KR102431008B1 - 공압적으로 결합된 직접 구동 유체 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

공압적으로 결합된 직접 구동 유체 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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로렌스 엠. 쿠바
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Abstract

액체를 전달하는 유체 제어 시스템은 가스 저장소에 알려진 부피 변화를 수행하는 선형 작동체를 포함하는 공압 드라이브를 포함한다. 상기 가스 저장소는 유연한 멤브레인에 의해 유체-측 저장소로부터 분리된 가스-측 저장소와 유체 연통된다. 상기 선형 작동체의 움직임은 상기 가스-측 저장소의 가스에 포지티브 또는 네거티브 부피 차이를 수행하여, 상기 유체-측 저장소로 전달되는 가스의 압력을 감소 또는 증가시켜, 유체, 기본적으로 액체를, 공급원 또는 전달 액체로부터 싱크로 인입시킨다. 다른 측면에서, 상기 유체 경로 내 공기 버블을 검출하고 제거하기 위한 기구가 제공된다.

Description

공압적으로 결합된 직접 구동 유체 제어 시스템 및 방법{PNEUMATICALLY COUPLED DIRECT DRIVE FLUID CONTROL SYSTEM AND PROCESS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 개시 내용이 본 명세서에 병합된 2013년 5월 23일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/826,863호의 35 U.S.C.§119(e) 하에서의 유익을 주장한다.
유체 흐름을 제어하는 것은 정맥 주입 펌프 및 경장 영양 공급 시스템과 같은 의료 디바이스의 본질적인 부분이다. 이들 유체 흐름 제어 시스템은 넓은 흐름률(flow rate) 범위, 넓은 범위의 유체 점성, 유해한 양의 가스의 불가피한 존재, 공급원 압력 변화, 환자 압력 변화, 가변 환자 라인 저항, 및 넓은 범위의 튜빙 구성과 같은 복잡하고 상충하는 요구조건의 세트를 충족하여야 한다.
결함 조건을 검출하는 신뢰성과 능력은 이러한 흐름 제어 디바이스의 중요한(critical) 특징이다. 또한 낮은 취득(acquisition) 및 유지보수 비용도 중요한 특성이다.
시스템의 유용성은 환자를 돌보는 품질 면에서는 강하지만 간접적인 영향을 미치는 돌보는 사람(caregiver)의 작업 흐름에 영향을 미치기 때문에 극히 중요하다. 이 유용성은 살균 튜빙 세트의 장착 편의성, 유체 전달 기간 동안 돌보는 사람(caregiver)으로부터 관심의 요구, 및 불필요한 알람 조건을 관리하는 것을 포함한다.
종래의 유체 제어 또는 펌핑 기구는 정교함과 복잡함 사이에서 원치 않는 트레이드오프를 나타낸다. 많은 현대 시스템에 추가된 복잡성은 신뢰성 부재를 야기하여, 제품 성능 실패, 높은 레벨의 유지보수, 규제 기관에 의한 제품 리콜, 및 보고된 높은 비율의 환자 피해를 초래한다.
하바드 애퍼레이투스 컴퍼니(Harvard Apparatus Company)사에 의해 시판되고 이후 시장에서 수 백 회 복제된 상기 유형의 유체 펌프들 중 하나는 주사기 펌프이다. 주사기 펌프에서, 유체는 잘 한정된 직경과 행정 길이를 가지게 제조된 일반적으로 발견되는 유리 또는 플라스틱 주사기 내에 포함된다. 이들은 살균 유체의 수동 분사를 제공하는데 사용되는 것과 동일한 주사기이다. 주사기의 피스톤은 고정 유지되고, 통상적으로 리드 나사 기구를 통해, 피스톤은 모터의 정밀하게 타이밍된 단계들만큼 전진된다. 모터의 각 단계는 주사기로부터 알려진 양의 액체를 환자의 맥관 구조로 가는 라인으로 방출한다. 주사기 펌프는 매우 간단한 기구와, 원하는 유체 흐름률로 설정된 타이머 회로로 구성된 매우 간단한 제어 시스템을 제공한다. 힘 센서와 위치 센서를 종종 추가하여 폐쇄, 미스로딩(misloading), 및 주입 종료에 관한 피드백을 제공한다. 그러나, 주사기 펌프 설계는, 주사기의 사이즈가 상대적으로 작은 것으로 인해, 주입된 유체의 양과 최대 유체 흐름률이 본질적으로 제한되어서, 이 설계는 많은 임상 응용의 요구를 충족하지 못한다. 아이러니컬하게도, 부피와 흐름률이 매우 작은 경우, 주사기 펌프는 주사기의 높은 정지 마찰에 기초하여 유체 흐름이 불연속적이 된다. 구동 모터의 움직임이 매우 작으면 이 움직임이 피스톤의 움직임과 유체의 전달로 변환되지 않을 수 있고; 구동 모터는 피스톤이 유체를 환자로 실제 전달하기 전에 다수의 모터 단계와 다수의 시간 간격을 취할 수 있다. 전달 사이에 지연 시간이 길면 임상적으로 바람직하지 않다. 주사기 펌프에서 추가적인 결함은 환자의 맥관 구조와 임피던스 불일치(mismatch)를 야기하고; 주사기 펌프 모터 드라이브는 시스템이 예상하는 최대 토크를 신뢰성 있게 충족할 수 있는 모터를 구비한다. 또한 이 강력한 모터는 기어 다운(geared down)되어, 매우 작은 변위를 달성하는 것에 의해 낮은 흐름률에서도 전달 능력을 펌프에 제공할 수 있다. 그러나, 강력한 모터와 기어 장치를 조합하면, 주사기 드라이브는 유체를 환자의 맥관 구조에 안전하게 주입하는데 필요한 것을 매우 초과하는 유체 압력을 생성할 수 있다. 이 잠재적으로 높은 압력 출력의 결과 유해한 레벨의 유체 압력이 환자에 적용되어, 특히 주입 카테터의 혈관외유출시에 또는 일시적인 폐쇄의 해제시 볼루스(bolus) 생성시에 유해한 영향을 미칠 수 있다.
주사기 펌프의 변동은 유체 백(bag) 또는 벤트된 병(vented bottle)으로부터 인입될 수 있는 왕복운동하는 피스톤 형태에서 발견된다. 하보트/호스피라 플럼(Abbott/Hospira Plum)(상표명) 주입 디바이스에서 발견되는 이러한 디바이스는 주사기 펌프의 부피 제한을 극복한다. 밸브 조절에 추가된 복잡성은 비용을 증가시키고 신뢰성을 감소시킨다. 다수의 유체 연결과 공기 공간으로 인해 큰 부피 펌프는, 주사기 펌프에서는 발견되지 않는, 검출되고 조절되어야 하는, 유해한 공기 버블을 도입하는 환경을 형성한다. 이 왕복운동 피스톤 펌프는 주사기 펌프에 대해 전술한 임피던스 불일치의 단점을 여전히 보유하고 있다.
대부분 일반적인 형태의 주입 펌프는 정량 펌프(peristaltic pump)인데, 여기서 핑거(finger) 또는 롤러는 정량 방식으로 유연한 튜빙의 구획을 폐쇄하여, 튜브로부터 환자 쪽으로 유체를 방출한다. 이 기구는 간단한 유연한 튜브의 형태로 살균 유체를 운반하는 가장 간단한 구성을 제공한다. 정량 펌프는, 유연한 튜브의 일부를 정확히 폐쇄하는데 요구되는 힘이 커서, 펌프가 유해하게 높은 주입 압력을 생성할 수 있어서 주사기 펌프와 동일한 임피던스 불일치 운명을 제공한다. 이 잠재적으로 높은 압력은 튜빙에 있는 힘 센서를 사용하여 완화될 수 있으나, 복잡성과 비용을 추가할 수 있다. 환자에 공기가 유입되는 문제는 전술한 왕복운동 피스톤 펌프에서와 같다. 정량 펌프는, 환자로 방출된 유체의 양이 압축되지 않은 상태에서 유체 튜빙의 내부 직경에 완전히 종속하기 때문에 유체 흐름 정확도와 관련된 새로운 문제를 야기한다. 사실 표면적의 에러는 직경의 에러의 제곱 법칙 함수(square law function)이고, 그래서 직경에 10%의 에러가 있으면 환자에 방출되는 부피에 허용가능하지 않은 21%(1.12)의 에러를 야기할 수 있다. 불운하게도, 튜빙의 유효 직경을 감소시킬 수 있는 2개의 매우 일반적인 이벤트가 있는데: 하나의 이벤트는 정량 기구에 의해 반복적으로 작동될 때 튜빙의 피로이고, 다른 하나의 이벤트는 유체 공급원으로부터 낮은 흐름으로 인해 튜빙이 완전히 재충전되지 않는 것이다.
고정된 교정 저항에 대항하여 유체를 푸시하는 상수 힘 스프링, 멤브레인, 또는 가스 반응을 사용하여 단일 흐름률을 제공하는 다른 종류의 펌프가 있다. 이 디바이스는 대부분 임상 응용에 요구되는 흐름률에 프로그래밍가능한 변동을 제공하지 않는다.
왕복운동하는 피스톤 펌프의 일 변형이 매사추세츠(MA)주 뉴베리포트(Newburyport)에 소재하는 플루이드센스 코포레이션사(FluidSense Corporation)에 의해 설계되고 시판되었다. 이 펌프는 일측에 스프링이-장착된 피스톤에 연결되고 타측에 살균 유체에 연결된 유연한 멤브레인을 사용하였다. 낮은 크래킹 압력 수동 입구 밸브와 능동적으로 동작되는 순간 출구 밸브는, 스프링 장착된 피스톤을 다시 "코킹"("cocked")하여 스프링을 장착해서, 포지티브 유체 힘을 제공하는 경우, 펌핑 액션을 위해 제공되었다. 매우 민감한 선형 인코더를 사용하여 스프링이-장착된 피스톤의 위치를 관찰하고, 유체 압력과 부피에 대한 정보를 제공하였다. 이 설계는 간략화되고 보다 민감한 펌프 기구를 허용하지만, 흐름은 출구 밸브의 각 펄스의 액션에 따라 간헐적이 되었고 구동 압력은 대부분 임상 응용에 필요한 것보다 더 높은 3 내지 7 PSIg에서 변하였다. 이것은 또한 모든 큰 부피 펌핑 시스템에서와 같이 공기 버블을 도입하였다.
단일 율 전달 시스템과는 대조적으로 프로그래밍가능한 주입 디바이스들은 모두 2개의 전기기계 복잡성 효과를 나타낸다. 첫째, 충격, 진동, 온도 시프트, 및 노화에 의해 교란될 수 있는 통상적으로 타이트한 기계적인 공차가 있다. 주입 펌프는 종종 성능 사양으로부터 벗어나 있고, 종종 간헐적으로, 고장 수리를 요구하여 매우 고가이고 곤란하게 만든다. 둘째, 이 복잡한 기구는 종종 소독이 곤란하다. 고객은 최근에 주입 펌프와 다른 의료 디바이스를 소독하는데 극히 높은 중요성에 민감해졌다. 환자들 간 교차 감염이 급성 환자 치료 환경에서 상위 건강 관리 문제들 중 하나이다.
환자와 돌보는 사람(caregiver)이 정기적으로 크게 마주하는 다른 특정 문제는 유체 경로에 공기 버블이 존재하는 것이다. 종래의 주입 펌프는 초음파 또는 광학 검출기 회로를 통해 튜빙의 세그먼트를 관찰한다. 이들 검출기 회로는 높은 감도로 버블을 신뢰성 있게 검출한다. 불운하게도, 이들 센서의 특이성(specificity)이 낮아서, 거짓 알람이 일상적이다. 이 버블이 검출되면, 3개의 유해한 일이 발생한다. 첫째, 펌프가 알람 상태가 되어서 환자로 가는 유체 흐름이 정지되어, 요구되는 처방약을 보류(withhold)하는 것에 의해 종종 환자에 피해를 유발할 수 있다. 둘째, 머리맡에서 이루어지는 알람은 환자와 환자의 가족에 상당한 고통을 야기한다. 셋째, 알람은 간호사의 작업 흐름을 중단시키고, 다른 환자에게서 시간을 뺏어 간호사의 관심을 주입 펌프 쪽으로 향하게 하고 환자로부터 멀어지게 한다.
공기 제거 필터는 일반적으로 주입 세라피 투여 세트(infusion therapy administration set)에서 발견된다. 이들 필터는 주입 펌프에 근접하여 위치된 경우 네거티브 게이지 압력에 노출될 때 적절히 기능하지 않기 때문에 앞에서 이들 필터는 식별된 문제를 해결하지 못한다. 이들 필터가 주입 펌프 아래에 놓인 경우, 이 필터가 제 위치에 있는지를 펌프가 검증하는 방법이 없으므로, 알람은 여전히 활성으로 유지되어야 한다. 이 필터는 전체 혈액과 같은 특정 의료 유체와 호환하지 않는 친수성 필터를 더 포함하여야 한다.
본 발명은 공압적으로 결합된 직접 드라이브로 구현된 유체 제어 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 신뢰성 있고, 상태 변화에 내성이 있고, 유체의 정확한 전달을 방지하는 조건에 민감하다. 상기 시스템은 전술한 종래 기술 시스템의 한계를 극복하는 낮은-압력, 폐쇄된 루프 제어 시스템과 결합된 간단한 작동 기구를 제공한다.
상기 유체 제어 시스템의 공압 드라이브는, 가스 저장소와 접촉(인터페이스)하며 상기 가스 저장소 내 알려진 부피 변화를 수행하는 선형 작동체를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 선형 작동체는 벨로우즈 또는 피스톤과 같은 왕복운동 요소를 알려진 선형 증분만큼 푸시하거나 당기는 선형 운동을 제공하는 기구에 결합된 구동 모터를 포함한다. 상기 왕복운동 요소는 일차원으로 양방향으로 병진이동하고, 예를 들어, 병진이동 방향에 수직인 평면으로 고정된 알려진 단면적을 가지고 있다. 따라서, 알려진 거리만큼 병진이동하면 상기 가스 저장소 내에 알려진 부피 변화를 초래한다. 상기 왕복운동 요소는 상기 가스 저장소 내 가스, 일반적으로 공기와 접촉하며, 상기 왕복운동 요소가 병진이동하면 상기 가스 저장소 내 가스 부피가 증가하거나 또는 감소한다. 상기 모터는 상기 가스 부피를 증가시키거나 또는 감소시키는 방향으로 이동될 수 있다. 상기 가스 저장소 내 압력 센서는 내부 가스 압력을 센싱한다. 또한 상기 가스 저장소에는 주위로의 벤트 밸브가 제공된다.
상기 가스 저장소는 분할된 유체 챔버와 유체 연통된다. 상기 유체 챔버는 유연한 멤브레인에 의해 가스-측 저장소와 유체-측 저장소로 분리된다. 상기 가스-측 저장소 내 가스는 상기 선형 작동체의 가스 저장소 내 가스와 유체 연통된다. 상기 유체-측 저장소는 기본적으로 환자의 맥관 구조로 전달할 처방약 또는 공급 용액과 같은 액체로 충전된다. 상기 구동 모터의 제어 하에서 상기 왕복운동 요소, 예를 들어, 상기 피스톤 또는 벨로우즈가 왕복 운동하면 상기 가스-측 저장소 내 가스에 증가 또는 감소의 부피 차이를 야기하여, 상기 가스 압력을 감소시키거나 또는 증가시킨다. 이것은 상기 멤브레인을 휘어지게 하고, 이것은 상기 유체-측 저장소 내 유체에 압력 차이를 전달한다. 수동 입구 및 출구 체크 밸브는 상기 유체-측 저장소를 통해 상기 유체 흐름 경로를 따라 배치된다. 상기 입구 및 출구 체크 밸브는 상기 유체의 압력 변화에 응답하여 개방되어 단방향성 펌핑 액션을 형성하여 상기 입구 체크 밸브를 통해 유체를 내부로 이동시키고 이후 상기 출구 체크 밸브를 통해 외부로 이동시킨다.
상기 시스템은 상기 공압 드라이브를 동작시키는 제어기를 포함한다. 상기 제어기는, 전달될 액체의 타깃 부피와 이미 전달된 액체의 부피 사이의 차이로서 전달될 액체의 부피를 결정하고, 전달될 액체의 부피를 전달하기 위해 계산된 증분들만큼 공압 드라이브를 동작시키는 것에 의해 유체 싱크로 액체의 전달을 제어하도록 동작가능하다. 상기 제어기는, 연속적인 시간 간격으로 전달될 액체의 부피를 계산하고, 이미 전달된 액체의 부피를 각각 계산한 후 이미 전달된 액체의 부피를 업데이트하도록 동작가능하다.
상기 제어기는 상기 공압 드라이브의 제어된 움직임 전과 후를 포함하여 정기적인 시간 간격으로 상기 압력 센서로부터 센싱된 압력 데이터를 수신하고, 상기 압력 데이터를 상기 제어된 움직임으로부터 초래되는 가스 부피의 알려진 변화와 비교한다. 상기 제어기는 상기 센싱된 압력 데이터와 상기 알려진 가스 부피 사이에 이상 기체 법칙(ideal gas law) 관계식에 기초하여 압력 데이터와 가스 부피의 알려진 변화에 기초하여 가스 부피를 계산한다.
