KR20200052800A - 마이크로젯 주입 장치 - Google Patents

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KR20200052800A
KR20200052800A KR1020190011205A KR20190011205A KR20200052800A KR 20200052800 A KR20200052800 A KR 20200052800A KR 1020190011205 A KR1020190011205 A KR 1020190011205A KR 20190011205 A KR20190011205 A KR 20190011205A KR 20200052800 A KR20200052800 A KR 20200052800A
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chamber
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KR1020190011205A
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이성헌
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바즈바이오메딕 주식회사
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Abstract

바늘을 사용하지 않고 생체 표피를 투과하여 생체 조직 내에 액체를 투여하는 마이크로젯 주입 장치가 개시된다. 구동 챔버 내의 구동액에 에너지를 인가하여 버블이 발생하면서 그 팽창하는 압력이 구동 챔버에 연결된 피스톤을 밀어낸다. 버블이 소멸할 때 피스톤이 원위치로 돌아오는 대신 구동 챔버에 구동액을 추가로 공급하여 피스톤의 위치가 유지된다. 이러한 싸이클이 초당 수십회 반복되어 피스톤이 최대 전진 위치까지 이동하고 약액이 생체 조직으로 주입될 수 있다.

Description

마이크로젯 주입 장치{micro-jet injection apparatus}
생체 조직 내에 액체를 투여하는 액체 전달 장치, 더욱 상세하게는 바늘을 사용하지 않고 생체 표피를 투과하여 생체 조직 내에 액체를 투여하는 액체 전달 기술이 개시된다.
발명자를 포함하는 연구 그룹은 구동 챔버 내의 구동액에 집중된 에너지를 순간적으로 인가하여 발생한 버블에 의한 압력으로 노즐을 구동하여 액체를 바늘 없이 생체 조직 내로 투여하는 마이크로젯 주입 장치를 연구해 왔다. 2013.05.30.자 출원되어 2015.03.03.자 등록된 특허제1,500,568호는 구동 챔버에 집중된 에너지를 인가하여 발생한 버블에 의해 탄성막이 변형되면서 약액 챔버의 약액이 분사되고 버블이 소멸하면서 탄성막이 복귀함에 따라 약액이 약액 챔버에 리필되는 마이크로젯 인젝터를 개시하고 있다. 이 인젝터는 분사와 리필을 초당 수십회 반복함으로써 분사량을 조절할 수 있으나 구동 챔버 내부에 잔류하는 버블로 인한 구동력의 감소나 약액 리필시 유입되는 공기 버블로 인한 문제점을 해결하는 것이 쉽지 않다.
약액을 정량 토출할 수 있는 효율적인 기술이 제안된다. 추가로, 약액을 토출하는 구동력의 감소를 개선할 수 있는 새로운 마이크로젯 주입 장치가 제시된다. 나아가, 반복적인 에너지 공급에 따라 발생하는 이물질이나 잔류 버블로 인해 구동력이 감소하는 문제점을 해결하는 새로운 마이크로젯 주입 장치가 제시된다.
제안된 발명의 일 양상에 따르면, 구동 챔버 내의 구동액에 에너지를 인가하여 버블이 발생하면서 그 팽창하는 압력이 구동 챔버에 연결된 피스톤을 밀어낸다. 버블이 소멸할 때 피스톤이 원위치로 돌아오는 대신 구동 챔버에 구동액을 추가로 공급하여 피스톤의 위치가 유지된다. 이러한 싸이클이 초당 수십회 반복되어 피스톤이 최대 전진 위치까지 이동하고 약액이 생체 조직으로 주입될 수 있다.
추가적인 양상에 따르면, 구동 챔버 외에 별도의 구동액 저장부를 구비할 수 있다. 구동액 저장부의 구동액은 구동 챔버로 이동하되, 그 반대방향의 흐름은 제한된다.
추가적인 양상에 따르면, 피스톤을 원위치로 복귀 시키기 위해, 추가로 공급된 구동액을 별도의 구동액 저장부로 되돌리도록 사용자의 조작에 따라 구동액의 흐름 방향에 대한 제한이 해제될 수 있다.
