장부(230)로부터 니들부(210)로 전달되는 약물의 양을 조절할 수 있다. 토출 조절부는 압력 등을 조절함으로써, 정밀한 양의 약물을 카트리지(231)로부터 니들부(210)로 배출할 수 있다. 토출부(220)의 동작을 아래 도 3 내지 도 6에서 상세히 설명한다.
약물 저장부(230)는 푸셔(232)를 포함하는 카트리지(231)를 수용할 수 있다. 푸셔(232)의 전진에 의해 카트리지(231)는 토출부(220)를 향해 약물을 토출할 수 있다.
가압부(241)는 약물 주입 장치의 길이 방향(예를 들어, A 방향)을 따라 약물 주입 장치의 말단부(back end)로부터 전단부(front end)으로 외력을 가하도록 구성될 수 있다. 푸셔(232)는 피스톤(242)과 연결되도록 구현될 수 있으므로, 약물 저장부(230)에 수납된 카트리지(231)의 푸셔(232)는 가압부(241)에 의해 압력을 받을 수 있다. 달리 말해, 가압부(241)는 피스톤(242)을 통해 푸셔(232)로 외력을 전달함으로써, 약물 저장부(230) 내에 저장된 약물을 약물 저장부(230)의 전단부로 배출하는 압력을 생성할 수 있다.
제어부(250)는 주입량을 결정하고, 결정된 주입량을 주입하도록 토출부(220)를 제어할 수 있다. 제어부(250)는 사용자로부터 주입량을 직접 입력받을 수도 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 제어부(250)는 사용자로부터 혈당량, 약물 주입 이력 및 해당 사용자의 질병 정보(예를 들어, 당뇨병 타입 등) 등을 입력 받아, 그에 기초하여 주입량을 결정할 수 있다. 다른 예를 들어, 제어부(250)는 센서를 통해 사용자의 혈당량을 센싱하고, 사용자의 주입 이력을 추적하며, 수집된 정보들에 기초하여 주입량을 결정할 수도 있다. 제어부(250)는 주입 신호가 생성된 경우에 응답하여, 토출부(220)가 약물을 약물 저장부(230)로부터 흡입하여 니들부(210)로 배출하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 사용자에 의해 약물을 주입하라는 주입 신호가 생성된 경우(예를 들어, 사용자가 주입 버튼을 누른 경우 등)에 응답하여, 제어부(250)는 카트리지(231) 전단부에 위치한 토출부(220)를 제어하여, 정밀한 유닛(unit) 단위로 약물의 토출량을 조절할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 토출부의 구성을 설명하는 도면이다.
일 실시예에 따른 토출부(220)는 마이크로 펌프로 구현될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 펌프는 매 동작 사이클마다 약물 저장부로부터 단위 토출량만큼의 약물을 흡입하도록 구성될 수 있다. 동일한 사이클 동안 마이크로 펌프는 단위 토출량만큼의 약물을 니들부로 토출하도록 구성될 수 있다. 마이크로 펌프의 약물 흡입 및 약물 토출은 제어부에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 펌프는 결정된 주입량에 대응하는 횟수만큼 동작 사이클을 반복할 수 있다. 동작 사이클의 반복 횟수는 제어부에 의해 결정된 주입량 및 마이크로 펌프의 단위 토출량으로부터 산출될 수 있다. 아래에서는 마이크로 펌프의 동작을 구성과 함께 설명한다.
예를 들어, 마이크로 펌프는 흡입구(321), 멤브레인(324), 액추에이터(325), 및 배출구(327)를 포함할 수 있다.
흡입구(321)(inlet)는 약물 저장부의 다른 일측과 연결되고, 약물을 흡입 가능하도록 구성될 수 있다. 흡입구(321)는 제어부에 의해 제어되는 흡입 밸브(322)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 흡입 밸브(322)는 약물 저장부로부터 약물을 흡입하는 타이밍에는 개방되고, 니들부로 약물을 토출하는 타이밍에는 폐쇄될 수 있다.
