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KR20160048055A - 라벳형 모터를 갖는 장치 - Google Patents

라벳형 모터를 갖는 장치 Download PDF

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KR20160048055A
KR20160048055A KR1020167001352A KR20167001352A KR20160048055A KR 20160048055 A KR20160048055 A KR 20160048055A KR 1020167001352 A KR1020167001352 A KR 1020167001352A KR 20167001352 A KR20167001352 A KR 20167001352A KR 20160048055 A KR20160048055 A KR 20160048055A
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South Korea
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skin
pump
rotor
diagnostic probe
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폴 하드배리
루돌프 딘거
한스버그 취르키
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파마센스 아게
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Abstract

주입 유체를 전달하거나 분석 유체를 제거하기 위한 펌프를 내장하고 환자에 의해 이동 착용되는 장치에서, 기계 구동식 펌프 시스템을 위한 구동 모터는, 높은 기계적 동력 및 낮은 피크 전류 요건을 갖도로 설계된 작은 크기의 라벳형 스텝 모터이다. 시린지형 또는 연동, 바람직하게는 패치형 펌프를 위해 이러한 라벳형 모터를 사용하면, 예컨대 볼러스 인슐린 주입 또는 치료용 항체의 전달에 필요한 높은 주입량이 달성될 수 있그, 중요한 안전 요소가 쉽고 신뢰적으로 제어될 수 있으며, 제조 비용이 크게 감소되고, 환자에 편리하게 장치의 전체적인 크기와 중량이 더 작게 된다.

Description

라벳형 모터를 갖는 장치{DEVICE WITH A LAVET-TYPE MOTOR}
본 발명은 이동 사용을 위한 장치에 관한 것으로, 이 장치는 모터를 갖는 기계 구동식 펌프를 갖는다.
이러한 종류의 장치의 주 적용 분야는 생리 작용 유체를 환자에게 주입하는 것이다. 이러한 용도를 위해, 상기 장치는 보통 환자의 피부에 부착되는 접착성 접촉 표면 또는 옷에 부착되는 시스템 및 환자의 조직에 접근하기 위한 연결 관 또는 주입 유체용 저장부를 갖거나 갖지 않는 캐뉼러를 구비한다.
주입 장치는 환자 케어에 널리 사용되고 있지만, 그 주입 장치는 그의 크기와 복잡성 때문에 대개 전문 시설에서의 사용에 국한되고 있다. 최근에, 인슐린의 전달을 위해 주입 장치의 이동 사용이 당뇨병 케어에 개척되고 있다. 더 최근에는, 패치(patch)형 펌프가 환자의 편리 및 안전한 사용을 위한 바람직한 방안이 되고 있다. 이것들은 피부에 직접 부착될 수 있는 장치인데, 편입된 주입 캐뉼러를 갖고 있고 그래서 주입 포트에 대한 연결 관을 필요로 하지 않는다.
피부에 직접 부착될 수 있는 장치가 다양한 용도로 설계되어 있고 높은 기능적 및 안전 요건을 만족해야 할 뿐만 아니라 비교적 작아야 하고, 가벼워야 하며 튼튼해야 하고 가격 효과적이어야 하며 또한 환자에게 편리해야 한다.
전기 모터로 구동되는 펌프가 그러한 장치에 잘 확립되어 있다. 당뇨병 환자에 인슐린을 전달하는 것과 같이, 높은 정확도를 요구하는 용례를 위해, 주입 장치는 일반적으로 시린지형 펌프를 사용한다. 예컨대 단일 클론의 항체와 같은 치료용 단백질의 전달시 더 높은 양의 전달을 필요로 하지만 정확도는 낮아도 되는 경우에는, 연동 펌프가 잘 확립된 방안이다 . 예컨대 피에조-시스템 펌프와 같은 대안적인 시스템이 개발되고 있지만, 이들 시스템은 여러 단점을 가지며 전기 모터로 구동되는 시린지형 또는 연동 펌프가 확립된 가장 좋은 안전한 방안이다.
이러한 장치에서 펌프 구동기로 되어 있는 전기 모터는 여러 단점을 갖는다. 특히, 일반적으로 사용되는 직류(DC) 또는 종래의 스텝 모터는 안전성, 제조비 및 배터리 크기 요건에 있어서 내재적인 한계를 갖고 있다. 전체적인 전력 소비는 사용되는 모든 종류의 전기 모터에 대해 비교적 작지만, 피크 전력 요건은 다르고 배터리 크기와 중량에 직접적인 영향을 준다. 전달 시스템에서의 압력 형성으로 인한 통제되지 않은 과대량 전달 또는 과소량 전달의 확인과 같은 잠재적인 안전 위험의 통제시에는 추가적인 부품, 복잡성 및 비용이 필요하게 된다.
전달 요건에 대처하기 위해, 펌프 시스템의 전기 모터는 예컨대 인슐린의 볼러스(bolus) 주입 또는 단일 클론 항체의 전달을 위해 비교적 높은 주입량이 가능하도록 충분히 강력해야 한다. 또한, 예컨대 빠른 볼러스 주입 및 높은 정확도의 느린 기본 주입을 전달하는 인슐린 펌프 시스템의 경우에, 수천의 모터 구동기의 높은 동적 범위가 필요하다. 추가로, 펌프 시스템은 가끔 수 바아(bar)까지 이르는 조직 역압 및 마찰 손실을 극복하기에 충분히 강력해야 한다. 이들 모든 요건을 만족하기 위해, 구동 모터는 수 mW의 기계적 동력을 전달할 수 있어야 한다.
필요한 이 기계적 동력은 DC 모터(브러시형 또는 브러시리스 모터) 또는 상용화된 스텝 모터에 의해 비교적 쉽게 전달될 수 있기 때문에, 이들 모터가 일반적으로 그러한 장치, 예컨대 인슐린 펌프에 사용된다. 특히 패치형 펌프 장치의 경우에 물리적 크기가 비교적 크고, 소형 배터리 구동식 장치에 대한 피크 전류가 너무 높고 또한 제조 비용이 비교적 높다라는 큰 단점이 있으며, 배터리에 대한 대안을 찾는 것이 바람직하다. 더욱이, 이들 종류의 모터와 관련된 가장 중요한 문제는, 그들 모터는 본래 안전하지 않아서, 필요한 높은 안전 기준을 보장하기 위해 여러 추가적인 부품과 센서를 갖는 복잡한 모터 제어 시스템을 필요로 하고, 이러한 복잡성은 추가적인 비용 외에도 실패의 내재적인 위험을 갖는다.
라벳형 모터는 손목 시계 및 시계 산업에서 잘 확립되어 있고, 소형 연동 펌프를 위한 구동기로서 EP0388787에 기재되어 있고, EP0447909 및 EP0521184 에는 치료용 액체의 투여를 위해 그러한 펌프를 사용하는 것이 기재되어 있고, 이점은 주로 제조 비용이 낮다라는 것이다. 한편, 손목 시계 산업에서 사용되는 설명한 모터의 낮은 기계적 동력은 시간 당 약 0.1 mL의 매우 낮은 전달량을 필요로 하는 지시에 사용을 제한하며, 이는 인슐린 볼러스 주입 또는 예컨대 치료용 항체의 전달에 필요한 전달량에 대해서는 훨씬 너무 낮은 것이다. 한편, 그러한 지시를 위해 필요한 것 처럼 라벳형 모터의 기계적 동력의 큰 증가는 분명하지 않은데, 왜냐하면, 예컨대 훨씬 더 높은 토크를 전달하는 시계의 더 큰 모터는 훨씬 더 낮은 최대 회전자 속도를 가지며, 그 결과, 더 큰 크기에도 불구하고, 기계적 동력(토크와 속도의 곱에 비례함)의 증가는 작고 결코 크지 않다.
필요한 안전 제어 수단 및 그의 복잡성, 그리고 배터리 크기, 전체 크기와 중량 및 제조 비용을 결정 짓는 중요한 부품은 펌프를 구동시키는 모터이다.