추가적인 양상에 따르면, 구동 피스톤에는 내부에 약액이 수용되는 주입부가 착탈 가능하게 연결될 수 있다. 추가적인 양상에 따르면, 주입부는 피스톤에 기계적으로 연동되는 수동 피스톤을 포함할 수 있다.
제안된 발명에 따르면, 주입기에 수용된 일정량의 약액이 완전히 주입되므로 정량 주입이 가능해진다.
또 제안된 발명에 따르면, 버블 소멸시 발생하는 역압이 효율적으로 회피되어 피스톤의 안정된 전진 운동이 가능해진다.
또 제안된 발명에 따르면, 주입기가 교체 가능하므로 주입기의 오염이 회피될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 마이크로젯 주입 장치의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2는 구동액 공급부(300)의 또다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 또다른 실시예에 따른 마이크로젯 주입 장치의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 주입부(500)의 구성을 도시한다.
도 5는 또다른 실시예에 따른 주입부(500)의 구성을 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 마이크로젯 주입 장치의 제어 방법의 구성을 도시한 흐름도이다.
전술한, 그리고 추가적인 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명하는 실시예들을 통해 구체화된다. 각 실시예들의 구성 요소들은 다른 언급이나 상호간에 모순이 없는 한 실시예 내에서 다양한 조합이 가능한 것으로 이해된다. 즉, 도면은 비록 하나의 실시예로서 도시되었지만 하나의 실시예로 한정하여 이해되어서는 안 된다. 이하의 설명에서 별개의 선택적인 또는 추가적인 양상으로 설명되는 바와 같이, 각 블록들은 필수적인 블록들에 그렇지 않은 블록들이 한 개, 두 개 혹은 그 이상의 개수의 조합이 부가되어 다양한 실시예들을 표현하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 마이크로젯 주입 장치의 구성을 도시한 블럭도이다. 마이크로젯 주입 장치의 기계적인 부분은 이해를 돕기 위해 단면도로 표시하였다. 도시된 바와 같이, 일 양상에 따른 마이크로젯 주입 장치는 주입 구동부(100)와 구동액 공급부(300)를 포함한다. 주입 구동부(100)는 약액을 주입하기 위한 압력을 생성한다. 일 양상에 따르면, 주입 구동부(100)는 구동 챔버(110)와, 에너지 공급부(130)와, 구동 피스톤(150)을 포함한다. 구동 챔버(110)는 구동액을 수용한다. 일 실시예에 있어서, 구동액은 물이다. 일 실시예에 있어서, 구동 챔버(110)는 플라스틱 혹은 텅스텐과 같은 금속 재질로 제작될 수 있다. 에너지 공급부(130)는 구동 챔버(110)의 구동액에 에너지를 공급하여 버블을 발생시킨다. 일 실시예에 있어서, 구동 챔버(110) 내부에 한 쌍의 전극(131,133)이 구비되고, 에너지 공급부(130)에서 발생된 고전압이 이 전극들을 통해 인가된다. 순간적으로 고전압이 인가되면서 물이 전기분해를 일으키고 그에 의해 발생한 가스에 의해 구동액인 물에 버블이 발생하고 버블이 물을 밀어내면서 압력이 발생한다. 구동 피스톤(150)은 그 일단이 구동 챔버에 결합되며 구동액에 버블이 생기면서 발생한 압력에 의해 전진한다.
일 양상에 따르면, 구동액 공급부(300)는 구동 챔버에 연결되며, 구동 챔버에 버블이 발생하여 구동 피스톤이 전진한 후 실질적으로 버블이 소멸되는 시점에 구동 챔버에 구동액을 추가로 공급한다. 전기분해로 인한 버블의 발생에 의한 압력이 한계가 있으므로 한번의 구동으로 인한 피스톤의 전진 거리는 제한된다. 일 양상에 따라, 에너지 공급부(130)에서 고전압 인가는 단속적으로 반복되며, 버블의 발생과 소멸이 반복된다. 이에 따라 구동 피스톤(150)은 전진을 반복한다. 구동 피스톤(150)이 출발점인 상사점에서 출발하여 최대 전진 위치인 하사점에 도달하면, 에너지 공급부(130)에서 고전압이 인가되어도 구동 피스톤(150)은 더 이상 전진하지 않고 구동 챔버(110)의 압력이 일정 이상 증가하게 된다. 구동 챔버(110)의 압력을 검출하는 센서를 부가하거나 또는 구동 피스톤(150)이 하사점에 도달하는 것을 검출하는 센서를 부가함으로써, 에너지 공급부(130)의 구동의 중단 시점을 결정할 수 있다.
