CN103717898A

CN103717898A - 用于精确的且低消耗的mems微泵致动的方法以及用于执行所述方法的装置

Info

Publication number: CN103717898A
Application number: CN201280037712.XA
Authority: CN
Inventors: 埃里克·查佩尔
Original assignee: Debiotech SA
Current assignee: Debiotech SA
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2014-04-09
Also published as: EP2551523A1; US10041483B2; JP2014527591A; EP2737211A2; JP6069319B2; CA2841903A1; US20190093643A1; WO2013018011A2; US20140199181A1; US11067068B2; WO2013018011A3

Abstract

本发明描述了由于交替的致动循环产生的改进以减小与泵送室弹性、致动器松弛或滞后相关的传送误差。该方法以最优的驱动电压分布来致动泵送装置，其中泵送装置包括泵送室，其包括泵送膜和与所述膜连接的电压受控的致动器；所述膜的移动由三个位置限定，即静止、底部和顶部位置。该方法包括具有包括至少两个不同周期的泵送模式的膜的致动：周期A：静止-底部-静止-顶部-静止，周期B：静止-顶部-静止-底部-静止。本发明还涉及一种执行该方法的装置。

Description

用于精确的且低消耗的MEMS微泵致动的方法以及用于执行所述方法的装置

技术领域

本发明涉及一种具有泵送室、泵送膜和电压驱动致动器(actuator)和两个阀的胰岛素泵。

更具体地，本发明涉及一种用于膜型微泵的精确的且低消耗的致动分布(profile)的改进方法，通常用于胰岛素的基础输注。

背景技术

往复式排量微泵(reciprocating displacement micropumps)已经是广泛关注的主题。用于泵送流体的微型装置的发展的全面回顾已经由D.J.Laser和J.G. Santiago公开在J.Micromech.Microeng.14(2004)R35-R64。在这些不同种类的装置中，本发明更具体地涉及一种具有两个止回阀(checkvalve)和固定行程(fixed stroke)的往复式排量泵。

专利申请EP1403519A1公开了一种膜型泵，其具有可周期性移动的可伸缩的聚酰亚胺泵膜，所述聚酰亚胺泵膜使用致动器在对应于最大和最小体积位置的两个位置之间周期性地移动，在所述位置处泵膜分别交替地紧靠第一和第二壁而伸缩。

例如在公开的专利US2006/027523和WO2010/046728A1中描述了MEMS微泵。如图1中示出的这种已知的MEMS微泵是高度小型化的和往复的膜泵送机构。它是使用称作MEMS(微电子机械系统)的技术由硅或硅和玻璃制成的。它包含入口控制部件，此处为入口阀2、泵送膜3、允许探测系统中的各种故障的功能性内部探测器4和出口阀5。这种微泵的原理在现有技术中是已知的，例如从专利号为US5,759,014可知，其内容作为参考并入本申请中。

图1示出了微泵，该微泵具有作为基板8的玻璃层、固定到基板8的作为第二板9的硅层以及固定到硅板9的作为顶板的第二玻璃层10的堆叠，从而限定具有容积的泵送室11。

连接到台面6的致动器(这里未示出)允许泵送膜3在板10和8之间受控地位移，并且更具体地，在所述板10和8的防粘层21和22(图1和2上的微小方形焊盘的阵列)上受控地位移。具有或不具有防粘层的这些板10和8分别是用于泵送膜3的底部和顶部机械限位器。为了将出口控制部件、出口阀5连接到此处未表示出的外部探测器并且最终连接到位于泵的相对侧上的出口端口，还可以存在通道7。

图2示出了MEMS微泵的另一个横截面，该微泵包括通道7上的盖12、外部探测器13和介于外部探测器13和出口端口18之间的流体通17。

在泵1中，泵送室内部的压力在泵送循环期间的变化依赖于许多因素，例如致动速度、入口和出口处的压力、可能存在的气泡体积、阀的特性以及它们的泄露率。

通过分析致动循环期间的压力分布(profile)来探测功能障碍。

在微泵1中的内部压力传感器4和外部压力传感器13分别由位于泵送室11和泵出口5之间和泵出口阀5和泵出口端口18之间的硅膜制成。传感器位于形成在微泵硅层9的表面及其顶层10之间的通道中。另外，该传感器包括在膜上的惠斯登电桥结构中的一组应变敏感电阻器，其利用硅的巨大的压阻效应。压力变化引起的膜的变形，并且因此电桥不再平衡。将该传感器设计成使信号与泵的典型压力范围内的压力成线性关系。该流体在与互连引线和压电电阻器的表面接触。通过使用掺杂了与引线和压电电阻器相反极性的附加表面，保证了电桥的良好的电气绝缘。

在填充期间，台面拉动膜抵靠底部机械限位器；当泵送室中的欠压达到入口阀预张力(pretension)时，出口保持关闭，而入口打开。在输液(infusion)期间，致动器推动台面，并且因此泵送膜抵靠上部机械限位器，引起打开出口阀并保持入口关闭的过压。

该装置被称为“推-拉”装置，这是因为该膜将被推动以到达上部限位器以及被拉动以到达下部限位器，它的静止位置或多或少地位于行程的中间，即在两个机械限位器的相同距离处。

在文献WO2010/046728中公开了一种用于膜式泵的周期性致动的方法，每个周期包括至少一个抽吸阶段和一个释放阶段，最终跟着静止阶段，周期结束时该泵送室的容积恢复到其原始尺寸。在图3中示出了如WO2010/046728中所描述的标准单泵致动分布。因为在功耗方面将高电压保持到压电致动器的电极上并不是最优的，该行程被分解为第一正半段行程(以下称为1/2推)、全负行程(全拉或完全填充)和最后的第二正半段推动以完成致动周期。正位移对应于从泵送室向患者的输液，而负位移对应于从贮存器对所述泵送室的填充。