본 발명의 목적은, 환자가 착용하는 펌프 장치, 특히 피부에 부착되는 패치형 장치를 위한 구동 모터로서, 종래 기술의 펌프 모터 구동기의 단점을 회피하고 가장 중요하게도 높은 내재적 안전성 및 용이한 기능 제어를 주는 상기 구동 모터를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이는, 펌프를 구동시키는데에 사용되는 모터가 패치형 장치를 위해서는 충분히 작지만 필요한 기계적 동력 및 낮은 피크 전류를 갖는 라벳(Lavet)형 모터로 되어 있다는 점으로 달성된다. 추가로, 모터 구동 전류 펄스 형태의 분석과 함께 이러한 모터 종류의 내재적이고 설계 제어되는 특성은 장치의 용이하고 매우 높은 정도로 고장에 대해 안전하고 저렴한 기능 제어에 이용된다.
라벳형 모터는 손목 시계 및 시계 운동 산업에서 잘 알려져 있다. 이 모터는 튼튼하고 제조가 비교적 쉽고 비용 효과적이다. 그러나 상기 모터는 예컨대 인슐린 펌프 또는 예컨대 치료용 항체에 필요한 많은 양을 전달하기 위한 펌프에는 적합하지 않은데, 그 모터는 이러한 용도로 사용되는 데에 필요한 기계적 동력을 전달하지 못하기 때문이다.
소형 연동 펌프용 구동기로서 손목 시계형 라벳형 모터, 예컨대 EP0388787에 기재되어 있는 것은, 일반적으로 0.3 μNm 미만인 토크를 가지며, 약 100 Hz의 최대로 가능한 속도에서도 최대 기계적 동력은 예컨대 인슐린 펌프, 또는 예컨대 치료용 단백질의 전달을 위한 중요한 치료 지시에서의 양을 전달하는데 필요한 동력에 훨씬 못 미친다.
사실, EP0388787 에 개시되어 있는 바와 같이, 속도 한계에서 작동하는 손목 시계형 모터를 구비하는 소형 연동 펌프는 단지 약 1.7 μL/min 만 전달하고, 인슐린 펌프는 볼러스 주입의 경우에 최대 120 μL/min, 최소 20 μL/min을 전달하고 단일 클론 항체와 같은 치료용 단백질은 일반적으로 150 μL/min 이상으로 주입된다. 그러므로, 상기 특허의 [0022] 단락에 명확히 언급되어 있는 바와 같이, 손목 시계 모터를 사용하여 충분한 소형화를 이루기 위한 개시된 방안은 예컨대 당뇨병과 같은 징후에는 유용하지 않은데, 기초적인 인슐린 주입량에는 충분할 수 있지만 볼러스 주입을 전달하기에는 훨씬 부족한 매우 작은 양만 전달하기 때문이다. 추가로, 인슐린의 기초적인 주입을 위해, 연동 펌프에서 주입량의 내재적인 변동은 문제가 되며 그러므로 시린지형 펌프가 바람직하고, 매우 낮은 주입량에서도 피스톤을 이동시키기 위해 훨씬 더 높은 동력이 필요하다.
시계 산업에서 사용되는 더 큰 라벳형 모터는 손목 시계 산업의 라벳형 모터 보다 일반적으로 10배 높은 기계적 토크를 갖지만, 큰 크기 때문에, 최대 속도는 5 내지 10 배 낮다. 그러므로, 토크와 속도의 곱에 비례하는 기계적 토크의 전체적인 증가는 비교적 작고 이러한 징후를 위한 펌프 모터에 필요한 기계적 동력을 발생시키는데에 충분하지 않으며, 이는 요구되는 기계적 동력은 시계형 라벳 모터로도 얻어질 수 없음을 의미한다.
물론 시계 산업에서 사용되는 라벳형 모터의 크기를 더 증가시킬 수 있지만, 이는 토크와 속도의 문제를 해결하지 못하는데, 왜냐하면 모터가 커지면 불가피하게 더 느려지기 때문이다.
시계형 라벳 모터의 크기를 증가 시키면 그의 회전자의 치수, 특히 직경도 증가된다. 그러나, 회전자 치수가 더 커지면, 회전자의 관성 모멘트가 더 커져 모터가 더 느려지게 된다. 축선 주위로 회전하는 원통의 관성 모멘트(I)는
I = 0.5 ·m·r2 또는 (m 으로 나누면): I/m = 0.5·r2 로 주어지며,
여기서, r 은 반경이고 m 은 질량이다. 모터의 토크를 주는 회전자의 자기 모멘트는 회전자의 부피에 비례하며, 그래서 그의 질량에 비례한다. 위의 식에서 명확히 알 수 있는 바와 같이, 회전자의 크기가 증가하면(이는 회전자의 반경의 증가를 의미함) 관성 모멘트는 모터의 토크를 주는 회전자의 자기 모멘트 보다 빨리 커진다. 따라서 회전자의 크기가 증가하면 불가피하게도 모터는 느려지게 되는데, 이는 토크의 이득에 반하는 것이다.
추가로, 더 큰 모터는 더 많은 전기 에너지, 특히 더 높은 작동 전류를 필요로 하며, 그래서 더 큰 배터리가 필요하게 되며, 결국 불가피하게 장치는 상당히 더 크고 무겁게 된다.
그러므로, 손목 시계 및 시계 운동 산업에서 알려져 있는 라벳형 모터의 사용은 예컨대 단일 클론 항체와 같은 치료용 단백질의 전달 또는 당뇨병과 같은 징후와 같이 비교적 높은 전달량을 필요로 하는 펌프 구동기에는 명백하지 않은데, 왜냐하면, 단순한 "스케일-업"으로 필요한 기계적 동력을 갖는 모터가 얻어지지 않으며 또한 컴팩트한 작은 크기 및 낮은 피크 전류를 갖는 라벳형 모터로 필요한 기계적 동력을 만족하여 위에서 언급한 중요한 징후에 사용될 수 있을지 의문스럽기 때문이다.
놀랍게도, 필요한 기계적 동력 출력을 갖는 컴팩트한 크기의 라벳형 모터를 실현하는 최적화된 설계로 가능함이 발견되었다. 추가로, 고부하 토크 및 고 회전속도 요건은 바람직하게 10 mA 미만의 낮은 피크 전류로 결합될 수 있고, 그 피크 전류는 이러한 펌프에 사용되는 종래의 스텝 모터 보다 일반적으로 10 배 내지 100 배 낮은 것이다. 작은 버튼형 배터리로 전달될 수 있는 이 라벳 모터의 이러한 비교적 낮은 피크 전류 요건에 의해, 장치의 크기와 중량이 원하는 대로 더 감소될 수 있는데, 이는 패치형 장치에 대해 특히 중요하다.
본 발명에 따른 라벳형 모터는 손목 시계 및 시계 산업에서 알려져 있는 라벳형 모터의 기계적 동력 문제를 극복한다. 치수, 특히 회전자 직경은 시계 모터 설계에서의 것과 유사하지만, 회전자는 시계 산업에서 사용되는 재료 보다 실질적으로 더 좋은 자기적 특성을 갖는 자성 재료로 만들어진다.
라벳형 모터의 개선된 설계 및 부품, 이들 부품의 효율적인 조합 및 중요하게는 사마리움-코발트 합금 또는 철 네오디뮴 붕소 합금과 같은 가장 잘 알려져 있는 영구 자석 재료 및 최적화된 전기적 구동 계획을 사용하여, 모터의 토크가 시계형 라벳 모터에 대해 5 내지 10의 팩터 만큼 증가될 수 있을 뿐마 아니라, 그의 최대 속도는도 두배 보다 클 수 있다. 볼러스 모드에서 작용하는 예컨대 시린지형 인슐린 펌프에 필요한 기계적 동력 또는 예컨대 연동 펌프를 사용하는 치료용 단일 클론 항체에 대한 필요한 전달량이 시계형 모터의 크기를 갖지만 일반적으로 10 배 이상 더 높은 기계적 동력 출력을 갖는 라벳형 모터로 얻어질 수 있다.
추가로, 치료용 유체를 전달하는 장치에 중대한 중요한 안전 요소가, 개시된 라벳형 모터의 내재적인 설계 특성을 최적으로 이용하여 쉽고 안전하게 포함될 수 있다. 이는 복잡한 제어 시스템 없이도 장치에 대한 높은 수준의 작동 안전을 달성할 수 있게 해주며, 그러므로 DC 또는 종래의 스텝 모터에 필요한 종래 기술의 작동 제어 시스템에 비해 상당히 더 간단하고 저렴하며 또한 더 튼튼하고 또한 덜 고장나기 쉽다.