멤브레인(324)(membrane)은 펌프실(323)(pumping chamber)의 체적(volume)을 변동 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 멤브레인(324)은 약물 저장부로부터 약물을 흡입하는 타이밍에는 펌프실(323)의 체적이 증가하도록 액추에이터(325)에 의해 휘어질 수 있다. 도 3에서는 단위 토출량에 대응하는 변화된 체적(390)이 도시된다. 이후, 니들부로 약물을 토출하는 타이밍에는 펌프실(323)의 체적이 원래대로 돌아오도록, 멤브레인(324)의 휘어졌던 형태가 기본 형태로 액추에이터(325)에 의해 복원될 수 있다.
액추에이터(325)(actuator)는 제어부의 제어에 따라 펌프실(323)의 체적을 기본 체적(default volume)으로부터 (미리 결정된) 단위 토출량(unit outflow)만큼 증가시킨 후, 증가된 체적으로부터 기본 체적으로 감소시키도록 멤브레인(324)을 구동시킬 수 있다. 액추에이터(325)는 다양한 원리로 멤브레인(324)을 구동시킬 수 있는데, 액추에이터(325)의 동작은 하기 도 4 내지 도 6에서 설명한다.
배출구(327)(outlet)는 펌프실(323)의 체적이 증가된 체적으로부터 기본 체적으로 감소하는 동안, 펌프실(323) 내로 흡입된 약물을 니들부로 토출 가능하도록 구성될 수 있다. 배출구(327)는 제어부에 의해 제어되는 배출 밸브(326)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 배출 밸브(326)는 약물 저장부로부터 약물을 흡입하는 타이밍에는 폐쇄되고, 니들부로 약물을 토출하는 타이밍에는 개방될 수 있다.
상술한 흡입구(321)와 배출구(327)의 유로는 서로 분리되어 있어, 흡입시와 배출시 약물의 흐름이 방해되지 않는다. 각 흡입구(321)와 배출구(327)는 단일 방향으로만 개폐가 가능한 벨브가 장착되어 있어 약물의 역류를 방지할 수 있다. 흡입 밸브(322) 및 배출 밸브(326)의 개폐는 멤브레인(324)의 구동에 각각 동기화될 수 있다.
아래에서는 임의의 동작 사이클에서 마이크로 펌프의 동작을 순차적으로 설명한다. 예를 들어, 매 동작 사이클에서 약물 저장부에 연결된 마이크로 펌프는 그 구동 방식에 따라 인가되는 제어 신호에 의해 체적이 변화될 수 있다. 각 동작 사이클은 펌프실(323)에 약물을 흡입시키는 충전 타이밍 및 펌프실(323)의 약물을 외부로 토출하는 배출 타이밍을 포함할 수 있다.
우선, 제어부는 충전 타이밍에서 흡입구(321)를 개방시키고, 액추에이터(325)를 통해 펌프실(323)의 체적을 증가시킬 수 있다. 펌프실(323) 체적 증가에 의해, 펌프실(323) 내부의 압력이 약물 저장부에 비해 상대적으로 감소하므로, 가압부에 의해 압력을 받은 약물 저장부 내의 약물은 펌프실(323)로 흡입구(321)를 따라 이동될 수 있다. 여기서, 제어부는 배출구(327)를 폐쇄된 상태로 유지함으로써 외부로의 약물 유출을 방지할 수 있다. 이 때, 펌프실(323)의 체적은 단위 토출량만큼 증가될 수 있다.
이후, 제어부는 배출 타이밍에서 배출구(327)를 개방시키고, 액추에이터(325)를 통해 펌프실(323)의 증가된 체적을 복원할 수 있다. 펌프실(323)의 체적 감소에 의해, 펌프실(323) 내부의 압력이 증가하므로, 펌프실(323) 내부의 약물이 배출구(327)를 따라 이동하여 외부로 배출될 수 있다. 여기서, 제어부는 흡입구(321)를 폐쇄함으로써, 약물 저장부로의 약물 역류를 방지할 수 있다. 충전 타이밍에 비해 펌프실(323)의 체적이 단위 토출량만큼 감소하므로, 마이크로 펌프는 단위 토출량 만큼의 약물을 니들부로 토출할 수 있다.