建立标称单泵浦电压分布(nominal single pumping voltage profile)以确保泵送膜在正常和可预见的使用条件下总是到达机械限位器。

该泵送室具有含有预紧力的两个阀，该预紧力分别是用于入口阀的P_val _in和用于出口阀的P_val out。在泵的正常运转期间，在泵送腔充填结束时的压力为负的并且等于P_val in，而在输液结束时这个压力变为正的并且等于P_val _out。

在推注(bolus)模式下，因为泵送膜在两个停止限位器之间是连续移动的并且当阀关闭时泵送膜从不是自由移动的，因此泵送室弹性对于输送精度有微小的影响。

因此，泵送膜可以是在运动中或抵靠停止限位器。当压力从阀开启压力向0变化时，在那种结构中的最大体积变化被理想地限制到小于1nl(探测器和出口阀和膜的体积变化)。当所释放的膜是“自由的”时，该系统的弹性仅在推注输液的最后半个行程结束时增加。

在基础模式下，泵送室弹性对于输送精度的影响依赖于致动周期。

让我们考虑由以下形成的标准致动周期：

1.半“推”，膜从其静止位置(位于顶部和底部的机械限位器之间)朝向顶部移动

2.全“拉”，膜从顶部朝向底部的机械限位器移动

3.第二次半“推”，膜从底部朝向其静止位置移动

在步骤1和2期间，泵送室弹性的影响是有限的，但在最后的半推期间，因为压电不再被供电，对“自由”膜的贡献显著地增加了泵送室的整体弹性。

在配置3中每100毫巴的体积变化可高达比配置1或2中的多一个或两个数量级。在基础行程结束时，刚好在出口阀关闭后，该膜可以从其静止位置移位几个微米，并且因此不是完全输注标称行程容积(nominal strokevolume)的。因此在正常压力条件(入口压力＝出口压力＝0)下，压力将会从压力P_val out向零释放。在压力衰减期间，通过常“闭”阀的残余流体阻力将残余量向入口和出口二者输注。

如果入口的流体阻力比出口的流体阻力大很多，那么对精度的影响可以忽略不计：将会通过出口输注该残余量，并得到标称行程容积。

但是在最坏的情况下，考虑到关闭的入口的残余流体阻力比出口的小很多，于是将会向入口输注该残余量(回流)，从而导致可以是大到10％或更多的标称行程容积的欠输注(underinfusion)。

因为闭合阀的残余流体阻力之间的比例是纯随机的，因此由于上面讨论的影响产生的欠输注也是纯随机的。

根据在文献WO2010/046728中描述的方法，典型的致动循环是由抽吸和释放阶段与最终的静止阶段的重复组成的，其中在该静止阶段期间泵送容积不发生变化，表明在该静止阶段期间泵送膜相应地抵靠停止限位器。因此，当泵送膜例如是在两个停止限位器之间时，在给定的致动周期内不可能具有静止阶段。

根据在WO2010/046728中提供的方法，泵送膜被强制执行泵送周期，其中所述泵送膜交替地在两个停止限位器之间移动。但由于致动周期被假设为重复的，因此在周期结束和下一周期开始之间的过渡期内保持在两个停止限位器之间交替运动的原理，其中所述下一周期将继续移动膜直到第二停止限位器。

所有这些方法都符合直观方式以使用具有停止限位器的膜泵执行具有精度的泵送周期：从初始位置开始，交替到达每个停止限位器并在周期结束时返回到其原始位置。

因此，需要提供一种新的致动分布，使得这种随机误差(error)作为不依赖设备并且因此是可以被补偿的系统误差。

发明内容

本发明提供了关于现有技术的方法的几种改进。

涉及如权利要求中所限定的方法和装置。

根据本发明的对象还包括如例如在美国专利申请US2006/027523和PCT申请WO2010/046728中所定义的MEMS微泵。通过引用将这些文献的内容并入本申请中。

考虑如在现有技术中描述的往复式泵，存在一种方式将由于泵送室弹性导致的不稳定误差转变为可以补偿的系统误差。

本发明提出的解决方案是使用包括由1/2推(各自的1/2拉)后跟着1/2拉(各自的1/2推)的特定的泵送模式。这个泵送模式对于通常的泵来说不是自然的，并且其允许提高泵的精度。

在优选的实施例中，泵送装置包括泵送室，泵送室包括泵送膜和连接到所述膜的致动器。所述膜的移动由三个位置定义，即静止位置、底部位置和顶部位置；其中静止位置被包括在底部和顶部位置之间，并且其中所述顶部、静止和底部位置分别对应于泵送室的最小、中间和最大容积。

在优选的实施例中，所述泵送模式包括交替至少1/2推/全拉/1/2推周期和1/2拉/全推/1/2拉周期，在由部分抽吸阶段后跟着部分释放阶段或相反情形组成的这一阶段期间，泵送膜连续两次到达相同的停止限位器。

用这种方法，在基础行程结束时压力是正负交替的，使得每两个周期回流平衡：欠输注变成系统性的并且可以被补偿。

在另一实施例中，泵送装置还包括入口通道，其连接至贮存器；出口通道，其连接至患者管线；位于具有名为R_in的流体阻力的入口通道处的阀；以及位于具有名为R_out的流体阻力的出口通道处的阀。泵送模式比率St_push/St_pull依赖于比率R_in/R_out，其中St_push是部分推动之后在静止位置的停止的数目，并且St_pull是为部分拉动之后在静止位置的停止的数目。此外，如果比率R_in/R_out等于1或未知，那么比率St_push/St_pull必须等于1；如果比率R_in/R_out小于1，那么比率St_push/St_pull必须小于1；如果比率R_in/R_out大于1，那么比率St_push/St_pull必须大于1。如果比率R_in/R_out变化，这种泵送模式可以随着时间变化。