상기 제어기는 상기 유체 공급원으로부터 또는 상기 유체 싱크로 가는 유체 흐름 경로에서 임피던스 또는 저항과 같은 여러 조건을 나타내는 압력 트렌드를 결정하도록 또한 동작가능하다. 상기 유체 공급원에서 상기 임피던스 또는 상기 저항은, 예를 들어, 상기 유체 흐름 경로에 있는 라인의 폐쇄, 상기 유체 공급원에 남아있는 액체의 양, 상기 유체 공급원의 점성 액체, 또는 주사기의 존재를 나타낼 수 있다. 상기 유체 싱크로 가는 상기 유체 흐름 경로에서의 상기 임피던스 또는 상기 저항은, 예를 들어, 상기 유체 흐름 경로에서의 라인의 폐쇄 또는 유체 싱크와의 분리된 연결(disconnected connection)을 나타낼 수 있다.
다른 측면에서, 상기 유체 제어 시스템은 개선된 검출 특이성을 가지고 있고 제한없는 분량의 공기를 제거하여 공기 버블의 네거티브 측면을 회피하도록 동작가능한 공기 검출 및 능동 공기 제거 기구를 포함한다. 상기 공기 제거 기구는 액체의 통과를 방지하는 소수성 필터 물질과, 공기가 상기 시스템을 나갈 수 있는 일방향 밸브를 포함한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 취해진 이하 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 수 있을 것이다:
도 1은 유체 제어 시스템의 일 실시예의 개략 블록도;
도 2는 도 1의 유체 제어 시스템에 사용하기 위한 제어기의 개략 블록도;
도 3은 펌핑 사이클에서 여러 상태에 있는 유체 제어 시스템의 선형 작동체의 위치를 나타내는 개략도;
도 4a는 공기 제거 시스템을 포함하는 도 1의 펌핑 챔버의 개략도;
도 4b는 도 4a의 공기 제거 시스템의 확대된 개략도;
도 5a는 카세트와 하우징을 도시하는 유체 투여 세트의 일 실시예의 사시도;
도 5b는 하우징 내에 삽입된 카세트를 도시하는 도 5a의 사시도;
도 6은 도 5a의 카세트의 분해도;
도 7a는 카세트의 단면도;
도 7b는 카세트의 추가적인 단면도;
도 8은 카세트에서 입구 밸브의 단면도;
도 9는 카세트에서 공기 밸브의 단면도;
도 10a 및 도 10b는 카세트에 사용되는 공기 제거 시스템을 위한 공기 필터를 도시하는 사시도;
도 11a는 카세트에 사용되는 바이패스 밸브 조립체의 사시도;
도 11b는 폐쇄된 위치에서 바이패스 밸브 조립체의 사시도;
도 12a는 카세트 내 공압적인 경로를 도시하는 카세트의 분해도;
도 12b는 공압적인 경로를 도시하는 카세트 몸체의 평면도;
도 13은 추가적인 벤트 밸브를 포함하는 페일세이프 회로(failsafe circuit)의 일 실시예의 개략 블록도;
도 14는 가스 부피의 알려진 감소에 응답하는 압력 그래프를 도시하는 도면;
도 15는 가스 부피의 알려진 증가에 응답하는 압력 그래프를 도시하는 도면;
도 16은 압력으로-활성화된 일방향 밸브가 압력 증가에 따라 개방될 때 압력의 변화를 도시하는 도면;
도 17은 유체 전달 동안 이루어진 흐름 계산을 도시하는 부피 대 시간 그래프를 개략적으로 도시하는 도면;
도 18은 싱크 압력이 변할 때 압력의 변화를 도시하는 도면;
도 19는 싱크 임피던스가 변할 때 압력의 변화를 도시하는 도면;
도 20은 싱크 내 압력과 임피던스의 변화 사이의 구별을 도시하는 도면;
도 21은 충전 사이클(fill cycle) 동안 여러 조건 동안 시간에 따른 압력 응답을 도시하는 도면;
도 22는 전달 사이클 동안 여러 조건 동안 시간에 따른 압력 응답을 도시하는 도면; 및
도 23은 유체 전달 행정의 일부 동안 시간에 따른 압력 응답을 도시하는 도면.
도 1은 유체 제어 시스템(100)의 일 실시예에 대한 개략 블록도를 도시한다. 시스템은, 유체 투여 세트(102)와 접촉하며 제어된 양의 유체를 유체 공급원(130)으로부터 인입하여 환자의 맥관 구조와 같은 유체 싱크(140)로 전달하는 공압 드라이브(101)를 포함한다. 유체 제어 시스템은 사용자 접촉, 약물 안전 소프트웨어, 전력 공급원, 섀시 등과 같은 다른 컴포넌트를 포함하는 다른 펌핑 시스템에 결합된 서브조립체 또는 독립 펌핑 시스템으로 구현될 수 있다.
유체 공급원(130)은, 예를 들어, 유연한 백, 벤트된 병, 또는 액체 충전된 주사기 내에 포함된 유체일 수 있다. 유체는 고정된 부피를 구비하는 강성 몸체 또는 하우징인 펌핑 챔버(170)를 통해 흐름 경로(131)를 따라 흐른다. 챔버는 가스 또는 액체에 불투과성인 유연한 멤브레인(175)에 의해 가스-측 챔버(171)와 유체-측 챔버(172)로 분할된다. 유연한 멤브레인(175)은 챔버(170) 내 주변 주위에 밀봉되게 고정되지만, 제한 없이 자유로이 이동가능하다. 가스-측 챔버(171) 내 가스 압력은 유체-측 챔버(172) 내에 동일한 압력을 부여한다. 유연한 멤브레인(175)에 걸쳐 사실상 압력 차이는 없다. 가스-측 챔버 내 압력 변화는 유연한 멤브레인을 통해 유체-측 챔버에 직접 전달되고 그 역으로도 전달된다.
유체-측 챔버(172)는 유체 흐름 경로(131)에 배치되고, 입구 밸브(135)를 통해 유체 공급원(130)과 유체 연통된다. 유체 측 챔버(172)는 출구 밸브(145)를 통해 유체 싱크(140)와도 유체 연통된다. 입구 밸브와 출구 밸브는 각각 수동으로 동작되는 일방향 체크 밸브이고, 상류쪽 유체와 하류쪽 유체 사이에 압력 차이가 미리 결정된 크래킹 압력(cracking pressure)에 도달될 때에만 개방된다. 입구 밸브(135)와 출구 밸브(145)는 각각 통상적으로 폐쇄되어 있고 이들 밸브를 순방향으로 개방하려면 상대적으로 높은 압력 차이를 요구한다. 압력 차이의 실제 양은 역 방향으로는 이 밸브를 개방할 수 없다. 일 실시예에서, 의료 주입 펌프로 적절한 것으로, 두 밸브(135, 145)는 1 PSId 정도로 상대적으로 높은 크래킹 압력을 가지도록 선택된다. 특정 크래킹 압력은 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 이해될 수 있는 바와 같이 응용에 따라 좌우된다.
시스템은, 가스-측 챔버(171)에 결합되고 알려진 증분 증가 또는 감소의 부피 변화를 수행하여 유체-측 챔버(172)로 전달되는 가스-측 챔버 내 양압(포지티브 압력) 또는 음압(네거티브 압력) 변화를 야기하는 공압 드라이브를 또한 포함한다. 일 실시예에서, 공압 드라이브는 정확한 증분 양방향 움직임을 생성하는 선형 작동체, 예를 들어, 구동 모터(110), 예를 들어 스테퍼 모터 또는 인코딩된 DC 모터 또는 다른 전기기계 요소를 포함한다. 구동 모터는 선형 운동을 출력하는 캠 또는 리드 나사 기구 또는 다른 기구에 결합된다. 그러나, 그 위치가 알려져 있고 무시가능한 히스테리시스 또는 백래쉬(backlash)를 가지고 있는 한, 임의의 선형 작동체 기구가 사용될 수 있다. 구동 모터(110)는 가스 저장소(120)에서 왕복운동하는 왕복운동 요소(115)에 결합된다. 왕복운동 요소(115), 예를 들어, 벨로우즈 또는 피스톤은 일차원으로 양방향으로 병진이동한다. 따라서, 알려진 거리만큼 병진이동하면 알려진 부피 변화를 초래한다. 왕복운동 요소는 가스 저장소(120) 내 가스, 일반적으로 공기와 접촉하며 왕복운동 요소가 병진이동하면 알려진 양만큼 가스 저장소 내 가스 부피가 증가하거나 또는 감소한다. 왕복운동 요소(115)와 가스 저장소(120)는 함께 주사기-같은 기구를 형성한다.
가스 저장소(120)는 가스-측 챔버(171)와 유체 연통된다. 가스 도관(178)은 전체적인 펌핑 시스템의 구성에 따라 가스 저장소(120)를 가스-측 챔버(171)에 유체 이동가능하게 연결하도록 제공될 수 있다. 가스 저장소 내 공기를 주위로 벤트하도록 개방될 수 있는 벤트 밸브(112)가 제공된다. 벤트 밸브를 순간적으로 개방하면 저장소(120) 및 연결된 공간(가스 도관(178)과 가스-측 챔버(171)) 내 압력이 대기압과 등화된다(equilibrate). 전기기계 솔레노이드 밸브와 같은 임의의 적절한 벤트 밸브가 사용될 수 있다. 가스 저장소(120) 내 압력을 측정하는 임의의 적절한 압력 트랜스듀서와 같은 압력 센서(155)가 또한 제공되어, 펌핑 챔버의 가스-측 챔버와 유체-측 챔버 내 압력의 척도를 또한 제공한다.
시스템 제어기(150)는 모터(110)와 벤트 밸브(112) 및 압력 센서(155)와 동작가능하게 통신하며 압력 데이터를 수신하도록 제공된다. 제어기(150)는 프로세서 또는 마이크로프로세서 등을 포함하고, 통신, 센싱, 연산, 및 작동체 제어를 위한 전자회로를 지원한다. 제어기(150)는 데이터와 명령을 저장하는 비-휘발성 메모리(예를 들어, ROM), 입력과 출력을 위한 휘발성 메모리(예를 들어, RAM), 클록, 및 입력/출력(I/O) 제어 유닛을 포함한다. 제어기(150)는 단일 칩 상에 마이크로제어기 유닛으로 제공될 수 있다. 제어기는 아래에 더 설명된 전체적인 펌핑 시스템 또는 펌핑 애플리케이션의 일부인 다른 컴퓨터 또는 제어기와 접촉할 수도 있다.
구동 모터(110)는 제어기(150)로부터 오는 커맨드에 기초하여 알려진 증분만큼 이동하여, 왕복운동 요소(115)를 알려진 길이만큼 이동시켜 가스 저장소(120) 내 가스 부피에 알려진 변화를 달성한다. 부피 변화는, 저장소(120) 내 압력의 변화를 초래한다. 저장소(120)와 가스 도관(178)에서 보이는 가스 압력은 가스-측 챔버(171) 내 가스 압력과 등화되고, 멤브레인 양단에 압력 차가 없기 때문에 유연한 멤브레인(175)을 휘어지게 하는 것에 의해 유체-측 챔버(172) 내에 동일한 압력을 부여한다.
일 실시예에서, 선형 작동체의 왕복운동 요소(115)는 일차원으로 제어가능한 선형 병진이동할 수 있는 벨로우즈로 형성된다. 벨로우즈의 일 단부는, 예를 들어, 플랜지를 통해 가스 저장소(120)를 형성하는 강성 하우징에 밀봉 고정되고, 벨로우즈의 타 단부는, 예를 들어, 플랜지 또는 단부 판을 통해 선형으로 움직이기 위해 모터(110)에 결합된다. 따라서, 벨로우즈의 직경 또는 단면적은 효과적으로 고정되어서 그리하여 알려져 있다. 벨로우즈의 내부는 가스 저장소로 개방되고 이 가스 저장소의 일부를 형성한다. 따라서, 벨로우즈가 일반적으로 알려진 직경의 단부판의 평면에 수직인 방향으로 선형으로 병진이동할 때, 부피 변화는 병진이동의 길이를 벨로우즈의 단면적과 곱한 것으로부터 결정될 수 있다. 병진이동의 길이는 제어기(150)에 의해 제어되는 구동 모터의 증분 운동에 의해 결정되기 때문에 알려져 있다.
벨로우즈가 하우징과 정지 마찰 또는 마찰 없이 선형 병진 이동할 수 있기 때문에 왕복운동 요소를 벨로우즈로 구현하는 것이 유리하다. 벨로우즈는 알려진 행정 길이와 스프링 율(spring rate) 및 벨로우즈의 양측에서의 동작 압력 범위를 가지게 설계되고 제조될 수 있다. 임의의 적절한 물질, 예를 들어, 스테인레스 스틸 또는 다른 금속 합금, 예를 들어, 티타늄 합금이 벨로우즈의 주름부를 형성하는데 사용될 수 있다. 적절한 벨로우즈는 예를 들어, 플로리다주 벨로우즈테크(BellowsTech, LLC)사로부터 상업적으로 구입가능하다.
다른 실시예에서, 선형 작동체의 왕복운동 요소는 피스톤으로 형성된다. 피스톤은 가스 저장소(120)에 결합되거나 가스 저장소의 일부인 실린더 내에서 선형으로 병진이동하기 위해 모터에 결합된다. 피스톤 단부 면(또는 실린더)의 직경 또는 단면적은 고정되어 알려져 있다. 따라서, 벨로우즈에서와 같이, 피스톤이 선형으로 병진이동할 때, 부피 변화는 병진이동의 길이를 피스톤 단부면의 알려진 고정된 단면적과 곱한 것으로부터 결정될 수 있다. 병진이동의 길이는, 제어기(150)에 의해 제어되는 구동 모터의 증분 운동에 의해 결정되기 때문에 알려져 있다. 선형 작동체는 단일 구동 모터에 연결된 피스톤의 어레이를 말할 수도 있다. 여러 선형 또는 회전 구성을 갖는 피스톤을 사용하여, 예를 들어, 패키지 요구조건을 충족시킬 수 있다.
제어기(150)는 3가지 방식으로 압력을 조절할 수 있다. 가스-측 챔버(171)로 그리고 이후 유체-측 챔버(172)로 전달되는, 선형 작동체(115)에 의한 가스 저장소(120) 내 게이지 압력을 증가시키기 위해, 제어기(150)는 일 방향으로, 예를 들어, 시계방향으로 모터(110)를 이동시킬 수 있다. 가스-측 챔버(171)로 그리고 이후 유체-측 챔버(172)로 전달되는, 선형 작동체(115)에 의한 가스 저장소(120) 내 게이지 압력을 감소시키기 위해, 제어기(150)는, 반대 방향으로, 예를 들어, 반시계방향으로 모터(110)를 이동시킬 수 있다. 가스-측 챔버(171)로 그리고 이후 유체 측 저장소(172)로 전달되는 가스 저장소(120) 내에 0의 게이지 압력을 생성하기 위해, 제어기(150)는 벤트 밸브(112)를 활성화시킬 수 있다.
개요로서, 충전(FILL) 단계를 수행하는 동작에서, 벤트 밸브(112)는 폐쇄되고 선형 작동체(115)는 수축되고, 이는 부피를 증가시키고 가스 저장소(120)와 가스-측 챔버(171) 내 압력을 감소시킨다. 유체-측 챔버(172) 내 압력은 유사하게 감소되고, 이는 입구 밸브(135)에 걸쳐 압력 차를 초래한다. 압력 차가 입구 밸브의 크래킹 압력에 도달하면, 밸브는 개방되고, 유체 공급원으로부터 유체, 기본적으로 액체는 충전(FILL) 단계에서 입구 밸브를 통해 유체-측 챔버로 흐른다. 전달(DELIVER) 단계를 수행하기 위해, 벤트 밸브는 폐쇄되고 선형 작동체는 전진한다. 가스-측 챔버와 유체-측 챔버 내 압력이 증가하고, 이는 출구 밸브(145)에 걸쳐 압력 차를 초래한다. 압력 차가 출구 밸브의 크래킹 압력에 도달하면, 밸브는 개방되고 유체-측 챔버로부터 액체가 전달(DELIVER) 단계에서 출구 밸브를 통해 유체 싱크로 흐른다.
이제 도 2를 참조하면, 제어기(150)는 최소 입력과 출력을 사용하여 시스템의 흐름 제어를 달성한다. 선형 작동체(115)의 진행방향을 따른 지점, 즉 "홈(home)" 또는 "파크(park)" 위치는 저장매체(321)에 저장된다. 충전(FILL) 단계와 전달(DELIVER) 단계 동안 선형 작동체의 최대 진행 위치와 최소 진행 위치가 또한 저장된다. 주기적인 측정이 압력 센서(155)에 의해 이루어지고 압력 신호(322)로서 제어기(150)에 전달된다. 모터 제어 신호(324)는 모터 드라이브(110)로 전달되고 어느 방향으로 넓은 범위의 속력에 걸쳐 이동한다. 벤트 밸브(112)는 통상적으로 폐쇄되어 있고 벤트 제어 신호(325)를 통해 프로그램으로 개방될 수 있다. 제어기는 타이밍용 클록(326)을 더 포함한다.
예를 들어, 전체적인 펌핑 시스템으로부터 다른 제어기 또는 호스트 프로세서(380)로부터 오는 커맨드는 디지털 방식으로, 예를 들어, 직렬 통신 링크(323)를 통해 교환될 수 있다. 단지 작은 수의 지원된 커맨드와 질문만이 요구된다. 통신 링크는 공통인 프로토콜, 예를 들어, Wi-Fi(IEEE 802 무선 표준), I2C, SPI, 지그비(ZigBee), USB, TCP/IP, BTLE, 또는 다른 프로토콜을 사용할 수 있다. 높은 레벨, 간단한 통신 시스템을 사용하면 간략화된 소프트웨어 아키텍처 및 보다 신뢰성 있는 검증 공정이 가능하다. 다른 제어기(380)는 시스템 제어기(150)로부터 데이터를 수신하고 명령을 시스템 제어기로 전달하는 프로그램 또는 애플리케이션(앱)을 포함하는, 모바일 디바이스, 예를 들어, 아이폰(iPhone), 또는 태블릿 디바이스, 예를 들어, 아이패드(iPad)에 존재할 수 있다.