한편, 버블이 소멸될 때 역압이 발생하여 피스톤이 후진할 수 있다. 구동액 공급부(300)는 버블의 발생으로 피스톤이 전진한 후 마찰력에 의해 피스톤이 정지하고 있는 동안 구동 챔버에 구동액을 추가로 공급한다. 예를 들어 전체 장치를 제어하는 제어기는 에너지 공급부(130)를 구동하고 일정 시간이 경과한 후 구동액 공급부(300)를 구동하여 구동액을 추가로 공급할 수 있다. 구동액의 공급량은 버블의 발생에 의해 피스톤이 전진하면서 생기는 역압을 소멸시키도록 전진한 부피에 해당하는 량이 될 수 있다. 그러나 그에 조금 미치지 못하는 량이라도 가능하다. 예를 들어 에너지 공급부(130)로부터의 구동액의 공급은 제어부가 밸브를 개폐함에 의해 제어될 수 있다.
추가적인 양상에 따르면, 구동액 공급부(300)는 구동액 저장부(310)와, 흐름 제한부(330)를 포함할 수 있다. 구동액 저장부(310)는 구동액을 수용한다. 일 실시예에서 구동액 저장부(310)에는 대기압이 작용한다. 흐름 제한부(330)는 구동액이 구동액 저장부로부터 구동 챔버로 공급되도록 흐름을 제한한다. 예를 들어 흐름 제한부(330)는 체크 밸브일 수 있다. 구동 챔버(110)에 버블이 발생하여 압력이 높아지면 흐름 제한부(330)의 작용에 의해 구동액 저장부(310)로 구동액이 역류하는 것이 차단되고 발생된 압력이 온전히 구동 피스톤(150)을 전진시키도록 작용할 수 있다. 버블이 소멸되면, 전진해버린 구동 피스톤(150)으로 인해 구동 챔버(110)에 역압이 발생하고, 구동액 저장부(310)에 인가된 대기압에 의해 흐름 제한부(330)가 열리고 구동액 저장부(310)에 저장된 구동액이 구동 챔버(110)로 추가로 공급되면서 마찰력에 의해 전진 위치에 멈춘 구동 피스톤(150)의 전진 위치를 유지시킬 수 있다.
도 2는 구동액 공급부(300)의 또다른 실시예를 도시한 도면이다. 추가적인 양상에 따르면, 마이크로젯 주입 장치는 흐름 제한부(330)의 흐름 제한 기능을 해제시키는 제한 해제부(350)를 더 포함할 수 있다. 도시된 일 실시예에서 제한 해제부(350)는 체크 밸브를 바이패스하는 또다른 밸브로 제시된다. 이 실시예에서 제한 해제부(350)는 체크 밸브를 우회하는 바이패스 배관(351)과, 그 배관을 단속하는 또다른 밸브(353)를 포함한다. 또다른 실시예에서, 제한 해제부(350)는 체크 밸브의 가동막을 강제로 개방된 상태로 유지시키는 기구적인 구성이 될 수 있다. 도시된 실시예에서 체크 밸브는 스윙 체크밸브(swing check valve)로 제시되었으나, 이에 한정되지 않으며 리프트 체크 밸브(lift check valve)나 디스크 체크 밸브(disck check valve) 등 다양한 체크 밸브 중 하나가 될 수 있다.