仍然根据WO2010/046728的低消耗的理念(在每个行程之间压电不被供电)，这种方法避免了由于释放的泵送膜的弹性导致的在基础速率处的传送精度上的随机误差。

在本发明中还提出了防止由于致动器松弛或滞后导致的传送错误的特定泵送模式。

最后描述了推注算法以便于最小化传送误差，所述传送误差由推注标称行程容积和用于推注容积的最小可编程增量之间的差导致，。

附图说明

图1是MEMS微泵的横截面

图2示出了包括两个探测器并示出了流体通路的MEMS微泵的横截面

图3示出了根据WO2010/046728的用于基础和推注模式的标准单射程致动分布(standard single shot actuation profile)。

图4是由于推注算法导致的相对输注误差的曲线图。

图5示出了不同的泵送模式。

图6和6’示出了具有与半推一样多的半拉的泵送模式，所述半拉后跟着在静止位置的停止，所述半推后跟着在静止位置的停止。

图7和7’示出了具有比半推少的半拉的泵送模式，所述半拉后跟着在静止位置的停止，所述半推后跟着在静止位置的停止。

图8和8’示出了具有比半推多的半拉的泵送模式，所述半拉后跟着在静止位置的停止，所述半推后跟着在静止位置的停止。

图9示出了随时间变化的泵送模式。

具体实施方式

定义

行程

行程(stroke)在此处对应于泵送膜的完整周期，从初始位置开始，反复地到达两个机械限位器，并且最后返回到其初始位置。

行程容积

当泵送膜从第一机械限位器朝向第二机械限位器位移时，在平衡时的泵送腔的容积变化。

这个行程容积是标称行程容积或几何行程容积。该行程容积等于用于泵的行程期间注入的体积，其中该泵具有开启阈值等于零的阀。

行程容积在此处是可以以精确地输注的最小体积。

由用户编程的体积或流速被分解为具有所需间隔的标称行程的顺序。

基础和推注行程容积

分别在基础和推注模式下的行程期间所输注的有效体积。

因为阀具有预紧力，因此泵的弹性对于一个行程期间的有效行程容积或所输注的体积有影响。这一影响在基础和推注模式下是不同的。

单泵送电压分布

施加到致动器以执行单个行程的电压分布(voltage profile)。

标称单泵送电压分布是用于标准的基础和推注模式二者的基础分布。

这个标称单泵送电压分布适于在正常的温度和压力条件下得到合适的每个周期的正确行程容积。

泵送模式(pumping pattern)

泵送输送的顺序。

泵送单元输送由类似注射泵(syringe pump)的单个泵送的顺序形成的脉冲流速。

调整每个行程之间的间隔以满足所编程的流速并且该间隔可以是规则或不规则的。

回流

即使在入口和出口之间不存在压力梯度的情况下，泵送单元的至少一个阀的泄漏仍导致在每个行程期间的欠输送。

回流通常是由于在一个阀座(valve seat)上存在大的颗粒，并且其影响推注和基础精度。

静止阶段

静止阶段是这样的阶段：在该阶段期间致动器基本上不移动。一个或多个静止阶段可以在泵送模式的开始和结束之间执行。

对于本发明，该静止阶段的特征在于以下事实，即使两个止回阀都处于关闭位置，该流体仍会流过至少一个所述的阀。

静止阶段允许释放泵送室中的压力直至平衡压力。所述释放是由于通过两个阀的流动所引起的在泵送室中存在的流体的体积变化。其中，所述流动是由泵送室与入口和出口阀二者之间的压力差以及由处于关闭位置的所述阀的残余流体阻力所驱动的。停止到位置可能是静止阶段。

静止位置

静止位置是在泵送室中的膜的位置。其位于顶部和底部位置之间。优选地，静止位置是预定的、非随机的且不同于顶部和底部位置。

静止位置和静止阶段是不同的。当泵送模式执行全推或全拉时，膜移动并通过所述静止位置。停止或静止阶段处于所述静止位置是可能的，但不是强制性的。

对于本发明，泵送装置包括泵送室，其中该泵送室包括泵送膜和连接到所述膜的致动器；用于根据确定的泵送模式致动该膜的装置；阀，该阀可以是止回阀并且具有预紧力。

在优选的实施方式中，泵送室的容积变化被包括在如下范围：当泵送膜抵靠机械限位器时对每巴所施加的压力介于0.5nl至50nl之间，以及当泵送膜没有抵靠机械限位器和当致动器未被供电时对每巴所施加的压力介于10nl至500nl之间。

在一个实施例中，泵送装置还包括在泵送室内的压力传感器和/或用于测量入口处和出口处的流体阻力或入口和出口之间的流体阻力差的装置。

1.1.交替周期的方法

在基础模式中，泵送室弹性对于输送精度的影响取决于泵送模式。

我们考虑到阀(其可以是止回阀)具有绝对值相同的开启阈值：

-P_val in＝P_val out＝P_val

让我们考虑由以下形成的第一泵浦分布(标准单泵浦分布或周期B，这是因为在致动结束时压力为正的)：

2.全“拉”，膜从顶部朝向底部移动

3.第二次半“推”，膜从底部朝向其静止位置而被释放

如前面所讨论的，在阶段1和2期间，泵送室弹性的影响等同于在填充(拉)和输注(推)之间具有完美平衡的推注模式。但是在最后的半推期间，因为压电不再被供电，对“自由”膜的贡献显著地增加了泵送室的整体弹性。