도 3은 선형 작동체(115)의 여러 상태와 위치와의 연관성을 도시한다. 선형 작동체(115)는 제어기(150)의 제어 하에 모터(110)에 의해 임의의 위치로 이동될 수 있다. 전체 행정을 따라 존재하는 특정 위치는 다음과 같이 설명된다. 파크 위치(811)("홈" 위치), MAX 위치(또는 MAX 피스톤)(812)(선형 작동체가 펌핑 사이클 동안 완전히 수축된 위치), 및 MIN 위치(815) (또는 MIN 피스톤)(선형 작동체가 펌핑 사이클 동안 최소로 수축된 (또는 완전히 전진된) 위치)는 설계에 의해 고정된 위치이다. (출구 밸브가 개방될 때) POS 크래킹 위치(813)와 (입구 밸브가 개방될 때) NEG 크래킹 위치(814)는 주입 조건에 따라 가변적이다. 제어기(150)는 선형 작동체(115)의 움직임과 압력 신호(322)의 해석을 결정하는 수 개의 상태들 중 하나의 상태에 시스템을 유지하는 명령을 포함한다. 아이들(idle) 동안, 시스템은 언록킹 상태(821)에 있고 선형 작동체는 파크 위치(811)로 간다. (호스트 프로세서(380)에 의해 전달될 수 있는) 주입을 시작하는 명령에서, 제어기(150)는 MIN 위치로 가는 TO_MIN 상태(822)에 들어가고 선형 작동체(115)는 벤트 밸브(112)가 개방될 때 MIN 위치(815)로 간다. 주입이 시작되면, 제어기(150)는 네거티브로 변하는 CHG(CHANGE) NEG 상태(823)에 들어가고, 벤트 밸브가 폐쇄되면, 선형 작동체(115)는 입구 밸브(135)가 NEG 크래킹 위치(814)에서 개방될 때까지 점진적으로 이동(수축)된다. 충전(FILL) 상태(824)가 시작되고, 이 충전 상태 동안 유체-측 저장소(172)는 공급원으로부터 액체로 충전되고, 유체-측 저장소(172)가 최대로 충전된 위치에 도달할 때까지 계속된다. 유체를 유체 싱크(140)에 전달하려고 준비를 할 때, 제어기(150)는 선형 작동체(115)를 MAX 위치(812)로 이동시키고, 벤트 밸브(112)는 TO MAX 상태(825)에서 개방된다. 제어기(150)는 CHG POS 상태(826)에 들어가고, 벤트 밸브가 폐쇄되면, 선형 작동체(115)는 출구 밸브(145)가 POS 크래킹 위치(813)에서 개방될 때까지 점진적으로 이동(전진)된다. 마지막으로, 선형 작동체(115)는 전달(DELIVER) 상태(827)에서 적절한 양의 유체를 전달하는 속력으로 전진한다. 전달 상태(827)가 완료될 때, 제어기(150)는 TO MIN 상태(822)로 다시 복귀하고, 설정된 타깃이 완료될 때까지 사이클을 계속한다.
가스 도관(178)과 펌핑 챔버(175)의 연결된 사공간(dead space)을 갖는 저장소(120)는 유한 부피를 구비한다. 선형 작동체(115)는 유한 진행 길이를 구비하고 양 방향으로 그 위치의 한계에 도달할 수 있다. 선형 작동체(115)가 MIN 위치(815)에 있을 때 제어기(150)가 압력 증가를 시도하면, 벤트 밸브(112)가 개방되는 동안 제어기는 선형 작동체를 MAX 위치(812) 쪽으로 이동시켜야 한다. 벤트 밸브를 사용하면 임의의 압력 변화를 생성함이 없이 선형 작동체를 이동시킬 수 있다. MAX 위치(812)에 도달하면, 벤트 밸브(112)는 폐쇄되고 선형 작동체는 MIN 위치(815) 쪽으로 이동되어, 저장소(120)의 유효 부피를 감소시키고 가스-측 챔버(171)의 압력을 증가시킨다. 유사하게, 선형 작동체(115)가 MAX 위치(812)에 있을 때 제어기(150)가 압력 감소를 시도하면, 벤트 밸브(112)가 개방되는 동안 제어기는 선형 작동체를 MIN 위치(815) 쪽으로 이동시켜야 한다. MIN 위치(815)에 도달하면, 벤트 밸브(112)는 폐쇄되고 선형 작동체는 MAX 위치(812) 쪽으로 이동되어, 저장소(120)의 유효 부피를 증가시키고 가스-측 챔버(171)의 압력을 감소시킨다. 벤트 밸브가 폐쇄된 상태에서, 선형 작동체(115)가 MAX 위치(812)로부터 MIN 위치(815)로 변위되면 부피가 변화하고 후속하여 출구 밸브의 크래킹 압력을 초과할 만큼 충분히 큰 압력으로 변화한다. 벤트 밸브가 폐쇄된 상태에서, 선형 작동체(115)가 MAX 위치(812)로부터 MIN 위치(815)로 변위되면 부피가 변화하고 후속하여 출구 밸브의 크래킹 압력을 초과할 만큼 충분히 큰 압력으로 변화한다. 유사하게, 벤트 밸브가 폐쇄된 상태에서, 선형 작동체가 MIN 위치로부터 MAX 위치로 변위하면 부피가 변화하고 후속하여 입구 밸브의 크래킹 압력을 초과할 만큼 충분히 큰 압력으로 변화한다.
도 4a는 유체 제어 시스템(100)의 일부를 형성하는 공기 제거 시스템(air elimination system: AES)(200)을 도시하는 도 1의 일부를 도시한다. 도 4b는 공기 제거 시스템(200)의 요소들의 상세도를 도시한다. 공기 버블(201)은 소수성 필터(202)와 직접 접촉하는 유체-측 챔버(172) 내에 도시된다. 소수성 필터의 타측은 대기로 이어지는 체크 밸브와 같은 일방향 밸브(204)와 도관(203)을 통해 연통한다.
유체 측 챔버(172)를 충전하고 배기(empty)하는 과정에서, 공기 버블(210)이 예를 들어 유체 측 챔버(172)에 들어가서, 가스 배기 결과, 유체가 이동한 새로운 연결을 만들고, 유체 공급원 용기 등을 배기할 수 있다. 유체 전달은 가스 측 챔버(171) 내에 음압과 양압을 야기하여, 유체-측 챔버(172)를 충전 사이클과 배기 사이클을 반복하는 것에 의해, 유연한 멤브레인(175)이 압력 차를 생성함이 없이 자유로이 이동할 수 있게 한다. 충전 위상이 완료되면, 음압이 가스-측 챔버(171)와 유체-측 챔버(172)에 가해져서, 유연한 멤브레인(175)이 챔버(170)에 의해 부과된 기계적인 한계에 도달하는 시간까지 유체 공급원(130)으로부터 유체를 유입한다. 벤트 밸브(112)를 활성화한 후, 제어기(150)는 커맨드를 모터(110)에 발행(issue)하여 작동체(115)를 순방향으로 이동시켜, 가스 저장소(120)의 부피를 감소시킨다. 최종 압력 변화는 아래에 더 설명된 바와 같이 측정된다.
출구 밸브(145)의 크래킹 압력은 일방향 밸브(204)의 크래킹 압력보다 상당히 더 높아야 한다. 공기 버블(201)이 존재하고 소수성 필터(202)와 표면 접촉하며, 유체-측 챔버(172) 내 압력이 도관(203) 내 압력보다 더 큰 상황에서, 공기 버블(201)은 소수성 필터(202) 양단에 압력 차가 없는 시간까지 소수성 필터(202)를 자유로이 이동한다. 도관(203) 내 게이지 압력이 일방향 밸브(204)의 크래킹 압력보다 더 높으면, 공기는 개방된 일방향 밸브를 통해 대기로 진행한다. 일방향 밸브가 폐쇄되면, 도관 내 잔류 압력이 일방향 밸브의 크래킹 압력과 같아진다. 액체는 소수성 필터(202)의 물리적 특성에 의하여 시스템을 나가거나 들어가는 것이 방지된다. 대기로부터 공기는 일방향 밸브(204)의 기계적인 특성으로 인해 시스템에 들어가는 것이 방지된다.
유체-측 챔버(172) 내 압력이 네거티브인 시스템의 충전 위상에서, 도관(203)에 트랩되고 가압된 작은 분량의 공기는 유체-측 챔버(172)에 다시 들어가서, 소수성 필터(202)의 표면으로부터 액체 장벽을 푸시하거나 멀리 클리어링하는 역할을 할 수 있다. 이 작은 분량의 공기는 유체-측 챔버(172)에 대해 사소한 부피이지만, 펌핑 시스템의 효율을 사소하게 감소시키는 부피의 역류를 나타낸다. 그러나, 필터의 클리어링은 특히 강한 표면 장력 특성을 갖는 콜로이드성 현탁액, 지질, 및 다른 유체를 장기간 주입하는데 유리하다.
공기 필터(202)와 일방향 밸브(204)는 유체-측 챔버(172) 내 임의의 적절한 위치에 위치될 수 있다. 일 실시예에서, 이들은 하우징의 강성 벽에 위치되고 가스를 주위로 벤트한다. 다른 실시예에서, 이들은, 아래에 더 설명된 바와 같이 멤브레인(175) 내에 위치되고 가스를 가스-측 챔버(171)로 벤트한다.
일 실시예에서, 유체 제어 시스템은 2개의 서브시스템으로 구현된다. 하나의 서브시스템은 가스-측 챔버(171)와 유체-측 챔버(172)를 포함하는 펌핑 챔버(170), 멤브레인(175), 및 입구 및 출구 밸브(135, 145)를 포함하는 유체 투여 세트(102)를 포함한다. 유체 투여 세트는 일회용일 수 있고 살균 상태로 유지될 수 있다. 튜빙은, 원하는 경우, 입구 및 출구 밸브에 부착되거나 부착가능한 서브시스템의 일부로 포함될 수 있다.
다른 서브시스템은 가스 저장소(120)로부터 가스-측 챔버로 도관(178)을 통해 유체 투여 세트(102)에 용이하게 연결될 수 있는 공압 드라이브(101)를 포함한다. 도관(178)은 임의의 길이, 예를 들어, 최대 40 피트(feet) 또는 그 이상일 수 있다. 더 큰 길이를 갖는 도관에서는, 유체 투여 서브시스템은 일부 상황에서 유리할 수 있는 공압 드라이브 서브시스템의 부근으로부터 제거될 수 있다. 예를 들어, 일부 환자에게는, 예를 들어, 내부 출혈을 검출하기 위해 유체의 주입과 MRI(magnetic resonance imaging)가 긴급히 요구된다. 그러나, 대부분 주입 펌프의 전자회로는 이들 펌프가 MRI 장비 근처에서 동작하는 것을 금지한다. 따라서, 이들 환자는 필요한 주입이 완료될 때까지 MRI를 지연시키거나, 또는 MRI가 완료될 때까지 주입을 지연시켜야 한다. 그러나, 본 유체 제어 시스템의 유체 투여 서브시스템(101)은 전자회로를 포함하지 않고, MRI 장비 근처에서 사용될 수 있다. 따라서, 적절한 길이를 갖는 도관을 사용하는 것에 의해, 유체 투여 서브시스템은 공압 드라이브 서브시스템(102)으로부터 거리가 변위될 수 있고 MRI 장비 근처로 가져갈 수 있어서, 환자가 MRI를 수신하는 동안 환자에 주입을 계속할 수 있다.
일 실시예에서, 도 5a 내지 도 12b를 참조하면, 유체 투여 서브시스템(102)은 제거가능한 것으로 구현되고, 원하는 경우, 공압 드라이브(102)와 접촉하는 하우징에 의해 지지되는 일회용 카세트로 구현된다. 카세트(210)는 유체 공급원(130)으로부터 유체 싱크(140)로, 즉, 환자의 맥관 구조로 살균 경로를 생성한다. 하우징(260)은 카세트(210)와 접촉하고 이 카세트를 제 위치에 유지하여, 공압 드라이브(102)로부터 멤브레인(175)으로 압력을 전달한다. 하우징(260)은 카세트 상부(222)와 공기 기밀 억지 끼워맞춤을 생성하여, 공압적인 연결부(261)에 연결된 양압 및 음압 공기 압력으로 공기 밀봉 링(212)을 연결한다. 선형 작동체(115)에 생성된 가스 압력은 펌프 하우징(260) 내 공압적인 연결부(261)에 연결된다. 도 5b에 도시된 바와 같이 펌프 하우징에 삽입된 카세트와 결합될 때, 공기 기밀 밀봉이 공압적인 연결부(261)와 공기 밀봉 링(212) 사이에 생성된다. 선형 작동체로부터 가스-측 챔버(171)로 연결된 공압적인 연결부(261)와 함께 하우징(260)과 접촉하는 카세트 상부의 평평한 표면은, 용이하게 클린으로 유지되고 소독될 수 있는 표면을 제공한다.
도 4를 참조하면, 카세트(210)는 강성 판 카세트 바닥부(225) 및 유연한 멤브레인(175)과 샌드위치 구성을 형성하는 강성 몰딩된 카세트 몸체(220)를 포함한다. 멤브레인(175)은 전술한 바와 같이 카세트(210)의 매우 유연한 불투과성 특징이고, 몸체의 내부를 유체-측 저장소(172)와 가스-측 저장소(171)로 분리한다. 가스 필터(216)는 카세트 몸체(220)에 고정된다. 입구 밸브(135)와 출구 밸브(145)는, 유체 흐름이 입구 튜브(180)로부터 출구 튜브(190) 쪽으로만 진행될 수 있는 방식으로 배향되어 카세트 몸체(220)에 조립된다. 입구 밸브(135)는 크래킹 압력에 도달된 후 공급원(130)으로부터 카세트 몸체(220)와 카세트 바닥부(225)에 의해 한정된 펌핑 챔버(170)로 흐르게 하는 유체 경로 내 일방향 밸브이다.
멤브레인(175)과 카세트 바닥부(225)는 카세트 몸체(220)에 접합되어 누설(leak) 없는 살균 유체 경로를 생성한다. 공기 체크 밸브(215)는 카세트 몸체(220)에 조립되고, 카세트 상부(222)는 카세트 몸체(220)에 접합된다. 바이패스 나사(265)는 입구 튜브(180)와 출구 튜브(175) 사이에 수동 흐름 개구를 제공하여, 카세트(210)가 시스템으로부터 제거될 때 유체를 수동으로 흐르게 할 수 있다. 공기 밀봉 링(212)은 카세트 밀봉 표면(221) 위 카세트 상부(222)에 부착된다.
도 7a는 카세트(210)의 단면을 도시한다. 가스 압력은 가스 밀봉 링(212)과 카세트 밀봉 표면(221)을 통해 전달된다. 압력은 가스 체크 밸브(215)에 의해 통상적으로 차단되고, 공압적인 경로(227)를 통해 가스-측 저장소(171)로 전달된다. 멤브레인(175)은 유체 측-저장소(172)에 놓여 있는 유체로부터 구동 가스 압력을 분리한다. 카세트 몸체(220), 카세트 상부(222), 및 카세트 바닥부(225)는 유체 기밀 밀봉된 경로를 제공한다. 바이패스 나사(265)는 입구 튜브(180)와 출구 튜브(190) 사이에 자유로운 흐름을 통상적으로 차단한다. 가스 필터(216)는 유체-측 저장소(172)와 가스 체크 밸브(215) 사이에 놓여 있다. 도 7b는 입구 밸브(135)와 출구 밸브(145)의 단면을 도시한다.
도 7a를 참조하면, 멤브레인(175)은 유체/가스 장벽을 생성한다. 유체는 입구 튜브(180)로부터 출구 튜브(190)로 일방향으로만 유체의 흐름을 허용하는 각 일방향 밸브인 입구 밸브(135)와 출구 밸브(145) 사이에 유체-측 저장소(172)를 점유한다. 유체-측 저장소(172)에 유지되는 유체는 멤브레인(175)을 통해 가스-측 저장소(171)로부터 분리되어 유지된다. 멤브레인(175)이 유연하고 자유로이 이동하는 경우, 멤브레인 양단 압력 차는 무시가능하다. 유체 측 저장소(172)에 놓여 있는 동안 유체는 전술한 바와 같이 능동적으로 공기를 제거하기 위해 가스 필터(216)와 접촉한다.
도 7b를 참조하면, 입구 밸브(135)와 출구 밸브(145)는 대칭적이고, 유체-측 챔버(172)의 어느 측에서 수동 체크 밸브로 기능한다. 유체-측 챔버(172)로부터, 유체는 양압에 의해 출구 밸브(145)를 통해 출구 튜브(190)로 구동되어, 유체 싱크(140)로 이어질 수 있다. 공급원(130)으로부터 싱크(140)로 가는 전체 경로(131)는 밀봉되고 살균된다.
도 8은 입구 밸브(135)의 단면이다. 출구 밸브(145)의 기하학적 형상과 기능은 동일하여, 동일한 요소들이 적용된다. 입구 밸브(135)는 카세트 몸체(220)에 조립되고, 멤브레인(175)과 카세트 바닥부(225)가 카세트 몸체(220)에 접합되어 유체 기밀 밀봉을 생성한다. 유체(50)는 근위 밸브 챔버(235)와 자유로이 연통한다. 밸브 흐름 채널(237)은 원위 밸브 챔버(236)로 경로를 제공하지만, 입구 밸브(135)는 밸브 안착부(234)에서 밀봉되기 때문에 유체의 흐름을 방지한다. 갭은 형성되고 유체는 압력 차 힘이 밸브 힘(242)을 초과할 때 근위 밸브 챔버(235)로부터 원위 밸브 챔버(236)로 밸브 안착부(234)에서 흐른다. 밸브 힘(242)은 밸브 리테이너(233)와 밸브 안착부(234)의 상대적 위치에 의해 결정된다. 유체의 흐름은 밸브 입구 채널(238)을 통해 원위 밸브 챔버(236)에서 빠져나가서, 유체-측 저장소(172)에 들어간다.
