DE60105922T2

DE60105922T2 - Tragbares, autarkes Medikamenteninfusionsgerät

Info

Publication number: DE60105922T2
Application number: DE60105922T
Authority: DE
Inventors: Robert I. Raleigh Connelly; Kenneth G. Raleigh Powell; Charles D. Raleigh Shermer
Original assignee: Becton Dickinson and Co
Current assignee: Becton Dickinson and Co
Priority date: 2000-07-31
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2021-07-24
Also published as: JP2002126092A; CA2353275C; EP1177802B1; CA2353275A1; DE60105922D1; EP1177802A1; US6589229B1; JP4892144B2; ES2230219T3

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft generell Fluidzuführvorrichtungen und insbesondere eine tragbare, selbständige Arzneimittel-Infusionsvorrichtung, die zum Zuführen einer Vielzahl von Medikamenten, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Insulin zu dem Körper eines Patienten verwendet werden kann.
Hintergrund der Erfindung
Diabetes ist eine chronische Krankheit, die sowohl durch Vererbung als auch durch Umweltfaktoren hervorgerufen wird. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der Körper nicht in der Lage ist, den Zuckerpegel zu steuern. Bleibt diese Krankheit unbehandelt, ruft sie zu Schäden am Kreislauf- und Nervensystem hervor und führt zu Organversagen, Amputationen, Neuropathie, Blindheit und schließlich zum Tod. Es hat sich definitiv herausgestellt, dass die Kosten bezüglich der in Zusammenhang mit Diabetes auftretenden Komplikationen die Therapiekosten bei weitem übersteigen. Der Diabetes Control and Complications Trial (DCCT) war eine zehnjährige Studie an 1400 Patienten zum Feststellen des Nutzens einer permanenten Kontrolle des Blutzuckerpegels. In der Studie ist festgestellt worden, dass eine solche permanente Kontrolle zu einem 50 bis 75%-igen Rückgang des Retinopathie-, Nephropathie-, Neuropathie- und Herz-Kreislauf-Erkrankungsrisikos führte.
In den Vereinigten Staaten und Europa gibt es ungefähr 17,5 Millionen Menschen, die an Diabetes leiden, und etwa 60 Millionen mehr weltweit. Ungefähr 35 % dieser Menschen nehmen Insulin zur permanenten Kontrolle ihres Zuckerspiegels. Eine korrekte Kontrolle des Blutzuckerspiegels durch vorpro grammierte Insulininjektionen oder -infusionen ermöglicht eine gute Lebensqualität und eine Lebenserwartung von zusätzlich 35 bis 40 Jahren ab der Diagnose.
Derzeit gibt es zwei Haupttypen der täglichen Insulintherapie. Beim ersten Typ werden Spritzen und Insulin-Pens verwendet. Diese Vorrichtungen sind einfach in der Handhabung und relativ preiswert, sie beinhalten jedoch einen Nadelstich bei jeder Injektion und dies typischerweise drei- bis viermal pro Tag. Bei dem zweiten Typ handelt es sich um die Infusionspumpen-Therapie, die den Kauf einer teueren Pumpe beinhaltet, die ungefähr drei Jahre lang hält. Die Anfangskosten für die Pumpe sind eine große Hürde bei dieser Art von Therapie. Aus der Perspektive eines Benutzers betrachtet bevorzugt es jedoch die überwältigende Mehrheit von Patienten, die diese Pumpe benutzt haben, eine solche für den Rest ihres Lebens weiterzubenutzen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Infusionspumpen, obwohl sie komplexer als Spritzen und Pens sind, die Vorteile einer kontinuierlichen Insulininfusion, einer Dosiergenauigkeit und von programmierbaren Zuführ-Zeitplänen bieten. Dies führt zu einer genaueren Zuckerkontrolle und einem verbesserten Wohlgefühl.
Der typische Intensivtherapie-Patient spritzt Insulin, um einen Basalpegel zu erzeugen, und nimmt während des Tages vor den Mahlzeiten zusätzliche Boli. Diejenigen, die Infusionspumpen verwenden, programmieren ihre Pumpen derart, dass diese Art des Zuführ-Zeitplans imitiert wird. Es gibt mehrere bestehende oder zu erwartende Mittel der Insulintherapie, die ein Patient in Betracht ziehen kann.
Bei den ersten handelt es sich um sogenannte oral einzunehmende Mittel, die die Fähigkeit des Körpers, Insulin zu verwerten, verbessern. Typische Präparate enthalten Sulfonylharnstoffe, Biguanide und Thiazolidinedione. Oral einzunehmende Mittel sind anfangs für Typ2-Diabetiker geeignet, deren Körper etwas Insulin produziert, obwohl diese Patienten nach einigen Jahren generell zusätzliches Insulin als Ergänzung nehmen müssen. Bei Typ-1-Diabetikern produziert der Körper kein Insulin und haben diese Mittel keine Wirkung.
Wenn die oral einzunehmenden Mittel nicht mehr wirken, wird Insulin mit Spritzen oder Multidosen-Insulin-Pens gespritzt. Die Spritze ist die kostengünstigste Zuführeinrichtung, viele Patienten sind jedoch bereit, für die Annehmlichkeit des Insulin-Pen mehr zu zahlen.
Ein jüngst erfolgter Vorstoß ist die Entwicklung von extrem lange wirksamen Insulinen. Während reguläre Insuline eine physiologische Anlaufzeit von 10 Minuten haben und ihre Spitzenaktivität in ungefähr 90 Minuten erreichen, erreichen derzeit verfügbare lange wirksame Insuline ihre Spitze in ungefähr 8 Stunden. Dieser Insulintyp kann morgens genommen und durch eine Bolus-Zufuhr zu den Mahlzeiten ergänzt werden. Viele halten diese Alternative einer einfachen Einnahme des insgesamt benötigten Insulins auf einmal durch eine Basalzuführung für therapeutisch bedenklich. Es gibt die Theorie, dass aufgrund hoher Konzentrationen von Insulin im Blutstrom eine Insulinresistenz entsteht und folglich immer größere Mengen von Insulin zum Kontrollieren des Blutzuckerspiegels erforderlich sind. Leider beinhaltet das Basal-plus-Bolus-Profil die gleiche unerwünschte Anzahl von Injektionen, typischerweise vier pro Tag. Lange wirksames Insulin bietet eine gute Therapie für diejenigen Patienten, deren Körper von dem ergänzenden Basal-Insulin profitieren, dies ist jedoch ein vorübergehender Zustand und verzögert einfach nur eine strengere Insulininjektions-Kur um einen Zeitraum von sechs Monaten oder zwei Jahren.
Da das Interesse an einer Intensivtherapie steigt, wenden sich Benutzer typischerweise Insulinpumpen zu. Zusätzlich zu den hohen Kosten (ungefähr das Acht- bis Zehnfache der täglichen Kosten einer Spritzentherapie) und der begrenzten Lebensdauer stellen Insulinpumpen jedoch eine relativ alte Technologie dar und sind benutzerunfreundlich. Ferner ist das Rohr (als "Infusionsgerät" bekannt), das die Pumpe mit der Zuführstelle auf dem Abdomen des Be nutzers verbindet, sehr unbequem, und die Pumpen sind relativ schwer und machen das Tragen der Pumpe zu einem Problem.
Ein neues Verfahren zur Insulinzuführung, das derzeit entwickelt wird, betrifft die Zuführung über die Lunge. Der Hauptaspekt bei der Zuführung über die Lunge ist die kritische Dosierung, da eine Zuführung über die Lunge eine relativ ineffiziente und schwierige Quantifizierung beinhaltet. Folglich ist es schwierig, bei dieser Form der Zufuhr den Blutzuckerspiegel unter Kontrolle zu halten, obwohl sie sich als Ergänzung zu der Bolus-Zufuhr zu den Mahlzeiten als sinnvoll herausstellen kann. Die ineffiziente Zufuhr (derzeit ungefähr 10 %) treibt die Kosten für die Pulmonar-Therapie beträchtlich in die Höhe. Die Folgen einer dauernden Inhalierung von Insulin sind ebenfalls noch nicht bekannt.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Patienten, die oral einzunehmende Mittel benutzen, schließlich zu Insulin übergehen und die bestehende Pumpen-Therapie sehr teuer ist. Das Interesse an einer besseren Therapieform steigt, was durch den beobachteten Anstieg der Pumpen-Therapie und der gestiegenen Anzahl an täglichen Injektionen begründet ist. Um diesem gestiegenen Interesse vollständig gerecht zu werden, wird eine Form der Insulinzufuhr benötigt, bei der die besten Merkmale der Therapie mit täglich zu verabreichenden Injektionen (niedrige Kosten und Benutzerfreundlichkeit) mit denen der Insulinpumpe (kontinuierliche Infusion, Dosiergenauigkeit und programmierbare Zufuhr-Zeitpläne) kombiniert und die Nachteile dieser Therapieformen eliminiert werden. Dies ermöglicht einer größeren Anzahl von Patienten Zugang zu einer verbesserten Insulintherapie zu niedrigeren Kosten.
Es sind mehrere Versuche unternommen worden, ambulante oder "tragbare" Arzneimittel-Infusionsvorrichtungen bereitzustellen, die preiswert und benutzerfreundlich sind. Einige dieser Vorrichtungen sollen teilweise oder ganz entsorgbar sein. Theoretisch können Vorrichtungen dieses Typs zahlreiche Vorteile der Infusionspumpe ohne deren Kosten und Benutzerunfreundlichkeit bie ten. Leider können viele dieser Vorrichtungen jedoch keine genaue Steuerung der Strömungsrate des Arzneimittels zu niedrigen Kosten bieten und sind somit nicht mit Arzneimitteln, bei denen die Dosierung kritisch ist, wie z. B. Insulin, kompatibel. Ferner können Vorrichtungen, die mit festen Insulin-Strömungsraten arbeiten, zwar den angestrebten Kostenrahmen erreichen, jedoch immer noch Bolus-Injektionen zu den Mahlzeiten erforderlich machen. Schließlich sind diese bestehenden Vorrichtungen daher keine optimale Alternative zu Infusionspumpen.
Eine Vorrichtung zum Zuführen eines flüssigen Medikaments zu dem Körper eines Patienten, die im wesentlichen dem ersten Teil von Anspruch 1 entspricht, ist in U5-A-5,984,894 beschrieben. Diese Vorrichtung weist einen wiederverwendbaren Teil mit einem Gehäuse auf, das eine Steuereinheit und eine Kammer zum Aufnehmen eines Einweg-Teils enthält. Das Gehäuse kann mit einer Tür verschlossen sein, die mit einem Fenster versehen ist. Der Einweg-Teil weist ein Flüssigkeitsreservoir, eine Pumpe und eine Batterie auf. Eine Infusionsleitung verläuft von dem Gehäuse zu einer Nadel, die in das Gewebe eines Patienten eingesetzt wird. Der Einweg-Teil weist eine Mikropumpe und einen Sensor auf, der den Druck in der Infusionsleitung überwacht. Eine laufende Überwachung des Drucks in der Ausgangs-Infusionsleitung von einer Volumenpumpe ermöglicht das Einschätzen der Betriebsbedingungen der gesamten Vorrichtung. Die Messsignale werden von dem Einweg-Teil zu dem wiederwendbaren Teil übermittelt.
In US-A-6,074,369 ist eine Vorrichtung zum Zuführen eines flüssigen therapeutischen Präparats zu dem Körper eines Patienten beschrieben. Diese Vorrichtung weist ein Gehäuse auf, das ein Flüssigkeitsreservoir zwischen zwei Tellerfedern enthält. Die Federn bringen einen Druck auf das Flüssigkeitsreservoir auf, um das flüssige therapeutische Präparat mit einer relativ konstanten Rate aus dem Reservoir auszutragen. Die tatsächliche Austragsrate wird nicht gemessen.
ZUSAMMENFASSENDER ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile und Einschränkungen des Stands der Technik durch Bereitstellen einer tragbaren, selbständigen Arzneimittel-Infusionsvorrichtung zu eliminieren, welche in der Lage ist, die genaue Steuerung der Strömungsrate zu erreichen, die für Arzneimittel, bei denen die Dosierung kritisch ist, wie z. B. Insulin, erforderlich ist.
Die tragbare, selbständige Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
Erfindungsgemäß weist bei einer tragbaren, selbständigen Vorrichtung zum Zuführen eines flüssigen Medikaments durch kontinuierliche Infusion zu dem Körper eines Patienten, welche einen Einweg-Teil und einen wiederverwendbaren Teil enthält, das in dem Einweg-Teil angeordnete Reservoir mindestens ein Tellerfederelement zur Druckbeaufschlagung des in dem Reservoir befindlichen flüssigen Medikaments auf und ist ein Strömungssensor zum Erfassen der Strömungsrate eines durch den Strömungskanal strömenden flüssigen Medikaments in dem Einweg- und/oder dem wiederverwendbaren Teil vorgesehen, wobei der Strömungssensor elektrisch mit dem geschlossenen Regelkreis in dem wiederverwendbaren Teil verbindbar ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden piezoelektrisch betätigte Ventil- oder Pumpenstrukturen in Kombination mit Wärmestromsensoren und geschlossenen Regelkreisen für die Realisierung der gewünschten Strömungsratensteuerung verwendet. Die Miniaturisierung, die bei allen diesen Technologien möglich ist, erlaubt sehr kleine Abmessungen der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung, derart, dass diese von dem Benutzer mit einem Minimum an Beschwernis und Unannehmlichkeit getragen werden kann, während gleichzeitig eine permanente Steuerung der Strömungsrate ermöglicht wird, welche für eine sichere und effektive Zuführung von Insulin und anderen Arzneimitteln erforderlich ist. Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung haben eine zweiteilige Konstruktion, bei der die teureren elektronischen Komponenten in einem wiederverwendbaren Teil und die Zuführ-Komponenten in einem trennbaren Einweg-Teil untergebracht sind. Dies ist nicht nur vorteilhaft hinsichtlich der Reduzierung der dem Benutzer entstehenden effektiven Kosten der Vorrichtung, sondern auch hinsichtlich der Sicherstellung der Sterilität des Arzneimittels und der Vermeidung einer Verschmutzung des wiederverwendbaren Teils durch das Fluid durch Begrenzen des Fluidströmungswegs auf den Einweg-Teil. Ferner ist aufgrund der elektronischen Steuerung der Arzneimittel-Strömungsrate eine variable und/oder programmierbare Steuerung der Strömungsrate möglich. Aufgrund dessen ist die Vorrichtung für solche Arzneimittel (wie z. B. Insulin) besonders geeignet, bei denen unterschiedliche Zuführraten zu unterschiedlichen Zeiten für unterschiedliche Patienten erforderlich sind.
Gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine tragbare, selbständige Vorrichtung zum Zuführen eines flüssigen Medikaments durch kontinuierliche Infusion in den Körper eines Patienten einen Einweg-Teil und einen lösbar mit dem Einweg-Teil verbundenen wiederverwendbaren Teil auf. Der Einweg-Teil weist ein Gehäuse, ein Reservoir in dem Gehäuse zum Aufnehmen eines Vorrats an flüssigem Medikament und zum Zuführen des flüssigen Medikaments unter Druck und eine von dem Gehäuse gehaltene Zuführkanüle auf. Ein Strömungskanal leitet das flüssige Medikaments von dem Reservoir zu der Zuführkanüle. Der wiederverwendbare Teil weist einen geschlossenen Regelkreis zum Aufrechterhalten einer vorbestimmte Strömung des flüssigen Medikaments durch den Strömungskanal des Einweg-Teils auf. Die Infusionsvorrichtung weist ferner ein Strömungssteuerventil in dem Einweg-Teil und/oder dem wiederverwendbaren Teil zum Steuern der Strömung des flüssigen Medikaments durch den Strömungskanal von dem Reservoir zu der Zuführkanüle auf; einen Aktuator in dem Einweg-Teil und/oder dem wiederverwendbaren Teil zum Betätigen des Strömungssteuerventils auf, wobei der Aktuator elektrisch mit dem geschlossenen Regelkreis verbindbar ist; und einen Strömungssensor zum Erfassen der Strömungsrate des flüssigen Medikaments durch den Strömungskanal in dem Einweg-Teil und/oder dem wiederverwendbaren Teil auf, wobei der Strömungssensor elektrisch mit dem geschlossenen Regelkreis verbindbar ist.
Das Reservoir weist mindestens ein Tellerfederelement zur Druckbeaufschlagung des in dem Reservoir enthaltenen flüssigen Medikaments auf. Das Strömungssteuerungsventil kann eine feststehende Sperre in dem Strömungskanal und eine flexible Membran aufweisen, die von dem Aktuator mit der Sperre in Kontakt gehalten wird, um einen Flüssigkeitsstrom durch den Strömungskanal zu verhindern, wenn der Aktuator nicht von dem Regelkreis aktiviert ist. Der Aktuator weist vorzugsweise ein piezoelektrisches Element auf, das sich, wenn es von dem Regelkreis aktiviert ist, durchbiegt, um zu bewirken, dass sich die Membran derart von der Sperre trennt, dass das flüssige Medikament durch den Strömungskanal strömen kann. Das piezoelektrische Element wird von dem Regelkreis vorzugsweise derart pulsierend aktiviert, dass das Strömungssteuerventil in einem solchen Arbeitszyklus wiederholt geöffnet und geschlossen wird, dass die vorbestimme mittlere Strömungsrate des flüssigen Medikaments durch den Strömungskanal aufrechterhalten wird. Der Strömungssensor weist vorzugsweise eine Wärmequelle und einen Wärmedetektor auf, die mit dem durch den Strömungskanal strömenden flüssigen Medikament in Wärmekontakt stehen, wobei die Wärmequelle relativ zu der Richtung des Flüssigkeitsstroms in dem Strömungskanal stromaufwärts des Wärmedetektors angeordnet ist. Vorzugsweise weist mindestens eine Wand des Strömungskanals eine flexible Membran auf, die eine freiliegende Fläche des Einweg-Teils bildet, welche mit dem wiederverwendbaren Teil in Kontakt gebracht wird, wenn die Einweg- und wiederverwendbaren Teile miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform können der Aktuator und der Strömungssensor in dem wiederverwendbaren Teil enthalten sein und über die flexible Membran des Einweg-Teils derart arbeiten, dass der Strömungskanal abgedichtet bleiben kann, wenn der wiederverwendbare Teil von dem Einweg-Teil getrennt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein System zum Zuführen eines flüssigen Medikaments durch kontinuierliche Infusion in oder durch die Haut eines Patienten drei separate Komponenten aufweisen. Die erste Komponente ist ein Einweg-Teil mit einem Gehäuse, einem Reservoir in dem Gehäuse zum Aufnehmen eines Vorrats an flüssigem Medikament, einer von dem Gehäuse getragenen Zuführkanüle und einem Strömungskanal zum Leiten des flüssigen Medikaments von dem Reservoir zu der Zuführkanüle. Die zweite Komponente ist ein wiederverwendbarer Teil, der lösbar mit dem Einweg-Teil verbindbar ist. Der wiederverwendbare Teil enthält eine elektrische Strömungssteuerschaltung zum Steuern der Strömung des flüssigen Medikaments in dem Strömungskanal des Einweg-Teils in Reaktion auf Funk-Steuersignale. Der wiederverwendbare und der Einweg-Teil bilden, wenn sie miteinander verbunden sind, eine tragbare, selbständige Infusionsvorrichtung. Die dritte Komponente ist eine drahtlose Einheit, die von dem wiederverwendbaren und dem Einweg-Teil getrennt ist. Die drahtlose Einheit sendet Funk-Steuersignale an den wiederverwendbaren Teil zum Steuern der Strömung von flüssigem Medikament in dem Strömungskanal des Einweg-Teils.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen eines Zuführsystems für ein flüssiges Medikament gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung sendet die drahtlose Einheit entweder Hochfrequenz- oder optische (z. B. Infrarot-) Signale an den wiederverwendbaren Teil. Die drahtlose Einheit weist vorzugsweise eine Tastatur und eine Anzeigevorrichtung auf und kann ferner Statusinformationen empfangen und anzeigen, die von dem wiederverwendbaren Teil gesendet werden. Beispiele für Statusinformationen können die Strömungsrate des flüssigen Medikaments, den Zeitraum, der verbleibt, bis das Reservoir des Einweg-Teils leer ist, die Menge an in dem Reservoir des Einweg-Teils verbleibenden flüssigen Medikaments, eine Warnung an den Benutzer, dass die Strömungsrate des flüssigen Medikaments in dem Einweg-Teil nicht korrekt ist, und eine Anzeige des Batteriezustands in dem wiederverwendbaren Teil umfassen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die unterschiedlichen Aufgaben, Vorteile und neuartigen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer vollständig zusammengesetzten Arzneimittel-Infusionsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine perspektivische Teil-Explosionsansicht der in 1 gezeigten Arzneimittel-Infusionsvorrichtung, wobei der wiederverwendbare Teil der Vorrichtung von dem Einweg-Teil der Vorrichtung getrennt gezeigt ist;
3 eine vergrößerte perspektivische Explosionsansicht der innenliegenden Komponenten des wiederverwendbaren Teils der in 1 und 2 gezeigten Arzneimittel-Infusionsvorrichtung;
4 eine Explosionsansicht des Einweg-Teils der in 1 und 2 gezeigten Arzneimittel-Infusionsvorrichtung;
5 eine vergrößerte Querschnittansicht entlang der Linie 5-5 aus 1 der in 1 gezeigten zusammengesetzten Arzneimittel-Infusionsvorrichtung;
6 eine stark vergrößerte Querschnittansicht eines Teils des in 5 eingekreisten Bereichs mit Darstellung des Fluidströmungswegs, wie er sich darstellt, wenn das piezoelektrische Element deaktiviert ist;
7 eine stark vergrößerte Querschnittansicht, die der in 6 gezeigten im wesentlichen gleich ist, mit Darstellung des Fluidströmungswegs, wie er sich darstellt, wenn das piezoelektrische Element aktiviert ist;
8 und 9 Querschnittansichten, die der in 5 gezeigten im wesentlichen gleich sind, mit Darstellung der Operation eines ausfallsicheren Systems, das das Strömen von Flüssigkeit durch den Einweg-Teil der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung verhindert, wenn sich der wiederverwendbare Teil nicht an seinem Platz befindet;
10 ein Blockschaltbild der elektrischen Hauptkomponenten in dem wiederverwendbaren Teil der in 1–9 gezeigten Arzneimittel-Infusionsvorrichtung;
11A–11E Ablaufdiagramme der von dem Mikrokontroller aus dem in 10 gezeigten Blockschaltbild ausgeführten Operationssequenz;
12 eine perspektivische Explosionsansicht, die der in 4 gezeigten im wesentlichen gleich ist, mit Darstellung des Einweg-Teils einer Arzneimittel-Infusionsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 eine vergrößerte perspektivische Explosionsansicht, bei der bestimmte der in 12 gezeigten Komponenten von unten gezeigt sind;
14 stark vergrößerte Ansicht des in 13 eingekreisten Bereichs;
15 eine stark vergrößerte Querschnittansicht der in dem Einweg-Teil, der den in 12–14 gezeigten Ausführungsformen entspricht, verwendeten piezoelektrischen Pumpe während des Fluidansaugehubs;
16 eine stark vergrößerte Querschnittansicht, die der in 15 gezeigten im wesentlichen gleich ist, mit Darstellung des Fluidauslasshubs der piezoelektrischen Pumpe;
17 eine Querschnittansicht der oberen Abdeckung des Einweg-Teils einer Arzneimittel-Infusionsvorrichtung gemäß einer Modifikation der in 12–16 gezeigten Ausführungsform;
18 eine perspektivische Explosionsansicht, die der in 12 gezeigten im wesentlichen gleich ist, mit Darstellung bestimmter Komponenten einer Arzneimittel-Infusionsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
19 und 20 in Längsrichtung gezeigte Querschnittansichten des Auslassendes des Flüssigkeitsströmungskanals und der Zuführkanüle gemäß der in 18 gezeigten Ausführungsform;
21 eine externe drahtlose Programmiereinheit, die zum Programmieren der erfindungsgemäßen Arzneimittel-Infusionsvorrichtung verwendet werden kann; und
22 ein Blockschaltbild der elektrischen Hauptkomponenten der in 12 gezeigten externen drahtlosen Programmiereinheit.
In sämtlichen Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile und Komponenten.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 ist in 1 und 2 gezeigt. Die Vorrichtung 30 kann zum Zuführen eines flüssigen Medikaments, vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, Insulin, durch kontinuierliche Infusion in oder durch die Haut eines Patienten verwendet werden. Die Vorrichtung 30 soll von dem Benutzer auf dessen Hautoberfläche getragen werden, wobei eine Kanüle (Hohlnadel) in die Haut des Benutzers oder transkutan durch die Haut in das subkutane Gewebe eindringt. Sie ist derart ausgeführt, dass das Strömungsratenprofil des flüssigen Medikaments vollständig programmierbar ist und von dem Träger im Laufe eines Tages verändert werden kann. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf spezifische Abmessungen beschränkt ist, weist die Vorrichtung 30 vorzugsweise eine Gesamtgröße (ausschließlich der Zuführkanüle und der Kanülenabschirmung 100) von ungefähr 65 Millimetern Länge, 50 Millimetern Breite und 12 Millimetern Höhe auf. Die Zuführkanüle kann starr oder flexibel sein und eine beliebige gewünschte Länge aufweisen, eine typische Länge liegt jedoch zwischen 5 Millimetern und 12 Millimetern. Die Kanülenabdeckung 100 kann ungefähr 15 Millimeter hoch sein, was zu einer Gesamthöhe der Vorrichtung 30 von ungefähr 27 Millimetern führt. Anstelle einer einzelnen Zuführkanüle können mehrere Mikronadeln zum Zuführen des flüssigen Medikaments zu der Haut des Benutzers verwendet werden. Da eine typische Mikronadel nur 0,5 Millimeter lang ist, kann eine mit Mikronadeln versehene Vorrichtung 30 eine Höhenabmessung von nicht viel mehr als 12 Millimetern aufweisen. Der Ausdruck "Zuführkanüle", wie er hier verwendet wird, umfasst nicht nur eine Hohlnadel des in den Zeichnungen gezeigten Typs, sondern auch eine oder mehrere Mikronadeln oder andere Strukturen, mit denen flüssige Medikamente entweder durch Eindringen in die Haut oder anderweitig durch die Haut zugeführt werden.
Die Vorrichtung 30 weist einen Einweg-Teil 32, der das Medikamentenreservoir, die Zuführkanüle, Haut-Kleber und den vollständigen Flüssigkeitsströmungsweg enthält, sowie einen abnehmbaren wiederverwendbaren Teil 34 auf, der eine Batterie, einen Logik-Kontroller-Chip, einen piezoelektrischen Ventilaktuator und einen Strömungssensor enthält. Der wiederverwendbare Teil 34 rastet an dem Einweg-Teil 32 ein, wie in 1 und 2 gezeigt, ohne dass eine spezielle Ausrichtung oder Verbindung für die Fluidströmungswege erforderlich ist. Bei dieser Konfiguration kann der Benutzer den Einweg-Teil alle ein bis drei Tage entsorgen, wann immer das innenliegende Medikamentenreservoir leer ist, und kann zur einfachen Krankheitsbehandlung den wiederverwendbaren Teil 34 an einem neuen Einweg-Teil 32 einrasten lassen. Der wiederverwendbare Teil 34 kann nach ungefähr 30 Tagen ersetzt werden oder kann für unbestimmte Zeit benutzt werden, wenn die innenliegende Batterie ersetzbar oder wiederaufladbar ist.