따라서 상술한 동작 사이클에서의 일련의 동작에 의해 마이크로 펌프는 단위 토출량만큼의 약물을 약물 저장부로부터 흡입하고, 동일한 단위 토출량만큼의 약물을 외부로 토출할 수 있다. 이러한 일련의 동작을 반복하는 동안, 액추에이터(325)에 의해 멤브레인(324)이 진동할 수 있다. 진동 횟수는 동작 사이클 수에 대응할 수 있으므로, 진동 횟수가 증가할수록 단위 시간당 토출되는 약물의 양이 증가할 수 있다.
제어부는, 마이크로 펌프의 진동 횟수를 결정함으로써 니들부를 통해 토출되는 약물의 총 주입량을 제어할 수 있다. 상술한 바와 같이, 총 주입량은 진동 횟수에 비례할 수 있다. 또한, 제어부는 마이크로 펌프의 진동 주파수를 결정함으로써 니들부를 통해 약물이 토출되는 속도를 제어할 수 있다. 진동 주파수가 증가할수록, 니들부를 통해 약물이 토출되는 속도가 증가할 수 있다. 진동 주파수가 감소할수록 니들부를 통해 약물이 토출되는 속도가 감소할 수 있다.
일 실시예에 따른 마이크로 펌프에서는 체적 변화량이 단위 박출양으로 일정하므로, 부가적인 유량 측정 모듈 없이 액추에이터(325)의 진동 횟수 내지 마이크로 펌프의 동작 사이클 수를 모니터링함으로써 총 주입량을 결정할 수 있다.
참고로, 도 3에서는 토출부(220)를 마이크로 펌프로 설명하였으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 토출부(220)는 약물 저장부로부터의 토출을 제어하는 제어 밸브만을 포함할 수도 있다. 이 경우, 토출부(220)는, 결정된 주입량을 주입하기 위한 약물 주입 신호에 응답하여 니들부로의 약물 토출을 조절하는 제어 밸브를 개방하고, 결정된 주입량만큼의 약물 주입이 완료된 경우에 응답하여 제어 밸브를 폐쇄할 수 있다. 이 때, 가압부는 약물이 일정한 속도로 토출될 수 있도록, 약물 저장부에 가해지는 외력을 일정하게 유지할 수 있다.
도 4 내지 도 6은 일 실시예에 따른 마이크로 펌프의 예시적인 구성을 설명하는 도면이다.
일 실시예에 따르면 토출부(220)(예를 들어, 마이크로 펌프)의 액추에이터는, 정전기 구동, 압전 구동, 및 전자기력 구동 중 하나를 이용하여 멤브레인을 변형시킴으로써, 펌프실의 체적을 변화시킬 수 있다. 펌프실의 체적이 증가할 때 약물 저장부(230)로부터 흡입 밸브(322)를 통해 약물이 펌프실 내부로 흡입될 수 있고, 펌프실의 체적이 감소할 때 약물이 배출 밸브(326)를 통해 니들부(210)로 전달될 수 있다.
예를 들어, 도 4는 정전기를 이용하여 멤브레인(429)을 변형시키는 액추에이터를 설명한다. 펌프실(428) 내부에서 멤브레인(429)은 제2 전극(422)에 결합될 수 있다. 제어부는 제2 전극(422)으로부터 이격되어 배치된 제1 전극(421)에 전압을 가함으로써, 제1 전극(421)을 통해 제2 전극(422)에 대한 정전기력을 생성할 수 있다. 정전기력을 통해 제2 전극(422)이 제1 전극(421)을 향해 휘어질 수 있다. 제2 전극(422)과 함께 멤브레인(429)이 휘어지면서 펌프실(428)의 체적이 증가될 수 있다. 제어부는 제1 전극(421)에 가해지는 전기 신호를 조절함으로써 멤브레인(429)과 연결된 제2 전극(422)을 휘게 하거나 복원할 수 있다.
도 5는 압전기(piezoelectric)를 이용하여 멤브레인(529)을 변형시키는 액추에이터를 설명한다. 압전 부재(521)(piezo member)는 가해지는 전기 신호에 응답하여 형태가 변형되는 부재를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 제어부는 압전 부재(521)에 전기 신호를 가함으로써, 멤브레인(529)과 연결된 압전 부재(521)를 휘게 할 수 있다. 압전 부재(521)가 펌프실(528)의 바깥쪽으로 휘도록 구성됨으로써, 펌프실(528)의 체적이 증가될 수 있다. 제어부는 압전 부재(521)에 가해지는 전기 신호를 조절함으로써 멤브레인(529)을 휘게 하거나 복원할 수 있다.