도 8을 참조하면, 유체(50)는 입구 튜브(180)로부터 오고, 원위 밸브 챔버(236)에 비해 압력 차가 밸브 힘(242)을 오프셋시켜서 입구 밸브(135)를 개방시킬 만큼 높지 않는 한, 근위 밸브 챔버(235)에 놓여 있다. 입구 밸브(135)가 개방될 때, 유체는 밸브 흐름 채널(237)을 통해, 밸브 안착부(234)를 거쳐 원위 밸브 챔버(236)로 진행한다. 압력이 유체-측 챔버(172)에서 상대적으로 네거티브인 조건에서, 유체는 밸브 입구 채널(238)을 통해 진행한다.
유체 측 저장소(172) 내 압력은 밸브 입구 채널(238)을 통해 원위 밸브 챔버(236)로 전달된다. 원위 밸브 챔버(236) 내 압력이 근위 밸브 챔버(235) 내 압력보다 더 큰 경우, 밸브 안착부(234)에서 힘이 증가되고 입구 밸브(135)는 유체 흐름에 대해 폐쇄된 채 유지된다. 원위 밸브 챔버(236) 내 압력이 근위 밸브 챔버(235) 내 압력 미만이면, 밸브 안착부(234) 내 힘이 감소되고 입구 밸브(135)는 유체가 흐르게 개방된다. 밸브 안착부(234)에서 입구 밸브(135)를 개방시키는데 요구되는 힘은, 임의의 주어진 물질에 대해, 밸브 리테이너(233)와 밸브 안착부(234) 사이의 거리의 함수인 밸브 힘(242)에 의존한다. 밸브 리테이너와 밸브 안착부 사이의 갭이 증가하면 밸브 힘이 증가하여, 입구 밸브(135)를 개방하려면 근위 밸브 챔버(235)와 원위 밸브 챔버(236) 사이에 더 높은 압력 차를 요구한다. 출구 밸브(145)의 기능은 입구 밸브(135)의 기능과 동일할 수 있다.
많은 펌핑 응용에서, 체크 밸브 기능은 최대 흐름에 요구되는 2 인치 높이의 물(water)의 압력 정도의 최소 순방향 압력을 가지고 역전 흐름을 완벽히 밀봉하는 것이다. 본 유체 제어 시스템에서, 순방향 크래킹 압력은 30 인치 높이의 물의 압력 또는 1 PSId 정도로 의도적으로 높다. 이 높은 크래킹 압력은 밸브 안착부(seat)(234)에서 상당한 크기의 간섭과 상당한 밸브 힘(242)으로 변환되어, 간섭 부분의 제조 공차를 크래킹 압력에 상당한 변동을 생성하지 않는다.
도 9는 카세트(210)의 중심 부분의 상세 단면을 도시한다. 가스 양압은 가스 밀봉 링(212)을 통해, 카세트 밀봉 표면(221)을 거쳐, 가스 체크 밸브(215)로 전달된다. 가스 밸브 흐름 채널(245)은 가스 체크 밸브(215)에 의해 차단되고, 흐름은 유체-측 저장소(172) 쪽으로 들어가지 않는다. 특정 레벨의 가스 음압은 가스 체크 밸브(215)를 비틀어서, 유체-측 저장소(172)로부터 카세트 밀봉 표면(221) 쪽으로 가스 밸브 흐름 채널(245)을 통해 흐르게 한다. 액체의 흐름은 유체-측 저장소(172)와 카세트 밀봉 표면(221) 사이에 배치된 가스 필터(216)의 특수한 물리적 특성에 의해 정지된다. 가스 필터(216)는 액체의 흐름이 아니라 가스의 흐름을 허용하는 소수성 물질로 형성된다. 가스 체크 밸브(215)를 개방하고 가스 밸브 흐름 채널(245)을 통한 흐름을 허용하는데 요구되는 압력은 카세트 밀봉 표면(221)과 유체-측 저장소(172) 사이의 압력 차이다. 멤브레인(175)은 자유로이 이동하고 있으므로, 가스-측 저장소(171) 내 압력은 유체-측 저장소(172) 내 압력과 효과적으로 동일하다.
유체(50)는, 실제로 의료 펌프로부터 환자에 주입하기 위한 것으로, 공기(가스)와 액체의 조합이다. 특히 초기 프라이밍 기능 동안 또는 공급원 용기에 변화가 일어날 때, 다량의 공기가 유체-측 챔버(172)에 나타날 수 있다. CHG NEG 상태(823)와 충전(FILL) 상태(824) 동안, 네거티브 게이지 압력이 선형 작동체(115)에 의해 생성된다. 이 음압은 카세트 밀봉 표면(221)과 가스 체크 밸브(215)의 상부에서 나타난다. 유체-측 챔버(172)가 가스 필터(216)의 표면과 접촉하는 공기를 포함하면, 공기의 흐름은 유체-측 챔버(172)로부터 가스 체크 밸브(215)를 통해 카세트 밀봉 표면(211)으로 진행할 수 있다. 상대적으로 높은 크래킹 압력을 각각 구비하는 입구 밸브(135)와 출구 밸브(145)와 달리, 가스 체크 밸브(215)는 상대적으로 낮은 크래킹 압력을 구비하여 용이하게 개방된다. 공기가 유체-측 챔버(172) 내에 포함되지만, 가스 체크 밸브(215)의 표면과 접촉하지 않는 경우, 이 공기는 유체-측 챔버(172)에 유지된다. 대부분의 상황에서, 제한없는 분량의 공기가 제거될 수 있다 하더라도 이 잔류 공기를 검출하는 요구조건은 여전히 중요하다.
도 10은 공기 필터(216)의 근처에서 카세트(210)의 구성의 상세를 도시한다. 가스 체크 밸브(215)는 상부로부터 카세트 몸체(220)로 삽입된다. 가스 필터(216)는 가스 필터 안착부(252)에 끼워진다. 유체는 유체-측 저장소(도 10에 미도시)의 공간에 멤브레인(175)의 상부에 놓여 있고 밸브 출구 채널(253)을 통해 빠져나간다. 유체는 밸브 입구 채널(238)을 통해 유체-측 저장소(172)에 들어간다. 도 10b는 조립된 바와 같이 가스 체크 밸브(215), 카세트 몸체(220), 및 가스 필터(216)의 관계를 도시한다.
넓은 흐름률 범위에 걸쳐 정확히 주입하고, 상태를 모니터링하며, 공기 버블을 제거하는 능력은 본 시스템의 유용한 특징이지만, 유체 흐름을 수동으로 제어하는 것이 요구되는 경우도 있을 수 있다. 도 11a 및 도 11b는 입구 튜브(180)와 출구 튜브(190) 사이에 바이패스 채널(267)을 개방할 수 있는 바이패스 밸브(265)의 일 형태를 도시한다. 바이패스 채널(267)은 입구 밸브(135)에 근위로부터 출구 밸브(145)의 원위로 흐름 경로를 생성하는 카세트(210)에 특징부이다. 이 바이패스 채널은 바이패스 밸브에 의해 통상적으로 폐쇄된다. 바이패스 밸브는 카세트 몸체(220)에 있는 내부에 나사산 형성된 애퍼처(269) 내에 끼워지는 나사(266)를 포함한다. 나사는 카세트 몸체(220)로부터 돌출하는 핸들(271)에 의해 회전될 수 있다. 개구(268)는 나사를 통해 형성된다. 도 11a는 개구(268)가 채널(267)과 정렬되어, 유체가 카세트를 통해 흐를 수 있는 개방된 위치로 회전된 바이패스 밸브를 도시한다. 도 11b는 개구(268)가 채널(267)과 정렬되지 않은 폐쇄된 위치로 90°회전된 바이패스 밸브를 도시한다. 유체 흐름은 채널(267)로부터 차단되고 입구 밸브(135)로 전환된다.
도 12a는 카세트(210)의 분해도이다. 가스 압력은 카세트 몸체(220) 내 공압적인 경로(272)로 횡단하기 전에 가스 밀봉 링(212)과 카세트 밀봉 표면(221)을 통해 전달된다. 멤브레인(175) 내 멤브레인 가스 관통홀(276)을 통해 가스는 카세트 바닥부(225) 내 바닥부 가스 경로(278)에 도달할 수 있다. 바닥부 가스 경로(278)는 가스-측 챔버(171)로 연통되어, 가스 압력이 멤브레인(175)에 도달하고 유체-측 챔버(172)로 연통된다. 도 12b는 공압적인 경로(272)를 도시하는 카세트 몸체(220)의 평면도이다. 또한 밸브 출구 채널(281)이 도시된다.
임의의 정맥 펌프의 주요한 요구조건은 투여 세트가 펌프로부터 제거될 때 환자에 런어웨이 과주입(runaway overinfusion)을 방지하는 것이다. 제어기(150)가 언록킹(UNLOCK) 상태(821)로 갈 때까지 카세트(210)는 펌프 하우징(260)과 그 관계가 유지된다. 유저는 펌프 하우징(260)으로부터 카세트(210)를 제거할 수 있고 압력은 가스-측 챔버(171)로부터 제거된다. 공급원(130)의 헤드 높이는 입구 튜브(180)와 출구 튜브(190)의 총 튜빙 길이에 의해 제한되어, 구동 압력은 2 PSIg 미만으로 제한된다. 입구 및 출구 밸브(135, 145)는 직렬로 동작되고, 각 밸브는 2 PSI의 총 크래킹 압력에 대해 1 PSI 정도의 크래킹 압력을 가진다. 정상적인 응용에서, 구동 압력은 2 PSI보다 훨씬 미만이어서, 흐름이 신뢰성 있게 정지하고 자유로운 흐름 상태에 있지 않다.
높은 크래킹 압력 체크 밸브의 하나의 이익은 유체 흐름을 달성하는데 상당한 양압 및 음압의 요구조건이다. 싱크로 유체 흐름의 중단은 구동 압력을 단순히 경감하는 것에 의해 달성될 수 있다. 벤트 밸브(112)를 활성화하면 출구 밸브(145)를 통한 유체 흐름을 즉시 정지할 수 있다. 출구 튜브(190)에 일부 저장된 커패시턴스가 있을 수 있으나, 이는 싱크(140)로 계속 방전되고 이 값은 시스템의 일반적으로 낮은 동작 압력으로 인해 작다.
도 13은 페일세이프 회로의 일 실시예를 도시한다. 벤트 기능은 벤트 백업 밸브(512)를 추가하는 것에 의해 중복해서 이루어진다. 벤트(112) 또는 벤트(512)를 활성화하면 가스-측 챔버(171)의 게이지 압력을 0으로 감소시키고 유체 흐름이 정지한다. 벤트 밸브(112)는 정상 동작 동안 제어기(150)의 디지털 로직 회로에 의해 활성화된다. 벤트 백업 밸브(512)는 호스트 프로세서(380)로부터 정기적인 통신에 응답하여 제어기(150)로부터 용량성 방전에 의해 동작되고, 이 방전은 매 두 번째 펄스에 의해 중단(hold in abeyance)된다. 호스트 프로세서(380)가 제어기(150)와 성공적으로 통신하지 못하거나 또는 제어기(150)가 일관적이지 않은 경우, 펄스는 발행되지 않아서 용량성 방전을 보류하고, 벤트 백업 밸브(512)는 총 전력 손실의 경우에도 활성화된다. 벤트 백업 밸브(512)는 벤트 백업 밸브(512)의 적절한 동작을 테스트하기 위해 펄스를 보류하는 것에 의해 루틴하게 활성화될 수 있다.
유체 시스템을 제어하는 것이 보다 구체적으로 다음과 같이 설명된다. 주입 동안 이루어지는 측정을 사용하여 다음을 결정할 수 있다:
a) 싱크(환자)로 전달되는 액체의 양;
b) 유체 라인 내 공기의 양;
c) 공급원 유체 압력;
d) 공급원 유체 임피던스;
e) 싱크(환자) 라인 압력;
f) 싱크(환자) 라인 임피던스;
g) 모터 움직임의 검증; 및
h) 벤트 기능의 검증.
시스템에 대한 유체 흐름 환경에 대한 상당한 개수의 특성이 있다 하더라도, 모든 정보를 추론하는데 조사하는 파라미터는 단 3개만이 있다. 압력 신호(322)는 제어기(150)로부터 질문 하에서 절대 압력을 측정한다. 제2 파라미터는 선형 작동체(115)의 위치이다. 스테퍼 모터와 홈 스위치를 사용하면 선형 작동체의 측정을 정확히 측정할 수 있다. 시간은 제3 파라미터이다. 시스템의 유효 흐름률이 저장소(120) 및 연결된 가스-측 챔버(171)에서 생성되는 압력에 종속한다 하더라도, 제어기(150)는 특정 구동 압력을 유지하려는 시도를 하지 않는다. 압력 생성은 시스템에서 종속 변수이다.
모터의 각 단계는 시스템에서 가스 부피의 알려진 상수 변화를 제공한다. 절대 압력에서 최종 변화는 총 가스 부피의 측정값을 제공한다. 따라서, 모터의 각 단계는 임의의 시간 지점에서 유체 부피의 표시(indication)를 제공한다. 시간에 따른 유체 부피의 변화는 흐름률의 표시를 제공한다. 왕복운동 요소가 전진되면, 유체를 구동하는 압력은 제일 먼저 증가하고 나서, 유체가 시스템을 떠나서 싱크로 "누설"되면서 감소한다. 이것은 압력 대(vs.) 시간의 그래프에서 단차진 또는 톱니 형상으로 표시된다(예를 들어, 도 16 참조.) 압력의 변화는 유체 흐름률과 관련된 실시간에 비례하는 신호를 제공한다.
제어기는 이상 기체 법칙을 사용하여 많은 계산을 수행한다. 이상 기체 법칙은 다음과 같다:
PV = nRT
여기서, P는 가스의 절대 압력이고, 압력 센서에 의해 측정된다;
V는 가스의 부피이고 모터 단계의 수에 의해 결정된다;
n은 부피로 가스의 몰의 수이고 여기서는 변치 않는다;
R은 보편 가스 상수이고;
T는 절대 온도이다.
제어기는 상이한 시간에서 압력과 부피의 측정값을 비교한다:
P1V1 / n1R1T = P2V2 / n2R2T2
이 시스템에서, n1 = n2이고 R1 = R2이며 절대 온도 T1과 T2는 측정된 시간 간격으로 효과적으로 변치 않는다. 부피 V1과 V2은 저장소(120)에서, 카세트에서, 그리고 저장소(120)와 챔버(170) 사이의 도관과 같은 사공간에서 총 가스 부피이다. 저장소의 부피는 계산에 의해 결정될 수 있다. 사공간의 부피은 변치 않고, 카세트에서 총 포함된 부피는 불변이다. 따라서, 카세트에서 액체 부피의 변화는 이 관계식으로부터 연산될 수 있다. 압력 P1과 P2은 부피 변화의 전과 후일 수 있는 2회에서 측정된 압력이다. 따라서, 관계식은 다음과 같다:
P1V1 = P2V2
압력 트랜스듀서(155)를 통해 수집된 압력 신호는 여러 조건 하에서 가스 저장소(120) 내 압력의 변화를 나타낸다. 가스 저장소(120) 내 압력은 3개의 조건 하에서 변화할 수 있다: 첫째, 작동체(115)가 가스 저장소(120) 내에서 이동하고 가스 부피를 변화시키는 경우; 둘째, 유체가 출구 밸브(145)를 통해 유체 싱크(140)로 유체-측 챔버(172)를 떠나는 경우; 및 셋째, 유체가 유체 공급원(130)으로부터 입구 밸브(135)를 통해 유체-측 챔버(172)에 들어가는 경우.
도 14를 참조하면, (예를 들어, 알려진 거리만큼 왕복운동 요소(115)를 이동시키는 것에 의해) 알려진 부피 감소에 압력 응답이 A로 도시된다. 압력은 입구 밸브와 출구 밸브를 폐쇄시킨 채 부피의 알려진 감소 전과 후에 센싱된다. 신호(A)를 계산시 사용하여 총 가스 부피의 측정으로 이어진다. 시간(t1)에서 총 가스 부피의 계산의 일례는 다음과 같다:
작동체, 예를 들어, 벨로우즈 또는 피스톤의 유효 표면적(A)는, 예를 들어, 1.3㎠에 고정된다. 작동체는 모터에 의해 초기 변위 위치 D초기 = 1㎝로부터 최종 위치 D최종-1 = 2㎝로 이동된다. 입구 밸브와 출구 밸브가 폐쇄된 동안 부피 변화(V변화)는 이동된 거리와 면적을 곱한 것으로 계산될 수 있다:
V변화 = A(D초기 - D최종-1) (1)
= 1.3㎠(1㎝ - 2㎝)
= -1.3㎤
작동체가 D초기에 있을 때 압력은 P초기 = 15 psi인 것으로 측정되고, 작동체가 D최종에 있을 때는 P최종-1 = 20 psi인 것으로 측정된다. 시간 t1에서 초기 부피(V초기)는 다음과 같이 계산된다:
Figure 112015123063117-pct00001
V초기 = 5.2㎤
전술한 바와 같이, 유체-측 챔버에서 유체의 압력 변화는 가스-측 챔버 내 가스 압력의 변화와 등가이다. 따라서, 유체 부피 변화는 상기 수식 1 및 수식 2를 사용하여 2개의 상이한 시간에서 총 가스 부피를 계산하는 것에 의해 계산될 수 있다. 예를 들어, 시간(t2)에서, 작동체는 부피 변화 V변화-2 = 1.3㎤에 대해 1㎝ 다시 이동된다. 작동체를 이동시키기 전과 후에 압력은 P초기 = 15 psi 및 P최종-2 = 19.5 psi인 것으로 측정된다. 수식 2를 사용하여, 총 가스 부피는 5.63㎤인 것으로 계산된다. t1 및 t2에서 가스 부피 사이의 차이는 다음과 같다:
5.65㎤ - 5.2㎤ = 0.43㎤
이 값을 사용하여 누적적으로 전달된 부피를 증분시킬 수 있다. 유체 부피 변화를 알면, 유체 싱크로 전달된 유체의 양이 작동체의 알려진 증분 선형 움직임으로 조정된 압력 측정만을 사용하여 정확히 모니터링될 수 있다.