Ein wünschenswertes Merkmal der Vorrichtung 30 betrifft die Beziehung zwischen dem Einweg-Teil 32 und dem wiederverwendbaren Teil 34. Der Benutzer wünscht, dass die Verbindung zuverlässig, das heißt nicht undicht, das heißt steril, das heißt einfach handhabbar ist und dass der wiederverwendbare Teil 34 nicht durch das Medikament kontaminiert wird, derart, dass seine Funktion nicht beeinträchtig wird. Zu diesem Zweck wird für die Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 eine Verbindung verwendet, bei der das flüssige Me dikament nie mit dem wiederverwendbaren Teil 34 in Kontakt kommt. Wie nachstehend genauer beschrieben, wird der Flüssigkeitsstrom in dem Einweg-Teil 32 zu einem dünnen Kanal auf dessen Außenfläche geleitet und dichtet eine dünne Membran den Kanal derart ab, dass sie als eine Wand des Flüssigkeitsströmungswegs dient. Der wiederverwendbare Teil 34 der Vorrichtung 30 führt Strömungserfassungs- und Strömungssteuerfunktionen an dieser Membran aus, ohne dass er direkt mit dem flüssigen Medikament in Kontakt kommt.
Wie nachstehend beschrieben, handelt es sich bei dem Zuführkonzept gemäß der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform um ein druckbeaufschlagtes Reservoir mit einem Weg, der zu der Kanüle führt, welche in oder durch die Haut des Trägers dringt. Zum Steuern der Strömungsrate wird ein herkömmliches plattenartiges piezoelektrisches Element gegen die Membran gedrückt und dichtet somit effektiv den Strömungsweg ab, bis eine Spannung an das piezoelektrische Element angelegt wird. Die Spannung bewirkt, dass sich das piezoelektrische Element von dem abgeklemmten Strömungsweg weg biegt oder bewegt, wodurch es dem flüssigen Medikament ermöglicht wird, in die Zuführnadel zu strömen. Durch wiederholtes Aufbringen und Wegnehmen der Spannung auf das bzw. von dem piezoelektrischen Element agiert die Vorrichtung pulsierend, um die Zuführrate des flüssigen Medikaments zu steuern. Der Arbeitszyklus des piezoelektrischen Elements (das heißt das Verhältnis seiner "Ein"-Zeit zu seiner "Aus"-Zeit) bestimmt die effektive Strömungsrate des flüssigen Medikaments über die Zeit.
Für eine präzise Strömungsratensteuerung ist eine im geschlossenen Regelkreis erfolgende Operation der Treiberschaltung für das piezoelektrische Element gewünscht. Zur Ermöglichung einer Operation im geschlossenen Regelkreis wird ein Strömungssensor zum Rückführen von Informationen bezüglich der durch eine vorgegebene Modulation des piezoelektrischen Elements tatsächlich erzeugten Strömungsrate zu dem Kontroller verwendet. Bei der bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Strömungserfassung mittels einer "thermischen Signatur". Zwei Stationen entlang des Strömungswegs sind um eine kleine Distanz voneinander beabstandet. Ein kleines elektronisch gesteuertes Heizelement ist an der stromaufwärts befindlichen Station angeordnet, und ein kleiner Wärmesensor ist an der stromabwärts befindlichen Station angeordnet. Das Messen der Strömungsrate des flüssigen Medikaments erfolgt mit folgenden Schritten: (1) das piezoelektrische Element öffnet sich zu seinem vollen "Ein"-Zustand, damit das flüssige Medikament mit von dem aktuellen Druck in dem Reservoir bewirkter maximaler Rate strömen kann; (2) das Heizelement wird dann vorübergehend aktiviert, um einen Wärmeimpuls durch die Membran in den Flüssigkeitsströmungsweg zu "injizieren", und ein Zeitgeber wird gestartet; und (3) wenn das Fluidelement, in das die Wärme injiziert worden ist, den stromabwärts befindlichen Wärmesensor erreicht, werden der Zeitgeber gestoppt und das piezoelektrische Element geschlossen. Da die Distanz zwischen der Heiz- und der Erfassungsstation bekannt ist und die Querschnittsfläche des Flüssigkeitsströmungswegs ebenfalls bekannt ist, kann eine Durchflussrate anhand des Zeitgeber-Werts aus Schritt (3) berechnet werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird das Reservoir für das flüssige Medikament von zwei Tellerfedern mit Druck beaufschlagt, die einen nahezu konstanten Druck über den gesamten Bereich von Voll bis Leer erzeugen. Folglich ist die Abweichung der tatsächlichen Vollständig-"Ein"-Strömungsrate – das heißt der Flüssigkeitsströmungsrate, die eintritt, wenn das piezoelektrische Element vollständig geöffnet ist – vom Sollwert wahrscheinlich sehr klein. Daher braucht der Strömungssensor nur in einem kleinen dynamischen Bereich zu arbeiten, um gelegentlich den Kontroller auf den zu dem spezifischen Zeitpunkt in dem Reservoir herrschenden Ist-Druck zu kalibrieren.
Ein weiteres Merkmal der in 1 und 2 gezeigten Vorrichtung 30, das nachstehend genauer beschrieben wird, ist die "Ausfallsicherheit", mit der das Strömen des flüssigen Medikaments gestartet wird, wenn der wiederverwendbare Teil 34 am dem Einweg-Teil 32 eingerastet ist. Wenn anfangs der Einweg-Teil 32 dem Benutzer übergeben wird, ist dieser vorzugsweise mit dem gewünschten Medikament vorgefüllt. Dadurch kann das unter Druck stehende Reservoir hermetisch gegen die Umgebung oder Leckage abgedichtet sein. Wenn der wiederverwendbare Teil 34 eingerastet ist, biegt sich ein elastisch angebrachter Vorsprung an der oberen Abdeckung des Einweg-Teils 32, der eine kleine "Start"-Kanüle trägt, nach unten, bis die Start-Kanüle einen Überstand am Rand des Reservoirs durchsticht, welcher ein elastomeres Dichtmaterial enthält. Dabei dringt die Start-Kanüle in das Reservoir ein und leitet das unter Druck stehende flüssige Medikament in den Haupt-Strömungsweg der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30, und das elastomere Element hält die Start-Kanüle in abgedichtetem Zustand und frei von Leckagen. Durch das mechanische Timing der Verbindung wird ferner sichergestellt, dass sich das piezoelektrische Element an seinem Platz befindet und korrekt sitzt, um den Strömungskanal abzuklemmen, bevor die Start-Kanüle die Strömung von dem Reservoir initiiert. Auf im wesentlichen gleiche Weise wird, wenn der wiederverwendbare Teil 34 bei Betrieb der Vorrichtung 30 abgenommen wird, die Start-Kanüle aus dem Reservoir zurückgezogen, und sie stoppt die Strömung, bevor sich das piezoelektrische Element in seine Offen-Position bewegen kann.
Weitere Details der in 1 und 2 gezeigten Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 werden jetzt anhand von 3–11 beschrieben. 3 zeigt eine Explosionsansicht des wiederverwendbaren Teils 34 der Vorrichtung 30. Ein plattenartiges piezoelektrisches Element 36 sowie ein Wärmestrahler 38 und ein Wärmedetektor 40 sind derart an dem Boden einer Platine 42 angebracht, dass sie durch Öffnungen 44 in einer unteren Abdeckung 46 des wiederverwendbaren Teils 34 frei liegen. Die untere Abdeckung 46 und eine dazu passende obere Abdeckung 48, die beide vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt sind, bilden ein Gehäuse für den wiederverwendbaren Teil 34 der Vorrichtung 30. Das piezoelektrische Element 36, der Wärmestrahler 38 und der Wärmedetektor 40 stehen leicht von der unteren Fläche der unteren Abdeckung 46 vor. Auf diese Weise befinden sich das piezoelektrische Element 36, der Wärmestrahler 38 und der Wärmedetektor 40 in engem und erzwungenem Kon takt mit der oberen Fläche einer Membran 50 (in 4 zu sehen), die einen in einer oberen Kunststoff-Abdeckung 54 des Einweg-Teils 32 ausgebildeten Ausnehmungsbereich 52 des Strömungswegs abdeckt. Durch diesen erzwungenen Kontakt kann das piezoelektrische Element 36 einen Strömungskanal 55 in dem Strömungswegbereich 52 abdichten, bis das piezoelektrische Element 36 aktiviert wird, um ein Strömen des flüssigen Medikaments in dem Einweg-Teil 32 in Richtung der Zuführnadel zu ermöglichen. Ferner wird durch den erzwungenen Kontakt ein kurzer Wärmeleitweg gebildet, derart, dass der Wärmestrahler 38 und der Wärmedetektor 40 effektiv arbeiten können. Ein weiterer Vorteil des erzwungenen Kontakts besteht darin, dass dadurch Toleranzen in den zusammengesetzten Komponenten aufgenommen werden, so dass eine robustere Vorrichtung hergestellt wird.
Weitere Komponenten in dem wiederverwendbaren Teil 34 der Vorrichtung 30 umfassen eine Knopfbatterie 56, und einen Logik-Kontroller-Chip 58. Der Logik-Kontroller-Chip 58 steuert das piezoelektrische Element 36 in Reaktion auf Eingangssignale von dem Strömungssensor, der den Wärmestrahler 38 und den Wärmedetektor 40 umfasst. Auf diese Weise regelt der Logik-Kontroller-Chip 58 die Strömungsrate des flüssigen Medikaments durch den Strömungskanal 55 des Einweg-Teils 32. Eine zweite Funktion des Logik-Kontroller-Chips 58 ist das Erzeugen einer drahtlosen Zweiwege-Hochfrequenz- (RF-)- oder Infrarot- (IR-) Datenübertragung mit einer externen Programmiereinheit. Die externe Programmiereinheit ist in 3 nicht gezeigt, wird jedoch nachstehend anhand von 20 und 21 näher beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die Platine 42 (nicht gezeigte) geeignete elektrisch leitenden Wege zum Miteinanderverbinden des piezoelektrischen Elements 36, des Wärmestrahlers 38, des Wärmesensors 40, der Batterie 56 und des Logik-Kontrollers 58 aufweist.
Um dem Benutzer das Positionieren und Platzieren des wiederverwendbaren Teils 34 oben auf dem Einweg-Teil 32 zu erleichtern, ist ein Ansatz 60 auf jeder Seite der unteren Abdeckung 46 des wiederverwendbaren Teils 34 vorge sehen. Einer dieser Ansätze ist in 3 bei 60 gezeigt. Die Ansätze 60 dienen zum Positionieren und Zentrieren des wiederverwendbaren Teils 34 über dem Strömungswegbereich 52 des Einweg-Teils 32. Die Ansätze 60 sind in Löchern 62 (in 2 und 4 zu sehen) auf beiden Seiten des Strömungswegbereichs 52 aufgenommen. Diese Anordnung dient ferner zum Verbessern der Effektivität des Wärmestrahlers 38 und des Wärmesensors 40, die den Strömungssensor des wiederverwendbaren Teils 34 bilden. Zwei Ansätze 64 auf entgegengesetzten Seiten der oberen Abdeckung 48 des wiederverwendbaren Teils 34 rasten beim Zusammensetzen durch den Benutzer in dazu passende Ansätze 66 an der oberen Abdeckung 54 des Einweg-Teils 32 ein, wodurch der wiederverwendbare Teil 34 an dem Einweg-Teil 32 gesichert wird.
4 zeigt eine Explosionsansicht des Einweg-Teils 32 der in 1 gezeigten Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30. Ein unter Druck stehendes Reservoir für das flüssige Medikament ist aus zwei Membranen 68 und 70 gebildet, die an ihren Rändern miteinander heißversiegelt sind. Vor dem Versiegeln der Membranen 68 und 70 wird ein Septum-Abdichtteil 72 in eine thermogeformte Tasche 74 in der unteren Membran 70 platziert. Das Septum 72 fungiert als selbstabdichtende Einstichstelle zum Starten der Strömung des flüssigen Medikaments, wie nachstehend beschrieben. Die von den beiden Membranen 68 und 70 gebildete abgedichtete Blase befindet sich zwischen zwei identischen Tellerfederscheiben 76 und 78, die durch an ihren Umfangsrändern angeordnete Einrastvorrichtungen 80 miteinander verbunden sind. Aufgrund der nach innen weisenden konischen Form der Tellerfederscheiben 76 und 78 wird die von den miteinander heißversiegelten Membranen 68 und 70 gebildete Blase unter relativ konstantem Druck gehalten, und zwar unabhängig davon, ob sie voll oder leer ist. Weitere Details bezüglich der Tellerfederscheiben in einem Fluidreservoir finden sich in den US-Patenten Nr. 5,957,895 und 6,074,369 des gleichen Anmelders, die beide an Burton H. Sage und Robert I. Connelly erteilt worden sind.