펌프 작동을 위한 높은 안전 수준을 보장하는 바람직한 요소는, 라벳 모터의 적절한 설계는 그의 작동을 일 회전 방향에만 제한하고 또한 최대 토크 및 속도에 한정한다는 사실을 포함하며, 홀딩 토크는 부하 토크 보다 높다.
추가로, 모터 구동 전류 펄스 형태의 분석을 통해, 모터 회전 속도를 실시간으로 분석할 수 있고 그래서 성공적인 모터 운동 또는 모터 실속(stall)을 확인할 수 있고 전달 압력 형성의 조기 확인을 위한 부하 토크 결정이 가능하게 된다.
또한, 라벳형 모터의 높은 홀딩 토크로 인해, 높은 역압의 형성에 따른 역류의 위험을 피하기 위해, 의도치 않은 역방향 운동에 대해 보호하는 본래 낮은 기계적 효율을 갖는 복잡한 일방향 구동기 또는 기어 스핀들에 대한 필요 없이, 높은 효율을 갖는 구동 요소를 사용할 수 있다.
요컨대, 본 발명에 따르면, 다른 스텝 모터 또는 DC 모터에 대한 라벳형 스텝 모터의 이점을 시용하여 높은 수준의 작동 안전을 달성할 수 있다. 이것들은 의도치 않은 과대량 전달, 일방향 회전자 운동, 모터 스텝에 대한 용이한 제어, 및 과소량 전달의 위험을 없애는 부하 토크 결정에 대한 내재적인 한계를 가지며, 그의 홀딩 토크는 아주 효율적인 구동기의 사용을 가능하게 해준다. 추가로, 작동에 필요한 비교적 낮은 피크 전류로 인해, 작은 배터리를 사용할 수 있고, 작고 평평한 크기의 라벳형 모터 및 기어 구동기는 패치형 장치에 최적으로 적합하게 된다. 다른 이점으로서, 제조 비용이 낮고 작동이 튼튼하다라는 것이다.
본 발명에 따르면, 특히 현재의 패치형 주입 장치의 모터 구동기가 갖는 주 문제는 아래에서 개시되는 특징을 사용하여 해결된다.
환자의 피부 또는 정맥 또는 복막 포트를 통해 주입 유체를 환자에 도입하기 위한 본 주입 장치는, 인슐린 또는 항체와 같은 예컨대 치료용 단백질과 같은 많은 중요한 징후에 필요한 전달량을 가능하게 하는데에 충분히 높은 기계적 동력을 갖도록 설계된 작은 크기의 라벳형 모터로 작동되는 시린지형 펌프 또는 연동 펌프를 바람직하게 포함한다. 또한, 라벳형 모터의 구성적 및 전자적 요소는 중요한 안전 요소를 직접 덮도록 설계되어 있고 사용된다.
또한, 모터, 기어 트레인 및 그의 구동기 그리고 제어 수단을 갖는 재사용 가능한 모듈과 환자의 몸과 직접 접촉하는 연동 펌프의 시린지 또는 유체 격실, 및 다른 부품을 포함하는 일회용 모듈을 조합한 장치가 비용 효과적이고 현대의 환경적 요건에 부합하는데, 펌프의 부품 대부분을 복수회 재사용할 수 있기 때문이다. 또한, 이 실시 형태는 주입 유체로 충전하는 데에 유리하다. 두 모듈의 결합 전에, 예컨대 바늘을 이용해 격막을 통해 유체를 연동 펌프의 시린지 또는 유체 격실 안으로 단순히 주입하여, 연동 펌프의 시린지 또는 유체 격실을 충전할 수 있다.
바람직한 실시 형태에서, 상기 장치는 환자의 피부에 직접 부착되기 위한 접촉면을 갖는다. 일반적으로, 피부에 대한 접촉면은 접착제로 코팅되어 있고, 펌프는 선단을 갖는 캐뉼러에 연결되며, 그 선단은 환자의 피부 또는 주입 유체를 환자에 도입하기 위헌 포트의 격막을 천공하기 위한 구성과 치수를 갖는다.
여기서 사용될 때, 언급되는 용어에 대해 다음과 같은 정의가 사용된다.
치료용 액체의 전달은, 몸 안으로 유체를 비교적 빠르게 주입하는(볼러스(bolus)) 것과 비교적 천천히 도입하는 것(주입 또는 점적 투입이라고도 함) 모두를 포함한다.
구동 및 제어 수단은, 시린지형 펌프의 피스톤 또는 가요성 관을 압축하는 롤러를 갖는 연동 펌프의 회전자를 내부 또는 외부 신호에 따라 움직이고, 장치의 정확한 기능을 개시하고, 제어하고 검사하며, 외부 제어 장치와 바람직하게는 무선으로 상호 작용하며, 또한 장치가 적절히 기능하지 않으면 경고 신호를 주는 것과 같은(이에 한정되지 않음) 장치의 기능을 위한 모든 필요한 기계적, 전자적 요소 및 소프트웨어 요소를 포함한다.
라벳형 모터는 프랑스의 공학자 Marius Lavet에 의해 설명되어 있는 원리를 따르는 가장 간단한 종류의 스텝핑 모터이고(1938년에 특허된 FR 823395), 손목 시계 산업에서 더 발전되었다(예컨대, Eric Klein의 US 4550279 참조). 라벳형 모터는 일반적으로 손목 시계 및 시계(clock)에서 신뢰적이고 저렴하지만 저토크 구동 모터로서 사용된다. 라벳형 모터는 단지 하나의 코일, 고정자 및 일반적으로 영구자석을 갖는 원통형 회전자를 갖는다. 회전 축선은 일반적으로 원통의 축선을 따르며, 자화는 원통 직경의 방향으로 일어난다. 회전자의 자속에 의해, 고정자의 자기 회로에서 자속이 발생되는데, 이는 회전자의 각위치에 따라 크게 변한다. 이리하여, 회전자가 완전 일 회전하면 고정자에서의 자속은 양의 값에서 음의 값으로 변하게 되고 일반적으로 코사인 함수와 유사하게 거동하게 되는 상황이 생긴다. 자속의 변화로 인해, 코일에 전류가 흐르지 않더라도 회전자에 토크가 발생되어, 회전자가 2개의 안정된 위치를 취하게 된다. 이들 두 각위치는 회전자의 안정된 휴지 위치이고, 코일에 전류가 흐르지 않더라도 회전자는 이들 두 위치를 취하게 된다. 따라서, 모터에 동력을 공급할 필요 없이 회전자는 이들 안정된 위치 중의 하나를 취하여 거기서 머무르게 된다.
회전자가 한 스텝(즉, 180°) 회전하도록, 전기 펄스가 모터 코일에 가해진다. 이 전기 펄스는 코일에 전류를 발생시켜 자기장을 발생시시키고 또한 고정자에 자속을 발생시키게 된다. 발생된 자속이 그의 극성에 있어 회전자에 의해 발생된 자속에 대응하도록 전기 펄스의 극성이 나타나면, 회전자에 토크가 발생되지 않고 그 회전자는 휴지 위치에 있게 된다. 그러나, 전기 펄스가 반대 극성이면, 코일에 의해 발생된 자속의 부호가 또한 변하고 회전자에 토크가 발생되어 그 회전자가 180°회전하게 된다. 모터의 이러한 간단한 거동에 의해, 코일에 양의 전압 펄스와 음의 전압 펄스를 번갈아 주어 모터를 간단하게 제어할 수 있다.
패치형 장치는 접착제 층으로 피부에 직접 부착될 수 있고 주입 캐뉼러를 포함하여 가질 수 있다. 이러한 용도는 안전하고 편리한 착용을 위해 크기, 형태 및 중량에 있어 여러 제한을 준다. 편리하고 바람직하게는 둥글거나 약간 타원형이고 직경이 6 cm 를 초과하지 않는 형상 외에도, 전체 높이는 바람직하게는 1.7 cm 미만으로 제한되어야 하고 또한 전체 중량은 50 g 미만으로 제한되어야 한다. 따라서, 평평한 설계를 가능하게 해주고 또한 작은 버튼 배터리로 작동하는 모터와 구동기는 이러한 장치를 위해 큰 이점을 갖는다. 본 발명에 따른 라벳형 모터 구동기는 이들 요건을 만족하는 장치를 위한 이상적인 모터인 것이다.