现在让我们考虑由以下形成的第二泵浦分布(周期A)：

4.半“拉”，膜从其静止位置(位于顶部和底部的机械限位器之间)朝向底部移动

5.全“推”，膜从底部朝向上部机械限位器移动

6.第二次半“拉”，膜从底部朝向其静止位置而被释放

我们考虑，入口和出口阀的流体阻力R_in和R_out受制于低于其开启阈值的压力梯度。我们假设这些阻力在那个压力范围内为常数。

我们注意到V_r为将会在从泵送室朝向入口和出口阀的基础行程结束时输注残余量。

如果基础行程由“推”结束，即在泵送室中具有正压力的周期B，那么由于入口回流导致的欠输注等于：

V_{r 1} = \frac{R_{out}}{R_{in} + R_{out}} V_{r}

这个公式明确地示出了欠输注取决于比值R_in/R_out。

如果基础行程由“拉”结束，即在泵送室中具有负压力的周期A，那么由于出口回流导致的欠输注等于：

V_{r 2} = \frac{R_{in}}{R_{in} + R_{out}} V_{r}

考虑两种的交替的泵浦分布，即周期B后跟着周期A或者周期A后跟着周期B，现在全部欠输注等于V_r，导致每个行程的平均欠输注为V_r/2。

现在欠输注是系统性的并且不依赖于比率R_in/R_out。

可以在基础行程之间的间隔的计算过程中能够简单地补偿这一误差。

这里表示的周期A和B是该方法的非限制性实例。可以使用包括几个中间位置的任何其他周期。

在一个实施例中，泵送模式包括多个周期A，其在给定时间间隔内等于或接近于周期B的数目。

为了确定计算泵送模式所需要的所有特征，可以在致动期间分析泵送室中的压力传感器的信号，包括入口和出口压力、阀的预紧力、行程完成、泄漏、空气的存在……

在图6中示出的另一个实施例中，泵送模式包括停止在静止位置到每个半推和半拉。

附图6和6’示出了当比率R_in/R_out未知或等于1时的泵送模式。

因此，如果比率R_in/R_out未知或等于1，那么所述泵送模式必须包括与周期B一样多的周期A或者换句话说，泵送模式必须包括与半推(随后停止在静止位置)一样多的半拉(随后停止在静止位置)。如果阀门泄漏但我们不知道是哪一个阀门，也是相同的泵送模式。因此，如果R_in/R_out＝1，那么St_push/St_pull＝1。

图7和7’示出了当比率R_in/R_out大于1时的泵送模式。

因此，如果比率R_in/R_out大于1，那么泵送模式必须包括少于周期B的周期A或者换句话说，泵送模式必须包括比半推(随后停止在静止位置)少的半拉(随后停止在静止位置)。如果出口阀泄漏，也是相同的泵送模式。因此，如果R_in/R_out＞1，那么St_push/St_pull＞1。

图8和8’示出了当比率R_in/R_out小于1时的泵送模式。

因此，如果比率R_in/R_out小于1，那么泵送模式必须包括多于周期B的周期A或者换句话说，泵送模式必须包括比半推(随后停止在静止位置)多的半拉(随后停止在静止位置)。如果入口阀泄漏，也是相同的泵送模式。因此，如果R_in/R_out＜1，那么St_push/St_pull＜1。

在一个实施例中，泵送装置包括贮存器(reservior)。在这种情况下，泵送模式可取决于贮存器水平，这是因为流体阻力可以取决于贮存器水平。所以，图9示出了三个时间T1、T2和T3。当贮存器是满的时，比率R_in/R_out可以小于1。因此，在这个时间T1期间，泵送模式应包括比率St_push/St_pull＜1或者多于周期B的周期A。但是，当贮存器几乎是空的时候，比率R_in/R_out可以大于1。因此，在这个时间T3期间，泵送模式应包括比率St_push/St_pull＞1个或者多于周期A的周期B。

1.2.用于基础输注的详细方法

在这里我们提供了包括所有项的基础行程容积的完整计算。

符号：

P_val＝阀预紧力或阀的开启阈值的绝对值

V₀＝泵送室的闭死容积(dead volume)

dV＝当施加压力P_val之后膜抵靠机械限位器时的泵送室的容积变化

dV_r＝当施加压力P_val之后膜被释放(没有在压电功率)时的泵送室的容积变化

dV_i＝通过入口(i＝1)和通过出口(i＝2)排出的容积dV的一部分

dV_ri＝通过入口(i＝1)和通过出口(i＝2)排出的容积dV_r的一部分

dV_i和dV_ri的最大值采取的形式(在泵送室压力完全松弛(relaxation)之后)如下：

\{\begin{matrix} {dV}_{1} = \frac{R_{out}}{R_{in} + R_{out}} dV \\ {dV}_{2} = \frac{R_{in}}{R_{in} + R_{out}} dV \\ {dV}_{r 1} = \frac{R_{out}}{R_{in} + R_{out}} dVr \\ {dV}_{r 2} = \frac{R_{in}}{R_{in} + R_{out}} dVr \end{matrix}

我们假设膜的静止位置与每个机械限位器是等距的。

我们分析对于可能发生两种如下极端情况，在泵浦分布B和泵浦分布A的每个步骤对于入口、泵送室和出口的容积变化：

·除了膜的释放过程期间没有压力的松弛(泵很紧)

·在膜的每次移动之后的压力完全松弛(泵是安全的，但处于在紧密性方面的规范极限)

估计在基础行程的每个步骤期间所输注的体积以及如前讨论的两个交替行程的平均值。

表1和表2总结了结果：

表1：对于非常紧的泵在基础行程期间的容积变化。

表2：对于处于泄漏方面的规范极限的泵的基础行程期间的容积变化。

在表3中提供了用于周期B的致动下的泵的草图，其中在每个致动步骤之后发生总的压力的松弛。为了示出弹性的影响，在这里我们表示出探测器膜，其对于泵送室中正的(相应的负的)压力向下(相应的向上)偏转。在周期的每个步骤用大黑箭头表示流的方向。

表3：示出了在周期B期间流的方向(大黑箭头)的示意图。

在表4中，提供了对于周期A的相同的说明性草图。

表4：示出了在周期A期间流的方向(大黑箭头)的示意图。

根据以上在此处描述的方法，对于两个交替周期B和A的平均行程容积只依赖于dV和dV_r，但不依赖于R_in与R_out的比值。

具有交替周期的基础行程容积

基础行程容积最终采取以下形式，使用交替的泵浦分布：

实例：

dV＝0.48nl

dV_r＝8.28nl

我们得到+/-0.24nl的误差。

现在我们考虑由于阀预紧力公差(tolerance)导致的残余误差。

此残余误差是基于3倍标准差的20％的公差(目标的10％)。

因为dV和dV_r随着阀的预紧力线性变化，我们最终得到：

误差(交替的基础行程)＝±1.26nl

除了通过在泵运转期间准确地测量阀预紧力之外，不能补偿由于弹性导致的+/-1.26nl的残余误差。

需要注意的是，在高流速(对于U100胰岛素的大于10U/h或0.1ml/h的流速)下通过使用交替行程在精度上补偿弹性效果是无效的，这是因为在每个行程之间压力可能不会完全松弛。