Der in 4 gezeigte Strömungsweg des flüssigen Medikaments beginnt an der Start-Kanüle 82. Die Start-Kanüle 82 ist in einen Vorsprung auf den Innen- (Unter-) Seite der oberen Abdeckung 54 des Einweg-Teils 32 unmittelbar unter einem Einlass 84 in den Strömungskanal 55 gesetzt, der auf der Außen– (Ober-) Fläche der oberen Abdeckung 54 nahe einem Ende des Strömungswegbereichs 52 ausgebildet ist. Das flüssige Medikament strömt dann durch den Strömungskanal 55 zu einem Auslass 88, der über einem Zuführkanülenansatz 90 ausgebildet ist. Der Strömungskanal 55 weist vorzugsweise einen quadratischen Querschnitt mit einer Breite von ungefähr 0,25 mm (0,01 Inch) und einer Höhe von ungefähr 0,25 mm (0,01 Inch) auf. Eine serpentinenartig ausgebildete Region 86 des Strömungskanals 55 dient als Strömungswiderstand zum Begrenzen der maximalen Strömungsrate des flüssigen Medikaments durch den Strömungskanal 55 während der "Ein"-Zeiten des piezoelektrischen Elements 36. Eine starre (z. B. aus rostfreiem Stahl) oder flexible Zuführkanüle 92 ist in den Kanülenansatz 90 gesetzt, womit der Strömungsweg in oder durch die Haut des Benutzers beendet ist. Als vierte Wand des quadratischen Strömungskanals 55 auf der oberen Fläche der oberen Abdeckung 54 ist die Membran 50 mittels Klebers, Heißversiegelung oder eines anderen geeigneten Verfahrens über den gesamten Strömungswegbereich 52 versiegelt. Die Membran 50 ist ausreichend dünn, flexibel und wärmeleitend, damit das piezoelektrische Element 36, der Wärmestrahler 38 und der Wärmedetektor 40, die in 3 gezeigt sind, die erforderlichen Funktionen ausführen können. Die Membran 50 kann aus einem beliebigen geeigneten Material gefertigt sein, ein bevorzugtes Material ist jedoch Polycarbonat mit einer Dicke von ungefähr 2 bis 3 mil.
Die Reservoiranordnung (mit den Membranen 68 und 70 und den Tellerfederscheiben 76 und 78) rastet an einer unteren Kunststoff-Abdeckung 94 ein und wird von der oberen Abdeckung 54 umschlossen, um die Anordnung des Einweg-Teils 32 der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 zu komplettieren. Ein Liner 96 mit auf beiden Seiten aufgebrachten Klebeschichten wird zum Kleben der Vorrichtung 30 an der Haut des Benutzers über einen Zeitraum von min destens 24 Stunden verwendet. Die Zuführkanüle 92 läuft durch ein in dem Liner 96 ausgebildetes Loch 98. Eine Kanülenabschirmung 100 ist auf den Zuführkanülenansatz 90 aufgeschoben, um die Zuführkanüle 92 zu schützen, bevor die Vorrichtung 30 benutzt wird.
Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann die feststehende Zuführkanüle 92 durch eine ausziehbare und/oder zurückziehbare Zuführkanüle ersetzt sein, wie beispielsweise in den oben genannten US-Patenten Nr. 5,957,895 und 6,074,369 beschrieben. Vor der Benutzung der Vorrichtung 30 kann die Zuführkanüle in der Vorrichtung 30 in einer zurückgezogenen Position gehalten werden. Nach dem Anbringen der Vorrichtung 30 an der Haut des Benutzers kann die Zuführkanüle manuell oder automatisch derart herausgezogen werden, dass sie in oder durch die Haut des Benutzers dringt. Nach Entfernen der Vorrichtung 30 von der Haut des Benutzers kann die Zuführkanüle wieder derart zurückgezogen werden, dass die Vorrichtung 30 sicher verstaut werden kann.
5, 6 und 7 zeigen Querschnittansichten der zusammengesetzten Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30. 5 zeigt eine Gesamt-Querschnittansicht entlang der Linie 5-5 aus 1, während 6 und 7 stark vergrößerte Querschnittansichten mit Darstellung der Art und Weise zeigen, in der die Strömung des flüssigen Medikaments aus dem unter Druck stehenden Reservoir von dem piezoelektrischen Element 36 gesteuert wird. Insbesondere 6 zeigt den Fluidströmungsweg, wobei sich das piezoelektrische Element 36 im deaktivierten Zustand befindet, während 7 den Fluidströmungsweg zeigt, wobei das piezoelektrische Element 36 aktiviert ist, um ein Strömen des flüssigen Medikaments zu ermöglichen. Gemäß 6 tritt das flüssige Medikament an einem Punkt 102 in den Strömungskanal 55 ein und an einem Punkt 104 aus diesem aus. Es ist eine unterbrochene Stelle oder ein Damm 106 unmittelbar unter der Mitte des piezoelektrischen Elements 36 vorgesehen. Der Strömungskanal 55 ist mit der dünnen Membran 50 verschlossen. Sämtliche oberhalb der Membran 50 dargestellten Komponenten sind Bauteile des oben beschriebenen wiederverwendbaren Teils 34. Wie gezeigt, ist ein Spalt 108 zwischen der unteren Abdeckung 46 des wiederverwendbaren Teils 34 und der Membran 50 vorgesehen, mit Ausnahme der Stellen, an denen sich das piezoelektrische Element 36, der Wärmestrahler 38 und der Wärmedetektor 40 befinden. Der Spalt 108 ermöglicht es, dass das piezoelektrische Element 36, der Wärmestrahler 38 und der Wärmedetektor 40 in engen Kontakt mit der oberen Fläche der Membran 50 gezwungen werden. Durch das Vorhandensein des Damms 106 und das darüber angeordnete, in Kontakt gezwungene piezoelektrische Element 36 verhindern ein Strömen des flüssigen Medikaments zwischen den in 6 gezeigten Stellen 102 und 104. In 7 ist das piezoelektrische Element 36 jedoch in Reaktion auf eine von dem in 3 gezeigten Logik-Kontroller-Chip 58 ausgegebene Spannung aktiviert. Im aktivierten Zustand biegt sich das piezoelektrische Element 36 leicht nach oben, wie in 7 gezeigt. Da das Fluidreservoir von den in 4 gezeigten Tellerfederscheiben 76 und 78 unter Druck gesetzt ist, steht auch das flüssige Medikament in dem Strömungskanal 55 auf der rechten Seite des in 7 gezeigten Damms 106 unter Druck. Folglich wird, wenn sich das piezoelektrische Element 36 nach oben biegt, wie in 7 gezeigt, die Membran 50 von dem Fluiddruck nach oben gezwungen, und sie trennt sich von dem Damm 106. Dadurch wird ein Flüssigkeitsströmungsweg von der Eintrittsstelle 102 über den Damm 106 zu der Austrittsstelle 104 gebildet. Von der Austrittsstelle 104 wird das flüssige Medikament in die Zuführkanüle 92 und in die Haut des Benutzers geleitet. Gemäß 6 und 7 wird durch das Aufwärts- und Abwärtsbiegen des piezoelektrischen Elements 36 in Kombination mit dem feststehenden Damm 106 ein Ein-/Aus-Ventil für die druckbeaufschlagte Strömung des flüssigen Medikaments aus dem Reservoir gebildet.
Zur präzisen Steuerung der Strömungsrate des flüssigen Medikaments durch den Kanal 55 ist ein geschlossener Regelkreis zum Aktivieren und Deaktivieren des piezoelektrischen Elements 36 gewünscht. Dabei ist ein Erfassen der Ist-Strömungsrate des flüssigen Medikaments durch den Kanal 55 erforderlich, wobei das von dem piezoelektrischen Element 36 und dem Damm 106 gebildete Ventil offen ist (wie in 7 gezeigt). Dies wird mittels des von dem Wärmestrahler 38 und dem Wärmedetektor 40 gebildeten Strömungssensor realisiert. Wenn das piezoelektrische Element 36 zum Öffnen des Ventils aktiviert ist, wie in 7 gezeigt, beginnt das Strömen des flüssigen Medikaments und erreicht fast sofort seine maximale Rate. Dabei wird der Wärmestrahler 38 vorübergehend durch einen Stromimpuls von dem in 3 gezeigten Logik-Kontroller-Chip 58 aktiviert und erzeugt dadurch eine kleine Wärmemenge, die durch die Membran 50 und in das in dem Kanal 55 strömende flüssige Medikament läuft. Wenn der Wärmeimpuls von dem Wärmestrahler 38 erzeugt worden ist, beginnt der Wärmedetektor 40 (unter Steuerung des Logik-Kontroller-Chips 58) mit der Suche nach einem abrupten, aber kleinen Temperaturanstieg der Membran 50 in Nachbarschaft zu der strömenden Flüssigkeit. Die Zeitverzögerung zwischen dem Wärmeimpuls von dem Wärmestrahler 38 und seiner Detektierung durch den Wärmedetektor 40 wird von dem Logik-Kontroller-Chip 58 gemessen und ist für die Strömungsrate des flüssigen Medikaments in dem Kanal 55 repräsentativ. Eine interne Lookup-Tabelle in dem Logik-Kontroller-Chip 58 korreliert die gemessene Zeitverzögerung mit der Strömungsrate des flüssigen Medikaments in dem Kanal 55. Die gemessene Strömungsrate wird dann mit dem vorbestimmten Target-Wert verglichen, und die Differenz (falls vorhanden) wird zum Einstellen des Arbeitszyklus des piezoelektrischen Elements 36 verwendet. Auf diese Weise können der Wärmestrahler 38 und der Wärmedetektor 40 nicht nur eine gewünschte Strömungsrate in dem Kanal 86 aufrechterhalten, sondern können auch eine Echtzeit-Kalibrierung der Vorrichtung 30 zwecks Einstellung hinsichtlich Fertigungstoleranzen und sich verändernder Umgebungsbedingungen ermöglichen. In dem von dem Logik-Kontroller-Chip 58 verwendeten Strömungssteuerungs-Algorithmus wird der Wert der kalibrierten Maximalströmungsrate zum gepulsten Aktivieren und Deaktivieren des piezoelektrischen Elements 36 entsprechend dem berechneten Arbeitszyklus zwecks Erhalts einer vorbestimmten Strömungsrate verwendet, die einen beliebigen Soll-Wert zwischen Null und der von dem Druck in dem Reservoir und dem Strömungswiderstand des Kanals 55 bestimmten maximalen Strömungsrate aufweisen kann. Die vorbestimmte Strömungsrate kann eine feststehende Rate, die bei der Herstellung in den Logik-Kontroller-Chip 58 einprogrammiert wird, eine vom Benutzer ausgewählte variable Strömungsrate, die über einen externen Eingang eingegeben wird, oder eine programmierte Strömungsrate sein, die sich im Laufe eines Tages automatisch verändert. Da der Arbeitszyklus des piezoelektrischen Elements 36 wie gewünscht variiert werden kann, ist eine unbegrenzte Abstufung der Strömungsraten möglich.
8 und 9 zeigen die Funktionsweise eines ausfallsicheren Systems, das ein Strömen von flüssigem Medikament durch den Kanal 55 verhindert, wenn sich der wiederverwendbare Teil 34 nicht an seinem Platz an dem Einweg-Teil 32 der Vorrichtung 30 befindet. In 8 ist der wiederverwendbare Teil 34 in derjenigen Position gezeigt, die er unmittelbar vor dem Einrasten an dem Einweg-Teil 32 einnimmt. Ein Ansatz 110 sichert das linke Ende des wiederverwendbaren Teils 34 unter einer Rippe 112 an der oberen Abdeckung 54 des Einweg-Teils 32. Wenn der wiederverwendbare Teil 34 an seinen Platz gedreht wird, gleiten die Positionier-Ansätze 60 auf dem Boden der unteren Abdeckung 46 des wiederverwendbaren Teils 34 in die Löcher 62 in der oberen Abdeckung 54 des Einweg-Teils 32. Dies dient zum Ausrichten des piezoelektrischen Elements 36, des Wärmestrahlers 38 und des Wärmedetektors 40 mit dem Strömungswegbereich 52. Unmittelbar hinter dem piezoelektrischen Element 36 kommen der Wärmestrahler 38 und der Wärmedetektor 40 in engen erzwungenen Kontakt mit der Membran 50 und kommt ein Überstand 114 nahe dem Kanaleinlass 84 mit der oberen Abdeckung 54 in Kontakt. Ein Ausnehmungsbereich 116 der oberen Abdeckung 54 (in 4 zu sehen) ist um den Kanaleinlass 84 herum ausgebildet, wodurch sich dieser Abschnitt des Strömungswegbereichs 52 nach unten biegen kann, um die Wirkung einer freitragenden Feder zu erzeugen. Wenn der Überstand 114 mit dem ausgekragten Abschnitt des Strömungswegbereichs 52 in Kontakt kommt, wird einer weiteren Abwärtsbewegung des wiederverwendbaren Teils 34 durch eine von der nach unten gerichteten Durchbiegung des ausgekragten Abschnitts des Strömungswegbereichs 52 bewirkte leichte Federkraft ent gegengewirkt. Dieser Federdruck hat die Funktion einer taktilen Rückmeldung bezüglich der bevorstehenden Schließung der Einrast-Ansätze 66 (2) an den Benutzer und unterstützt ferner das Aufwärtsdrücken des wiederverwendbaren Teils 34 und das Trennen des wiederverwendbaren Teils 34 von der oberen Abdeckung 54 des Einweg-Teils 32, wenn der Benutzer das Einweg- und das wiederverwendbaren Teil 32 und 34 voneinander trennen möchte. Die abschließenden Vorgänge, die beim Drücken des wiederverwendbaren Kontrollers an seinen Platz erfolgen, sind das Zusammengreifen der an den Seiten der oberen Abdeckung 48 des wiederverwendbaren Teils 34 angeordneten Vorsprünge 64 (in 2 und 3 zu sehen) mit den an der oberen Abdeckung 54 des Einweg-Teils 32 ausgebildeten entsprechenden Ansätzen 66, wodurch das wiederverwendbare Teil 34 an dem Einweg-Teil 32 gesichert wird, und das gleichzeitige Durchbiegen des ausgekragten Teils des Strömungswegbereichs 52 in Abwärtsrichtung. Dieses letztere Durchbiegen bewirkt, dass die Start-Kanüle 82 die obere Membran 68 des Flüssigkeitsreservoirs und das selbstabdichtende Septum 72 durchsticht, wie in 9 gezeigt. Erst wenn die Start-Kanüle 82 die Membran 68 und das Septum 72 durchsticht, kann das flüssige Medikament in den Strömungskanal 55 eintreten. Da sich dabei das piezoelektrische Element 36 bereits fest an seinem Platz an der Membran 50 befindet und somit den Kanal 55 an der Stelle des Damms 106 blockiert, kann das flüssige Medikament die Zuführkanüle 92 nicht erreichen. Somit ist die Strömung des flüssigen Medikaments immer unter Kontrolle.