연동 모터는 탄성 관에 연결되어 있는 저장부 및 펌프 케이싱의 내부에 설치되어 있는 가요성 관을 압축하는 회전자의 외주에 부착되는 복수의 롤러 또는 핑거를 갖는 회전자를 포함한다. 회전자가 회전할 때, 롤러 또는 핑거에 의해 압축되는 관의 일부분이 폐색되어 관 내부의 유체가 그 관을 통해 움직이게 된다. 캠의 통과 후에 관이 그의 자연적인 상태로 개방되면, 저장부로부터 유체 유동이 관에 들어가게 된다. 바람직하게는, 관을 폐색하는 둘 이상의 롤러 또는 여러 개의 핑거가 있고, 그들 사이에 유체의 일부가 잡히고, 그 일부는 주입 캐뉼러에 연결되어 있는 펌프 출구 쪽으로 전달된다.
연동 펌프는, 예컨대 시린지형 펌프와 비교하여 저장부는 가압될 필요가 없고 관의 직경이 비교적 작기 때문에 최소한의 힘으로 높은 역압에 저항하여 빠른 유량으로 전달할 수 있는 이점을 갖는다. 한편, 정밀도는 예컨대 시린지형 보다 본래 훨씬 더 낮으며 유체 유동의 맥동이 일어난다.
시린지 펌프는 배럴로서 일정한 바람직하게는 원형인 단면을 갖는 원통형 저장부를 갖는다. 그 배럴의 내부에 타이트하게 끼워지는 피스톤이 구동 수단 및 전기 모터에 의해 구동되는 피스톤-로드에 의해 배럴을 따라 이동하게 된다. 시린지는 WO 2012/049080 에 기재되어 있는 바와 같이 곧게 되어 있거나 원형일 수 있다. 모터는 일반적으로 DC 모터 또는 스텝핑 모터이다. 본 발명에 따르면, 시린지형 펌프는 여러 이점을 주는 라벳형 모터로 구동된다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 예시한다.
도 1 은 원형 시린지 펌프 및 기어 트레인과 본 발명의 일 실시 형태에 따른 라벳형 모터를 포함하는 피스톤 로드용 구동 기구를 갖는 주입 장치를 나타낸다.
도 2 는 치료용 액체를 주입하도록 설계된 라벳형 모터에 대한 전류 특성을 개략적으로 나타낸다.
도 3 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연동 펌프의 펌프 헤드를 개략적으로 나타낸다.
도 1a 는 주입 장치를 상단면도로 나타내고 있다. 본 발명의 이 실시 형태에서, 예컨대 시린지형 인슐린 펌프는 원환형 관(1)의 일 부분의 형태로 되어 있는 배럴을 갖는다. 이 배럴의 일 단부(2)에는 캐뉼러(미도시)에 이어지는 연결 채널이 제공되어 있다.
피스톤(3)이 배럴의 내부에 배치되어 있고, 원환형 배럴의 내벽에 타이트하게 끼워지는 시일(4)이 제공되어 있다. 피스톤은 구동 로드(5)에 연결되어 있고, 이 구동 로드는 배럴의 전체 길이를 통해 피스톤을 구동시키기 위해 원형으로 형성되어 있다.
구동 로드(5)의 내측면은 기어 구동기(7)에 의해 구동되는 기어 테두리(6)를 갖는다. 기어 구동기는 예컨대 기어 트레인(8)과 라벳(Lavet)형 모터(9)에 의해 구동되며, 이 모터는 내장된 그리고/도는 원격 제어 요소(도면에는 미도시)로부터이 신호에 의해 제어식 전달을 위해 조절될 수 있디. 라벳형 모터는 코일(10), 고정자(11) 및 회전자(12)로 이루어진다. 이 실시 형태에서, 고정자는 세 부분, 즉 코일 내부에 있는 강자성 코어(13) 및 회전자를 감싸는 2개의 극편(pole piece; 14)을 포함하고, 이 극편은 코어와 극편을 함께 누르는 스크류(15)에 의해 코어에 자기적으로 연결된다.
라벳형 모터는 단지 하나의 코일 및 대각선 방향으로 배향되는 하나의 자화를 갖는 회전자를 갖는다. 모터 설계가 대칭적이면, 회전자는 회전자 자화가 또한 대칭을 만족하는, 즉 회전자 자화가 코일 축선에 평행한 휴지(rest) 위치로 갈 것이다. 분명, 회전자의 180°회전 만큼 다른 2개의 그러한 위치가 있다. 완전 대칭적인 설계에 전류 펄스가 가해져 회전자를 180°회전시키면, 그 회전자는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있고, 회전 방향에 대한 선호는 없다.
규정된 방향의 회전자 운동을 달성하기 위해, 고정자는 비대칭적으로 설계되어, 회전자는, 자화 방향이 대칭 위치에 대해 오프셋 각도를 갖게 되는 휴지 위치에 있게 된다. 이러한 고정자 설계를 적용하면, 모터는 항상 회전자가 고정자에 의해 발생되는 자기장에 평행하게 최소의 회전 각도로 자기 쌍극자 축선을 회전시킬 수 있게 해주는 방향으로 회전하게 될 것이다. 이러한 이유로, 회전 방향은 고정자의 휴지 위치에 의해 주어지며, 그리고 이 휴지 위치는 고정자의 기계적 설계에 의해 주어진다. 중요한 점은, 고정자를 통과하는 회전자의 자속(magnetic flux)를 폐쇄함으로써, 회전자가 180°회전된 두 휴지 위치 중 어느 위치에도 유지되며, 모터의 코일에 자기장을 생성할 필요가 없고 또한 그래서 회전자를 안정적인 위치에 유지시키기 위해 모터에 전력을 공급할 필요가 없다.
도 1b 에는, 라벳형 모터가 코일(10)의 축선에 수직인 단면으로 나타나 있다. 영구 자석(16)을 갖는 원통형 회전자(12)는 원통의 축선을 따르는 회전 축선을 가지며, 자화는 회전자 원통 직경의 방향으로 일어난다.
코일 턴 및 저항과 고정자의 기하학적 구조와 주의 깊게 균형을 맞추고 회전자 자석용으로 고효율 자성 재료를 사용하여 모터 설계를 최적화함으로써, 펌프를 구동시키는 데에 필요한 기계적 동력을 얻을 수 있고 또한 배터리에서 나오는 피크 전류를 충분히 감소시킬 수 있다.
유사한 크기의 시계형 모터와 비교하여 10 배 이상 더 높은 기계적 동력을 얻는데 필요한 토크와 속도 요건을 도달하기 위해, 회전자 자석은 높은 에너지 밀도를 갖는 자성 재료, 예컨대 사마리움-코발트(SmCo) 또는 바람직하게는 철-네오디뮴-붕소(FeNdB)와 같은 희토류 자성 요소르 포함한 합금으로 만들어진다. 이들 모든 설계 사항이 최적화됨으로써, 충분한 부하 토크, 높은 회전자 속도와 30% 이상의 전체 효율을 가지며 또한 작은 시계형 버튼 셀에서 직접 나올 수 있느 1.5 또는 3 볼트의 작은 피크 전류 요건을 갖는 작고 컴팩트한 라벳형 모터를 설계할 수 있다.
일반적인 예에서, 도 1a 및 1b에 개략적으로 나타나 있는, 요구되는 토크와 속도 요건을 갖는 라벳형 모터는 FeNdB으로 만들어진 쌍극 회전자 자석을 갖는 회전자(12)를 가지며, 이 회전자는 2 mm 의 높이를 가지며 또한 기어 트레인을 구동시키는 피니언과 결합하는 축에서 외경은 3 mm 이다. 강자성 회로는 2개의 극편을 갖는 고정자(11)를 가지며, 각 극편은 스크류(15) 또는 유사한 결합 기술에 의해 코일 코어(13)에 가압된다. 고정자는 1.6 mm 의 높이를 가지며, 회전자(12)를 구현하기 위한 3.5 mm 직경의 중심 고정자 구멍을 가지며 또한 고정자 극 사이의 선형 거리는 0.125 mm 이다. 고정자의 형태는 최소의 점유 면적을 위해 최적화되어 있지만, 자속의 포화를 피하기에는 충분히 크다. 코일 코어(13)는 3.5 mm의 폭 및 1.6 mm 의 높이를 갖는다. 코일 코어와 고정자를 위해, 50% 니켈 함량을 갖는 니켈-철 합금이 선정된다.