도 6은 전자기력을 이용하여 멤브레인(629)을 변형시키는 액추에이터를 설명한다. 전자석 부재(621)는 영구 자석 부재(622)로부터 이격되어 배치될 수 있다. 영구 자석 부재(622)는 멤브레인(629)과 연결될 수 있다. 제어부는 전자석 부재(621)에 전기 신호를 인가함으로써, 영구 자석 부재(622)에 대한 전자기력을 생성할 수 있다. 이러한 전자기력에 의해 전자석 부재(621)는 영구 자석 부재(622)에 대해 끌어당겨지거나 밀어내는 힘을 멤브레인(629)의 적어도 일부에 대해 생성할 수 있다. 제어부는 전자기력을 통해 멤브레인(629)이 펌프실(628)의 바깥쪽으로 휘어지도록 제어하거나, 휘어진 멤브레인(629)을 기본 형태로 복원할 수 있다.
도 7 내지 도 9는 일 실시예에 따른 가압부의 예시적인 구성을 설명하는 도면이다.
일 실시예에 따른 가압부는, 약물 저장부(230)의 일측에 대해 일방향으로 외력을 가하도록 구성되는 탄성 부재, 전자석 부재, 및 가열 부재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 가압부는 약물 저장부(230)의 피스톤에 변위를 발생시키거나, 카트리지의 내부 부피를 변화 시킬 수 있도록, 지속적으로 약물 저장부(230)의 피스톤에 인가되는 외력을 발생시킬 수 있다. 외력에 의해 압력을 받은 약물은 약물 저장부(230)로부터 토출부(220)(예를 들어, 마이크로 펌프)로 이동하도록 힘을 받는다.
도 7은 탄성 부재(741)를 이용한 외력 생성을 설명한다. 예를 들어, 가압부는 하우징(290) 내부에 고정된 탄성 부재(741)로 구현될 수 있고, 탄성 부재(741)의 일단은 하우징(290)의 말단부로부터 전단부를 향하는 방향으로, 피스톤(742)에 대해 외력을 전달할 수 있다. 약물 저장부(230)에 저장된 약물이 소진되어 피스톤(742)이 전진하더라도, 탄성 부재(741)는 피스톤(742)에 가해지는 외력의 크기가 일정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 탄성 부재(741)인 스프링의 탄성계수는, 피스톤(742)이 카트리지에서 말단으로부터 전단으로 이동할 때까지 일정한 외력을 피스톤(742)에 제공하도록 결정될 수 있다.
도 8은 자력을 이용한 외력 생성을 설명한다. 예를 들어, 가압부는 제1 자석(841) 및 제2 자석(843)을 포함할 수 있다. 제1 자석(841) 및 제2 자석(843)은 영구자석일 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 제1 자석(841) 및 제2 자석(843)은 서로 동일한 극성의 자석으로 구성될 수 있고, 서로에 대해 척력을 생성하도록 배치될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이 제1 자석(841)은 하우징(290)의 말단에 배치될 수 있고, 제2 자석(843)은 피스톤(842)에 연결되어 배치될 수 있다. 제1 자석(841)은 하우징(290)에 고정되어 있으므로, 제1 자석(841)은 제2 자석(843)을 일방향으로 일정하게 밀어내는 자력을 생성할 수 있다. 이러한 자력에 의해 약물 저장부(230)에 저장된 약물은 토출부(220)로 배출되려는 압력을 받을 수 있다.
도 9는 가열 부재(941)를 이용한 외력 생성을 설명한다. 예를 들어, 가압부는 피스톤(942)과 연결되고 임의의 기체를 수용하는 유체 통로(943) 및 유체 통로(943)에 수용된 기체를 가열하기 위한 가열 부재(941)를 포함할 수 있다. 가열 부재(941)는 하우징 내부의 일측에 부착될 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 제어부의 제어에 따라 가열 부재(941)가 유체 통로(943)를 가열하게 될 경우, 기체 팽창에 의해 유체 통로(943)에서 피스톤(942)을 일방향으로 밀어내는 외력이 발생한다. 제어부는 약물 저장부(230)의 피스톤(942)이 말단에서 전단으로 이동할 때까지 일정한 압력을 받도록, 가열 부재(941)를 제어할 수 있다. 이러한 유체 통로(943) 내 기체 팽창에 의해 약물 저장부(230)에 저장된 약물은 토출부(220)로 배출되려는 압력을 받을 수 있다.