Um dem Benutzer das Entfernen des wiederverwendbaren Teils 34 von dem Einweg-Teil 32 zu erleichtern, befinden sich die Einrast-Ansätze 66 auf lösbaren Freigabeknöpfen 118, wie in 2 und 4 gezeigt. Durch Drücken auf die Freigabeknöpfe 118 können die Ansätze 66 von den entsprechenden Ansätzen 64 an den Seiten des wiederverwendbaren Teils 34 gelöst werden, wodurch das wiederverwendbare Teil 34 nach oben geschwenkt und von dem Einweg-Teil 32 abgenommen werden kann. Dabei federt der ausgekragte Teil des Strömungswegbereichs 52 nach oben in die in 8 gezeigte Position, wodurch das Abnehmen des abnehmbaren Teils 38 unterstützt wird. Gleichzeitig bewirkt die Aufwärtsbewegung des ausgekragten Teils des Strömungswegbereichs 52, dass sich die Start-Kanüle 82 aus dem Septum 72 zurückzieht, wodurch die Strömung des flüssigen Medikaments aus dem Reservoir gestoppt wird. Dies erfolgt unmittelbar bevor das piezoelektrische Element 36, der Wärmestrahler 38 und der Wärmedetektor 40 ihre Steuerungswirksamkeit verlieren. Somit ist, wenn diese Komponenten unwirksam werden, ein weiteres Strömen des flüssigen Medikaments durch den Kanal 55 nicht mehr möglich.
10 zeigt ein Blockschaltbild der elektrischen Hauptkomponenten des wiederverwendbaren Teils 34 der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30. 10 zeigt das piezoelektrische Element 36 und den Logik-Kontroller aus 3, einen Teil des Strömungskanals 55 aus 4 und eine tragbare drahtlose Programmiereinrichtung 270 für den Logik-Kontroller 58. Dem Strömungskanal 55 zugeordnet sind der Wärmestrahler 38 und der Wärmedetektor 40, wobei der Wärmedetektor 40 stromabwärts des Wärmestrahlers 38 relativ zu der Fluidströmungsrichtung angeordnet ist. Der Strömungskanal 55 und die diesem zugeordneten Komponenten sind schematisch in 10 dargestellt, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass der Wärmestrahler 38 und der Wärmedetektor 40 bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nicht physisch in dem Kanal 55 angeordnet sind, sondern stattdessen durch die in 4 gezeigte Membran 50 von dem Kanal 55 getrennt sind. Der Wärmestrahler 38, der vorzugsweise ein normaler, auf der Oberfläche angebrachter Widerstand ist, wird von einer Impulsfolge-Generatorschaltung 128 kontrolliert getrieben, welche wiederum von einem Mikrokontroller 132 gesteuert wird. Die Impulsfolge-Generatorschaltung 128 ist zum Erzeugen eines oder nicht weniger als vier Rechteckspannungsimpulsen mit einer Dauer von 1–2 Sekunden bei einem Arbeitszyklus von 50 % vorgesehen. Zum Starten dieses Vorgangs ist nur ein einzelner Ausgangs-Auslöseimpuls von dem Mikrokontroller 132 erforderlich. Der Wärmedetektor 40, der vorzugsweise ein kleines Thermistorelement ist, wird von einer Stromquelle 122 derart kontrolliert getrieben, dass er eine Spannung erzeugt, die sich direkt proportional zu seinem Widerstand und umgekehrt proportional zu seiner Temperatur verhält. Diese Spannung ist mit dem Eingang eines Bandpassfilters/-verstärkers 130 gekoppelt. Der Ausgang des Bandpassfilters/-verstärkers 130 ist mit dem Eingang eines Differentialverstärkers 131 gekoppelt, dessen Ausgang direkt mit einem Eingang des Mikrokontrollers 132 gekoppelt ist. Veränderungen in der Temperatur der in dem Strömungskanal 55 strömenden Flüssigkeit bewirken eine Veränderung in dem Widerstand des Thermistors 40 und somit eine Veränderung in der Spannung am Eingang des Bandpassfilters/-verstärkers 130. Der Bandpassfilter/-verstärker 130 dient zum Ausfiltern von Frequenzen oberhalb der von dem Impulsfolgegenerator 128 erzeugten Frequenz und zum Verstärken des daraus resultierenden Signals für den nächste Stufe. Der Differenzierer 131 erzeugt ein schnelles Spike-Signal am Eingang des Mikrokontrollers 132, wenn sein Eingang eine Spannungsänderung bei einer Frequenz empfängt, die den Bandpassfilter/-verstärker 130 durchlaufen würde. Der Gesamteffekt dieser Schaltung liegt in dem Anlegen eines Signals mit einer steilen Anstiegsflanke an den Mikrokontroller 132 immer dann, wenn der Wärmedetektor 40 das Strömungskanal-Wärmesignal von dem Wärmestrahler 38 erfasst. Anhand der gemessenen Zeitverzögerung zwischen der Aktivierung des Wärmestrahlers 38 und der Detektierung eines Signals von dem Wärmedetektor 40 bestimmt der Mikrokontroller 132 die augenblickliche Durchflussrate des flüssigen Medikaments in dem Strömungskanal 55. Die gemessene Strömungsrate wird mit dem Sollwert verglichen und von dem Mikrokontroller 132 zum Aktivieren des piezoelektrischen Elements 36 mit variablem Arbeitszyklus mittels eines Impulsfolgegenerators 126 und eines DC-DC-Konverters 124 verwendet. Der DC-DC-Konverter erhöht die Spannungsamplitude am Ausgang des Impulsfolgegenerators 126 auf einen Pegel, der zum Treiben des piezoelektrischen Elements 36 geeignet ist.
Das Bestimmen der Strömungsrate des flüssigen Medikaments in dem in 10 dargestellten Strömungskanal 55 erfolgt unter Verwendung einer gespeicherten Lookup-Tabelle. Ein Zeitverzögerungs-Messwert, der den Zeitabstand zwischen der Aktivierung des Wärmestrahlers 38 und der Detektierung einer hohen Fluidtemperatur am Wärmedetektor 40 repräsentiert, wird in eine Speicheradresse konvertiert und als Eingangssignal an eine (nicht gezeigte) Speichervorrichtung in dem in 10 dargestellten Steuer-Mikrokontroller 132 angelegt. Das Ausgangssignal der Speichervorrichtung ist der entsprechende Wert der Flüssigkeitsströmungsrate, der mit dem bekannten Target-Wert verglichen und zum Erhöhen oder Reduzieren des Arbeitszyklus des piezoelektrischen Elements 36 verwendet wird, je nachdem was zum Aufrechterhalten der von dem Benutzer definierten Strömungsrate erforderlich ist. Auf diese Weise wird der gewünschte geschlossene Regelkreis realisiert. Der Strömungsraten-Messwert kann ferner zum Senden eines Alarm- oder Status-Ausgangssignals zum Benutzer verwendet werden, wie nachstehend in Zusammenhang mit der drahtlosen Programmiereinrichtung 270 beschrieben ist. Typischerweise stimmt der Zeitverzögerungs-Messwert nicht genau mit den Referenzwerten überein, die zum Zugreifen auf die in der Speichervorrichtung gespeicherten Strömungsraten verwendet werden. In diesen Fällen kann eine lineare Interpolation angewendet werden.
Zum Erstellen der Lookup-Tabelle können zunächst empirische Messungen in einer Laborumgebung unter Verwendung einer Kanalgeometrie, die mit der in der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 verwendeten identisch ist, durchgeführt werden. Eine bekannte Insulin-Strömungsrate wird in dem Kanal erzeugt, und ein entsprechender Zeitverzögerungswert wird durch Anlegen einer Impulsfolge an den Wärmestrahler 38 und Messen der bis zum Detektieren des daraus resultierenden Anstiegs der Flüssigkeitstemperatur in dem Kanal durch dem Wärmedetektor 40 abgelaufenen Zeit erhalten. Dieser Vorgang wird für eine Anzahl von Strömungsraten (vorzugsweise ungefähr 10) wiederholt, um eine entsprechende Anzahl von Zeitverzögerungswerten zu erzeugen. Die diesen Werten entsprechenden Strömungsraten werden dann in der Speichervorrichtung des Mikrokontrollers 132 an Adressen gespeichert, die mit den Zeitverzögerungs-Messwerten korreliert werden können.
Als Alternative zu dem empirischen Verfahren kann eine mathematische Formel verwendet werden, um Strömungsraten mit Zeitverzögerungswerten in Beziehung zu setzen. Dabei werden folgende Parameter verwendet:

– Zeitverzögerung = tatsächliche gemessene Zeit zwischen der Initiierung einer Impulsfolge am Wärmestrahler 38 und dem Empfang des Ausgangssignals von dem Differenzierer 131 am Mikrokontroller 132. Die Zeitverzögerung ist gleich der Summe von Strömungszeit, Leitverzögerung und Konvektionsverzögerung.
– Leitverzögerung = Zeit, die der Wärmestrahler 38 benötigt, um sich selbst, den stromaufwärts angeordneten Teil der Membran 50, den stromabwärts angeordneten Teil der Membran 50 und den Wärmesensor 40 zu erwärmen.
– Konvektionsverzögerung = Zeit, die benötigt wird, damit der Wärmedetektor 40 die von dem Wärmestrahler 38 erzeugte Wärme auf der Basis einer Konvektion von dem stromaufwärts angeordneten Teil der Membran 50 in die in dem Strömungskanal 55 befindliche Flüssigkeit detektiert.
– Strömungszeit = berechneter Parameter, der ein Äquivalent zu der Zeit ist, die benötigt wird, damit das flüssige Medikament mit der aktuell gemessenen Strömungsrate physisch von dem Wärmestrahler 38 zu dem Wärmedetektor 40 strömt.

Es wird davon ausgegangen, dass der Leitverzögerungs- und der Konvektionsverzögerungsparameter Konstanten für die Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 sind, wenn diese in großen Mengen mit kontrollierten Toleranzen hergestellt wird. Diese Konstanten können empirisch anhand einer großen Auswahl von fertiggestellten Vorrichtungen 30 bestimmt und zum Erstellen der Lookup-Tabelle für die Strömungsrate im Vergleich zu der Zeitverzögerung verwendet werden. Die Lookup-Tabelle wird durch Anwenden der folgenden mathematischen Formel auf die erfassten Daten erstellt:
Als weitere Alternative kann die vorstehende mathematische Formel von dem in 10 dargestellten Mikrokontroller 132 zum Berechnen von Strömungsratenwerten in Echtzeit verwendet werden. Dies würde das Erstellen und Speichern einer Lookup-Tabelle überflüssig machen, würde jedoch auch bei normalem Betrieb der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 dem Mikrokontroller 132 eine größere Berechnungslast aufbürden.
11A–11E sind Ablaufdiagramme der Operation des in 10 dargestellten Mikrokontrollers 132. 11A zeigt die Operation des Mikrokontrollers 132 während des Basalzuführ- (Vorgabe-) Modus der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30, während 11B die Operation des Mikrokontrollers 132 zeigt, wenn eine Bolus-Zuführung von dem Benutzer benötigt wird. 11C zeigt eine Mikrokontroller-Subroutine für die Erfassung der Strömungsrate, während 11D eine Mikrokontroller-Subroutine zeigt, die aufgerufen wird, wenn der Benutzer ein neues Tagesprogramm in die Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 laden möchte. Schließlich zeigt 11E eine Subroutine, die von dem Mikrokontroller aufgerufen wird, wenn Statusinformationen zwischen dem Logik-Kontroller 58 und der tragbaren drahtlosen Programmiereinrichtung 270 aus 10 ausgetauscht werden sollen.
Gemäß 11A beginnt der Mikrokontroller 132 den Basal-Zuführmodus in Block 140 durch Initiieren der Strömung des flüssigen Medikaments in dem Strömungskanal 55 über einen Zeitraum zwischen 2 und 5 Sekunden. In Block 142 wird die Subroutine aus 11C (die nachstehend beschrieben wird) zum Messen der daraus resultierenden Strömungsrate aufgerufen. Anhand der gemessenen Strömungsrate und des aktuellen basalen Bedarfs des Benutzers berechnet der Mikrokontroller 132 in Block 144 den Arbeitszyklus des piezoelektrischen Elements 36, der zum Erreichen der gewünschten mittleren Strömungsrate erforderlich ist. Dieser Arbeitszyklus wird dann beim nächsten Schritt des Ablaufdiagramms aus 11A als Nennwert verwendet und erforderlichenfalls angepasst, um die mittlere Strömungsrate beim Target-Wert aufrechtzuerhalten. Dieser Prozess wird bei Normalbetrieb der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 auf unbestimmte Zeit fortgesetzt.