코일 코어(13) 주위에 직접 감겨 있는 구동 코일(10)은 14.2 mm의 길이 및 150Ω의 저항을 가지며, 3,000 개의 턴을 포함한다. 3V 배터리(최악의 경우에는 사용 중에 2.4 V로 떨어짐)를 사용하여 20 ms의 쌍극 펄스가 공급되면, 회전자는 45 μNm의 부하 토크를 전달하고 초당 최대 30 개의 스텝으로 돌아가며 스텝 당 180°를 커버한다. 전(full)부하에서, 모터 소비는 펄스 당 175 μAs 이며, 10 mAmp의 피크 전류는 작은 버튼형 배터리의 사용을 가능하게 해준다. 그 피크 전류는 촙드(chopped) 펄스 기술을 사용하여 더욱 더 감소될 수 있다.
이 라벳형 모터는, 예컨대 인슐린 볼러스 주입 또는 예컨대 치료용 항체와 같은 치료용 단백질의 투여, 예컨대 낮은 기초 인슐린 주입량을 위한 높은 분해 및 주입 중에 가끔 발생되는 큰 역압을 극복하기에 충분한 주입 압력의 요건들을 조합한 소형 펌프의 설계를 가능하게 해준다.
도 2 는 이러한 라벳형 모터의 전형적인 전압 신호(위쪽 그림) 및 전류 신호(아래쪽 그림)를 나타낸다. 모터 제어부는 Tp 의 기간 동안에 반대되는 극성의 펄스(17, 18)를 번갈아 발생시키고, 그 기간은 회전자가 180°의 스텝을 수행하는 데에 필요한 기간(T) 보다 짧다. 이 펄스는 예컨대 1.5 또는 3 볼트 배터리에 직접 제공되는 전압으로 발생될 수 있다.
도의 좌측부는 회전자의 두 성공적인 절반 회전의 경우의 상황을 도시한다. 코일에 가해지는 펄스(17, 18)에 의해 자기 흐름이 발생되고, 이 자기 흐름에 의해, 회전자가 그의 휴지 위치로부터 벗어나 회전하고 적어도 90°회전할 때까지 가속된다. 전압 펄스를 오프시킨 후에, 회전자는 그의 관성 때문에 계속 회전하게 되며, 제로의 현재 토크로 다음 휴지 위치로 가게 되어, 180°스탭을 완료하게 된다.
치료용 유체의 유입을 위한 장치의 경우에, 정확한 기능을 보장하기 위한 신뢰적인 안전 시스템에 중요하다. 예컨대, 인슐린 펌프의 안전 사항은, 전자 장치가 고장난 경우에 인슐린이 의도치 않게 과소량으로 전달되거나 더욱더 중요하게는 의도치 않게 과대량으로 전달되는 것을 피해야 한다.
이러한 라벳형 모터의 적절한 설계로 결정되는 몇몇 특유한 점은, 중요한 점을 직접 커버할 수 있는 가능성을 주어, 회전자의 일방향 운동, 운동을 위한 교번적인 양과 음의 전류에 대한 필요, 설계 제한되는 최대 토크 및 최대 속도 및 무전력 상태의 높은 홀딩 토크와 같은 이들 안전 요건을 만족하기 위한 용이하고 튼튼하며 값싼 수단을 제공함에 있어 중요한 이점인 안전 기능을 보장한다.
추가로, 모터 구동 전류의 형태를 분석함으로써, 성공적인 모터 운동 또는 모터 실속(stall)에 대한 안전한 확인, 및 전달 압력 형성의 조기 확인을 위한 부하 토크 결정이 가능하게 된다.
이러한 라벳형 모터의 최적화된 기계적 설계, 주로 고정자의 형상 설계에 의해, 모터는 한 방향으로만 회전할 수 있게 된다:
- 전류 펄스가 잘못된 극성이면(회전자의 위치에 대해), 회전자는 작은 요동 운동을 할 것이고 펄스가 중단되면 그의 휴지 위치로 되돌아 가게 된다.
- 전류 펄스가 정확한 극성이지만 너무 짧거나 너무 작으면, 모터에 공급되는 에너지는 모터 스텝을 행하기에는 불충분하다. 이러한 경우에, 회전자는 정확한 방향으로 움직일 것이지만, 그의 원래의 휴지 위치로 되돌아 갈 것이다.
- 전류 펄스가 정확한 극성과 지속 기간에 있으면, 회전자는 그의 스텝을 정확하게 행할 것이고 180°에서 그의 휴지 위치로 갈 것이다.
- 펄스 전류가 정확한 극성이고 너무 길면, 회전자는 정확하게 회전할 것이고 그의 스텝을 행할 것이지만, 펄스가 지속되면 180°에서 휴지 위치를 약간 넘는 위치에 유지될 것이고 펄스가 중단되면 그의 정확한 휴지 위치로 되돌아 갈 것이다. 이 경우, 모터는 그의 정확한 스텝을 행하게 되는데, 그러나, 이 스텝을 위해서는 전류 펄스가 지속되는 만큼 길어야 한다. 따라서, 전기 구동 펄스가 잘못되어도, 라벳형 모터는 정확한 스텝 또는 정지만 할 수 있다. 이러한 모터 설계로는 역방향 운동은 가능하지 않다.
최대 부하 토크 보다 약 1.5 배 높은 이 라벳형 모터의 높은 억제 토크/홀딩 토크에 의해, 모터는 정지시 충분한 브레이킹(breaking) 효과를 가져, 의도치 않은 역방향 운동을 방지하기 위한 추가적인 수단이 없이도 치붙이 기어만 갖는 고 효율의 구동기를 사용할 수 있게 된다. 종래 기술, 예컨대 DC 또는 스텝 모터를 사용하는 인슐린 시린지 펌프 장치에서, 기어 구동기는 자동 잠금 요소, 예컨대 마찰이 높은 스핀들을 또한 포함해야 하는데, 그래서 구동기의 전체 효율이 크게 저하된다. 대안적으로, 예컨대 모터 축선 상에서 별도의 브레이크가 필요한데, 이는 추가적인 요소이고, 추가적인 전기 에너지지를 소비하며 /또한 전체 효율을 더 저하시키게 된다.
그 결과, 최적화된 라벳형 모터의 고 효율과 최적화된 보통 기어 구동기의 조합으로, 약 20%의 전체 효율을 달성할 수 있다. 또한, 비교적 낮은 피크 전류 요건으로 인해, 그러한 펌프에 필요한 적어도 AAA 배터리와는 대조적으로 작은 시계형 버튼 셀을 사용할 수 있게 되는데, 이는 피부에 직접 부착되는 패치(patch)형 장치의 경우에 중요한 이점인 것이다.
도 2 의 하측 부분에 나타나 있는 바와 같이, 비교적 빨리 회전하는 모터는 발생기로서 작용하고, 외부 전압이 꺼져 있을 때 모터 코일에 상당한 전류(Iind)(19, 20)을 유도하게 된다. 모터가 그의 스텝을 성공적으로 수행하면, 유도 전류는 가해지는 전압 펄스(17, 18)에 대해 반대인 극성을 갖게 된다. 아래쪽 그림의 우측 부분은 성공적이지 않은 회전자 스텝의 경우의 상황을 도시한다. 전압 펄스(17 또는 18) 후에, 회전자는 그의 출발 휴지 위치로 되돌아가며, 발생기 전류(Iind)(21, 22) 각각은 가해진 펄스와 같은 극성을 갖는다.
이리하여, 추가적이고 복잡한 센서 시스템이 필요 없이 회전자 스텝의 안전하고 쉬운 직접적인 제어가 가능하게 된다. 회전자 스텝이 성공적으로 또는 비성공적으로 이루어졌는지를 판단하기 위해, 전류 신호를 쉽게 측정할 수 있는데, 가해진 펄스와 비교하여 반대의 극성은 성공적인 스텝을 의미하고 같은 극성은 비성공적인 스텝을 의미한다.