도 15를 참조하면, 벤트 밸브(112)가 개방될 때 압력 응답은 B1으로 도시된다. (압력은 0 PSIg로 리턴된다.) 알려진 부피 증가에 압력 응답은 B2로 도시된다(벤트 밸브가 폐쇄된 상태에서). 신호(B2)를 계산시에 사용하여 상기 예에서 설명된 바와 같이 예를 들어, 충전 사이클 동안 총 가스 부피의 측정값으로 이어진다. 압력은 증가된 변위의 전과 후에 측정된다.
도 16은 출구 밸브가 폐쇄되어 있기 때문에 가스 부피를 점진적으로 감소시키고 압력을 증가시키는 작동체(115)의 개개 증분 움직임에 대한 압력 응답을 도시한다. 압력 증가는 D로 도시된다. D의 확대도에 도시된 바와 같이 D에서 압력은 모터 이동들 사이에 변치 않게 유지되는 것으로 주목된다. 충분한 압력에 도달되면, 출구 밸브는 C에 도시된 바와 같이 개방되고, 압력 감쇠가 측정된다. 유체가 출구 밸브를 통해 전달될 때, 모터 타이밍을 위한 계산은 도 17을 참조하여 다음 예에서 나타난 바와 같이 이루어진다.
모터 상수가 시스템의 가스 저장소(120)의 기하학적 형상에 기초하여 다음과 같이 주어진다:
MOTmcl = 17.3 μL
MOT행정 = 88
VOLdel = 0 μL
MOTmcl은 벨로우즈 또는 피스톤의 유효 표면적을 단일 단계의 선형 변위를 곱한 것에 기초하여 상수로 계산된다. MOT행정은 공칭 FULL DELIVERY 사이클에서 취해진 모터 단계의 수이다. 도 17에서, 실선 라인은 타깃 주입 율(VOLtgt / SECtgt)이다. 점선 라인은 시작 시간(START TIME)으로부터 지금 시간(TIME NOW)(VOLdel / SECelp)때까지 경과된 시간 동안 실제 주입 율을 나타낸다. 대시 라인은 타깃 율을 만족하는데 계산된 주입 율이다. 그 다음 최대 행정의 종료에서 전달될 액체의 양인 타깃 부피(VOLtgt)의 연산은 다음과 같다:
VOLtgt = VOLdel + (MOTmcl * MOT행정)
주입 시작 후 경과된 시간(SECelp)(초 단위)은 다음과 같이 연산된다:
SECelp = 지금 시간 - 시작 시간
이것은 만약 필요한 경우 다음과 같이 mL/hour로부터 μL/sec로 변환될 수 있다:
1000 * 율 (ml/hr)
율 (μL/sec) = ---------------------
3600 sec/hr
타깃 흐름률에 기초하여 타깃 부피가 완료되어야 하는 시간(초 단위)은 다음과 같이 연산된다:
SEC종료행정 = VOLtgt / 율(μl/sec)
그 다음 행정이 타깃을 달성하기 위해 완료되어야 하는 시간(sec 단위)은 다음과 같이 연산된다:
SEC행정 = SEC종료행정 - SECelp
율을 달성하기 위해 모터 단계들 사이의 시간(msec로 변환된)(MOTbtwstep)은 다음과 같이 연산된다:
MOTbtwsteps = SEC행정 * 1000 /MOT행정
시스템은 또한 주입 동안 일어나는 여러 조건에 대응할 수 있다. 예를 들어, 도 18은 유체 싱크(140)의 정수압(hydrostatic pressure)이 변할 때 가능한 압력 응답을 도시한다. 압력 패턴(E)은 압력의 감소를 나타낸다. 시스템이 패턴(E)으로 도시된 감소를 검출하면, 시스템은 압력 증가를 도시하는 압력 패턴(F)으로 나타난 압력을 증가시키도록 응답한다.
도 19는 유체 싱크(140)로 흐름의 임피던스가 변할 때 압력 응답을 도시한다. 압력 패턴(G)은 싱크 임피던스가 증가된 것을 나타내는 압력 변화를 도시한다. 압력 패턴(H)은 싱크 임피던스가 감소된 것을 나타내는 압력 변화를 도시한다.
시스템은 임피던스 변화및 싱크 압력의 변화 사이를 구별할 수 있다. 도 20을 참조하면, 압력 상승이 J로 나타낸 것으로 검출된다. 작동체(115)의 움직임은 K로 도시된 베이스라인 압력을 더 잘 볼 수 있도록 느리져 있다. 이 경우에, 베이스라인 압력은 상승하지 않아, J에서 본 압력 상승이 유체 흐름의 증가된 임피던스로부터 초래되는 표시를 제공한다.
제어기(150)의 동작은 보다 구체적으로 다음과 같이 더 설명된다. 제어기(150)에 의해 측정되거나 또는 계산된 파라미터는 다음 표에 제시된다:
Figure 112015123063117-pct00002
호스트 프로세서(380)는 2개의 변수를 제어기(150)(또는 제어기는 유저 입력에 기초하여 계산된다)에 송신한다. 타깃 부피는 통신 시간, 시작 시간으로부터 시작하여 타깃 시간 기간에 걸쳐 유체 싱크(140)로 전달될 액체의 마이크로리터 단위의 측정값이다.
전달된 부피의 측정, 싱크로 전달된 액체의 부피는, 타깃 전달, 타깃 부피를 계산하는 주요 파라미터이다. 이 측정에는 2개의 컴포넌트가 있는데, 제1 컴포넌트는 전달된 최대 부피로, 이는 전달 상태(827)의 완료된 상태의 기록(tally)이다. 제2 컴포넌트의 전달된 중간 부피는 단일 진행 중인 전달 상태(827)의 중간에서 전달된 유체의 추정값이다. 각 전달 상태(827)가 완료되면, 전달된 중간 부피가 0으로 설정되고 전달된 최대 부피가 증분된다. 다수의 사이클에 걸쳐, 전달된 중간 부피의 정확도는 관련성이 더 적으나, 많은 시간(hour) 동안 단일 행정 부피를 전달할 수 있는 낮은 흐름률에 대해서는 여전히 중요하다. 전달된 중간 부피는 2개의 방식으로 연산될 수 있다. 대부분 조건 하에서, 전달 상태(827) 동안 취해진 단계의 수, 모터 카운트를 모터 단계로 나누면 행정 부피의 퍼센트 완료의 우수한 추정을 제공할 수 있다. 예를 들어:
모터 카운트 = 100이고,
모터 단계 = 400이며, 그리고
행정 부피 = 1,000 μl인 경우,
전달된 중간 부피는 = (100/400)*1000 = 250 μL이다.
제어기(150)는 5 mL/hr에서 상당히 아래의 흐름률에서 전달된 중간 부피를 연산하는 다른 정밀도 부피 방법을 호출한다. 이 측정은 주위 온도 또는 압력 변화의 효과를 제거하기 위하여 매 10 분 정도마다 이루어져야 한다. 모터 카운트의 정상 단일 증분 대신에, 제어기(150)는 모터(110)를 구동하여 10개의 역방향 단계, 이후 10개의 순방향 단계를 수행하여, 선형 작동체(115)를 다시 원래의 위치로 가져간다. 구동 압력에 0의 순 변화를 가지고 다수의 단계를 만드는 이유는 높은 해상도 부피 측정에 요구되는 큰 압력 신호를 제공하는 것이다. 압력 신호(322)의 레코딩은 1,000 Hz 정도의 주파수에서 이루어지고 분석을 위해 저장된다. 이상 기체 법칙 계산을 사용하여 전술한 바와 같이 유체-측 챔버(172)의 나머지 부피를 연산한다. 충전 상태(824)에서 부피로부터 이 부피를 감산(subtract)하면 드리프트 또는 신호 대 잡음 비를 받지 않은 전달된 중간 부피에 대한 값을 제공할 수 있다.
도 3을 참조하면, 출구 밸브(145)에 걸쳐 싱크(140)로 유체를 이동시키는 양압 생성은 단 하나의 상태, 전달 상태(827) 동안에만 수행된다. 이제, 유체-측 챔버(172)가 최대 값에 있고 액체로 완전히 충전되고, 가스-측 챔버(171)가 최소 값에 있는 방식으로 멤브레인(175)이 위치되는 것으로 가정한다. 선형 작동체(115)가 POS 크래킹 위치(813)에 있는 것을 더 가정한다. 이 제어 지점에서, 선형 작동체(115)의 순방향 단계는 사실상 유체를 유체 싱크로 전달한다. (또한 도 16에서 지점 C 참조.) 제어기(150)는 CHG POS 상태(826)로부터 전달 상태(827)로 이동되었다.
CHG POS 상태(826)의 개시시에, 제어기(150)는 다음 수식으로 계산된 빚을 진 부피에 대한 값을 연산한다:
빚을 진 부피 = (지금 시간 - 시작 시간) * (타깃 부피 / 시작 시간)
제어기(150)는 싱크로 전달되는 부피(전달된 부피)를 추적한다.
시스템은 고정된 행정 부피를 가지게 설계된다. 측정 해상도 내에서 0의 흐름률 에러를 달성하기 위해, 그 다음 행정 부피가 다음 수식에 의해 계산된 타깃 행정 시간(msec로 변환된)에 전달되어야 한다:
(전달된 부피 - 빚을 진 부피 + 행정 부피)
타깃 행정 시간 = ------------------------------------------
타깃 부피 * 타깃 시간 /(1000 msec/sec)
모터 드라이브는 행정 부피를 달성하는 단계의 수가 모터 단계로 정확히 알려지도록 잘 한정된 기계적 링크를 구비한다. 모터 단계들 사이의 타이밍은 다음과 같이 계산된 단계 시간이다:
단계 시간 = 타깃 행정 부피 / 모터 단계
예
Figure 112015123063117-pct00003
전달 상태(827) 동안, 모터 드라이브는 매 타깃 행정 시간마다 순방향으로 동작한다. 유체가 부피가 변하는 가스-측 챔버(171)와 동일한 율로 유체-측 챔버(172)를 떠나는 경우, 유체의 구동 압력에 변화는 없다.
싱크 쪽으로 유체의 흐름이 가스-측 챔버(171) 내 부피 변화보다 더 느린 경우, 구동 압력이 증가하여, 흐름률이 증가하고, 동시에 흐름률에 증가를 야기한다. 유사하게, 싱크 쪽 유체의 흐름이 가스-측 챔버(171) 내 부피 변화보다 더 빠른 경우, 구동 압력이 감소하고, 흐름률이 감소하고, 동시에 흐름률에 감소를 야기한다.
행정 부피의 최종 단계 후에, 제어기(150)는 압력 센서로부터 압력 신호가 출구 밸브(145)가 전달 상태(827)로부터 TO MIN 상태(822)로 이동할 때까지 폐쇄된 것을 나타낼 때까지 정지한다.
단계들 사이의 시간인 단계 시간을 연산하는 것은 각 전달 상태(827)의 시작시에 이루어져서, 임의의 다른 상태 동안 일어나는 임의의 지연이 자동적으로 보상된다. 전달 상태(827) 동안, 고정된 전달 속력이 구동 압력의 자동 조절을 야기하여, 제한 내에서, 변화하는 환경 조건을 조절한다.
설명된 시스템 및 방법은 큰 흐름률 범위에 걸쳐 동작하는 간략화된 연산 구조를 나타낸다. 나아가, 시스템은 압력 데이터와 트렌드에 기초하여 여러 동작 조건을 결정하도록 동작가능하고, 만약 필요한 경우 유저에 통지 또는 알람을 제공할 수 있다.
도 21을 참조하면, 압력 신호(322)는 CHG NEG 상태(823)와 충전 상태(824) 동안 레코딩되고 분석되어 여러 조건에 관한 정보를 제공한다. 유체 공급원(130)에 관한 정보는 충전 상태가 시작하기 전에 압력 트렌드(881)를 포함하여 압력 신호의 여러 특징을 조사하는 것에 의해 발견될 수 있다. 입구 밸브의 정상 크래킹 압력은 882에서 나타나고, 정상 충전 압력 트렌드는 883에서 나타난다. 입구 밸브에 대한 높은 크래킹 압력은 884에서 나타난다. 낮은 크래킹 압력은 885에서 나타난다. 공기가 챔버에 들어가면, 압력 응답이 886에서 도시된 바와 같이 나타난다. 유체 공급원에서 높은 임피던스는 트렌드(887)에 의해 나타난다. 예를 들어, 주사기 공급원에 대해 정지 마찰 후에 해제로 인한 압력 응답은 888 및 889에서 나타난다.
도 22를 참조하면, 압력 신호(322)는 또한 CHG POS 상태(826)와 전달 상태(827) 동안 레코딩되고 분석된다. 유체 싱크(140)에 관한 정보는 전달 상태가 시작하기 전의 압력 트렌드(891)와, 출구 밸브가 개방되기 전의 정상 압력 트렌드(892)를 포함하여 압력 신호의 여러 특징을 조사하는 것에 의해 발견될 수 있다. 출구 밸브의 정상 크래킹 압력은 893에서 나타나고, 출구 밸브가 개방되면 정상 전달 압력 트렌드가 894에서 나타난다. 출구 밸브에 대한 높은 크래킹 압력은 895에서 나타난다. 낮은 크래킹 압력은 896에서 나타난다. 공기가 존재하는 경우, 압력 응답은 897에 도시된 바와 같이 나타난다. 분리를 나타내는 압력 응답은 898에서 나타난다. 임피던스는 899에서 나타난다.
시스템이 유체로부터 공기를 능동적으로 제거하는 기구를 제공한다 하더라도, 이 시스템은 공기의 존재를 측정하는 의무를 제거하지 않아서, 완화 액션이 유저에 의해 취해질 수 있다. 충전 상태(824) 동안 부피 측정값이 가스-측 챔버(171)가 최소 값에 있는 것으로 확인하였기 때문에 충전 상태(824)가 완료된 것으로 가정한다. 제어기(150)가 선형 작동체(115)를 TO MAX 상태(825)의 MAX 위치(812)로 구동한 후, 이 선형 작동체는 CHG POS 상태(826)로 이동한다. 큰 압력 변화가 나타나지만 출구 밸브(145)를 개방하지는 못할 만큼 특정 개수의 단계들이 만들어진다. 전술한 동일한 이상 기체 법칙 계산을 사용하면, 총 가스 부피는 계산되고 전달 상태(827)의 개시 시 예상된 가스 부피와 비교된다. 가스-측 챔버(171)에서 잔류 가스가 증분 총 가스 부피로 나타난다.
총 가스 부피는 유체-측 챔버가 액체로 완전히 충전된 경우 계산된다. 작동체, 예를 들어, 벨로우즈 또는 피스톤의 면적(A)은, 예를 들어, 1.3㎠에서 고정된다. 작동체는 모터에 의해 초기 위치 D초기 = 1㎝로부터 최종 위치 D최종-1 = 1.2㎝로 이동된다. 입구 밸브와 출구 밸브가 폐쇄된 동안 부피 변화(V변화)는 이동된 거리와 면적을 곱한 것으로 계산될 수 있다:
V변화 = A(D초기 - D최종-1) (1)
= 1.3㎠(1㎝ - 2㎝)
= -0.26㎤
작동체가 D초기에 있을 때 압력은 p초기 = 15.000 psi인 것으로 측정되고, 작동체가 D최종에 있을 때 압력은 p최종-1 = 17.000 psi인 것으로 측정된다. 시간 t1에서 초기 부피 V초기는 다음과 같이 계산된다:
Figure 112015123063117-pct00004
V초기 = 2.210㎤
챔버가 50 μL 공기 버블을 포함할 때 이루어지는 동일한 계산은 다음과 같다. 시간 t2에서, 작동체는 부피 변화 V변화-2 = 0.26㎤에 대해 1㎝ 다시 이동된다. 작동체를 이동시키기 전과 후의 압력은 p초기 = 15 psi와 p최종-2 = 16.950 psi인 것으로 측정된다. 수식 2를 사용하면, 총 가스 부피는 2.260㎤인 것으로 계산된다. t1 및 t2에서 가스 부피들 사이의 차이는 다음과 같다:
2.260㎤ - 2.210㎤ = 0.05㎤
= 50 μL
이 측정의 간단성은 높은 크래킹 압력 체크 밸브의 다른 이익을 나타내고, 유체-측 챔버(172)의 충전과 전달 사이에 상당한 대기 기간(quiescent period)을 제공한다.
유체-측 챔버(172)로 들어가는 공기 유입량의 제2차 측정은 충전 상태(824) 동안 이루어진다. 액체로 충전된 컬럼(column)에서, 각 모터 단계는 특정 압력 변화를 생성한다. 공기가 입구 밸브(135)에 도달하는 순간, 흐름 저항은 한 자리수만큼 변하고 압력 변화는 크게 감소된다. 공기 유입량의 이러한 측정은 정량적일 필요는 없으나, 후속 공기 측정이 중요하다는 것을 나타내는 플래그로 기능한다. 도 21을 참조하면, 886에서 압력 응답은 공기 유입 동안 나타나는 특성 압력 변화를 도시한다.