구동 피스톤(150)이 상사점에서 출발하여 하사점까지 완전히 이동하여 약액의 주입이 완료되면 재사용을 위해 구동 피스톤(150)을 다시 상사점으로 복귀시켜야 한다. 이때 흐름 제한부(350)로 인해 구동 피스톤(150)의 복귀가 방해받으므로 제한 해제부(350)를 작동시킨 상태에서 구동 피스톤(150)의 끝을 눌러서 후퇴시켜 추가로 공급된 구동액을 다시 구동액 저장부(310)로 돌리게 된다.
추가적인 양상에 따라, 구동액 공급부(300)는 구동액 가압부(370)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서 구동액 가압부(370)는 소형 컴프레서(compressor)일 수 있다. 구동액을 가압함으로써, 구동액 공급부(300)는 더 빠른 속도로 구동액을 보충할 수 있고, 그에 따라 구동 피스톤(150)의 전진 속도가 개선될 수 있다.
도 3은 또다른 실시예에 따른 마이크로젯 주입 장치의 구성을 도시한 블럭도이다. 마이크로젯 주입 장치의 기계적인 부분은 이해를 돕기 위해 단면도로 표시하였다. 도시된 바와 같이, 추가적인 양상에 따르면, 구동액 공급부(300)는 구동액 순환부(390)를 더 포함할 수 있다. 도시된 실시예에 따른 마이크로젯 주입 장치는 구동액 저장부(310)와 구동 챔버(110)간을 구동액이 순환할 수 있도록 순환 배관을 구비한다. 추가적으로, 구동액을 강제로 순환시키기 위해 구동액 순환부(390)를 더 포함한다. 일 실시예에서, 구동액 순환부(390)는 순환 펌프일 수 있다.
한 쌍의 전극(131,133)에 고전압이 반복적으로 인가되면 전극이 손상되어 금속 이물질이 구동액에 혼입될 수 있다. 또 발생한 버블이 완전히 소멸하지 않고 구동액에 잔류할 수 있다. 이러한 이물질은 구동 피스톤(150)의 운동을 방해하거나 버블에 의한 압력을 흡수하여 구동 피스톤(150)의 구동력을 약화시킬 수 있다. 구동액 순환부(390)를 통해 구동액을 순환시킴으로써 이러한 문제를 완화시킬 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서도 구동액 저장부(310)의 구동액이 구동 챔버(110)로 추가로 공급되는 과정에서 구동액의 교환이 일어나서 어느 정도 이러한 효과를 달성할 수 있지만, 강제로 구동액을 순환시킴으로써 효과를 더 개선할 수 있다. 구동액의 순환은, 구동액 공급부(300)의 전술한 추가적인 구동액 공급 과정에서 이루어질 수도 있고, 장비가 구동되지 않는 기간 동안 별도의 구동액 순환 싸이클을 둘 수도 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 주입부(500)의 구성을 도시한다. 추가적인 양상에 따르면, 마이크로젯 주입 장치는 주입부(500)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 주입부(500)는 구동 피스톤의 타단에 착탈 가능하게 결합된다. 일 실시예에서, 주입부(500)는 내부에 약액이 수용되고, 구동 피스톤의 작동에 따라 약액을 분사한다. 일 실시예에서, 주입부(500)는 액체 수용부(510)와, 노즐(530)과, 체결부(570)를 포함한다. 액체 수용부(510)에는 주입될 약액이 수용된다. 도시된 실시예에서, 액체 수용부(510)는 모세관 현상에 의해 약액을 수용한다. 노즐(530)는 액체 수용부의 일측에 구비되며 약액을 고속으로 분사한다. 체결부(570)는 액체 수용부(510)의 타측에 구비되어 구동 피스톤(150)의 타단에 주입부(500)를 착탈 가능하게 체결시킨다. 도시된 실시예에서 주입부(500)는 체결부(570)를 통해 구동 피스톤의 타단에 나사 결합된다. 도시된 실시예에서, 주입부(500)가 마이크로젯 주입 장치의 구동 피스톤의 타단에 결합될 때, 구동 피스톤(150)의 피스톤 끝이 주입부(500)에 삽입된다.