또한, 표유 자기장(magnetic stray field)은 180°각 회전자 스텝에 따라 그의 극성이 변하게 되어, 회전자 영구 자석의 표유 자기장을 검출하는 간단한 센서, 예컨대 홀(Hall) 센서를 회전자 가까이에 배치하여, 회전자 스텝의 제 2 독립적인 제어를 쉽게 할 수 있다. 회전자 운동을 제어하는 이들 두 방법 모두는 실현하기가 쉽고 저렴하여 매우 높은 안전도를 주는데, 이는 예컨대 인슐린 펌프에 중요한 점이다.
필요한 펄스 기간(Tp)(스텝에 대해 필요한 토크에 달려 있음)을 제어하여 추가적인 이점이 얻어지는데, 그래서 치료용 액체의 전달을 위한 증가하는 압력을 조기에 검출할 수 있다.
스텝 모터의 최대 속도는 설계 및 그의 물리적 작동 원리에 의해 제한되며, 그래서 전자 장치가 고장난 경우에 인슐린이 의도치 않게 과대량으로 전달되는 위험을 제한할 수 있는데, 전자 장치가 고장난 경우, DC 모터와는 달리 스텝핑 모터는 보통 정지된다. 라벳형 모터는 보통의 스텝 모터 보다 훨씬더 안전한데, 왜냐하면, 연속되는 스텝을 위해 구동 계획은 가해지는 펄스의 극성의 변화를 필요로 하고 다른 코일을 구동시키는 복잡한 상(pahse) 계획이 적용될 필요가 없기 때문이다. 이는 전자 모터 구동 제어부가 고장난 경우에 중요한 안전 요인이 된다.
또한, 도 2 에서 설명한 바와 같은 모터 신호로부터 성공적인 스텝을 판단하는 것은, 종래의 스텝 모터 보다 훨씬 더 쉽고 또한 신뢰적이다. 추기로, 라벳형 모터의 경우에 회전자의 성공적인 스텝의 판단을 위한 별도의 센서, 예컨대 홀 센서는, 종래의 스텝 모터의 성공적인 스텝의 판단에 필요한 회전 인코더 보다 작고 훨씬더 저렴하다.
시린지형 또는 연동형 펌프용의 우수한 구동 모터로서 여기에 개시된 라벳형 모터는, 가장 간단한 형태의 스텝 모터를 나타내고 있지만, 이들 용도에 대한 그의 이점은 DC 모터 뿐만 아니라 종래의 스텝 모터와도 비교하여 큰 것이며, 또한 안전과 전체적인 장치 가격 면에서 특히 중요하다.
추가로, 연동 펌프를 갖는 장치에서, 라벳형 모터 스텝 빈도를 용이하게 조절할 수 있어, 이러한 종류의 펌프에 고유한 유동 맥동을 약하게 할 수 있는데, 이 유동 맥동은 예컨대 기초적인 양의 인슐린 전달의 경우에 특히 낮은 인슐린 양에서 큰 투여 문제를 나타낸다. 모터 스텝 빈도를 연동 전달 관을 폐색하는 롤러 위치의 각위치(angular position)에 적응시키면, 예컨대 병렬적으로 펌핑하는 두 연결된 연통 펌프의 구조적으로 복잡하고 그래서 덜 안전한 방안을 사용하는 것 보다 훨씬더 효율적으로 일정한 유량에 접근할 수 있고, 상기 롤러는 예컨대 EP0388787 에 개시되어 있는 바와 같이 다른 채널의 연속된 롤러 사이의 각도의 절반으로 변위된다. 병렬로 작동하는 두 연결된 연동 관을 가짐으로써, 주입 장치의 경우에 문제가 연결편 내의 기포를 잡을 수 있는 추가적인 이점이 있게 된다.
비교적 높은 주입량으로 치료용 단백질을 전달하기 위한 연동 펌프는 본 발명에서 개시된 바와 같이 바람직하게는 라벳형 모터에 의해 구동되지만, 필요한 최고의 기계적 동력을 가능한 한 낮게 유지하는 것이 유익하다. 이는 펌프 헤드의 최적화된 구성으로 이루어질 수 있다. 연동 펌프에 필요한 기계적 동력의 대부분은 롤러가 탄성적인 연동 관을 펌프 케이싱에 눌러 생기는 그 탄성 연동 관의 압축으로부터 얻어진다. 롤러의 통과 중에 관이 그의 자연적인 상태로 개방될 때 상기 탄성적인 관의 압축 해제에 의해 거의 같은 기계적 동력이 전달되며, 그래서 압축 해제 토크는 롤러가 압축 부분에 들어가는 중에 압축 토크를 보상한다. 낮은 기계적 동력 요구에 대해 최적화된 설계에서, 관 개방 중에 토크 이득에 의한 관 압축에 대한 토크 보상의 이 효과는, 롤러가 압축 부분에 들어감과 동시에 다른 롤러가 그 압축 부분을 떠나면 얻어질 수 있다. 그러므로, 필요한 기계적 동력을 최소화하기 위해, 롤러 및 연동 관이 롤러에 의해 가압되는 펌프 케이싱의 관 지지부의 형상은, 구르는 롤러에 의한 관의 폐색 및 롤러가 굴러 통과하는 중에 관의 자연적인 상태로의 개방이 동기적으로 일어나도록 설계되어야 한다.
도 3 은 구르는 롤러에 의한 관의 폐색 및 롤러가 굴러 통과하는 중에 관의 자연적인 상태로의 개방이 동기적으로 일어나게 하는 연동 펌프 헤드의 그러한 구성을 개략적으로 보여준다. 이는 압축 롤러를 그의 휠 주위에서 움직이는 회전자(26)의 외주에 부착되어 있는 4개의 압축 롤러(23, 24)을 가짐으로써 이루어질 수 있다. 케이싱의 관 지지부(25)는 펌프 케이싱의 내면에 부착되어 있는 가요성 연동 관(27)에 대한 압축 부분을 결정하며, 그 관은 관의 접선 방향 입구와 출구로 135°의 원호를 형성한다. 135°의 각도는 도 3 에서 선택된 실시예의 네 롤러를 갖는 설계에 대해 특정적인 것인데, 이 각도는 분명 다른 설계에 따라, 특히 롤러의 수가 변하면 달라지게 된다. 도면은 들어가는 롤러(23)에 대해 필요한 토크를 떠나는 롤러(24)로 보상하는 원리를 보여준다. 도면에 나타나 있는 위치는, 떠나는 롤러(24)가 관 지지부(25)의 원형 압축 부분의 바로 끝에 있고 들어가는 롤러(23)는 관에 막 접촉하고 있는 것을 보여준다.
종래의 스텝 모터와 비교되는 라벳형 모터의 다른 이점은, 본래 컴팩트하고 평평한 설계가 가능하고 또한 종래의 스텝 모터 보다 약 10 내지 100 팩터 낮은 낮은 피크 전류 요건이 얻어져, 작은 버튼 배터리로 자동이 가능하게 된다는 것이다. 이들 이점 모두는 패치형 장치에 특히 중요하며, 크기와 중량이 줄어들 수 있는데, 이는 환자의 편리를 위해 중요한 점이다.
DC 모터의 경우, 최대 속도는 공급 전압에 따라 증가하고, 예컨대 인슐린 펌프에 사용되는 경우 위험하게 높아질 수 있다. 가해지는 전류 펄스의 빈도에 의해 일정한 전압으로 조절되는 스텝 모터와는 달리, DC 모터는 구동 전압으로 조절된다. 예컨대 인슐린 펌프의 투여량은 넓은 범위에 걸쳐 변하게 되는데, 이는 수천의 투여량 범위를 커버하도록 일반적으로 특정화된다.