공급원(130)의 정수압을 측정하는 것이 유리하다. 이것은 종종 펌프 위에 달려 있는 유연한 백에 남아 있는 액체의 결정자일 수 있다. 전달 상태(827)의 완료 시, TO MIN 상태(822)가 시작하고, CHG NEG 상태(823)로 이어진다. 네거티브 게이지 압력의 증가가 각 모터 단계에서 CHG NEG 상태(823) 동안 생성된다. 제어기(150)는 각 모터가 이동한 후 압력을 모니터링하여, 압력이 입구 밸브(135)의 개방을 나타내는 NEG 크래킹 위치(814)에서 덜 네거티브로 되기 시작하는 시간을 결정한다. 입구 밸브가 개방되는 압력은 공급원의 압력에 따라 변한다. 입구 밸브(135)의 크래킹 압력 차이는 높은 밸브 힘(171)에 의존한다. 그러나, 이 오프셋은 높은 해상도로 공급원의 압력을 측정하는 것을 방해하지 않는다. 밸브 힘(171)은 설계상 대략 알려진 값이고, NEG 크래킹 위치(814)에서의 압력을 나타낸다. 공급원이 0의 헤드 높이를 가지고 있다면, 입구 밸브(135)는 밸브 힘(171)에만 기초하여 예상된 압력에서 개방된다. NEG 크래킹 위치(814)가 더 적은 음압에서 일어난다면, 공급원 헤드 높이는 포지티브 헤드 높이 차이로 계산될 수 있다. 공급원 헤드 높이의 실제 값은 호스트 프로세서(380)가 사용자 접촉을 사용하여 수술자가 정확한 헤드 높이에 공급원을 둘 수 있게 하는 경우에만 결정될 수 있다. 심지어 정량적인 정보가 없더라도, 공급원 압력은 대략 계산될 수 있고, 제어기(150) 회로가 허용하는 정밀도만큼의 정밀도, 예를 들어, 수 분의 1 인치(a fraction of an inch) 높이의 물의 압력으로 추적될 수 있다.
충전 상태(824) 동안 공급원으로부터 흐르는데 임피던스 또는 저항을 대략 측정하는 것이 유리할 수 있다. 공급원 임피던스를 사용하면 상류쪽 폐쇄를 인식할 수 있다. 시스템의 고유한 특성들 중 하나는 부분적인 상류쪽 폐쇄의 존재에서도 유체-측 챔버(172)를 완전히 충전하는 능력이 있다는 것이다. 충전 상태(824)를 완료하는데 상대적으로 장시간이 들 수 있고 최대 달성가능한 흐름률에 손상을 줄 수 있지만, 유체-측 챔버(172)의 충전된 조건이 측정되고, 가정되지 않는다. 충전 상태(824) 동안, 모터(110)는 상수 신속한 속력으로 이동하여, 저장소(120)에서 나타내는 음압에 연속적인 변화를 생성한다. 이 압력 변화의 기울기는 유체가 입구 밸브(135) 양단에 드래그하기 때문에 유체의 임피던스를 직접 측정한 값이다. 전술한 바와 같이, 도 21은 흐름에 상이한 저항의 예를 도시한다. 점성 유체에 의해 야기되는 높은 저항은 압력 응답(887)에서 도시된 바와 같이 가파르고 연속적인 기울기를 도시할 수 있다. 주사기를 포함하는 공급원으로부터 불규칙적인 마찰력은 정지 마찰 압력 응답(888) 이후에 해제 압력 응답(889)에서 도시된 바와 같이 주사기 플런저의 움직임 동안 낮은 기울기 세그먼트에 의해 인터럽트된 높은 기울기를 도시할 수 있다.
싱크(140)의 정수압을 측정하는 것이 유리하다. 이것은 종종 하류쪽 폐쇄의 결정자일 수 있다. 충전 상태(824)의 완료 시에, TO MAX 상태(825)가 시작하여, CHG POS 상태(826)로 이어진다. 포지티브 게이지 압력의 증가는 각 모터 단계를 가지고 CHG POS 상태(826) 동안 생성된다. 제어기(150)는 각 모터 단계 후 압력을 모니터링하여, 압력이 출구 밸브(145)의 개방을 나타내는 POS 크래킹 위치(813)에서 더 적은 포티지브이기 시작하는 시간을 결정한다. 출구 밸브(175)가 개방되는 압력은 싱크(140)의 압력에 따라 변한다. 출구 밸브(175)의 크래킹 압력은 높은 밸브 힘(171)에 따라 좌우된다. 그러나, 이 오프셋은 높은 해상도로 싱크(140)에서 압력을 측정하는 것을 방해하지 않는다. 밸브 힘(171)은 설계상 대략 알려진 값이고, POS 크래킹 위치(813)에서 압력을 나타낸다. 싱크가 0의 헤드 높이를 가지는 경우, 출구 밸브(174)는 밸브 힘(171)에만 기초하여 예상된 압력에서 개방된다. POS 크래킹 위치(813)가 더 적은 양압에서 일어나는 경우, 싱크 헤드 높이는 네거티브 헤드 높이 차이로 계산될 수 있다. 싱크 헤드 높이의 실제 값은 호스트 프로세서(380)가 사용자 접촉을 이용하여 수술자가 정확한 헤드 높이에 싱크를 두는 경우에만 결정될 수 있다. 심지어 정량적인 정보가 없다 하더라도, 싱크 압력은 대략 계산될 수 있고, 제어기(150) 회로가 허용하는 정밀도만큼의 정밀도, 예를 들어, 수 분의 1 인치 높이의 물의 압력으로 추적될 수 있다.
출력 임피던스의 측정값은 전술한 입력에 대해 직선이 아니다. 전달 상태(827) 동안 각 모터 움직임은 구동 압력을 증가시키고, 유체-측 챔버(172)의 압력이 입구 밸브(170)를 개방하기에 충분한 한, 압력 감쇠는 압력 신호(322)를 사용하여 측정될 수 있다. 전달 상태(827) 동안, 각 모터 단계 직후 압력은 100 msec 정도의 상대적으로 짧은 기간 동안 레코딩될 수 있다. 도 23은 출구 밸브(175)의 저항이 최소 값일 때 모터의 단계 동안 흐름 동안 데이터를 샘플링하는 방법을 도시한다. 유체 흐름의 기울기는 854에서 나타난 압력 포스트 트렌드로부터 용이하게 측정될 수 있다. 압력 포스트 트렌드(854)에 의해 도시된 압력 감쇠는, 압력 포스트 인터셉트(855)와 852에서 나타난 POS 크래킹 위치(813) 사이에 압력 차이에 의해 스케일링될 수 있다. 이 측정은 출구 밸브(145)에 걸친 저항, 출구 튜브(190)의 흐름 저항, 임의의 연결의 흐름 저항, 출구 밸브(145)와 환자의 맥관 구조 사이에 배치된 카테터의 존재의 총계를 포함하는 총 출력 임피던스의 계산을 제공한다. 출력 임피던스에서 상당한 변화는 임상 문제를 제안할 수 있다. 다시 도 22를 참조하면, 899에서 나타난 압력 전달 임피던스는 높은 레벨의 환자 저항을 도시한다. 898에서 나타난 압력 응답 분리는 라인 분리로 인한 것일 수 있는 낮은 저항과 낮은 압력의 반대 조건을 도시한다.
보다 구체적으로, 이상 기체 법칙을 사용하여, 순간적인 흐름률 계산은 압력 센서에 의해 전달된 압력 신호(322)의 트렌드를 분석하는 것에 의해, 예를 들어, 초당 한번 정도 루틴하게 이루어진다. 압력에 대한 단일 값은 1 KHz 정도에서 취해진 샘플 어레이로부터 유도되어, 잡음에 대해 신호를 분석할 수 있다.
다시 도 23을 참조하면, 압력 신호(322)는 전달 단계(전달 상태(827)) 동안 851에서 나타난 시간 간격에서 왕복운동 요소(115)의 각 움직임 전에, 동안, 및 후에 레코딩된다. 후속 측정은 854에 나타난 압력 포스트 트렌드에 대해 분석되고, 855에 나타난 압력 포스트 인터셉트 값(아래 계산에서 Pf라고도 지칭되는 값)은, 이 트렌드로부터 유도된다. 852에서 나타난 프리 모터 단계 압력(아래 계산에서 Pi라고도 지칭되는 것)은 이상 기체 법칙을 사용하여 압력 포스트 인터셉트 값(855)과 비교된다. 왕복운동 요소(115)의 움직임 직후 레코딩된 853에서 나타난 포스트 모터 단계 피크 압력 신호는 계산에 포함되지 않은 열적 결함 형태의 단열 수축이다.
이 예에 대해 다음 사항을 가정한다:
총 행정 부피 = 1,500 μL (시스템에 의해 고정된)
총 행정마다 단계 = 400 (시스템에 의해 고정된)
행정 내 단계마다 부피 = 1,500 μL/400 단계 = 3.75 μL
또한 이 예에 대해 왕복운동 요소가 (예를 들어, 모터 단계 위치(140)로부터 모터 단계 위치(135)로) 5개의 단계로 이동하는 것으로 가정한다. 이 5개의 단계로 변위된 부피는 다음과 같다:
5개의 단계 * 3.75 μL/단계 = 18.75 μL
시작에서 부피는 이전의 계산(올바른?)으로부터 알려져 있고, 예를 들어, 525.00 μL로 취해질 수 있다. 이 움직임으로 인한 최종 부피 변위는 다음과 같이 계산된다:
525.00 μL - 18.75 μL = 506.25 μL
초기 압력 pi은 15.00 PSIa로 측정된다. 유도된 최종 압력 pf은 15.22이다. 따라서, 이상 기체 법칙 비교로부터, 시간 n에서 가스의 시스템 부피 Vn은 다음과 같이 결정된다:
(Vn + Vi) * Pi = (Vn +Vf) * Pf
Vn * Pi - Vn * Pf = Vf * Pf - Vi * Pi
Vn * (Pi - Pf) = Vf * Pf - Vi * Pi
Vn = (Vf * Pf - Vi * Pi) / (Pi - Pf)
따라서:
Vn= ((506.25μL * 15.22 PSIa) - (5.25μL * 15.00 PSIa)) / (15.00 PSIa - 15.22 PSIa)
= 772.2 μL
본 명세서에 설명된 유체 제어 시스템 및 방법은 여러 이유 때문에 유리하다. 시스템은 공압적으로 결합된 직접 구동 주입 제어 시스템을 제공하는 것에 의해 직접 구동 펌프의 간단성과 공압 드라이브 시스템의 높은 레벨의 감도를 결합시킨다. 시스템은 가벼운 공기 압력에 기초하고 사용하기에 더 용이하다. 전통적으로, 펌프는 강력한 기계적인 요소를 사용하여 튜빙을 변형하거나 또는 주사기를 이동하여 이들 구조물로부터 유체 흐름을 배출한다. 본 직접 구동 기구는 구동 모터가 알려진 행정 부피로 알려진 증분으로 전진하는 간단한 제어 알고리즘의 장점을 제공한다. 더 빠른 흐름률은 모터 펄스들 사이에 더 짧은 간격을 구비한다.
전통적인 주입 펌프 아키텍처는 환자로 가는 하부 유체 흐름에 대한 감도를 감소시키고 잠재적으로 환자를 높은 펌핑 압력에 노출시킨다. 튜빙 펌프에서, 예를 들어, 튜빙을 폐쇄된 상태로 크러쉬하는데 요구되는 힘은 유체를 이동시키는데 요구되는 힘보다 훨씬 더 크다. 그러나, 본 시스템은 간단한 직접 구동 기구의 장점을 제공하지만, 유체 흐름 결과를 측정하고 환경 인자에 대해 증가된 감도를 제공하는 능력을 제안한다. 이 개념은 중력 주입으로 나타나는 것과 유사하거나 더 낮은 상대적으로 낮은 압력을 유체에 적용하고, 유체 흐름의 관측이 직접 관찰될 수 있다. 얇은 불투과성 멤브레인은 구동 공기 압력을 전달되는 유체와 분리시키고, 멤브레인에 순 힘은 0에 접근한다. 멤브레인은 신장 힘이 멤브레인에 나타나지 않게 형성된다; 예를 들어, 스피커와 같은 이 멤브레인은 임의의 압력 차에 응답하여 하나의 축에서 자유로이 병진이동한다.
정밀도 왕복운동 요소는 선형 작동체, 예를 들어, 스테퍼 모터와 정밀도 리드 나사 또는 다른 부피 변위 기구를 통해 이동된다. 각 컴포넌트의 정밀도는 제조 공정에서 고유하고, 시스템 설계에 비용을 추가하지 않는다. 모터는 타깃된 흐름률의 함수인 간격으로 전진된다. 각 단계는 유체 부피의 새로운 측정을 제공하고, 단계들 사이에 각 측정은 유체 흐름에 비례하는 압력 변화를 제공한다. 이런 방식으로, 단일 측정 시스템을 2개의 방식으로 사용하여 흐름률을 측정한다.
매우 낮은 흐름률로서, 압력 변화는 작고 종국적으로 신호-대-잡음 문제로 이어진다. 이 잡음은 온도와 대기압의 환경 변화를 포함한다. 왕복운동 요소의 단일 움직임이 원하는 것보다 더 큰 압력을 초래하는 경우, 대안적인 전략을 사용하여 공기 부피를 측정할 수 있다. 왕복운동 요소를 전진시키는 대신, 왕복운동 요소는 수 개의 단계로 후진될 수 있고 원래의 위치로 리턴되어, 순 압력 증가를 초래하지 않을 수 있다. 공기 부피의 이 "순 0" 교란은 필요에 따라 클 수 있어서 잡음 바닥보다 충분히 큰 신호를 제공할 수 있다.
본 시스템의 다른 장점은 유체 전달 정확도를 위해 개선된 전략을 허용하는 것이다. 전통적으로, 큰 부피 주입 펌프는 모터 기구를 구동하여 특정 흐름률을 달성할 수 있다. 이 전달에서 임의의 에러가 시간에 따라 추가될 수 있다. 본 시스템은 공급원으로부터 유체 챔버를 충전하는 시간과 같은 추정가능한 지연과, 일시적인 폐쇄 및 부분적인 상류쪽 폐쇄와 같은 추정가능하지 않은 에러에 자동 보상을 제공할 수 있다.
본 시스템에 의해 제공된 제어는 상수 흐름률 대신 시간에 따라 이산 유체 부피의 원하는 전달에 기초한다. 유저가 흐름률이 무기한으로 가는 요구를 표현하더라도, 이것은 시간 시퀀스에 걸쳐 일련의 부피로 용이하게 표현될 수 있다. 예를 들어, 60 mL/hour에 대한 요청은 시스템에 3,600 초에 걸쳐 60,000번의 마이크로리터로 나타나거나 또는 36,000 초에 걸쳐 600,000번의 마이크로리터로 나타날 수 있다.
본 시스템은, 알려진 행정 부피를 전달하고, 유리하게는, 각 행정 전달의 시작과 종료시 유체 챔버 내 실제 부피를 측정하도록 동작가능하다. 제어 알고리즘에서 고정된 지점에서, 시스템은 그 다음 완료 행정 부피의 완료가 마감되는 미래의 시간을 결정한다. 이 시간이 결정되면, 행정을 완료하는 모터의 단계들 사이의 드웰(dwell)이 용이하게 계산되고, 펌프는 사실상 연산 오버헤드 없이 진행한다. 임의의 공급원으로부터, 추정가능하든 또는 추정가능하지 않든 간에 지연이 자동적으로 보상되고, 이에 흐름률의 에러가 더 장기간 부정확도에 기여하지 않는다.
본 시스템의 더 다른 장점은 단기간, 자가 조절 유체 흐름 제어 전략을 제공하는 능력에 있다. 전통적으로, 폐쇄된 루프 제어 시스템의 생성은 정교하고 복잡한 제어 시스템을 요구할 수 있다. 이 복잡성은 신뢰성 및 과도한 전력 소비에 문제를 야기할 수 있다. 본 명세서에서 흐름 제어 시스템의 아키텍처는 타이머-기반 개방 루프 펌핑 시스템의 이익(간단성)과 폐쇄된 루프 제어 시스템의 이익(정확성과 응답성)을 가능하게 한다.
본 명세서에서 시스템은 환자로 전달되는 액체 부피를 정확히 측정하고 시간을 정확히 측정하기 때문에, 임의의 시간 순간에 환자에 맞는 양이 측정될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 유체 챔버의 매 충전 사이클 후, 챔버를 배기하는데 원하는 시간에 계산이 이루어진다. 단계들 사이의 시간은 내부에서 계산된다. 예를 들어, 공칭 흐름률이 60 초에 걸쳐 전달될 2 mL이고 펌프가 0.2 mL의 환자에 빚을 지고 이 사이클을 시작하면, 정상 2.0 mL 사이클은 대략 10%만큼 단축되거나 또는 54 초 내에 완료된다. 2.0 mL를 변위시키는데 요구되는 단계의 수가 정확히 알려져 있으므로, 단계들 사이의 시간이 용이하게 결정된다.
충전 사이클 후에, 출구 밸브 크래킹 압력이 충족될 때까지 환자로부터 흐름이 없다. 타이밍 계산은 충전 후 출구 밸브 크래킹 압력이 충족되는 순간에 이루어진다. 이 방법은 복잡한 제어 계산을 요구함이 없이 사이클 내 지연을 본질적으로 나타낸다.