도 5는 또다른 실시예에 따른 주입부(500)의 구성을 도시한다. 도 4에 도시된실시예와 비교하여, 도시된 실시예에 따른 주입부(500)는 수동 피스톤(590)을 더 포함한다. 액체 수용부(510)는 수동 피스톤(590)으로 제한되는 공간으로 이루어진다. 주입부(500)가 체결부(570)를 통해 구동 피스톤(150)의 타단에 결합되면, 구동 피스톤(150)의 피스톤 끝이 주입기(500)의 수동 피스톤(590) 상부에 맞닿게 되고, 구동 피스톤(150)의 전진 운동이 수동 피스톤(590)에 기계적으로 전달된다. 수동 피스톤(590)으로 인해 액체 수용부(510) 내의 약액의 변질이 회피될 수 있다. 또 수동 피스톤(590)으로 인해 액체 수용부(510) 내의 약액의 정량 토출이 정밀하게 달성될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 마이크로젯 주입 장치의 제어 방법의 구성을 도시한 흐름도이다. 예를 들어 도시된 제어 방법은 마이크로젯 주입 장치의 동작을 제어하는 마이크로프로세서와 같은 제어 장치에서 실행되는 프로그램으로 구현될 수 있다. 이하에서는 도 1 내지 도 5의 실시예의 구성을 참조하여 제어 방법의 일 실시예를 설명한다. 그러나 도시된 제어 방법은 도 1 내지 도 5의 실시예에 적용되는 것으로 한정되지 않으며, 이 실시예에 도시되지 않은 제안된 발명의 다른 양상에도 적용될 수 있다.
먼저 마이크로젯 주입 장치의 제어 장치는 먼저 주입부 체결 여부를 체크하여 주입부(500)가 체결되었는지 검출한다(S110). 예를 들어 주입부 체결은 주입부(500)의 체결부(570)의 내측에 인쇄된 도전 패턴을 이용하여 전기 도통 여부를 체크함으로써 검출될 수 있다. 주입부(500)가 체결되고 사용자가 주입 버튼을 눌러 주입을 지시하는 것을 검출하면, 에너지 공급부(300)를 구동한다(S130). 구동 챔버(110)에 버블이 발생하여 구동 피스톤(150)이 전진하면, 구동액 공급부(300)를 구동하여 구동액 저장부(310)에 저장된 구동액을 구동 챔버(110)로 추가로 공급한다. 그러나 구동액 추가 공급 단계(S150)는 제어 장치의 명시적인 제어에 의해 진행되지 않고, 에너지 공급 단계(S130) 이후에 기계적으로 연동하여 아무런 제어 없이 후속하여 진행될 수 있다. 이후에, 구동 피스톤(S170)이 최대 전진 위치인 하사점에 도달하였는지 체크된다(S170). 아직 하사점에 도달하지 않았다면, 에너지 공급 단계(S130)와 구동액 추가 공급 단계(S150)를 반복한다. 하사점에 도달한 것이 검출되거나, 혹은 구동 피스톤이 하사점에 도달하여 센서에 의한 인터럽트가 발생한 경우, 제어 방치는 에너지 공급부(130)의 구동을 중단하고, 피스톤의 원위치 복귀 지시를 기다린다. 사용자가 피스톤 원위치 복귀를 지시하면, 제한 해제부(350)를 구동하여 구동액이 구동액 저장부(310)로 돌아갈 수 있도록 경로를 열어 사용자가 구동 피스톤(150)을 밀어 넣도록 대기한다.
추가적인 양상에 따라, 마이크로젯 주입 장치의 제어 방법은 구동액 순환 단계(S210)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어 마이크로젯 주입 장치가 일정 회수만큼 반복하여 사용된 이후에, 구동액 순환 단계(S210)가 실행될 수 있다. 제어 장치는 구동액 저장부와 구동 챔버간에 구동액을 순환하도록, 예를 들어 순환 펌프를 구동할 수 있다.
이상에서 본 발명을 첨부된 도면을 참조하는 실시예들을 통해 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 이들로부터 당업자라면 자명하게 도출할 수 있는 다양한 변형예들을 포괄하도록 해석되어야 한다. 기재된 양상들은 상호간에 모순 없이 자유롭게 조합될 수 있으며, 이러한 조합들도 모두 본 발명의 범주에 포함된다.