没有交替周期的基础行程容积(标准周期)

我们得到+/-4.38nl的误差。

阀预紧力的残余误差导致标准基础行程容积的最终值：

误差(标准的基础行程)＝±5.35nl

此处由于泵的弹性导致的误差是+/-5.35nl。

1.3.补偿压电滞后的详细方法

开环驱动的压电致动器显示出了滞后和松弛。因为致动器抵靠机械限位器时被过驱动，在致动器的释放并且更具体地在使用交替泵浦分布B和A期间，会遇到滞后和松弛的单一效应。

当泵浦分布由1/2拉(相应的由1/2推)结束时，由于压电滞后和松弛，膜的静止位置从初始中立位置稍微移开。这种移开强烈地依赖于行程之间的间隔持续时间。为了简化，下文中将泵浦分布B和A之后膜的静止位置之间的差称为滞后。

一旦电极短路，PZT双压电晶片元件典型地显示出在30秒之后总滞后0.8um，在60秒之后总滞后0.5um且在5分钟之后总滞后仅为0.1um。

低于0.5U/h时该影响可以忽略不计。

在更高的基础速率下，对于交替泵浦分布有两种方式来补偿压电的滞后和松弛效应：

1.补偿＝基础行程容积的变化

2.具体泵浦周期＝连续交替周期数目的减少

补偿方法

估计在基础行程的每个步骤期间所输注的体积以及如前讨论的两个交替泵浦分布的平均值。

我们注意到，h是总的滞后和行程之间的以％计的比率。

表5和表6总结了结果。

泵状态	P室	V入口	V室	V出口
					静止位置A	0	0	V0+SV(1-h)/2	0
1/2推	+P_val	0	V0+dV	SV(1-h)/2-dV
					全拉	-P_val	-SV+2dV	V0+SV-dV	SV(1-h)/2-dV
1/2推(释放)	+P_val	-SV+2dV	V0+SV(1+h)/2+dVr+dV	SV(1-h)-3dV-dVr
					1/2推(松弛)	松弛至0	-(SV-2dV-dV1-dVr1)	V0+SV(1+h)/2	SV(1-h)-2dV-dV1-dVr1
周期B结束
					静止位置B	0	0	V0+SV(1+h)/2	0
1/2拉	-P_val	-SV(1-h)/2+dV	V0+SV-dV	0
					全推	+P_val	-SV(1-h)/2+dV	V0+dV	SV-2dV
1/2拉	-P_val	-SV(1-h)+3dV+dVr	V0+SV(1-h)/2-dVr-dV	SV-2dV
					1/2拉(释放)	松弛至0	-(SV(1-h)-2dV-dV2-dVr2)	V0+SV/2	SV-2dV-dV2-dVr2
周期A结束
					B和A的平均值		-(SV(1-h/2)-5dV/2-dVr/2)		SV(1-h/2)-5dV/2-dVr/2

表5：对于非常紧的泵在基础行程期间的容积变化。

泵状态	P室	V入口	V室	V出口
					静止位置A	0	0	V0+SV(1-h)/2	0
1/2推	+P_val	0	V0+dV	SV(1-h)/2-dV
					1/2推(松弛)	松弛至0	+dV1	V0	SV(1-h)/2-dV+dV2
全拉	-P_val	-(SV-dV)+dV1	V0+SV-dV	SV(1-h)/2-dV+dV2
					全拉(松弛)	松弛至0	-SV+dV	V0+SV	SV(1-h)/2-dV
1/2推(释放)	+P_val	-SV+dV	V0+SV(1+h)/2+dVr+dV	SV(1-h)-2dV-dVr
					1/2推(松弛)	松弛至0	-(SV-dV-dV1-dVr1)	V0+SV(1+h)/2	SV(1-h)-dV-dV1-dVr1
周期B结束
					静止位置B	0	0	V0+SV(1+h)/2	0
1/2拉	-P_val	-SV(1-h)/2+dV	V0+SV-dV	0
					1/2拉(松弛)	松弛至0	-SV(1-h)/2+dV2	V0+SV	-dV2
全推	+P_val	-SV(1-h)/2+dV2	V0+dV	SV-dV-dV2
					全推(松弛)	松弛至0	-SV(1-h)/2+dV	V0	SV-dV
1/2拉(释放)	-P_val	-SV(1-h)+2dV+dVr	V0+SV(1-h)/2-dVr-dV	SV-dV
					1/2拉(松弛)	松弛至0	-(SV(1-h)-dV-dV2-dVr2)	V0+SV(1-h)/2	SV-dV-dV2-dVr2
周期A结束
					B和A的平均值		-(SV(1-h/2)-3dV/2-dVr/2)		SV(1-h/2)-3dV/2-dVr/2

表6：对于处于泄漏方面的规范极限的泵的基础行程期间的容积变化。

在1.2U/h时，对于后跟着周期A的周期B或者后跟着周期B的周期A，两个连续行程的平均行程容积的减少等于1％或2nl。因为这个误差是系统性的，可以调节标称行程容积以补充滞后效应。

我们假设对于不同批次压电的滞后效应最大变化为20％。

在1.2U/h时，使用具有弹性和滞后二者的补偿的交替周期的行程容积的最终误差变成了：

误差(交替的基础行程)＝±1.66nl

有效的行程容积减小了2nl。

将对大于0.5U/h的每个基础速率计算该补偿。

这里给出的流速和误差估计是该方法的非限制性实例。

具体的泵浦循环方法

滞后或松弛仅改变对于中等或高基础速率下的两个连续交替致动的行程容积。

为了减小滞后/松弛效应，该方法包括不以每次循环B和循环A的方式交替，而是执行Y个循环B后跟着Y个循环A。由于滞后导致的平均效应被因子Y所分割。

在2.4U/h时，使用由5个循环B后跟着5个循环A的形成的泵浦循环，滞后效应等于平均的减少了的行程容积，其等于(0.5*0.8*200.64)/24.75/5＝0.64nl。