일 실시예에 따른 약물 주입 장치는 약물 저장부(230)에 수용된 카트리지 내의 약물에 가해지는 압력이 일정하도록, 카트리지의 푸셔에 가해지는 외력의 크기를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 카트리지 내의 약물 잔존량, 약물이 가지는 압력, 및 약물 온도 중 적어도 하나를 포함하는 카트리지 정보를 센서(미도시됨)를 통해 수집하고, 수집된 카트리지 정보에 기초하여 푸셔에 가해지는 외력의 크기를 제어할 수 있다. 참고로, 약물 잔존량은 별도의 센서 없이도, 카트리지의 최대 수용량 및 해당 카트리지로부터 토출된 약물 주입량으로부터 제어부가 산출할 수도 있다. 토출된 약물량은 상술한 바와 같이, 마이크로 펌프의 진동 횟수를 카운트함으로써 산출될 수도 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 토출부 및 가압부가 마이크로 펌프로 구현된 구조를 설명하는 도면이다.
일 실시예에 따르면 약물 주입 장치의 토출부 및 가압부가 단일 진동 멤브레인을 공유하는 마이크로 펌프(1021) 및 추가 펌프(1022)로 구현될 수도 있다. 예를 들어, 토출부의 마이크로 펌프(1021)는 도 3 내지 도 6에서 상술한 바와 같이 약물 저장부의 약물을 니들부로 전달하도록 구성될 수 있다. 추가 펌프(1022)의 구조는 도 3 내지 도 6에서 상술한 것과 유사할 수 있으나, 약물 대신 외부 공기를 펌핑하도록 구성될 수 있다. 마이크로 펌프(1021) 및 추가 펌프(1022)의 유로는 서로 분리되고, 두 펌프들 사이에 단일 진동 멤브레인이 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면 가압부는 추가 펌프(1022)를 포함할 수 있다. 추가 펌프(1022)는 토출부와 공유하는 단일 진동 멤브레인을 이용하여 토출부가 약물을 주입하는 타이밍에 응답하여 외부로부터 공기를 흡입할 수 있다. 추가 펌프(1022)는 토출부가 상기 약물 저장부로부터 약물을 흡입하는 타이밍에 응답하여 흡입된 공기를 약물 저장부의 일측으로 전달함으로써 약물 저장부에 대한 외력을 생성할 수 있다. 마이크로 펌프(1021) 및 추가 펌프(1022) 사이, 중앙에 배치된 단일 진동 멤브레인에 의해 두 펌프의 체적은 서로 다른 위상을 가지면서 확대되거나 축소될 수 있다.
예를 들어, 단일 진동 멤브레인이 마이크로 펌프(1021)를 향해 휘어지면, 마이크로 펌프(1021) 내의 체적이 감소되고 추가 펌프(1022) 내의 체적은 증가되도록 구성될 수 있다. 이 때, 마이크로 펌프(1021) 내의 약물이 니들부로 토출되고, 추가 펌프(1022)는 외부 공기를 흡입할 수 있다. 마이크로 펌프(1021)가 니들부로 약물을 토출하는 동작 동안에는 약물 저장부 및 마이크로 펌프(1021) 간의 유로 및 추가 펌프(1022) 및 유체 통로(1043) 간의 밸브가 폐쇄될 수 있다. 따라서 추가 펌프(1022)는 마이크로 펌프(1021)가 니들부로 약물을 토출하는 타이밍(예를 들어, 약물을 주입하는 타이밍)에 응답하여, 동시에 외부 공기를 흡입할 수 있다. 추가 펌프(1022)는, 마이크로 펌프(1021)의 약물 토출 동작에 동기화하여 외부 공기를 흡입할 수 있다.