배기(EMPTY) 사이클의 종료시, 구동 압력이 출구 밸브 크래킹 압력 미만으로 떨어질 때까지 환자로부터 흐름이 유지된다. 충전 사이클은 이 지점까지 압력이 감쇠될 때까지 지연된다. 이 방법은 복잡한 제어 계산을 요구함이 없이 사이클 내 지연을 본질적으로 나타낸다. 펌프는 그 율이 뒤쳐져서 동작하면, 단계들은 보다 신속히 일어나고, 전달 압력은 본질적으로 증가하여, 이 율이 원하는 율을 따라잡게 한다. 이것은 이 압력 조절을 하는데 제어 모드를 전혀 요구하지 않는다. 펌프가 그 율이 앞서서 동작하면, 단계들이 덜 신속히 일어나고, 전달 압력은 본질적으로 감소하여, 이 율을 원하는 율로 느려지게 한다. 이것은 이 압력 조절을 하는데 제어 코드를 전혀 요구하지 않는다.
충전 후 높은 순응의 척도는 2개의 조건들 중 하나의 조건의 표시를 제공한다. 공기는 공급원으로부터 시스템으로 들어갔다. 대안적으로, 충전 사이클은 폐쇄된 입구 또는 완전히 배기된 비-벤트된 공급 용기에서 일어날 수 있는 바와 같이 완료되지 않을 수 있다. 높은 순응이 있는지에 대한 신호의 애매함은 반복된 충전 사이클을 통해 해결될 수 있다. 궁극적으로, 문제가 해결되지 않는 경우, 이 문제는 정확한 동일한 결과를 야기하는데, 즉, 펌핑을 중단하고, 예를 들어, 알람, 텍스트 메시지와 같은 통지를 유저 등에 보낸다.
본 시스템의 더 다른 장점은 추가적인 센서 없이 싱크 유체 압력과 흐름 저항뿐만 아니라 공급원 유체 압력과 흐름 저항을 측정하는 능력에 있다. 종래의 유체 흐름 제어기는 종종 공급원 유체와 환자 라인의 정수압을 레코딩하는 방식으로 위치된 다수의 압력 트랜스듀서를 구비한다. 이 방법은 별개의 압력 트랜스듀서, 유체의 정밀한 결합을 요구하지만, 통상적으로, 유체는 고유 힘 세트를 부여하는 상대적으로 두꺼운 장벽에 걸쳐 측정되기 때문에 불량한 측정 감도를 제공한다. 본 시스템은 시스템의 단일 압력 센서를 사용하여 공급원 유체 압력과 싱크 라인 압력을 측정하고, 펌프와의 일회용 접촉에 복잡성을 제공하지 않는다. 이 측정은 본질적으로 비용이 들지 않고 거의 완벽한 감도를 제공한다. 압력 측정은 상당한 오프셋 에러를 받지만, 주입 펌프에 알려진 임상 고려사항의 대부분이 절대 값이 아니라 트렌드에 기초한다.
압력과 임피던스 측정 값은 결합 효과를 가지고 있다. 예를 들어, 낮은 압력을 갖는 공급원과 높은 가변 임피던스를 갖는 공급원은 주사기일 수 있다. 다른 예는 낮은 임피던스의 공급원일 수 있고, 지속적으로 감쇠하는 공급원 압력은 곧 배기될(soon-to-be empty) 유체 백일 수 있다. 높은 환자 라인 임피던스와 변치 않는 압력은 킹크된 튜브(kinked tube)를 나타낼 수 있다. 다른 예는 환자 라인에서 임피던스의 감소와, 환자 라인의 분리를 나타낼 수 있는 환자 라인 압력의 감소일 수 있다. 공급원 유체와 환자 라인을 아는 것은 신뢰성 있는 주입 시스템을 위해 중요한 성분이다.
상기 시스템은 본 명세서에서 기본 시스템인 것으로 설명되었지만, 추가된 기능을 갖는 시스템이 고려될 수도 있다. 유체 제어 시스템은 추가적인 컴포넌트 또는 서브조립체, 예를 들어, 섀시, 전력 공급원, 사용자 접촉, 임상 정보 관리 등을 포함하는 완성된 의료 제품에 서브조립체로 통합될 수 있는 공압적으로 결합된 직접 구동 기구를 구현한다.
종래의 유체 결합된 주사기 펌프에서, 피스톤의 약간의 움직임은 압축가능하지 않은 액체를 변위시켜, 순간적인 압력 변화는 주사기 벽, 튜빙, 여러 커넥터, 및 유체 흐름 손실을 포함하는 하류쪽 순응의 함수이다. 본 시스템에서, 왕복운동 요소의 단계 움직임은, 저장소와 부착된 공간 내 공기 공간의 나머지에 비례하여 공기 압력을 증가시킨다. 예를 들어, 피스톤이 10-마이크로리터 만큼 움직이면 총 가스 공간은 1,000 마이크로리터 만큼 변동하여 대기압의 1%만큼 또는 단지 약 0.15 PSI만큼 구동 압력을 증가시킨다. 이 공압적인 결합은 전술한 종래 기술의 펌핑 시스템의 임피던스 불일치 문제를 해결한다.
가스 압력은 단일 정밀하고 교정된 압력 센서로 용이하게 측정된다. 능동 스위칭 밸브가 알려지지 않은 가스 부피를 알려진 가스 부피와 결합시키는 복잡한 루틴을 사용하여 가스 부피를 연산하는 대신, 본 시스템은 왕복운동 요소의 움직임과 부피 변화 사이에 관계식을 사용한다. 알려진 모터 변위는 알려진 부피 변위를 야기하여, 최종 가스 압력 측정은 계산된 가스 부피를 초래한다. 밸브, 제어 챔버, 및 관련된 계산이 더 이상 요구되지 않기 때문에 별개의 측정 시퀀스가 없어서, 종래 기술에 비해 상당한 개선을 초래한다. 양압이든지 또는 음압이든지에 상관없이 가스 압력을 생성하는 동작은 또한 가스 부피의 측정을 제공한다. 펌핑 위상과 측정 위상이 단일화된다.
가스 압력은 전체 행정 부피를 통해 무시가능한 힘을 생성하는 기계적인 구성을 통해 유연한 멤브레인에 부여된다. 이 구성은 소위 "롤링 양말(rolling sock)" 다이아프램에서 일반적으로 발견되는 것과 유사한 얇은 벽과 몰딩된-곡률과 같은 특징을 포함할 수 있다. 대안적으로, 멤브레인은 하우징의 형상으로 열성형될 수 있다. 그리하여, 예를 들어, 1.0 PSI의 가스 압력은, 살균 유체 경로에 노출된 멤브레인의 타측에 거의 동일한 압력을 부여한다. 압력 차는 매우 낮고 설계상 알려져 있다. 이 유연한 멤브레인은 압출된 관형 펌핑 세그먼트의 상대적으로 두꺼운 벽을 통해 압력을 정확하고 민감하게 판독하는 능력이 있어서 정량 펌프에 따른 문제들 중 하나를 해결한다.
왕복운동 요소에 결합된 가스 저장소에 의해 야기된 교번하는 공기 압력은 멤브레인의 액체 측에 포지티브 및 네거티브 게이지 압력을 부여한다. 이 중심 멤브레인에 근위와 원위에 있는 입구 체크 밸브와 출구 체크 밸브는 단방향성 펌핑 액션을 생성한다. 시스템은, 예를 들어, 1 PSId 정도의 의도적으로 높은 크래킹 압력을 갖는 한 쌍의 수동 유체 체크 밸브를 사용한다. 수동 체크 밸브는 능동 밸브를 사용하는 설계보다 개선된다. 체크 밸브의 높은 크래킹 압력은 매우 신뢰성 있는 설계를 만들고; 낮은 크래킹 압력과 밀봉 신뢰성은 트레이드오프 관계에 있다. IV 세라피 시장에서 대부분의 체크 밸브는 수 인치 높이의 물의 압력으로 측정된 크래킹 압력을 가지는 것을 시도하는 반면, 본 시스템은 한 자리수 더 높은 크기에서 동작한다. 모든 주입 디바이스는 튜빙 세트가 펌프 기구로부터 제거될 때 "자유로운 흐름"을 방지하는 방법을 포함하여야 한다. 직렬 입구 체크 밸브와 출구 체크 밸브의 결합된 크래킹 압력은 추가적인 기구, 컴포넌트, 또는 복잡성이 없이 이 "흐름 정지" 기능을 제공한다.
멤브레인의 액체 측 행정 부피는 1 mL 정도이다. 왕복운동 요소의 행정 부피는 체크 밸브가 닫히는 기간 동안 양압과 음압을 생성하는 능력을 제공하는 약 2배이어서 액체 측 행정 부피와 일치하는 행정 용량을 여전히 가지고 있다. 모든 범위의 흐름과 압력을 수용하기 위해, 왕복운동 요소가 멤브레인에 압력을 생성함이 없이 특정 위치로 이동되어야 하는 시간이 있다. 벤트 밸브를 사용하여 이러한 움직임 동안 멤브레인에 압력을 제거한다. 벤트 밸브의 비용, 전력 소비, 및 제어 로직은 무시가능하다. 동작 동안, 흐름은 벤트 밸브의 활성화시에 정지될 수 있다. 특정 실시예에서, 페일세이프 설계는 "모두 OK(ALL OK)" 제어 신호가 없을 때 제어 전자회로에 의해 활성화되는 중복 벤트 밸브를 포함할 수 있으나, 다른 페일세이프 설계도 고려될 수 있다.
제어 시스템은 섀시 및 사용자 접촉과 같은 다른 컴포넌트와 통합하여, 완성된 의료 디바이스를 생성하도록 설계될 수 있다. 제어 시스템은 마이크로제어기, 벨로우즈 또는 주사기-같은 실린더/피스톤, 선형 작동체 모터/기어, 압력 트랜스듀서, 및 벤트 밸브를 포함하는 상업적으로 이용가능한 부품을 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이 사용자 정의 임베디드 제어기 소프트웨어는 완성된 의료 디바이스의 일부인 호스트 컴퓨터로부터 요청에 기초하여 제어를 제공할 수 있다. 호스트 컴퓨터의 사용자 접촉, 통신, 및 타깃된 유체 흐름률을 결정하는 제어 로직은 시장에 있는 모든 주입 펌프에 공통이고, 본 유체 제어 시스템의 실시예의 범위에 포함될 수 있다.
본 시스템은 드립(drip) 챔버, 튜빙, 제2차 튜빙 연결, 분사 포트, 및 루어(Luer) 커넥터와 같은 카세트에 근위와 원위에 있는 모든 요소를 포함하는 완성된 IV 투여 세트에 포함된 카세트-같은 구성을 사용할 수 있다. 이 카세트는 누설 없는 유체 경로, 예를 들어, 대략 1 PSId 크래킹 압력을 갖는 수동 입구 체크 밸브, 예를 들어, 대략 1 mL 행정 부피를 갖는 매우 유연한 멤브레인과, 예를 들어, 대략 1 PSId 크래킹 압력을 갖는 수동 출구 체크 밸브를 제공한다. 일 실시예에서, 각 밸브에 대한 크래킹 압력은 적어도 0.5 PSId이다.
본 시스템은 큰 부피 주입 펌프를 위해 설계된 모듈로 구현될 수 있고, 여기서 본 명세서에서 모듈은 백 또는 병 또는 다수의 주사기로부터 사실상 제한없는 유체 공급원에 연결될 수 있다. 이것은 주사기 펌프 또는 일회용 이동 펌프와 같은 유한 양의 함유된 유체만을 분배하는 작은 부피 펌프와는 대조적인 것이다.
본 시스템의 일회용 서브시스템은 큰 부피 IV 펌프에 대한 일반적인 구성인 종래의 "중력 투여 세트"에 스플라인 결합될 수 있다.
본 시스템의 펌핑 서브시스템은 펌프 제조사에 의해 전체 주입 펌프 제품에 포함되도록 적응될 수 있는 전기기계 서브조립체이다. 본 명세서에서 서브조립체는 도어, 레버, 모터, 캠, 스프링, 및 구동 전자회로를 포함하는 펌프의 기존의 기계적인 아키텍처를 대체하는 단일 기성품(off-the-shelf) 서브조립체로 유리하게 구성될 수 있다.
본 시스템은 본 명세서에 기본적으로 IV 세라피를 위한 흐름 제어 시스템을 참조하여 설명되었으나; 본 시스템은 경장 영양 공급 디바이스 및 다른 비-의료 응용을 포함하는 모든 유체 방식을 이동시키는데 적응될 수 있는 것으로 이해된다.
본 발명의 여러 시스템과 방법 측면은 다음 사항을 포함하여 고려된다:
유체를 전달하는 유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 압력 센서와 통신하며 센싱된 압력 데이터를 수신하고 공압 드라이브와 동작가능하게 통신하며 상기 센싱된 압력 데이터 및 미리 결정된 유체 전달 스케줄에 기초하여 증분 부피 변화를 제어하는 제어기를 포함하는, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 가스-측 챔버와 연통하며 가스 부피를 감소시켜, 유체-측 챔버 내 압력이 또한 입구 밸브의 크래킹 압력에 도달될 때까지 감소하도록 동작가능하고, 크래킹 압력에 도달되면 상기 입구 밸브가 개방되고 상기 유체 공급원으로부터 유체가 유체-측 챔버에 들어가는, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 가스-측 챔버와 통신하며 가스의 부피를 증가시켜, 유체-측 챔버 내 압력이 또한 출구 밸브의 크래킹 압력에 도달될 때까지 증가하도록 동작가능하고, 크래킹 압력에 도달되면 상기 출구 밸브가 개방되고 상기 유체-측 챔버의 유체가 상기 유체 싱크로 빠져나가는, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 전달될 액체의 타깃 부피와 이미 전달된 액체의 부피 사이의 차이로 전달될 액체의 부피를 결정하고 전달될 액체의 부피를 전달하기 위해 계산된 증분들만큼 상기 공압 드라이브를 동작시키는 것에 의해 유체 싱크로 액체의 전달을 제어하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 연속적인 시간 간격으로 전달될 액체의 부피를 계산하고 이미 전달된 액체의 부피을 각 계산 후 이미 전달된 액체의 부피를 업데이트하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는,
공압 드라이브의 제어된 움직임 전과 후에 센싱된 압력 데이터를 수신하는 동작,
상기 압력 데이터를 상기 제어된 움직임으로부터 초래되는 가스 부피의 알려진 변화와 비교하는 동작, 및
상기 센싱된 압력 데이터와 상기 알려진 가스 부피 사이의 이상 기체 법칙 관계식에 기초하여, 상기 압력 데이터와 상기 가스 부피의 알려진 변화에 기초하여 가스의 부피를 계산하는 동작을 수행하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는, 상기 유체 싱크로 액체를 전달하는 동안 다수회에 걸쳐 상기 압력 데이터와 상기 가스 부피의 알려진 변화에 기초하여 가스 부피의 계산을 반복하여, 누적된 율 에러를 정확도 에러로부터 제거하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는, 유연한 멤브레인에 의해 유체-측 챔버로부터 분리된 가스-측 챔버와 유체 연통하는 가스 저장소에 음압을 가하여 상기 유체-측 챔버가 유체로 충전될 때까지 상기 유체 공급원으로부터 일방향 입구 밸브를 통해 상기 유체-측 챔버로 액체를 인입하는 동작; 상기 가스-측 챔버와 유체 연통하는 상기 가스 저장소에 양압을 가하여 상기 유체-측 챔버 내 액체를 일방향 출구 밸브를 통해 상기 액체 싱크로 전달하는 동작; 상기 음압을 가하는 단계와 상기 양압을 가하는 단계 동안 상기 가스 저장소 내 압력을 모니터링하는 단계; 및 이상 기체 법칙 관계식에 의해 상기 가스 저장소와 상기 가스-측 챔버 및 임의의 연결 사공간의 부피의 증분 변화로부터 상기 유체-측 챔버 내 유체의 부피를 결정하는 동작을 수행하도록 동작가능하고, 여기서 P1V1 = P2V2이고, P1과 P2는 부피 변화의 전과 후에 2회에서 측정된 압력이고, V1과 V2는 상기 2회에서의 부피인, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 상기 유체 공급원으로부터 상기 유체 흐름 경로에서의 정수압 또는 임피던스 또는 저항을 나타내는 압력 트렌드를 결정하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 유체 공급원에서의 상기 정수압 또는 상기 임피던스 또는 상기 저항은 상기 유체 흐름 경로에서의 라인 폐쇄, 상기 유체 공급원에 남아 있는 액체의 양, 상기 유체 공급원에서의 점성 액체, 및 주사기의 존재 중 적어도 하나를 나타내는, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 상기 유체 싱크로 가는 상기 유체 흐름 경로에서의 정수압 또는 임피던스 또는 저항을 나타내는 압력 트렌드를 결정하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 유체 싱크로 가는 상기 유체 흐름 경로에서의 상기 정수압 또는 상기 임피던스 또는 상기 저항은 상기 유체 흐름 경로에서의 라인 폐쇄과 상기 유체 싱크와의 분리된 연결 중 적어도 하나를 나타내는, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 상기 유체 흐름 경로 내 공기를 나타내는 압력 트렌드를 결정하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 정상보다 더 높거나 더 낮은 입구 밸브 또는 출구 밸브의 크래킹 압력을 나타내는 압력 트렌드를 결정하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 주사기에 의한 정지 마찰 및 해제를 나타내는 압력 트렌드를 결정하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 펌핑 사이클을 수행하는 여러 상태에 진입하도록 동작가능하고, 상기 상태는 상기 시스템이 펌핑 사이클을 시작하는 준비를 하는 언록킹 상태를 포함하는, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 펌핑 사이클을 수행하는 여러 상태에 진입하도록 동작가능하고, 상기 상태는 공압 드라이브의 왕복운동 요소를 펌핑 행정의 완전히 수축된 위치로 이동시키는 것을 포함하는, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 펌핑 사이클을 수행하는 여러 상태에 진입하도록 동작가능하고, 상기 상태는 공압 드라이브의 왕복운동 요소를 펌핑 행정의 완전히 전진된 위치로 이동시키는 것을 포함하는, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 펌핑 사이클을 수행하는 여러 상태에 진입하도록 동작가능하고, 상기 상태는 입구의 크래킹 압력에 도달될 때까지 공압 드라이브의 왕복운동 요소를 수축하는 것을 포함하는, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 펌핑 사이클을 수행하는 여러 상태에 진입하도록 동작가능하고, 상기 상태는 상기 입구 밸브가 개방되고 액체가 유체-측 챔버를 충전할 때 공압 드라이브의 왕복운동 요소를 수축하는 것을 포함하는, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 펌핑 사이클을 수행하는 여러 상태에 진입하도록 동작가능하고, 상기 상태는 출구 밸브의 크래킹 압력에 도달될 때까지 공압 드라이브의 왕복운동 요소를 전진시키는 것을 포함하는, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 펌핑 사이클을 수행하는 여러 상태에 진입하도록 동작가능하고, 상기 상태는 상기 출구 밸브가 개방되고 액체가 상기 유체-측 챔버로부터 전달될 때 공압 드라이브의 왕복운동 요소를 전진시키는 것을 포함하는, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 제어된 단계들로 공압 드라이브를 구동하도록 동작가능하고, 각 단계는 가스 부피의 알려진 부피 변위를 제공하는, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 제어된 단계들로 공압 드라이브를 구동하여 일방향 출구 밸브를 통해 유체를 전달하도록 동작가능하고, 각 단계에서, 상기 유체를 구동하는 압력은 제일 먼저 증가하고 나서 액체가 상기 출구 밸브를 통해 누설될 때 감소하는, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 제어된 단계들로 공압 드라이브를 구동하여 일방향 출구 밸브를 통해 유체를 전달하고, 단계들 사이의 시간을 계산하여 원하는 주입 율을 달성하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 제어된 단계들로 공압 드라이브를 구동하여 일방향 출구 밸브를 통해 유체를 전달하고, 구동 압력으로 각 증가 후에 압력 감쇠를 모니터링하며, 상기 압력 감쇠로부터 유도된 압력 값을 계산하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 상기 가스-측 챔버와 유체 연통하는 상기 가스 저장소에 양압을 가하는 양만큼 상기 가스 저장소의 부피를 감소시켜 상기 양압이 상기 유체-측 챔버의 액체를 상기 액체 싱크로 전달하는데 불충분하게 하고 상기 양압을 가하는 단계 동안 상기 가스 저장소 내 압력을 모니터링하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 이상 기체 법칙 관계식에 의해 상기 가스 저장소와 상기 가스-측 챔버 및 임의의 연결 사공간의 부피의 증분 변화로부터 상기 유체-측 챔버 내 유체의 부피를 결정하는 동작(여기서 P1V1 = P2V2이고, P1과 P2는 부피 변화의 전과 후에 2회에서 측정된 압력이고, V1과 V2은 상기 2회에서의 부피임); 수 개의 단계에 걸쳐 상기 압력을 모니터링하는 단계로부터 압력 트렌드를 결정하는 동작, 및 상기 유체-측 챔버 내 공기의 표시(indication)를 위해 상기 압력 트렌드, 상기 부피 변화, 또는 이들 둘 모두를 모니터링하는 동작을 수행하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는 유체-측 챔버를 충전하는 단계 동안 압력 감소로부터 공기의 표시를 결정하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는, 액체를 전달하는 단계 동안의 정상 압력 증가 미만인, 상기 액체를 전달하는 단계 동안의 압력 증가로부터 공기의 표시를 결정하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
유체 제어 시스템 또는 방법으로서, 상기 제어기는, 유체-측 챔버가 액체로 완전히 충전될 때의 가스 부피를, 상기 유체-측 챔버가 공기를 포함할 때의 가스 부피를 후속 결정한 것과 비교하여 상기 유체-측 챔버 내 공기의 존재를 결정하도록 동작가능한, 상기 유체 제어 시스템 또는 방법.