11B zeigt die Operation des Mikrokontrollers 132 im Bolus-Zuführmodus. Dieser Modus kann von dem Benutzer vor den Mahlzeiten oder bei erforderlicher Insulin-Bolus-Zuführung ausgelöst werden. In Block 146 empfängt der Logik-Kontroller 158 einen Bolus-Zuführ-Befehl von der tragbaren Programmiereinrichtung 270 und bewirkt, dass der Mikrokontroller 132 den Basal-Zuführmodus unterbricht. In Block 148 modifiziert der Mikrokontroller 132 den Arbeitszyklus des piezoelektrischen Elements 36 derart auf 100 % "Ein" und 0 % "Aus", dass der Strömungskanal 55 ständig offen ist. In Block 150 wird die daraus resultierende Strömungsrate in dem Strömungskanal 55 nach einer Minute gemessen und mit vorhergehenden Messungen gemittelt. In Block 152 berechnet der Mikrokontroller 132 das Gesamtvolumen der bisher zugeführten Bolusdosis anhand der mittleren Strömungsrate und der abgelaufenen Zeit. In Block 154 wird festgestellt, ob die volle Bolusdosis zugeführt worden ist. Wenn dies nicht der Fall ist, kehrt der Mikrokontroller zu Block 150 zurück und wiederholt die in den Blöcken 150–154 beschriebenen Schritte. Wenn in Block 154 festgestellt worden ist, dass die von dem Benutzer benötigte volle Bolusdosis zugeführt worden ist, geht der Mikrokontroller zu Block 156 weiter und kehrt zu dem Basal-Zuführmodus aus 11A zurück.
Die von dem Mikrokontroller 132 durchgeführte Subroutine zur Erfassung der Strömungsrate ist in 11C dargestellt. Wie in Block 158 gezeigt, kann diese Subroutine von dem Mikrokontroller 132 entweder im Basal-Zuführmodus aus 11A oder im Bolus-Zuführmodus aus 11B aufgerufen werden. In Block 160 initiiert der Mikrokontroller 132 eine Impulsfolge mittels des in 10 dargestellten Impulsfolgegenerators 128. Dadurch wird bewirkt, dass der Wärmestrahler 38 Wärme in dem Strömungskanal 55 erzeugt. In Block 162 wird ein Strömungs-Zeitgeber in dem Mikrokontroller 132 gestartet. In Block 164 wird durch ein Eingangssignal von dem in 10 dargestellten Differenzierer 131 bewirkt, dass der Mikrokontroller 132 den Strömungs-Zeitgeber stoppt. In Block 166 wird der Wert des Strömungs-Zeitgebers abgelesen und verwendet, um einen entsprechenden Strömungsratenwert von der in dem Speicher des Mikrokontrollers 132 enthaltenen Lookup-Tabelle zu erhalten. In Block 168 stellt der Mikrokontroller 132 fest, ob die Strömungsrate innerhalb des Wertebereichs der Lookup-Tabelle liegt. Wenn dies der Fall ist, kehrt der Mikrokontroller 132 in Block 170 zusammen mit dem von dieser Routine benötigten Strömungsratenwert einfach zu der unterbrochenen Routine (d. h. dem Basal-Zuführmodus aus 11A oder dem Bolus-Zuführmodus aus 11B) zurück. Wenn jedoch die Strömungsrate außerhalb des Wertebereichs der Lookup-Tabelle liegt, kehrt der Mikrokontroller in Block 172 mit einer Anzeige eines Überlauf- oder Unterlauffehlers zu der unterbrochenen Routine zurück. Die Fehleranzeige bewirkt, dass der Mikrokontroller 132 über die in 10 dargestellte drahtlose Programmiereinrichtung 270 einen Alarm an den Benutzer sendet.
11D zeigt eine Subroutine, die von dem in 10 dargestellten Mikrokontroller 132 aufgerufen wird, wenn der Benutzer ein neues Programm zum Zuführen des flüssigen Medikaments in die Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 eingeben oder ein zuvor eingegebenes Programm aktualisieren möchte. In Block 174 bewirkt der Empfang eines RF-Signals von der in 10 dargestellten drahtlosen Programmiereinrichtung 270, dass der Mikrokontroller 132 die Subroutine aufruft. In Block 176 wird das neue Zuführprogramm von der drahtlosen Programmiereinrichtung 270 empfangen und in den Speicher des Mikrokontrollers 132 eingegeben. In Block 178 kehrt der Mikrokontroller 132 zu der Routine (typischerweise der Basalmodus-Routine aus 11A oder der Bolusmodus-Routine aus 11B) zurück, die von der Subroutine aus 11D unterbrochen worden ist.
11E zeigt eine Subroutine, die von dem Mikrokontroller 132 aufgerufen wird, um Statusinformationen mit der in 10 gezeigten drahtlosen Programmiereinrichtung 270 auszutauschen. In Block 180 bewirkt der Empfang eines RF-Signals von der drahtlosen Programmiereinrichtung 270, dass der Mikrokontroller 132 die Subroutine aufruft. Dieses Signal kann aus einer Benutzer-Eingabe resultieren oder periodisch und automatisch von der drahtlosen Programmiereinrichtung 270 ohne Einwirkung durch den Benutzer erzeugt werden. In Block 182 bewirkt der Mikrokontroller 132, dass der Logik-Kontroller 58 Statusinformationen und Fehleranzeigen (Alarme) in die drahtlose Programmiereinrichtung 270 hochlädt. Wenn dieser Prozess abgeschlossen ist, geht der Mikrokontroller 132 zu Block 184 über und kehrt zu der Routine zurück, die beim Aufrufen der Subroutine aus 11E unterbrochen worden ist.
Es sind mehrere Modifikationen an der in 1–10 und 11A–11E gezeigten Ausführungsform möglich. Beispielsweise kann das piezoelektrische Element 36 statt an dem wiederverwendbaren Teil 34 der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 an dem Einweg-Teil 32 angeordnet sein (z. B. durch Verbonden des Elements 36 mit der oberen Fläche der Membran 50). Ferner können der Wärmestrahler 38 und der Wärmesensor 40 als Filme oder Schichten direkt auf der Membran 50 ausgebildet sein (z. B. durch Siebdruck oder ähnliches). Beispielsweise können durch Ausbilden des Wärmestrahlers 38 und des Wärmesensors 40 auf der Unterseite der Membran 50 diese Bauteile in direkten Kontakt mit dem flüssigen Medikament in dem Strömungskanal 55 gebracht werden und somit effizienter arbeiten. Als weitere Modifikation können zusätzliche Wärmedetektoren 40 entweder stromaufwärts oder stromabwärts des Wärmestrahlers 38 vorgesehen sein, um die Qualität des Signals durch Vorhersehen von Veränderungen in den Umgebungstemperaturbedingungen zu verbessern.
12–17 zeigen den Einweg-Teil einer Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1–10 und 11A–11E ge zeigten Ausführungsform durch die Art und Weise, in der eine Bewegungskraft zu Zuführungszwecken auf das flüssige Medikament aufgebracht wird. Bei der ersten Ausführungsform wird ein Reservoir mit einer von außen aufgebrachten Federkraft zur Druckbeaufschlagung des flüssigen Medikaments verwendet. Die unter Druck stehende Flüssigkeit durchläuft dann das piezoelektrische Ventil, das unter elektronischer Steuerung moduliert wird, um eine kontrolliere Strömungsrate zu erzeugen. Bei der in 12–17 gezeigten Ausführungsform dagegen ist kein unter Druck stehendes Reservoir erforderlich. Die Bewegungskraft für das flüssige Medikament wird von einer Mikropumpe erzeugt, die zwei Spritzgussteile aus Kunststoff, zwei Membranen und ein von einer elektronischen Steuerung getriebenes piezoelektrisches Element aufweist. Wie bei der ersten Ausführungsform ist der wiederverwendbare Teil (der in 12–17 nicht gezeigt ist, jedoch äußerlich dem in 2 gezeigten wiederverwendbaren Teil 34 im wesentlichen gleich ist) mit den erforderlichen elektronischen Komponenten als separate Einheit ausgebildet, die an dem das flüssige Medikament enthaltenden Einweg-Teil einrastet. Dadurch wird das Abdichten des Flüssigkeitsströmungswegs überflüssig und wird das Risiko einer Leckage oder Verschmutzung des flüssigen Medikaments eliminiert. Die einzigen Materialien, die mit dem flüssigen Medikament in Kontakt kommen, sind wie zuvor Kunststoffteile oder Membranen. Die in 12–17 gezeigte Ausführungsform ist ebenfalls der vorherigen Ausführungsform im wesentlichen gleich, und zwar dahingehend, dass ein Wärmestromsensor verwendet wird, um einen geschlossenen Regelkreis für die Flüssigkeitsströmungsrate durch die Zuführkanüle zu ermöglichen. Das elektronische Steuersystem für die in 12–17 gezeigte zweite Ausführungsform (und für die in 18 und 19 gezeigte und nachstehend beschriebene dritte Ausführungsform) ist hier nicht genauer beschrieben, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass es dem in 10 und 11A–11E im wesentlichen gleich ist.
12 zeigt eine Explosionsansicht der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Bauteile der Vorrichtung 200, die denen der Vorrichtung 30 gemäß der ersten Ausführungsform im we sentlichen gleich oder mit diesen identisch sind, sind mit entsprechenden (mit Strich versehenen) Bezugszeichen bezeichnet. Mehrere Merkmale, die nur bei der zweiten Ausführungsform vorkommen, sind in 12 zu sehen. Erstens wird anders als bei der Vorrichtung 30 bei der in 12 gezeigten Vorrichtung 200 eine Reservoiranordnung verwendet, die nur die Membranen 68' und 70' und keine Tellerfederscheiben 76 und 78 aufweist. Da das Reservoir nicht unter Druck steht, sind die Tellerfederscheiben 76 und 78 nicht erforderlich. Aus bestimmten Gründen ist der serpentinenartig ausgebildete Bereich 86 des Strömungskanals 55 der Vorrichtung 30 bei dem Strömungskanal 55' der Vorrichtung 200 nicht erforderlich. Schließlich unterscheidet sich die Vorrichtung 200 dahingehend von der Vorrichtung 30, dass sie eine modifizierte Abdeckung 54' aufweist, die mit einer Ventilmembran 202 und einem unteren Ventilkörper 204 zusammenwirkt. Diese beiden Komponenten in Kombination mit der Unterseite der oberen Abdeckung 54', die als ein oberer Ventilkörper fungiert, bilden eine Mikropumpe, die von einem (in 12 nicht gezeigten) piezoelektrischen Element angetrieben wird, das sich in dem Einweg-Teil der Vorrichtung 200 befindet.
Wie bei der ersten Ausführungsform befindet sich das flüssige Medikament in einem Reservoir, das aus den Membranen 68' und 70' gebildet ist, die miteinander versiegelt sind, wobei ein Septum 72' zwischen den Membranen angeordnet ist. Eine Start-Kanüle 82' ist mit Epoxidharz mit einem Ansatz an der oberen Abdeckung 54' verbondet und durchsticht das Septum 72' zwecks Auslösens der Strömung des flüssigen Medikaments zu einem Strömungskanal 55', der in der oberen Fläche der oberen Abdeckung 54' ausgebildet ist. Der Strömungskanal 55' ist am oberen Teil durch eine Membran 50' abgedichtet und transportiert das flüssige Medikament wie bei der ersten Ausführungsform entlang dem Strömungssensor des wiederverwendbaren Teils. An dem der Start-Kanüle 82' entgegengesetzten Ende steht der Strömungskanal 55' mit einem vertikal durch die obere Abdeckung 54' verlaufenden Loch 206 in Verbindung. Das Loch 206 ist mit einem etwas größeren Loch 208 in der Ventilmembran 202 ausgerichtet. Das flüssige Medikament durchläuft die miteinan der ausgerichteten Löcher 206 und 208 und tritt in ein Ende 210 eines Einlasskanals 212 ein, der in der oberen Fläche des unteren Ventilkörpers 204 ausgebildet ist. Nach dem Durchlaufen eines Rückschlagventil-Paars (das kurz beschrieben wird) strömt das flüssige Medikament durch einen Auslasskanal 214 in dem unteren Ventilkörper 204 und tritt durch eine Zuführkanüle 92' aus. Die Zuführkanüle 92' wird von einer Kanülennabe 216 getragen, die einstückig mit dem Boden des unteren Ventilkörpers 204 ausgebildet ist und von diesem vorsteht. Der Einlass- und der Auslasskanal 212 und 214 sind oben offen, werden jedoch im zusammengesetzten Zustand der Vorrichtung 200 von der Ventilmembran 202 verschlossen.
13 zeigt eine Unteransicht der oberen Abdeckung 54', der Ventilmembran 202 und des unteren Ventilkörpers 204. Vorzugsweise sind diese drei Komponenten durch Laserschweißen derart miteinander verbunden, dass sehr akkurate und leckagefreie Abdichtungen erzeugt werden. 14 zeigt eine stark vergrößerte Ansicht des in 13 eingekreisten Bereichs mit Darstellung der stromaufwärts und stromabwärts angeordneten Rückschlagventile 218 und 220, die in der unteren Fläche der oberen Abdeckung 54' ausgebildet sind. Lasergebohrte Strömungslöcher 222 und 223 sind in der Ventilmembran 202 ausgebildet und zentrisch über den Rückschlagventilen 218 bzw. 220 angeordnet.