다른 예를 들어, 단일 진동 멤브레인이 추가 펌프(1022)를 향해 휘어지면, 마이크로 펌프(1021) 내의 체적은 증가되고, 추가 펌프(1022) 내의 체적은 감소되도록 구성될 수 있다. 이 때, 마이크로 펌프(1021)는 약물을 약물 저장부로부터 흡입하고, 추가 펌프(1022)는 이전에 흡입된 공기를 가압부로 전달할 수 있다. 추가 펌프(1022)가 외부로부터 공기를 흡입하는 밸브가 폐쇄될 수 있다. 따라서 추가 펌프(1022)는, 마이크로 펌프(1021)가 약물 저장부로부터 약물을 흡입하는 타이밍에 응답하여, 동시에 추가 펌프(1022) 내에 흡입된 외부 공기를 유체 통로(1043)를 통해 피스톤(1042)에 연결된 튜브(1041)로 전달할 수 있다. 추가 펌프(1022)는 외부 공기를 튜브(1041)로 전달함으로써 피스톤(1042)을 일방향으로 밀어내는 외력을, 마이크로 펌프(1021)의 약물 흡입 동작에 동기화하여 생성할 수 있다.
단일 진동 멤브레인의 주기에 동기화되어 약물 및 공기가 이동되므로, 도 10에 도시된 구조에서는 가압과 토출이 단 하나의 엑츄에이터로 구현될 수 있다. 따라서 마이크로 펌프(1021)가 약물 저장부로부터 약물을 흡입할 시 일정한 힘으로 피스톤(1042)이 이동될 수 있고, 마이크로 펌프(1021)의 흡입구에 인가되는 유압도 일정하게 유지될 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 약물 주입 방법을 설명하는 흐름도이다.
우선, 단계(1110)에서 약물 주입 장치의 가압부는 약물을 저장하는 약물 저장부의 일측에 대해 외력을 가할 수 있다.
그리고 단계(1120)에서 약물 주입 장치는 니들부 및 약물 주입 장치가 결합될 시 니들부와 연결되는 토출부를 통해, 외력에 기초하여 약물 저장부의 다른 일측으로부터 약물을 흡입하여 니들부로 약물을 토출할 수 있다.
이어서 단계(1130)에서 제어부는 주입량을 결정하고, 토출부를 제어하여 결정된 주입량을 주입할 수 있다. 제어부는 토출부의 구동 횟수(예를 들어, 마이크로 펌프의 멤브레인 진동 횟수) 및 구동 주파수를 제어하여 약물이 토출되는 양을 정밀하게 조절할 수 있다. 또한, 제어부는 구동 횟수를 카운트함으로써 토출부를 통해 토출된 약물의 양을 추가적인 센서 없이 모니터링할 수 있다.
일 실시예에 따르면 약물 주입 장치는 카트리지가 처음 장착되었을 때, 단계(1110) 전에 초기화 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 약물 주입 장치는 초기화 동작에서 토출부의 펌프실이 채워질 때까지 약물 저장부에 외력을 인가할 수 있다. 약물 주입 장치는 토출부의 펌프실이 채워진 이후부터, 사용자로부터 수신된 약물 주입 신호에 응답하여 상술한 단계들(1110 내지 1130)에 따른 약물 주입 동작을 수행할 수 있다.
또한, 약물 주입 장치는 결정된 주입량에 대응하는 횟수만큼 토출부를 반복적으로 동작시킬 수 있는데, 마지막 동작시에 펌프실 내의 약물을 모두 토출하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 다음에 약물 주입 시, 약물 주입 장치는 펌프실을 약물로 채우는 초기화 동작을 수행할 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 약물 주입 장치는 결정된 주입량의 약물을 주입한 후 토출부에 잔존한 약물을 다음 주입까지 홀딩할 수도 있다.