주입 펌핑 시스템 또는 방법으로서, 제어기를 포함하는 유체 흐름 제어 시스템과, 상기 유체 흐름 제어 시스템의 상기 제어기와 통신하는 호스트 제어기를 포함하고, 상기 호스트 제어기는 주입 과정을 결정하는 명령을 수신하도록 동작가능하고, 상기 명령은 결정된 시간 간격에 걸쳐 전달될 액체의 부피나 주입 율 중 하나를 포함하고, 상기 명령은 시작 시간을 더 포함하는, 상기 주입 펌핑 시스템 또는 방법.
주입 펌핑 시스템으로서, 사용자 접촉과 전력 공급원을 포함하는, 상기 주입 펌핑 시스템.
섀시를 포함하는 주입 펌핑 시스템으로서, 상기 유체 흐름 제어 시스템의 유체 흐름 경로의 적어도 일부는 입구 밸브와 출구 밸브를 포함하고, 챔버는 상기 섀시에서 지지가능한, 상기 주입 펌핑 시스템.
본 명세서에 설명된 실시예의 여러 특징은 여러 방식으로 결합될 수 있는 것으로 이해된다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었다. 본 발명은 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 여러 변형과 균등물이 자명할 수 있기 때문에 도시되고 설명된 구성, 동작, 정확한 물질 또는 실시예의 정확한 상세로 제한되지 않는 것으로 이해된다. 개시된 실시예에 많은 변형과 변경은 본 발명의 상세한 설명을 판독하고 이해하면 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 용이하게 가능할 것으로 이해된다. 본 발명은 본 발명의 범위 내에 있는 모든 변형과 변경을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (30)

  1. 유체를 전달하는 유체 제어 시스템으로서,
    유체 공급원과 유체 연통하도록 구성된 입구 밸브와, 유체 싱크와 유체 연통하도록 구성된 출구 밸브를 포함하는 유체 흐름 경로로서, 상기 출구 밸브는 미리 결정된 크래킹 압력(cracking pressure)을 갖는 수동의 일방향 체크 밸브를 포함하는, 상기 유체 흐름 경로;
    유체-측 챔버와 가스-측 챔버를 포함하는 챔버로서, 상기 유체-측 챔버와 상기 가스-측 챔버는 유연한 멤브레인에 의해 분리되어 있고, 상기 유연한 멤브레인은 상기 유체-측 챔버와 상기 가스-측 챔버 사이에 압력 차가 없도록 구성된, 상기 챔버;
    상기 유체-측 챔버 내 압력 변화가 상기 입구 밸브와 상기 출구 밸브에 전달되도록 상기 입구 밸브의 하류쪽 그리고 상기 출구 밸브의 상류쪽의 상기 유체 흐름 경로에 배치된, 상기 유체-측 챔버;
    상기 가스-측 챔버와 연통되며 상기 가스-측 챔버 내 가스에 양압 또는 음압 변화를 야기하는 알려진 증분의 부피의 증가 또는 부피의 감소 변화를 제공하는 공압 드라이브로서, 상기 가스-측 챔버 내 압력의 변화는 상기 유연한 멤브레인을 통해 상기 유체-측 챔버에 전달되는, 상기 공압 드라이브;
    상기 가스-측 챔버 내 가스 압력을 센싱하도록 배치된 압력 센서; 및
    상기 압력 센서와 연통되어 센싱된 압력 데이터를 수신하고 상기 공압 드라이브와 동작가능하게 연통되어 상기 센싱된 압력 데이터와 미리 결정된 유체 전달 스케줄에 기초하여 상기 증분의 부피 변화를 제어하는 제어기를 포함하는, 유체 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공압 드라이브는,
    상기 가스-측 챔버와 유체 연통하는 가스 저장소, 및
    왕복운동 요소에 결합되어 양방향 선형 운동을 생성하는 선형 작동체를 포함하고,
    상기 왕복운동 요소는 상기 가스 저장소 내 가스와 접촉하도록 배치되어 알려진 증분의 부피 변화를 상기 가스-측 챔버 내에 제공하는, 유체 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 왕복운동 요소는 일 단부에서 상기 선형 작동체에 결합된 벨로우즈 단부를 포함하는, 유체 제어 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 왕복운동 요소는 실린더 내에서 왕복운동가능한 피스톤을 포함하는, 유체 제어 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 선형 작동체는 양방향으로 이산 증분들만큼 이동하도록 동작가능한 모터를 포함하고, 상기 모터는 상기 왕복운동 요소에 결합되고 알려진 길이의 이산 증분들만큼 상기 왕복운동 요소를 왕복운동시키는, 유체 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 입구 밸브는 미리 결정된 크래킹 압력을 갖는 수동의 일방향 체크 밸브를 포함하는, 유체 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 미리 결정된 크래킹 압력은 0.5 PSId 이상인, 유체 제어 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 가스-측 챔버와 유체 연통하고 상기 제어기와 연통하는 벤트 밸브를 더 포함하되,
    상기 제어기는 상기 벤트 밸브를 주위로 개방하여 주위로 양압 및 음압의 방출을 제공하도록 동작가능한, 유체 제어 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 공압 드라이브는 유연한 도관에 의해 상기 가스-측 챔버에 유체 이동가능하게 결합되는 것인, 유체 제어 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 입구 밸브와 상기 출구 밸브, 및 상기 챔버는 상기 공압 드라이브로부터 별개로 수용된, 유체 제어 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 가스-측 챔버와 연통하는 가스의 부피를 감소시켜, 상기 유체-측 챔버 내 압력이 상기 입구 밸브의 크래킹 압력에 도달될 때까지 감소하도록 동작가능하고, 크래킹 압력에 도달되면 상기 입구 밸브가 개방되고 상기 유체 공급원으로부터 유체가 상기 유체-측 챔버로 들어가는, 유체 제어 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 가스-측 챔버와 연통하는 가스의 부피를 증가시켜, 상기 유체-측 챔버 내 압력이 상기 출구 밸브의 크래킹 압력에 도달될 때까지 증가하도록 동작가능하고, 크래킹 압력에 도달되면 상기 출구 밸브가 개방되고 상기 유체-측 챔버 내 유체가 상기 유체 싱크로 빠져나가는, 유체 제어 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 전달될 액체의 목표 부피와 이미 전달된 액체의 부피간의 차이로서 전달될 액체의 부피를 결정하고, 전달될 액체의 부피를 전달하기 위하여 계산된 증분들만큼 상기 공압 드라이브를 동작시킴으로써, 상기 유체 싱크로 액체의 전달을 제어하도록 동작가능한, 유체 제어 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어기는 연속적인 시간 간격으로 전달될 액체의 부피를 계산하고 이미 전달된 액체의 부피를 각각 계산한 후 이미 전달된 액체의 부피를 업데이트하도록 동작가능한, 유체 제어 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제어기는,
    상기 공압 드라이브의 제어된 움직임의 전과 후에 센싱된 압력 데이터를 수신하는 동작,
    상기 제어된 움직임으로부터 초래되는 가스 부피의 알려진 변화와 상기 압력 데이터를 비교하는 동작, 및
    상기 센싱된 압력 데이터와 상기 가스 부피의 알려진 변화에 기초하여 가스 부피를 계산하는 동작을 수행하도록 동작가능한, 유체 제어 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 상기 유체 싱크로 액체를 전달하는 동안 다수 회에 걸쳐 상기 압력 데이터와 가스 부피의 알려진 변화에 기초하여 가스 부피의 계산을 반복하여, 누적된 율 에러를 정확도 에러로부터 제거하도록 동작가능한, 유체 제어 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 유체 공급원으로부터 상기 유체 흐름 경로에서의 정수압 또는 임피던스 또는 저항을 나타내는 압력 트렌드를 결정하도록 동작가능한, 유체 제어 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 유체 공급원에서의 상기 정수압 또는 상기 임피던스 또는 상기 저항은 상기 유체 흐름 경로에서의 라인의 폐쇄, 상기 유체 공급원에 남아있는 액체의 양, 상기 유체 공급원에서의 점성 액체, 및 주사기의 존재 중 적어도 하나를 나타내는, 유체 제어 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 유체 싱크로 가는 상기 유체 흐름 경로에서의 정수압 또는 임피던스 또는 저항을 나타내는 압력 트렌드를 결정하도록 동작가능한, 유체 제어 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 유체 싱크로 가는 상기 유체 흐름 경로에서의 상기 정수압 또는 상기 임피던스 또는 상기 저항은 상기 유체 흐름 경로에서의 라인의 폐쇄와 상기 유체 싱크와의 분리된 연결 중 적어도 하나를 나타내는, 유체 제어 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 유체 흐름 경로 내 공기를 나타내는 압력 트렌드를 결정하도록 동작가능한, 유체 제어 시스템.
  22. 주입 펌핑 시스템으로서,
    제1항의 유체 흐름 제어 시스템; 및
    상기 유체 흐름 제어 시스템의 제어기와 연통하는 호스트 제어기를 포함하고, 상기 호스트 제어기는 주입 과정을 결정하는 명령들을 수신하도록 동작가능하고, 상기 명령들은 결정된 시간 간격에 걸쳐 전달될 액체의 부피나 주입 율 중 하나를 나타내고, 상기 명령들은 시작 시간을 더 포함하는, 주입 펌핑 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 사용자의 접촉과 전력 공급원을 더 포함하는, 주입 펌핑 시스템.
  24. 제22항에 있어서, 섀시를 더 포함하되,
    상기 입구 밸브와 상기 출구 밸브 및 상기 챔버는 상기 섀시에서 지지가능한, 주입 펌핑 시스템.
  25. 유체 공급원으로부터 액체 싱크로 유체의 주입을 제어하는 방법으로서,
    a) 유연한 멤브레인에 의해 유체-측 챔버로부터 분리된 가스-측 챔버와 유체 연통하는 가스 저장소에 음압을 가하여 상기 유체-측 챔버가 유체로 충전될 때까지 일방향 입구 밸브를 통해 상기 유체 공급원으로부터 액체를 상기 유체-측 챔버로 인입하는 단계;
    b) 상기 가스-측 챔버와 유체 연통하는 상기 가스 저장소에 양압을 가하여 일방향 출구 밸브를 통해 상기 유체-측 챔버 내 액체를 상기 액체 싱크로 전달하는 단계로서, 상기 출구 밸브는 미리 결정된 크래킹 압력을 갖는 수동의 일방향 체크 밸브를 포함하는 단계;
    c) 상기 음압을 가하는 단계와 상기 양압을 가하는 단계 동안 상기 가스 저장소의 압력을 모니터링하는 단계; 및
    d) 이상 기체 법칙 관계식에 의해 상기 가스 저장소와 상기 가스-측 챔버 및 임의의 연결 사공간(connecting dead space)의 부피의 증분 변화로부터 상기 유체-측 챔버 내 유체의 부피를 결정하는 단계로서, P1V1 = P2V2이되, P1과 P2는 부피 변화의 전과 후에 2회에서 측정된 압력이고, V1과 V2는 상기 2회에서의 부피인, 상기 상기 유체-측 챔버 내 유체의 부피를 결정하는 단계를 포함하는, 유체의 주입을 제어하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 단계 a 내지 단계 d를 반복하는 단계를 더 포함하되, 상기 액체 싱크로 전달된 액체의 총 부피는 이전에 결정된 총 부피에 증분의 부피 변화를 추가하는 것에 의해 단계 a 내지 단계 d의 각 연속적인 반복 후에 결정되는, 유체의 주입을 제어하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 단계 a에서, 상기 일방향 입구 밸브에 걸쳐 압력 차가 상기 일방향 입구 밸브의 크래킹 압력에 도달하여 상기 입구 밸브가 개방되고 유체가 상기 유체-측 챔버로 흐를 때까지 상기 음압이 가해지고, 단계 d에서 결정된 부피에 의해 결정된 만큼 유체가 상기 유체-측 챔버에 충전될 때까지 유체를 상기 유체-측 챔버에 계속 인입하도록 상기 음압이 추가적으로 가해지는, 유체의 주입을 제어하는 방법.
  28. 제25항에 있어서, 단계 b에서, 상기 일방향 출구 밸브에 걸쳐 압력 차가 상기 일방향 출구 밸브의 크래킹 압력에 도달하여 상기 일방향 출구 밸브가 개방되고 액체가 상기 유체-측 챔버로부터 흐를 때까지 상기 양압이 가해지고, 단계 d에서 결정된 부피에 의해 결정된 만큼 액체가 상기 유체-측 챔버로부터 배기될 때까지 상기 유체-측 챔버로부터 유체를 계속 전달하도록 상기 양압이 추가적으로 가해지는, 유체의 주입을 제어하는 방법.
  29. 제25항에 있어서, 상기 유체-측 챔버와 상기 가스-측 챔버의 부피는 함께 고정되어 있고, 상기 가스 저장소의 부피는 알려진 제어된 양만큼 가변적인, 유체의 주입을 제어하는 방법.
  30. 제25항에 있어서, 상기 압력을 모니터링하는 단계로부터 압력 트렌드가 결정되고, 상기 압력 트렌드는 상기 유체-측 챔버의 상류쪽 상태와 하류쪽 상태를 나타내며, 상기 상태들은 상기 유체 공급원에 남아있는 액체, 상기 유체-측 챔버 내 공기, 상류쪽 라인의 폐쇄, 하류쪽 라인의 폐쇄, 및 유체 싱크와의 분리된 연결(disconnected connection)을 포함하는, 유체의 주입을 제어하는 방법.
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