Die Operation der Rückschlagventile 218 und 220 während der Pumpenansaug- und -auslasshübe ist in 15 und 16 gezeigt. Zur Erläuterung dieser Ansichten sei darauf hingewiesen, dass das piezoelektrische Element 36' bei dieser Ausführungsform vorzugsweise als Bauteil des Einweg-Teils der Vorrichtung 200 statt als Bauteil des wiederverwendbaren Teils ausgebildet ist. Diese Modifikation ermöglicht ein klebendes Verbonden der unteren Fläche des piezoelektrischen Elements 36' mit der oberen Fläche der Membran 50', wodurch wiederum ermöglicht wird, dass das piezoelektrische Element 36' die Membran 50' entweder nach oben oder nach unten drückt. Dadurch können die Rückschlagventile 218 und 220 auf die in 15 und 16 dargestellte Weise arbeiten, wie nachstehend beschrieben. Miteinander ausgerichtete (nicht gezeigte) Metallkontakte können in dem Einweg- und dem wiederverwendbaren Teil der Vorrichtung 200 vorgesehen sein, um einen Stromdurchgang zwischen dem piezoelektrischen Element 36' und der Treiberschaltung in dem wiederverwendbaren Teil der Vorrichtung 200 zu ermöglichen. Als Alternative zum Platzieren des piezoelektrischen Elements 36' in dem Einweg-Teil kann dieses in dem wiederverwendbaren Teil platziert sein (wie bei der in 1–10 und 11A–11E gezeigten Ausführungsform) und vorübergehend mit der oberen Fläche der Membran 50' verklebt sein, wenn der Einweg- und der wiederverwendbare Teil miteinander gekoppelt sind, beispielsweise mittels einer klebenden Schicht oder eines Films aus viskosem Öl.
Vor diesem Hintergrund können nun die in 15 und 16 dargestellten Pumpenansaug- und -auslasshübe erläutert werden. Bei dem in 15 gezeigten Ansaughub wird das piezoelektrische Element 36' aktiviert und biegt sich nach oben, wodurch es die Membran 50' auf der obere Abdeckung' 54 mit sich zieht. Dadurch wird ein Vakuum unter der Membran 50' erzeugt, das durch die lasergebohrten Löcher 224 bzw. 226 in der oberen Abdeckung 54' zu den Rückschlagventilen 218 und 220 übertragen wird. An dem stromabwärts angeordneten Rückschlagventil 220, das der Zuführkanüle 92' am nächsten ist, wird die Ventilmembran 202 nach oben gezogen. Dadurch wird das Strömungsloch 223 gegen den Sitz 228 des stromabwärts angeordneten Rückschlagventils 220 abgedichtet. Gleichzeitig wird durch das Vakuum die Ventilmembran 202 nach oben von dem Sitz 230 des stromaufwärts angeordneten Rückschlagventils 228 weg gezogen, wodurch das flüssige Medikament von dem Einlasskanal 212 durch das Strömungsloch 222 des Rückschlagventils 218 strömen kann. Das flüssige Medikament strömt durch das stromaufwärts angeordnete Rückschlagventil 218 und das lasergebohrte Loch 224 in den unter dem piezoelektrischen Element 36' und der Membran 50' ausgebildeten Hohlraum. Hier endet der Ansaughub und beginnt der in 16 dargestellte Auslasshub. Die an das piezoelektrische Element 36' angelegte Treiberspannung wird abgeschaltet, und das piezoelektrische Element 36' kollabiert in einen flachen Zustand, wodurch ein hoher Druck in dem flüssigkeitsgefüllten Hohlraum unter der Membran 50' gebildet wird. Dieser Druck wird über die lasergebohrten Löcher 224 und 226 an die Rückschlagventile 218 und 220 übertragen. Auf der Einlassseite wird durch diesen hohen Druck die Ventilmembran 202 gegen den Ventilsitz 230 gedrückt und verhindert das Rückströmen des flüssigen Medikaments in das Reservoir. Auf der Auslassseite bewirkt der Druck, dass sich die Ventilmembran 202 von dem Ventilsitz 228 trennt und dadurch den Strömungsweg durch die Ventilmembran 202 zu dem Auslasskanal 215, dem Ansatz 216 und der Zuführkanüle 92' öffnet. Dadurch wird der Auslasshub beendet und kann ein neuer Ansaughub beginnen. Bei jedem Ansaug- und Auslasszyklus wird dem Benutzer eine vorbestimmte Menge an flüssigem Medikament über die Zuführkanüle 92' zugeführt.
17 zeigt eine Querschnittansicht der oberen Abdeckung 54" einer modifizierten Version der in 12–16 dargestellten Ausführungsform. Bei dieser Version wird das Flüssigkeitsreservoir 232 von einer einzelnen Membran 234 gebildet, die um ihren Umfang 236 gegen die Innenseite der oberen Abdeckung 54" abgedichtet ist. Das Reservoir wird über einen selbstabdichtenden Füllport 237 gefüllt. Der Flüssigkeitsströmungsweg beginnt an einem Durchgangsloch 238 und steht mit einem unter der oberen Membran 50" der oberen Abdeckung 54" ausgebildeten Kanal 240 in Verbindung. Das flüssige Medikament strömt dann weiter durch die Ventilmembran (die wegen des Maßstabs der Zeichnung in 17 nicht gezeigt ist, jedoch zwischen der oberen Abdeckung 54" und dem unteren Ventilkörper 204" angeordnet ist) und den unteren Ventilkörper 204" in die Mikropumpe, wie oben beschrieben. Die in 12 gezeigte Zuführkanüle 92' ist mit dem Ansatz 216" mittels Epoxidharz verbondet und nimmt den Strom des flüssigen Medikaments direkt von der Mikropumpe auf. Wie bei der in 12–16 gezeigten Ausführungsform kann das piezoelektrische Element 36" permanent an der oberen Fläche der Membran 50" befestigt sein (und somit ein Bauteil des Einweg-Teils der Infusionsvorrichtung werden) oder vorübergehend nur dann mit der Membran 50" verbunden sein, wenn der Einweg- und der wiederverwendbare Teil der Infusionsvor richtung miteinander gekoppelt sind (wodurch es wie bei der in 10 und 11A–11E gezeigten Ausführungsform ein Bauteil des wiederverwendbaren Teils wird).
18 und 19 zeigen eine Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 250 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist der in 1–10 und 11A–11E gezeigten ersten Ausführungsform dahingehend im wesentlichen gleich, dass sie auf der Verwendung eines unter Druck stehenden Reservoirs zum Aufnehmen des flüssigen Medikaments und zum Zuführen des flüssigen Medikaments unter Druck über den Strömungskanal 55" basiert. Das Reservoir ist in der in 18 gezeigten Explosionsansicht nicht dargestellt, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass es dem bei der ersten Ausführungsform verwendeten und in 4 gezeigten im wesentlichen gleich ist. Ferner in 18 nicht gezeigt (jedoch in der Vorrichtung 250 enthalten) sind die untere Abdeckung 94, der Liner 96 und die Kanülenabschirmung 100 aus 4.
Der Hauptunterschied zwischen der in 1–10 und 11A–11E gezeigten Ausführungsform und der in 18 und 19 gezeigten Ausführungsform liegt in der Art und Weise, in der piezoelektrische Kräfte zum Steuern der Strömung des unter Druck stehenden flüssigen Medikaments durch den Strömungskanal 55" verwendet werden. Bei der in 1–10 und 11A–11E gezeigten Ausführungsform fungiert ein einfaches scheibenartiges piezoelektrisches Element 36 als Ventilaktuator zum Steuern des Stroms an flüssigem Medikament in dem Strömungskanal 55 über die Membran 50 und die Kanal-Unterbrechung 106, wie in 6 und 7 dargestellt. Bei der in 18 und 19 gezeigten Ausführungsform wird eine modifizierte Ventilstruktur verwendet und ist das scheibenartige piezoelektrische Element 36 durch einen freitragenden piezoelektrischen Aktuator 252 ersetzt. Der freitragende piezoelektrische Aktuator 252 ist an einem Ende 254 an der Unterseite der Platine 42' des wiederverwendbaren Teils angeklemmt und an der entgegengesetzten Seite 256 frei. Die daraus resultierende Struktur ist in der Lage, sich an ihrem freien Ende 256 in größe rem Maße zu biegen und eine größere Betätigungskraft zu erzeugen, als es bei einem einfachen scheibenartigen piezoelektrischen Element möglich ist, wodurch höhere Operationsdrücke ermöglicht werden. Bei Betrieb der Vorrichtung 250 biegt sich das freie Ende 256 des freitragenden Aktuators 252 relativ zu der Membran 50" unter Steuerung des Logik-Kontroller-Chips 58' nach oben und nach unten.
19 und 20 zeigen in Längsrichtung dargestellte Querschnittansichten des Auslassendes des in 18 gezeigten Strömungskanals 55" sowie die Art und Weise, in der der freitragende piezoelektrische Aktuator 252 die Strömung des flüssigen Medikaments in die Zuführkanüle 92" steuert. Wie dargestellt, ist ein Loch 258 in der Membran 50" ausgebildet, das mit der Bohrung der Zuführkanüle 92' ausgerichtet ist. Das proximale Ende der Zuführkanüle 92' verläuft nach oben durch den Ventilkörper 204' (der bei dieser Ausführungsform keine Ventilfunktion hat und lediglich als Unterstützung der Zuführkanüle dient) und die obere Abdeckung 54" und endet auf einer Höhe leicht oberhalb der oberen Fläche der Membran 50". Eine Elastomerscheibe 260 aus Latexkautschuk oder ähnlichem dehnt sich über das offene Ende der Zuführkanüle 92" und ist an ihrem Umfang mit der oberen Fläche der Membran 50" verbondet. Die Kombination aus Elastomerscheibe 260 und umgebender Membran 50" bildet eine hermetische Abdichtung für den Flüssigkeitsströmungsweg. Die Wirkung des freien Endes 256 des freitragenden piezoelektrischen Aktuators 252 beim Drücken der gedehnten Latexscheibe 260 gegen die stumpfe Öffnung im oberen Teil der Zuführkanüle 92" bewirkt eine Ventilfunktion. In dem in 19 gezeigten Zustand, in dem der freitragende piezoelektrische Aktuator 252 nicht aktiviert ist, ist das Ventil geschlossen. Wenn der freitragende piezoelektrische Aktuator 252 aktiviert ist, biegt sich sein freies Ende 256 nach oben und bewirkt der Fluiddruck in dem Strömungskanal 55" (wegen des unter Druck stehenden Reservoirs), dass sich die Latexscheibe 260 nach oben dehnt und von der oberen Öffnung der Zuführkanüle 92" trennt. Das Ventil wird dadurch geöffnet, und das flüssige Medikament strömt von dem Kanal 55" in die Zuführkanüle 92". Wie bei der in 1–10 und 11A–11E gezeigten Ausführungsform bestimmt der Arbeitszyklus des freitragenden piezoelektrischen Aktuators 252 die Strömungsrate des flüssigen Medikaments durch den Strömungskanal 55" und die Zuführkanüle 92".
Andere Betriebsmoden sind mit der in 19 und 20 gezeigten Anordnung ebenfalls möglich. Wenn beispielsweise der freitragende piezoelektrische Aktuator 252 ein Aktuator desjenigen Typs ist, der sowohl auf positive als auch negative Treiberspannungen anspricht, kann eine konstante Spannung von mehreren geeigneten Spannungen angelegt werden, um das freie Ende 256 des Aktuators 252 gegen die Latexscheibe 250 zu drücken, wenn das Ventil in einer geschlossenen Position gehalten werden soll. Die Spannung kann dann umgekehrt werden, um das Ventil zu öffnen.
21 zeigt die äußere Konfiguration eines Typs einer externen drahtlosen Programmiereinheit 270, die zum Programmieren der erfindungsgemäßen Arzneimittel-Infusionsvorrichtung verwendet werden kann. Obwohl die in 21 gezeigte Arzneimittel-Infusionsvorrichtung die in 1–10 und 11A–11E gezeigte Vorrichtung 30 ist, sei darauf hingewiesen, dass die Programmiereinrichtung 270 auch in Zusammenhang mit der in 12–17 gezeigten Ausführungsform und der in 18–20 gezeigten Ausführungsform verwendet werden kann. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die physische Größe der Programmiereinrichtung 270 im wesentlichen der eines Taschenrechners oder eines Personal Digital Assistant (PDA) gleich. Wie diese Vorrichtungen weist die Programmiereinrichtung 270 eine Zahlentastatur 272 und einen LCD-Anzeigeschirm 274 auf. Wenn die Vorrichtung 30 für eine Insulininfusion verwendet wird, kann der Benutzer die Programmiereinrichtung 270 zum Einstellen, Verändern oder Programmieren der Insulinströmungsrate entsprechend seinen Bedürfnissen verwenden. Beispielsweise kann wie bei handelsüblichen Insulinpumpen eine basale Strömungsrate im Bereich von 0,2 Einheiten pro Stunde bis 5,0 Einheiten pro Stunde ausgewählt werden. Zu den Mahlzeiten kann die Programmiereinrichtung 270 derart eingestellt sein, dass sie eine Bolus-Strömungsrate von 1,2 Millimetern pro Stunde erzeugt. Der Anzeigeschirm 274 gibt eine visuelle Bestätigung der von dem Benutzer eingetasteten Informationen und zeigt ferner Statusinformationen bezüglich des Betriebs der Vorrichtung 30 an. Zuckerdaten können entweder ebenfalls in der Programmiereinrichtung 270 enthalten sein, und zwar entweder weil sie elektronisch in die Programmiereinrichtung 270 übertragen oder eingegeben worden sind, in der Programmiereinrichtung 270 erzeugt worden sind oder von dem Benutzer in die Programmiereinrichtung 270 eingetastet worden sind. Die Kohlehydrataufnahmedaten des Benutzers können ebenfalls in die Programmiereinrichtung 270 eingetastet werden. Anhand der Insulinzuführung und der Zuckerdaten kann die Programmiereinrichtung 270 dem Benutzer Bolusdosen und/oder Basalratenveränderungen vorschlagen. Der Benutzer kann diese Vorschläge wie gewünscht akzeptieren oder ablehnen.