DC 모터는 그의 공급 전압을 변화시켜 제어되므로, 그러한 넓은 범위의 모터 속도는 모터 축에 있는 회전 센서의 피드백을 사용하는 폐루프 조절 시스템으로 달성된다. 조절용 전자 장치가 고잔난 경우 또는 단락이 발생된 경우, 위험한 과대량 전달이 일어나는 매우 높은 회전율이 생길 수 있다. DC 모터에서 이러한 상황은 DC 모터의 토크 특성에 의해 악화된다. 부하가 증가하면, DC 모터는 공급부로부터 오는 전류를 증가시키고 토크를 크게 증가시킨다. 그러므로, (너무) 높은 투여량이 중요한 역압을 생성하더라도 모터는 펌프를 강제하게 될 것이다. 이 때문에 전달 시스템의 발견되지 않는 누출 문제가 생기는 일이 없도록 하기 위해, 예컨대 압력 센서와 같은 추가적인 수단이 최대 허용가능한 압력의 제어를 위해 추가되어야 한다.
라벳형 모터를 포함한 스텝 모터의 토크는 본래 바로 그의 원리에 의해 제한되며, 그래서 스텝 모터는 설계 토크 보다 높은 트크는 전달할 수 없다. 그러므로, DC 모터는 치료용 액체를 전달하는 펌프를 위해서는 덜 안전하며 복잡하고 비싼 제어 기구를 필요로 한다.
라벳형 모터는, 회전자의 자속이 고정자에 의해 폐쇄되므로 회전자는 각 스텝 후에 두 휴지 위치에서 확실하게 유지된다는 점에서 추가 이점을 갖는다. 종래의 두 스텝 모터와 DC 모터와는 달리, 라벳형 모터는 전력을 가하지 않고도 상당한 홀딩 토크를 가지며, 본 발명에 개시되어 있는 치료용 액체 전달을 위한 최적화된 라벳형 모터 설계에 의해, 부하 토크 보다 높은 억제 토크를 얻을 수 있어, 과대 압력으로 인한 역류의 잠재적인 위험을 피할 수 있다.
이는 특히 시린지형 펌프에 대해서는 추가적인 중요한 이점인데, 이는 위에서 언급한 바와 같이, 몸체 조직이 펌프를 뒤로 이동시키는 경향이 있는 큰 역압을 발생시키는 전달 조건이 있기 때문이다. 이는 어떤 경우에도 피해야 한다. 보통의 스텝 모터 또는 DC 모터를 사용하는 펌프 구동기에는 일반적으로, 일 방향 운동을 보장해주는 기계적 수단을 갖는 기어 구동기가 구비되어 있다(이 수단은 시린지 피스톤의 역방향 운동이 모터를 뒤로 구동시킬려고 하면 운동을 차단한다). 일방향 기어 트레인, 예컨대 스크류 구동기는 기계적 효율 면에서 내재적인 단점을 가지며, 또는 일방향 치붙이 휠 기어에서와 같이 신뢰성 문제를 갖고 있다.
요컨대, 라벳형 모터는 종래의 DC 모터 또는 스텝 모터 보다 훨씬 안전하고 성공적 스텝의 제어도 훨씬 더 쉽다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 장치는 두 부류의 부품으로 구성되는데, 즉 모터, 기어 트레인 및 제어 요소를 포함하는 재사용 가능한 부품 및 다른 요소, 특히 단지 한번만 사용되어야 하는 요소(예컨대, 주입 액체와 직접 접촉하는 저장부 및 펌프 시스템의 부품)를 포함하는 일회용 부품으로 구성된다. 피부에 직접 부착되는 패치형 펌프의 경우에, 주입 유체를 전달하기 위한 케뉼러 및 피부 부착을 위한 접착제는 일회용 부품의 일 부분이어야 한다.
연통 펌프의 경우, 재사용 가능한 부품의 구동 수단은 바람직하게는 모터, 기어 트레인 및 제어 요소 외에도, 회전자의 외부에 부착되어 가요성 관을 압축하는 롤러도 포함하며, 저장부에 연결되어 있는 연동 관은 일회용 부품의 일 부분이다. 예컨대 도 3 에 나타나 있는 펌프 헤드에서, 연결은, 롤러와 펌프 본체의 관 지지부 사이의 연동 관에 대한 필요한 압력을 보장하는 기구에 의해 간단하게 이루어진다. 바람직하게는, 이 연결 과정의 일 부분으로서 그리고 롤러의 압력으로 연동 관을 조이기 전에, 연동 관에서 공기를 완전히 제거하기 위해 저장부로부터 충분한 유체가 압출된다.
시린지형 펌프의 경우, 재사용 가능한 부품의 구동 수단은 바람직하게는 자동 조절형 기어-기어 연결부에 의해 일회용 부품의 유체 이동 수단에 연결된다. 본 발명의 일 실시 형태에서, 자동 조절 기어-기어 연결부는, 시린지의 로드를 움직이는 치붙이 피스톤의 기어와 맞물리는 기어 트레인의 축방향 슬라이이딩 기어이다.
재사용 가능한 부품과 일회용 부품의 조립 전에 저장부를 주입 유체로 채울 때, 구동기에 의한 되감기는 필요하지 않은데, 이 되감기는,.속도 요건 및 예컨대 2-체널 축 인코더에 의한 운동 방향의 엄격하고 비교적 복잡한 제어를 필요로 하는 2-방향 운동에 대한 필요성의 추가 문제를 준다.
모터와 구동 기어 트레인과의 결합 전에 일회용 부품의 저장부를 충전하는 것은 쉽고 빠르고 또한 안전한 과정인데, 왜냐하면, 충전은 정압 하에서 예컨대 시린지로 행할 수 있고, 그래서 또한 기포가 들어갈 위험이 줄어든다. 추가로, 높은 홀딩 토크를 갖는 라벳형 모터를 사용하여 완전한 이점을 얻을 있으며, 일방향의 고효율 구동기는 단지 치붙이 휠 기어만 가질 수 있다.
본 명세서를 읽을 때, 다양한 대안적인 실시 형태가 당업자에게 명백할 것이다. 예컨대, 시린지형 펌프의 시린지는 곧은 배럴과 구동 로드 및 대안적인 기계적 주입 액체 저장부 비우기 수단을 가질 수 있고, 예컨대 기계적 가압 기구를 갖는 가요성 백이 라벳형 모터에 의해 유리하게 구동될 수 있다.
전술한 라벳형 모터에 의해 구동되는 장치의 주 이점은, 우수한 안전성과 작동의 제어를 보장하는 것이 용이하다는 것과 또한 단지 몇개의 부픔으로 이루어진 간단한 구조에 있다. 또한, 안전한 기능을 위한 복잡하고 비싼 많은 제어 요소는 이미 본래 라벳형 모터의 구성으로 주어지거나 또는 실현하기가 훨씬 더 쉽다. 또한, 모터와 안전 요소는 종래의 스텝 모터 또는 DC 모터가 사용되는 경우 보다 상당히 더 비용 효과적으로 제작될 수 있다. 또한, 높은 부하 토크 및 높은 회전 속도를 가지며 동시에 필요한 기계적 동력을 주는 개시된 라벳형 모터는 비교적 평평하고, 낮은 피크 에너지 요건을 가지며, 단지 치붙이 기어만 갖는 구동기로도 전체 효율이 높으며, 더 작은 배터리가 사용될 수 있다. 이들 점은 비용 효과 및 우수한 안전성에 추가하여, 전체적인 크기와 중량에 큰 영향을 주어 환자의 편리성을 증가시켜 준다.