由于弹性和压电滞后导致的精度误差变为：

误差(交替的基础行程)＝±1.39nl

增加循环数Y降低了由于滞后和松弛导致的相对误差。

这种致动分布适于补偿弹性的影响并且适于使滞后效应忽略不计。

该方法不限于使用压电致动器，还可包括SMA、电磁、电容、磁性、磁致伸缩或任何其他致动器。

1.4.其他方法

包括多个中间位置的任何其他周期C，D……可用于所有这些方法。周期i(其中i＝A，B，C……)的数目Ni可以彼此不同。

作为非限制性实例，周期C可以是没有任何致动的简单的时间间隔。

周期可以是从膜的静止位置分别朝向顶部和底部位置的简单的半个正的和负的行程。

考虑周期A和B，下面给出了非限制性的实例：

·ABABAB…

·AABBAABB...

·A…AB…BA…AB…B…

·ABAABABABBAB…

·AB…BAB…BAB…BA…

·A…ABA…ABA…AB…

·…

考虑到额外的周期C，我们可以根据以下来致动泵送膜：

·ABCABCABC…

·AB…BCA…ABA…ABC…

·A…AB…BC…CA…AB…BC…C…

·ABCBABCBA…

·ABCBACABCBAC…

·ABACBABACBA…

·AB…BC…CAB…BC…C…

·ABC…C ABC…CABC…C…

·A…AB…BCA…AB…BC…

·A…ABC…CA…ABC…C…

·AB…BC…CAB…BC…CAB…BC…C

·…

时间周期性不是强制的：泵送模式的任何前述实例都可以具有行程之间的不恒定的时间间隔。周期类型方面的完美周期性不再是强制性的：例如，定义了泵送模式的算法可以使用任何输入或触发，例如泵送模式将比如简单地确保周期i的总数Ni或多或少地落入预定时间间隔的目标之内。在实践中计数器可以用于这一目的。

泵送装置包括任何处理装置，包括硬件(处理器)，嵌入式软件……以根据本发明中所描述的方法来计算并确定泵送模式。

泵送模式优选地(或仅)可包括周期A或周期B，如果在一个具体的阀上获得永久开口或颗粒的可能性相比另一个更大：根据流的方向，入口阀更有可能首先提交给来自贮存器的颗粒。在后者的情况下，作为前述方法的替代方法，泵送模式可以仅包括类型A的周期，其由泵送室的半填充而结束，因此在循环完成之后泵送室中的相对压力是负的。一旦入口阀关闭，那么为平衡压力产生的残余的流将主要出现在贮存器和泵送室之间，通过出口阀的回流很小，并且因此期望有效的行程容积非常接近于标称行程容积。

在出口阀上获得颗粒或永久开口的可能性更高的情况下，优选或仅由周期B形成的泵送周期将是优选的。

总之，如果通过设计或工艺考虑，出口(相应的入口)阀的残余流阻力大于入口(相应的出口)阀的残余流阻力的可能性很高(接近于1)，那么泵送模式应当优选地(或仅)包括A(相应的B)类型的周期。换句话说，如果在入口(相应的出口)发生泄漏，泵送模式应当优选地(或仅)包括A(相应的B)类型的周期。

这种方法近似于基于使用如前所述的交替周期的完整方法。然而这种替代方法在软件开发方面更简单，这是由于对周期A或周期B的任一个应当执行探测算法，而对于完整方法，应当执行用于两种类型的周期A和B二者的探测算法。

此外，由于该方法基于单一种类的致动周期A或B的使用，因此不再必须补偿随着致动频率变化的压电滞后效应，再次使得输送算法更简单。

1.5.用于推注输注的详细方法

泵送室弹性和推注行程容积

我们分析在推注泵浦分布的每个步骤期间，入口、泵送室和出口处的容积变化，形成从初始位置到抵靠一个机械限位器的完整周期，并且考虑两种极端情况：

·推注结束时膜的释放期间没有压力的松弛(＝泵非常紧)

·在膜的每次移动之后压力的完全松弛(＝泵是安全的，但处于紧密性方面的规范极限)

估计推注行程的每个步骤期间所输注的体积。

表7和表8总结了结果。

泵状态	P室	V入口	V室	V出口
					全拉(r参考)	-P_val	0	V₀+S_V-dV	0
全推	+P_val	0	V₀+dV	S_V-2dV
					全拉	-P_val	S_V-2dV	V₀+S_V-dV	S_V-2dV

表7：对于非常紧的泵在推注行程期间的容积变化。

泵状态	P室	V入口	V室	V出口
					全拉(参考)	-P_val	0	V₀+S_V-dV	0
全拉(松弛)	0	-dV₁	V₀+S_V	-dV₂
					全推	+P_val	-dV₁	V₀+dV	S_V-dV-dV₂
全推(松弛)	0	0	V₀	S_V-dV
					全拉	-P_val	S_V-dV	V₀+S_V-dV	S_V-dV

表8：对于处于泄露方面的规范极限的泵的推注行程期间的容积变化。

我们得到：

S_{v} (bolus) = S_{v} - \frac{3 dV}{2} &PlusMinus; \frac{dV}{2}

最后，考虑到阀预紧力的20％的公差，我们得到了由于弹性导致的典型的输注误差，等于：

误差(推注行程)＝±0.384nl

在推注输注结束的后半段行程期间(其例如对应于膜从底部向静止位置的释放)，由于如对于基础输注所讨论的“自由”膜的弹性，存在几个nl的最大准时误差(max punctual error)。