첨부된 특허청구범위는 이러한 조합들이나 도시가 생략되거나 간략화된 실시예들을 포괄하도록 의도되었으나, 이러한 모든 조합을 청구하지는 않고 있으며, 이러한 조합들이 향후 보정을 통해 본 발명의 범주에 진입하는 것이 허용되어야 한다.
100 : 주입 구동부 110 : 구동 챔버
130 : 에너지 공급부 150 : 구동 피스톤
300 : 구동액 공급부 310 : 구동액 저장부
330 : 흐름 제한부 350 : 제한 해제부
370 : 구동액 가압부
500 : 주입부 510 : 액체 수용부
530 : 노즐 570 : 체결부
590 : 수동 피스톤

Claims (9)

  1. 구동액을 수용하는 구동 챔버와, 구동 챔버의 구동액에 에너지를 공급하여 버블을 발생시키는 에너지 공급부와, 그 일단이 구동 챔버에 결합되는 구동 피스톤을 포함하는 주입 구동부와;
    구동 챔버에 연결되며, 구동 챔버에 버블이 발생하여 구동 피스톤이 전진한 후 실질적으로 버블이 소멸되는 시점에 구동 챔버에 구동액을 추가로 공급하여 구동 피스톤의 전진 위치를 유지시키는 구동액 공급부;를 포함하되,
    에너지 공급부는 구동 피스톤이 하사점에 도달할 때까지 에너지 공급을 단속적으로 반복하는 마이크로젯 주입 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 구동액 공급부는 :
    구동액을 수용하는 구동액 저장부와;
    구동액이 구동액 저장부로부터 구동 챔버로 공급되도록 흐름을 제한하는 흐름 제한부;
    를 포함하는 마이크로젯 주입 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 주입 장치가 :
    흐름 제한부의 흐름 제한 기능을 해제시키는 제한 해제부;
    를 더 포함하는 마이크로젯 주입 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 주입 장치가 :
    구동액 저장부의 구동액에 압력을 인가하는 구동액 가압부;
    를 더 포함하는 마이크로젯 주입 장치.
  5. 청구항 2에 있어서, 주입 장치가 :
    구동액 저장부와 구동 챔버간에 구동액을 순환시키는 구동액 순환부;
    를 더 포함하는 마이크로젯 주입 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 주입 장치가 :
    내부에 약액이 수용되고, 구동 피스톤의 타단에 착탈 가능하게 결합되며, 구동 피스톤의 작동에 따라 약액을 분사하는 주입부;
    를 더 포함하는 마이크로젯 주입 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 주입부는 :
    주입될 액체를 수용하는 액체 수용부와;
    액체 수용부의 일측에 구비되어 그 액체가 분사되는 노즐과;
    액체 수용부의 타측에 구비되어 구동 피스톤의 타단에 주입부를 착탈 가능하게체결시키는 체결부;
    를 포함하는 마이크로젯 주입 장치.
  8. 청구항 6에 있어서, 주입부는 :
    주입될 액체를 수용하며, 구동 피스톤과 접촉하여 그에 따라 가동되는 수동 피스톤과;
    수동 피스톤의 일측에 구비되어 그 액체가 분사되는 노즐과;
    수동 피스톤의 타측에 구비되어 구동 피스톤의 타단에 주입부를 착탈 가능하게체결시키는 체결부;
    를 포함하는 마이크로젯 주입 장치.
  9. 구동 챔버와 그 구동 챔버에 연통된 구동 피스톤을 포함하는 마이크로젯 주입 장치의 제어 방법에 있어서,
    구동 챔버의 구동액에 에너지를 공급하여 버블을 발생시키는 에너지 공급 단계;
    버블 소멸 시점에 구동 챔버로 구동액을 추가로 공급하여 구동 피스톤의 전진 위치를 유지시키는 구동액 추가 공급 단계;
    구동 피스톤이 하사점에 도달할 때까지 에너지 공급 단계와 구동액 추가 공급 단계를 반복하는 단계
    를 포함하는 마이크로젯 주입 장치의 제어 방법.
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