도 11의 방법을 이로 한정하는 것은 아니고, 도 1 내지 도 10에서 상술한 동작들 중 적어도 한 동작이 도 11의 동작과 함께 병렬적으로 또는 시계열적으로 수행될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
100: 약물 주입 장치
110: 니들부
120: 토출부
130: 약물 저장부
140: 가압부
190: 하우징

Claims (11)

  1. 약물 주입 장치에 있어서,
    약물을 저장하는 약물 저장부;
    상기 약물 저장부의 일측에 대해 외력(external force)을 가하도록 구성되는 가압부(press portion);
    니들부 및 상기 약물 주입 장치가 결합될 시 상기 니들부와 연결되고, 상기 외력에 기초하여 상기 약물 저장부의 다른 일측으로부터 약물을 흡입하여 상기 니들부로 상기 약물을 토출하는 토출부(discharge portion); 및
    주입량을 결정하고, 상기 결정된 주입량을 주입하도록 상기 토출부를 제어하는 제어부(control portion)
    를 포함하고,
    상기 가압부는,
    상기 토출부와 공유하는 단일 진동 멤브레인을 이용하여 상기 토출부가 약물을 주입하는 타이밍에 응답하여 외부로부터 공기를 흡입하고, 상기 토출부가 상기 약물 저장부로부터 약물을 흡입하는 타이밍에 응답하여 상기 흡입된 공기를 상기 약물 저장부의 일측으로 전달함으로써 상기 약물 저장부에 대한 외력을 생성하는 추가 펌프를 포함하는,
    약물 주입 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 토출부는,
    매 동작 사이클마다 상기 약물 저장부로부터 단위 토출량만큼의 약물을 흡입하고 상기 단위 토출량만큼의 약물을 상기 니들부로 토출하도록 구성되고, 상기 결정된 주입량에 대응하는 횟수만큼 동작 사이클을 반복하는 마이크로 펌프
    를 포함하는 약물 주입 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 마이크로 펌프의 진동 횟수를 결정함으로써 상기 니들부를 통해 토출되는 약물의 총 주입량을 제어하고,
    상기 마이크로 펌프의 진동 주파수를 결정함으로써 상기 니들부를 통해 약물이 토출되는 속도를 제어하는,
    약물 주입 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 마이크로 펌프는,
    상기 약물 저장부의 다른 일측과 연결되고, 상기 약물을 흡입 가능하도록 구성되는 흡입구(inlet);
    펌프실(pumping chamber)의 체적(volume)을 변동 가능하도록 구성되는 멤브레인(membrane);
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 펌프실의 체적을 기본 체적(default volume)으로부터 미리 결정된 단위 토출량(unit outflow)만큼 증가시킨 후, 증가된 체적으로부터 상기 기본 체적으로 감소시키도록 멤브레인을 구동시키는(drive) 액추에이터(actuator);
    상기 펌프실의 체적이 상기 증가된 체적으로부터 상기 기본 체적으로 감소하는 동안, 상기 펌프실 내로 흡입된 상기 약물을 상기 니들부로 토출 가능하도록 구성되는 배출구(outlet)
    를 포함하는 약물 주입 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 액추에이터는,
    정전기 구동, 압전 구동, 및 전자기력 구동 중 하나를 이용하여 상기 멤브레인을 변형시킴으로써, 상기 펌프실의 체적을 변화시키는,
    약물 주입 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 토출부는,
    상기 결정된 주입량을 주입하기 위한 약물 주입 신호에 응답하여 상기 니들부로의 약물 토출을 조절하는 제어 밸브를 개방하고, 상기 결정된 주입량만큼의 약물 주입이 완료된 경우에 응답하여 상기 제어 밸브를 폐쇄하는,
    약물 주입 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가압부는,
    상기 약물 저장부의 일측에 대해 일방향으로 외력을 가하도록 구성되는 탄성 부재, 전자석 부재, 영구 자석 부재 및 가열 부재 중 적어도 하나를 포함하는,
    약물 주입 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가압부는,
    상기 약물 저장부에 수용된 카트리지 내의 약물에 가해지는 압력이 일정하도록, 상기 카트리지의 푸셔에 가해지는 외력의 크기를 제어하는,
    약물 주입 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가압부는,
    상기 카트리지 내의 약물 잔존량, 약물이 가지는 압력, 및 약물 온도 중 적어도 하나를 포함하는 카트리지 정보를 센서를 통해 수집하고, 수집된 카트리지 정보에 기초하여 상기 푸셔에 가해지는 외력의 크기를 제어하는,
    약물 주입 장치.
  11. 삭제
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