推注传送算法

在推注模式中，患者编程在短期内要输注的胰岛素的体积V_bolus。体积V_bolus通常从0变化到25U且通常具有0.02U的阶梯。

根据用于基础传送的上述方法，通过将标称基础行程容积设计为可以每小时被编程输注体积的最小增量和/或用于推注体积的最小增量的倍数来调整可能是有用的。

在这后一种情况下，推注行程容积将不是所述最小可编程增量(例如0.02U)的完整倍数，并且将会实现推注传送算法以计算被传送的推注行程的数目。

泵控制器将V_bolus除以标称推注行程容积：

n = \frac{V_{bolus}}{S_{v (bolus)}}

要被传送的行程数目N是简单的最接近n的整数。

我们注意到，

是n的下取整(或整数部分)，分别是不大于n的最大整数。

如果

那么

如果那么

对于任何编程的V_bolus，最大绝对误差等于

不存在累计误差。根据图4，作为已编程的推注体积的函数的相对误差示出了这一特征。

为了补偿推注行程容积和推注体积的增量之间的失配，实现推注算法并且推注算法使得对于5U或更多的推注的最大相对误差低于+/-0.2％。

最小推注等于S_v(bolus)，并且因此对于任何推注体积的最大误差等于+/-S_v(bolus)/2。

这种推注算法是本发明的非限制性实例。

对于任何其他标称行程容积，使用另一种舍入计算的任何其他方法能够被用作推注算法。

根据本发明中所述的方法，泵送装置应包括对于基础和推注输注使用标称行程容积计算泵送模式的装置。

Claims

1.一种用于致动泵送装置以获得确定的泵送模式的方法，其改善了精确传送，其中该泵送装置包括：

·泵送室，该泵送室包括泵送膜和与所述膜连接的致动器，该膜被推动以在泵送室中产生正的压力并被拉动以在泵送室中产生负的压力，

·入口通道，其连接至贮存器，

·出口通道，其连接至患者管线，

·位于入口通道处的阀，其具有名为R_in的流体阻力

·位于出口通道处的阀，其具有名为R_out的流体阻力

其中所述膜被设计为具有至少三个位置，即静止位置、底部位置和顶部位置；

其中静止位置被包括在底部和顶部位置之间，并且其中所述顶部、静止和底部位置分别对应于泵送室的最小、中间和最大容积，

其中泵送模式包括名为St_push的部分推动之后在静止位置的多个停止和名为St_pull的部分拉动之后在静止位置的多个停止；所述方法的特征在于泵送模式包括依赖于比率R_in/R_out的比率St_push/St_pull。

2.根据权利要求1的方法，其中：

·如果比率R_in/R_out等于1或未知，比率St_push/St_pull等于1；或者

·如果比率R_in/R_out小于1，比率St_push/St_pull小于1；

·如果比率R_in/R_out大于1，比率St_push/St_pull大于1。

3.根据权利要求1的方法，还包括介于所述泵送模式的开始和结束之间的至少一个静止阶段，所述静止阶段的特征在于以下事实：两个阀均处于关闭状态。

4.根据权利要求3的方法，其中所述静止阶段的特征在于泵送室中的压力达到平衡压力的松弛，所述松弛归因于通过两个阀的流引起的存在于泵送室中的流体的体积变化，所述流由泵送室与入口和出口阀之间的压力差以及由处于关闭状态的所述阀的残余流体阻力所驱动。

5.根据权利要求1的方法，其中确定的泵送模式包括膜的至少一次移动，其对应于顶部-静止-顶部或底部-静止-底部的顺序，或者所述确定的泵送模式包括至少两个不同的周期：

·周期A，其由下列顺序定义：静止-底部-静止-顶部-静止

·周期B，其由下列顺序定义：静止-顶部-静止-底部-静止

其中确定的泵送模式包括至少一个由周期B(相应的周期A)跟着的周期A(相应的周期B)。

6.根据权利要求1的方法，其中如果入口(相应的出口)泄漏，则泵送模式优选地包括更多或仅St_pull(相应的St_push)，或者包括更多或仅A(相应的B)类型的周期。

7.根据权利要求1的方法，其中静止位置被包括在底部机械限位器和顶部机械限位器之间，并且所述静止位置能够是预定的、非随机的并且不同于顶部和底部位置；其中所述顶部位置对应于泵送膜接触所述顶部机械限位器的位置，并且所述底部位置对应于泵送膜接触所述底部机械限位器的位置。

8.根据前述任一权利要求的方法，其中如果比率R_in/R_out等于1或未知，那么输注泵送模式的每个周期B(相应的周期A)后跟着周期A(相应的周期B)。

9.根据前述任一权利要求的方法，其中如果比率R_in/R_out等于1或未知，则泵送模式的数目为Y的周期A(相应的周期B)后跟着数目为Y的周期B(相应的A)，Y是大于1的整数，其中数目Y可以是已编程的流速或容积的函数。

10.根据前述任一权利要求的方法，其中每个致动之间的间隔和/或用于计算泵送模式的标称行程容积是已编程的流速或容积的函数。

11.根据前述任一权利要求的方法，其中泵送装置还包括泵送室内的压力传感器，所述方法包括在致动期间分析所述压力传感器的信号以确定两个阀预紧力的值和/或泵送室内的空气体积的值和/或入口和出口压力的值，所有的所述值用于确定泵送模式。

12.根据前述任一权利要求的方法，其中编程泵送装置以传送基础输注和/或具有算法的推注输注，该算法至少包括：

-)n＝Vbolus/Sv(bolus)的确定，其中Vbolus是被输注的体积且Sv(bolus)是标称推注行程容积，

-)要被传送的、等于最接近n的整数的行程数目N的确定，

所述算法使得最大误差等于Sv(bolus)/2，而独立于Vbolus的值。

13.一种用于致动泵送装置以获得确定的泵送模式的方法，其中该泵送装置包括：泵送室，所述泵送室包括泵送膜和与所述膜连接的致动器；所述膜被设计为具有至少三个位置，即静止位置、底部位置和顶部位置；其中静止位置被包括在底部和顶部位置之间，并且其中所述顶部、静止和底部位置分别对应于泵送室的最小、中间和最大容积，所述方法的特征在于具有确定的泵送模式的膜的致动，该泵送模式包括膜的至少一次移动，其对应于顶部-静止-顶部或底部-静止-底部的顺序。