Claims (32)

  1. 환자에 의해 이동 착용(ambulatory wearing)되는 장치로서, 주입 액체의 전달을 위한 펌프를 포함하고, 상기 펌프는 유체 저장부와 유체 이동 수단을 갖는 기계 구동식 펌프 시스템을 가지며, 상기 유체 이동 수단을 위한 구동 모터는 일반적인 시계 모터 보다 크지 않은 작은 크기의 라벳(Lavet)형 스텝 모터이고, 단지 작은 버튼 배터리만 필요로 하지만, 일반적인 손목 시계(watch) 모터 보다 적어도 20 배이고 일반적인 시계(clock) 모터 보다는 적어도 5배인 기계적 동력을 가지며, 인슐린 또는 항체와 같은 치료용 단백질을 위한 주입 펌프의 전달 요건을 만족할 수 있는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 라벳형 모터의 구조적 구성 및 전자적 구성은, 일방향 회전자 운동, 제한된 최대 토크와 최대 속도, 높은 홀딩 토크, 연속된 회전자 스텝에 대한 펄스 극성의 변화 요건, 및 전기 모터 신호로부터 성공적인 회전자 스텝 및 스텝에 필요한 토크의 검출에 근거하여 별도의 센서 및 안전 요소 없이도 안전한 기능을 보장해 주는 중요한 구성을 직접 덮도록 설계되어 있고 사용되는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 라벳형 스텝 모터는 희토류 원소를 함유하는 자성 합금과 같은, 회전자 자석을 위한 고 에너지 밀도의 자성 재료를 갖는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 회전자 자석은 사마리움-코발트(SmCo) 합금 또는 철 네오디뮴 붕소(FeNdB) 합금으로 만들어져 있는 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프 시스템은, 저장부로서 관형 배럴을 갖는 시린지이고, 상기 관형 배럴은 유체의 통과를 위해 상기 배럴의 일 단부 근처에서 연결 개구를 가지며, 또한 상기 시린지는 유체 이동 수단으로서 피스톤을 가지며, 상기 피스톤은 축선을 따라 이동할 수 있고 또한 피스톤을 이동시키기 위한 피스톤 이동 로드와 함께 상기 배럴의 내부에 타이트하게 끼워져 있는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 배럴은 원환형이고, 상기 피스톤 이동 로드는 배럴의 축선을 따라 원형으로 구부러져 있는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프 시스템은 가요성 백 저장부를 포함하고, 상기 유체 이동 수단은 상기 백을 압착하는 플런저인 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프 시스템은 저장부를 갖는 연동(peristaltic) 펌프인 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    전달시의 맥동화는 모터 스텝 빈도를 조절하여 최소화되는 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    롤러가 연동 관을 압축하고, 연동 관이 롤러에 의해 눌리는 펌프 케이싱의 형태는, 굴러 들어가는 롤러에 의한 상기 관의 폐색과 굴러 나가는 롤러의 통과 후에 자연적인 상태로 되돌아 가는 상기 관의 개방이 동기적으로 일어나도록 되어 있으며, 그래서 굴러 들어오는 롤러에 의한 관의 압축을 위한 모터 토크가 대체로 필요 없게 되는 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    구동 전자 부품, 작동 제어 부품 및 펌프 기능을 프로그래밍하기 위한 제어 유닛을 포함하는 모터 제어 시스템을 갖는 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 제어 부품은 모터가 펌프에 전달하는 토크를 결정하기 위해 모터 펄스 지속 기간 및/또는 펄스 전압을 조절하기 위한 요소를 갖는 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 제어 부품은 모터 스텝을 제어하기 위해 모터 전류 및/또는 전압을 분석하는 요소를 갖는 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 제어 요소는 모터 스텝을 제어하기 위해 자기장 센서를 갖는 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 제어 요소는 과대량 전달 또는 과소량 전달 및 기타 안전 관련 요소 및 경보기를 제어하는 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    펌프 기능을 프로그래밍하기 위한 상기 제어 유닛은 무선 링크, 예컨대 무선 주파수 또는 광학 링크에 의해 연결되는 원격 요소를 갖는 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛을 위한 신호를 발생시키는 내장형 또는 원격 진단 프로브를 포함하는 장치.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 인슐린 펌프인 장치.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 진단 프로브는 인슐린 전달을 제어하기 위한 신호를 발생시키는 포도당 센서인 장치.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프는 분석물 판단을 위한 체액 샘플을 모으는 장치.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    환자의 피부와 접촉하고 상기 장치를 환자의 피부에 부착시키기 위한 접착성 접촉 표면을 갖는 장치.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 주로 모터, 구동 수단 및 제어 요소를 포함하는 재사용 가능한 부품 및 기타 요소를 포함하는 일회용 부품을 포함하는 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 재사용 가능한 부품의 구동 수단은 자동 조절형 기어 대 기어 연결에 의해 상기 일회용 부품의 유체 이동 수단에 연결되는 장치.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 저장부는, 상기 재사용 가능한 부품 및 일회용 부품의 조립 전에 또한 기어 대 기어 연결의 결합 전에 충전되며, 구동기에 의한 되감기는 필요 없는 장치.
  25. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    캐뉼러 및 진단 프로브의 일 부분을 피부 안으로 삽입하기 위한 수단을 포함하는 장치,
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 캐뉼러 및 진단 프로브는 상기 장치의 본체에 대해 위치 고정되며, 피부 안으로 들어가는 삽입 수단은, 접착성 표면에 부착되는 피부를 스프링형 기구로 캐뉼러 및 진단 프로부의 선단에 접촉되게 끌어 당기는 부품이고, 상기 부품은 상기 캐뉼러 및 진단 프로브가 통과할 수 있는 구멍을 가지며, 또한 상기 부품은 사용 준비 위치에서 상기 스프링형 기구의 뒤로 당김에 저항하여 장치 본체의 바닥으로부터 멀어지게 밀리게 되며, 그리하여 캐뉼러 및 진단 프로브의 선단이 감춰져 캐눌러와 진단 프로브가 피부와 접촉하는 것이 방지되며, 상기 스프링형 기구가 해제되면, 상기 부품은 장치 본체의 바닥 및 위치 고정되어 있는 캐뉼러 및 진단 프로브의 선단에 접촉되게 쏘아져서 캐뉼러 및 진단 프로브의 피하 삽입이 이루어지게 되는 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    부착된 피부를 끌어 당기는 상기 부품은 해제 요소를 포함하고, 상기 해제 요소는 상기 스프링형 기구의 뒤로 당김에 저항하여 상기 부품을 사용 준비 위치에 고정시키고 또한 핸들 또는 노브를 눌러 작동되는 슬라이딩 볼트 기구에 의해 예압 스프링형 기구의 해제를 일으키는 기구를 포함하는 장치.
  28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    상기 접착성 표면에 부착되는 피부를 상기 스프링형 기구로 캐뉼러 및 진단 프로부의 선단에 접촉되게 끌어 당기는 상기 부품은, 주변에서 장치 본체의 바닥에 부착되는 스프링형 가요성 표면이고, 사용 준비 위치에서 상기 해제 요소에 의해 변형되어 원추 또는 게이블(gable)을 형성하여 위치 고정되어 있는 캐뉼러 또는 진단 프로브를 감추고, 또한 상기 예압 스프링형 가요성 표면은 해제되면 장치 본체의 바닥에 접촉하게 쏘아져서 평평한 이완 위치에 있게 되며 그리하여 캐뉼러 및 진단 프로브의 선단 및 삽입가능한 부분이 노출되는 장치.
  29. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    접착성 표면에 부착되는 피부를 상기 스프링형 기구로 캐뉼러 및 진단 프로부의 선단에 접촉되게 끌어 당기는 상기 부품은 장치 본체와 피부 사이에 배치되는 피부 부착 판이고, 이 피부 부착 판은 장치 본체가 피부와 접촉하는 것을 방지하고, 피부에 부착되기 위한 접착성 표면을 가지며, 또한 선형으로 슬라이딩 가능한 기구에 의해 장치 본체와 가동적으로 연결되며, 상기 슬라이딩 기구에 의해 상기 피부 부착 판은 장치 본체로부터 이격되어 유지될 수 있고, 후퇴 기구가 작동되면, 상기 접착성 표면에 부착되어 있는 피부가 바늘 지지부 쪽으로 끌어 당겨져 위치 고정되어 있는 바늘과 진단 프로브의 선단에 접촉하여 바늘의 피하 삽입이 이루어지게 되는 장치.
  30. 제 1 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    피부의 부착을 고정시키기 위한 수단은 본체에 일시적으로 착용되기 위한 접착제 층이고, 상기 접착제 층은 피부에 대한 접착성 표면에 비해 감소된 표면에 의해 장치의 가요성 표면에 고정되어 있는 장치.
  31. 제 27 항에 있어서,
    상기 해제 요소는 노브를 눌러 작동되는 슬라이딩 볼트 기구를 포함하는 장치.
  32. 제 1 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 접착제 층을 피부 쪽으로 누르는 테두리를 갖는 기능성 패키지를 사용하여 피부에 가해지며, 상기 테두리는 의도치 않은 작동에 대해 상기 장치의 해제 및 작동 요소를 보호해 주는 장치.
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