Die Programmiereinrichtung 270 steht drahtlos mit dem wiederverwendbaren Kontroller 34 der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 in Verbindung, z. B. über Hochfrequenz- (RF-) oder optische Infrarot- (IF-) Verbindung. Diese Verfahren sind auf dem Sachgebiet bekannt und brauchen nicht genauer beschrieben zu werden. Eine RF-Übertragung ist dahingehend vorteilhaft, dass dabei keine direkte Sichtlinie erforderlich ist und die Übertragung durch die Kleidung des Benutzers hindurch erfolgen kann. Die RF-Übertragung wirft jedoch bestimmte Fragen hinsichtlich Vorschriften auf und ist auch stärker anfällig für Interferenzen von Störquellen, es sei denn, dass Vorsichtsmaßnahmen (wie z. B. eine digitale Kodierung) getroffen worden sind. Die IR-Übertragung ist weniger anfällig für Interferenzen und führt zu weniger Problemen hinsichtlich Vorschriften, kann jedoch nicht die Kleidung durchdringen und macht eine direkte Sichtlinie zwischen der Programmiereinrichtung 270 und der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 erforderlich. Die induktive Kopplung ist ein weiteres Verfahren, das zum Herstellen einer drahtlosen Verbindung zwischen der Programmiereinrichtung 270 und der Infusionsvorrichtung 30 angewendet werden kann. Wenn keine drahtlose Verbindung erforderlich oder gewünscht ist, kann eine "Andockstations"-Konfiguration verwendet werden und die Programmiereinrichtung 270 über elektrisch leitende Kontakte fest mit der Infusionsvorrichtung 30 verdrahtet sein.
Gemäß 21 ist die Verbindung zwischen der Programmiereinrichtung 270 und der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 vorzugsweise eine Zweiwege-Verbindung. Dadurch kann die Programmiereinrichtung 270 Strömungsrateneinstellungen und andere Befehle an die Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 übertragen und kann auch die Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 eine Bestätigung dieser Einstellungen und Befehle zu der Programmiereinrichtung 270 zurücksenden, um die Möglichkeit eines fehlerhaften Betriebs aufgrund von Kommunikationsfehlern auszuschließen. Der Rückverbindungsanschluss ermöglicht es ferner der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30, Statusinformationen zu der Programmiereinrichtung 270 zurückzusenden, derart, dass diese dem Benutzer auf dem Anzeigeschirm 274 angezeigt werden können. Solche Statusinformationen können die Ist-Strömungsrate des Insulins in der Vorrichtung 30, die Zeit oder Fluidmenge, die verbleibt, bis das Reservoir in dem Einweg-Teil 32 leer ist, Überlauf- und Unterlauf-Alarme, Zustand der Batterie in dem wiederverwendbaren Kontroller 34 und ähnliche Arten von Informationen umfassen.
22 zeigt ein Blockschaltbild der elektrischen Hauptkomponenten der in 21 gezeigten Programmiereinrichtung 270. Diese Komponenten umfassen die oben beschriebene Tastatur 272 und LCD-Anzeigeeinrichtung 274, einen Mikrokontroller 276 zum Steuern der Operation der Programmiereinrichtung 270 und ein RF- (oder, falls gewünscht, IR-) Interface 278 zum Kommunizieren mit dem in 10 gezeigten Logik-Kontroller 58. Das Interface 278 kann auch eine drahtlose Verbindung mit einem externen Personalcomputer (PC) bilden, wodurch es dem Benutzer ermöglicht wird, Insulinzuführpläne, Zuckerdaten, Kohlehydratdaten und Software-Programme herunterzuladen und/oder hochzuladen. Wahlweise kann die Programmiereinrichtung 270 auch ein herkömmliches streifenförmiges Zuckermessgerät 280 zum Erhalten der Blutzuckerdaten des Benutzers und Eingeben der Daten als Eingabe in den Mikro kontroller 276 zwecks Anzeige und/oder Weiterverarbeitung aufweisen (oder mit diesem verbunden sein). Bei direkten Eingaben der Blutzuckerspiegel des Benutzers können die Programmiereinrichtung 270 und die Infusionsvorrichtung 30 in einem "geschlossenen Regelkreis" arbeiten, der die Strömungsrate des Insulins je nach Bedarf zum Aufrechterhalten der Blutzuckerspiegel des Benutzers innerhalb festgelegter Grenzen automatisch einstellt.
Die Programmiereinrichtung 270 kann eine Anzahl von unterschiedlichen Konfigurationen und Ausführungen aufweisen. Es ist möglich, sie funktionsgemäß nur als Programmiereinrichtung für die Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 zu verwenden, oder sie kann wie oben beschrieben sowohl als Programmiereinrichtung als auch als integrales Blutzuckermessgerät dienen. Im letzteren Fall kann die Programmiereinrichtung 270 zur einfachen Handhabung durch den Benutzer mit einer Lanzettenvorrichtung zu einem Paket zusammengefasst sein. Die Programmiereinrichtung 270 kann ferner derart zur Verwendung mit einer Andockstation vorgesehen sein, dass sie über eine festverdrahtete Verbindung mit dem Desktop- oder Laptop-Computer des Benutzers kommunizieren kann. Alternativ kann der gleiche RF- oder IR-Verbindungsanschluss, der zum Verbinden mit der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 verwendet wird, auch zum Verbinden mit dem Computer des Benutzers verwendet werden, wenn der Computer des Benutzers entsprechend ausgerüstet ist. Die Größe der Programmiereinrichtung 270 kann, falls gewünscht, derart reduziert sein, dass die Programmiereinrichtung 270 ähnlich wie ein Mobilfunkempfänger in einer Tasche oder an einem Gürtel getragen werden kann. Weitere Reduzierungen der Größe auf Kreditkarten-, Brieftaschen-, Schlüsselanhänger- und Armbanduhrenformat sind möglich.
Zusätzlich zu den Basisfunktionen, die zum Steuern und Überwachen der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 erforderlich sind, kann die drahtlose Programmiereinrichtung 270 verwandte Möglichkeiten aufweisen, die für den Benutzer hilfreich sind. Beispielsweise kann die Programmiereinrichtung 270 Alarmprotokolle oder Blutzuckerdaten speichern, die von dem Benutzer ma nuell eingegeben worden sind. Die Programmiereinrichtung 270 kann den Benutzer ferner beim Zählen von Kohlehydraten, bei der Durchschnittsberechnung von Mahlzeiten, beim Erstellen eines Verhaltensmusters, bei Insulindosisberechnungen und -empfehlungen sowie mit Ratschlägen zum Umgang mit niedrigen oder hohen Blutzuckerpegeln und so weiter unterstützen. Die Programmiereinrichtung 270 kann ferner eine Uhr, einen Kalender, einen Terminplaner und andere Funktionen, die normalerweise einem Personal Digital Assistant (PDA) zugeordnet sind, enthalten.
Statt von einer zweckbestimmten Programmiereinrichtung 270 können die Funktionen der Programmiereinrichtung 270 von einem handelsüblichen PDA ausgeführt werden. Beispiele für geeignete PDAs umfassen den Palm Pilot^TM PDA von 3Com Corporation, Santa Clara, California und den Visor^TM PDA von Handspring, Mountain View, California. Universal-IR-Interfaces und dazugehörige Software-Programme sind bereits von diesen Händlern (sowie auf dem Nachrüstteile-Markt) erhältlich und können zum Herstellen einer Zweiwege-Verbindung zwischen dem PDA und der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 verwendet werden. Alternativ kann, wenn eine RF-Verbindung gewünscht ist, ein zweckbestimmtes RF-Modul konfiguriert werden, das in einen bestehenden PDA eingesteckt wird. Ein Vorteil bei der Verwendung eines serienmäßigen PDA als Programmiereinrichtung 270 liegt darin, dass zahlreiche unterschiedliche Arten von Software-Modulen und Hardware-Zusatzteilen für diese Vorrichtungstypen bereits erhältlich sind. Obwohl diese Module als Allzweck-Module vorgesehen sind, können diese Module und Zubehörteile an die Anforderungen der vorliegenden Erfindung angepasst werden. Vom Standpunkt des Benutzers aus betrachtet ist die Verwendung eines PDA vorteilhaft, da er nicht nur als Programmiereinrichtung 270 für die Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30, sondern auch als Universal-Digital Assistant dienen kann.
Obwohl eine drahtlose Programmiereinrichtung 270 für die vorliegende Erfindung bevorzugt wird, ist eine solche nicht unbedingt erforderlich. In einigen Situationen kann die Verwendung einer Programmiereinrichtung 270 bevor zugt sein, die über einen festverdrahteten Anschluss, wie z. B. die oben beschriebene Andockport-Anordnung, mit der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 verbunden ist. Der festverdrahtete Anschluss kann ein temporärer oder permanenter Anschluss sein und hat den Vorteil, dass er die Möglichkeit einer Interferenz in der Verbindung zwischen der Programmiereinrichtung 270 und der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 praktisch eliminiert. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass bei einigen Implementierungen der vorliegenden Erfindung die Programmiereinrichtung 270 ganz wegfallen kann und einige oder sämtliche ihrer Funktionen in dem wiederverwendbaren Teil 34 der Arzneimittel-Infusionsvorrichtung 30 enthalten sein können.
Die vorliegende Erfindung ist zwar anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Details dieser Ausführungsformen beschränkt ist. Zahlreiche Ersetzungen und Modifikationen sind in der vorstehenden Spezifikation beschrieben worden, und weitere sind möglich. Beispielsweise kann ein integrales Zuckermessgerät in dem Einweg-Teil der Infusionsvorrichtung 30 angeordnet sein. Ferner kann durch Umkehren der Richtung des Flüssigkeitsstroms in dem Einweg-Teil 32 die Vorrichtung 30 statt für die Infusion von flüssigen Medikamenten zum Entnehmen oder Überwachen von Blutanalyten verwendet werden. Weitere Ersetzungen und Modifikationen sind für Fachleute offensichtlich.

Claims

Tragbare, selbständige Vorrichtung zum Zuführen eines flüssigen Medikaments durch kontinuierliche Infusion in den Körper eines Patienten, mit: einem Einweg-Teil (32) mit einem Gehäuse (46,48), einem Reservoir (68,70) in dem Gehäuse zum Aufnehmen eines Vorrats an flüssigem Medikament und zum Zuführen des flüssigen Medikaments unter Druck, einer von dem Gehäuse gehaltenen Zuführkanüle (92) und einem Strömungskanal (55) zum Leiten des flüssigen Medikaments zu der Zuführkanüle; einem lösbar mit dem Einweg-Teil (32) verbundenen wiederverwendbaren Teil (34), der einen geschlossenen Regelkreis (58) zum Aufrechterhalten einer vorbestimmte Strömung des flüssigen Medikaments durch den Strömungskanal aufweist; einem Strömungssteuerventil (36,106) in dem Einweg-Teil oder dem wiederverwendbaren Teil zum Steuern der Strömung des flüssigen Medikaments durch den Strömungskanal von dem Reservoir zu der Zuführkanüle; einem Aktuator (36) in dem Einweg-Teil oder dem wiederverwendbaren Teil zum Betätigen des Strömungssteuerventils, wobei der Aktuator elektrisch mit dem geschlossenen Regelkreis verbindbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir mindestens ein Tellerfederelement (78,80) zur Druckbeaufschlagung des in dem Reservoir (68,70) enthaltenen flüssigen Medikaments aufweist, und ein Strömungssensor (38,40) zum Erfassen der Strömungsrate des flüssigen Medikaments durch den Strömungskanal in dem Einweg-Teil oder dem wiederverwendbaren Teil vorgesehen ist, wobei der Strömungssensor elektrisch mit dem geschlossenen Regelkreis verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Strömungssteuerventil (36, 106) eine feststehende Sperre (106) in dem Strömungskanal (55) und eine flexible Membran (50) aufweist, die von dem Aktuator (36) mit der Sperre in Kontakt gehalten wird, um einen Flüssigkeitsstrom durch den Strömungskanal zu verhindern, wenn der Aktuator nicht von dem Regelkreis aktiviert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Aktuator (36) ein piezoelektrisches Element aufweist, das sich, wenn es von dem Regelkreis aktiviert ist, durchbiegt, um zu bewirken, dass sich die Membran (50) derart von der Sperre (106) trennt, dass das flüssige Medikament durch den Strömungskanal (55) strömen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das piezoelektrische Element (36) von dem Regelkreis derart pulsierend aktiviert wird, dass das Strömungssteuerventil in einem solchen Arbeitszyklus wiederholt geöffnet und geschlossen wird, dass die vorbestimme mittlere Strömungsrate des flüssigen Medikaments durch den Strömungskanal aufrechterhalten wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, bei der der Strömungssensor eine Wärmequelle (38) und einen Wärmedetektor (40) aufweist, die mit dem durch den Strömungskanal (55) strömenden flüssigen Medikament in Wärmekontakt stehen, wobei die Wärmequelle relativ zu der Richtung des Flüssigkeitsstroms in dem Strömungskanal stromaufwärts des Wärmedetektors angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, bei der mindestens eine Wand des Strömungskanals (55) eine flexible Membran (50) aufweist, die eine freiliegende Fläche des Einweg-Teils (32) bildet, welche mit dem wiederverwendbaren Teil (34) in Kontakt gebracht wird, wenn die Einweg- und wiederverwendbaren Teile miteinander verbunden sind, und bei der der Aktuator (36) und der Strömungssensor (38,40) in dem wiederverwendbaren Teil (34) enthalten sind und über die flexible Membran (50) des Einweg-Teils derart arbeiten, dass der Strömungskanal (55) abgedichtet bleiben kann, wenn der wiederverwendbare Teil von dem Einweg-Teil getrennt ist.