14.根据权利要求13的方法，包括至少两个不同周期：

·周期A，其由下列顺序定义：静止-底部-静止-顶部-静止

·周期B，其由下列顺序定义：静止-顶部-静止-底部-静止

15.根据前述任一权利要求的方法，还包括介于所述泵送模式的开始和结束之间的至少一个静止阶段，所述静止阶段的特征在于以下事实：两个阀均处于关闭状态。

16.根据权利要求15的方法，其中所述静止阶段的特征在于泵送室中的压力达到平衡压力的松弛，所述松弛归因于通过两个阀的流引起的存在于泵送室中的流体的体积变化，所述流由泵送室与入口和出口阀之间的压力差以及由处于关闭状态的所述阀的残余流体阻力所驱动。

17.根据前述任一权利要求的方法，其中在根据周期B执行的行程结束时泵送室中的相对压力为正，和/或在根据周期A执行的行程结束时泵送室中的相对压力为负。

18.根据前述任一权利要求的方法，当出口(相应的入口)阀的残余流体阻力大于入口(相应的出口)的残余流体阻力时，泵送模式包括更多的类型A(相应的B)的周期，或者如果入口(相应的出口)泄漏，则泵送模式更优选地包括更多或仅A(相应的B)类型的周期。

19.根据权利要求13的方法，其中静止位置能够是预定的、非随机的并且不同于顶部和底部位置，并且静止位置包括在底部机械限位器和顶部机械限位器之间，并且其中所述顶部位置对应于泵送膜接触所述顶部机械限位器的位置，并且所述底部位置对应于泵送膜接触所述底部机械限位器的位置。

20.根据前述任一权利要求的方法，其中输注泵送模式的每个周期B(相应的周期A)后跟着周期A(相应的周期B)。

21.根据前述任一权利要求的方法，其中在两个交替周期A和B或者B和A之后，由于泵送室弹性导致的平均欠输注不依赖于关闭时阀的残余流体阻力的比率，其中当致动器不再被供电时并且当所述泵送室内的相对压力从零变化到入口或出口阀预紧力的值时，所述平均欠输注接近于V_r/2，其中是V_r是泵送腔的容积变化。

22.根据前述任一权利要求的方法，其中泵送模式的数目为Y的周期A(相应的周期B)后跟着数目为Y的周期B(相应的A)，Y是大于1的整数，其中数目Y可以是已编程的流速或容积的函数。

23.根据前述任一权利要求的方法，其中每个致动之间的间隔和/或用于计算泵送模式的标称行程容积是已编程的流速或容积的函数。

24.根据前述任一权利要求的方法，其中泵送装置还包括泵送室内的压力传感器，所述方法包括在致动期间分析所述压力传感器的信号以确定两个阀预紧力的值和/或泵送室内的空气体积的值和/或入口和出口压力的值，所有的所述值用于确定泵送模式。

25.根据前述任一权利要求的方法，其中泵送装置是编程的以传送基础输注。

26.根据前述任一权利要求的方法，其中该方法包括推注传送算法，所述算法至少包括：

-)要被传送的、等于最接近n的整数的行程数目N的确定，

所述算法使得最大误差等于Sv(bolus)/2，而独立于Vbolus的值。

27.一种泵送装置，包括：

·泵送室，包括泵送膜和与所述膜连接的致动器，所述膜的移动由三个位置定义，即静止位置、底部位置和顶部位置；其中静止位置被包括在底部和顶部位置之间，并且其中所述顶部、静止和底部位置分别对应于泵送室的最小、中间和最大容积，

·用于根据所确定的泵送模式致动该膜的装置，该泵送模式包括膜的至少一次移动，其对应于顶部-静止-顶部或底部-静止-底部的顺序，

所述装置还包括处理装置以根据用于基础输注的已编程的流速或已编程的推注体积来确定泵送模式。

28.根据权利要求27的泵送装置，其中将用于致动该膜的所述装置被设计为执行至少两个不同周期：

·周期A，其由下列顺序定义：静止-底部-静止-顶部-静止

·周期B，其由下列顺序定义：静止-顶部-静止-底部-静止

29.根据权利要求27或28的泵送装置，其中所述处理装置用于补偿致动器松弛或滞后以及针对任何已编程的流速或容积的泵送室弹性对传送精度的影响，并且其中当致动器被供电时和/或当泵送膜开始接触机械限位器时，泵送室的弹性至少降低了因子2。

30.根据权利要求27的泵送装置，包括入口和出口阀，其中一个阀可以是止回阀并且能够具有预紧力；其中入口和出口阀可以具有相同的预紧力或开启阈值。

31.根据权利要求27的泵送装置，其中静止位置能够是预定的、非随机的并且不同于顶部和底部位置，并且静止位置包括在底部机械限位器和顶部机械限位器之间，其中所述顶部位置对应于介于泵送膜和所述顶部机械限位器之间的接触位置，并且所述底部位置对应于泵送膜和所述底部机械限位器之间的接触位置。

32.根据权利要求27的任一个的泵送装置，进一步包括压力传感器，其能够测量入口处和出口处的流体阻力或入口和出口之间的流体阻力差。

33.根据权利要求27的泵送装置，其中致动器是压电致动器，其是根据确定的电压分布由电压控制的，并且通过中断压电致动器的电压获得静止位置。

34.根据前述任一权利要求的泵送装置，其中膜的静止位置基本上位于与顶部和底部机械限位器相同距离处。

35.根据前述任一权利要求的泵送装置，其中当泵送膜抵靠机械限位器时，泵送室的容积变化对每巴所施加压力包括在0.5nl至50nl之间，并且当泵送膜不再抵靠机械限位器时或当致动器不被供电时，泵送室的容积变化对每巴所施加压力包括在每巴10nl至500nl之间。