JPH05192401A - 流体ポンピング装置及び流体薬剤を患者に使用する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 使用者によって容易に移動され、信頼され、
実質的に一定の流れプロフィールを有する満足される精
密な流体注入率を確立する携帯用静脈注入ポンプを提供
する。 【構成】 携帯用注入ポンプは吸込ポート（２８）と吐
出ポート（３０）とを有するハウジング（２２）を有
し、ハウジング（２２）はさらに周縁部（３４）によっ
て包囲される実質的に半球形の輪郭面（３２）を有す
る。エラストマーから成る膜（２６）が輪郭面（３２）
の周縁部（３４）に結合されそして膜（２６）をその非
線形弾性領域内に位置させるように輪郭面（３２）をお
おって伸張される。かくして潜在的室（５０）がハウジ
ング（２２）の輪郭面（３２）と伸張された膜（２６）
との間に確立される。静注管（１６）が吐出ポート（３
０）に結合され、流れ制御器が静注管（１６）に連結さ
れる。流体は膜（２６）の非線形収縮の結果として潜在
的室（５０）から排出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は流体ポンプに関する。特
に、本発明は持続された時間に亘って流体の事実上一定
の流量を以て実質的に一定の圧力下で比較的少量の流体
をポンピングするため有用である携帯用機械ポンプに関
する。本発明は歩行可能患者に流体薬剤を注入するため
の使い捨てポンプとしての一回限りの使用のために特別
に、しかし専一的にではなく、有用である。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】静脈
注入技術における最近の進歩に伴って、患者に運動の自
由度をより大きくするためのより早い機会を提供する治
療プロトコールを確立することに益々重点が置かれるに
至った。この目的のため、比較的精密であるが比較的可
動性の無い固定ステーション注入ポンプを使用して現在
確立されつつある注入プロトコールを増加または補足す
るのに使用され得る軽量で使い易い携帯可能のポンプの
開発に大きな関心が払われている。極めて精密であり且
つ意図された目的のために有効であるが患者による歩行
間使用に本来的に企画されていない注入ポンプの例とし
て、ジェンキンスに付与された米国特許第３９８５１３
３号に開示される容積式静注ポンプ、およびキャノン外
に交付された米国特許第４６１７０１４号に開示される
蠕動ポンプ、それらはともに本発明の被譲渡者に譲渡さ
れている、が挙げられる。

【０００３】拡大された総合注入計画の実行における最
大の融通性のためには、患者が入院しているか、または
通院しているかの別に関係なしに、患者によって効果的
に使用され得る携帯用静脈注入ポンプの必要が認識され
ている。前記ポンプは訓練された医療要員によってほと
んどまたは全く助けられることなしに歩行可能患者によ
って初めに組立てられそして操作され得ることが好まし
い。その結果として、携帯用ポンプは医療的に訓練され
た付添人の援助または監督を受けることなしに患者によ
って操作されそして使用される可能性が最も大きいか
ら、ポンプは信頼性と精密性とをともに必要とする。こ
のことは精巧な薬剤注入養生法が規定されているとき特
に然りである。

【０００４】携帯可能歩行用ポンプの利点を達成するた
め、幾つかのタイプの機構が提案されている。典型的
に、これら機構は電気的ではなくむしろ機械的である。
少なくともある程度まで、これはそうである。何故なら
ば、電気的に操作されるポンプは電源を必要とし、従っ
てそれらは電池を内蔵するかまたは外部電源に接続され
るからである。もしそれらが電池を必要とするならば、
それらは典型的に重くまたは制限された有効使用時間を
有する。一方、もしそれらが外部電源で作動するなら
ば、それらの移動可能範囲は全く制限される。さらに、
電気的ポンプは一般的に純機械的ポンプよりも使用する
のに一層複雑でありそして整備するのに一層難しい。

【０００５】携帯用静脈注入ポンプのポンピング室とし
て使用するため提案された非常に多くの機械的構造のう
ち、一つの構造が特に関心を惹く。この構造はエラスト
マーから成る膜である。実際、エラストマーポンピング
機構はそのような用途のためにそれを魅力的にする幾つ
かの特色を有する。第一に、エラストマー構造は製造費
用が比較的安い。第二に、それは素人によって操作さる
べき装置における使用のためのその魅力を高める作用上
の簡単性を有する。しかし、そのような装置の簡単性に
もかからわず、エラストマー膜がどのように働くか、ま
たはそれが最大効率を以てどのように使用されるかにつ
いてはあまり多くは知られていないまたは理解されてい
ない。

【０００６】携帯用ポンプのためのエラストマーポンピ
ング機構の若干の例であってそれらのなかでエラストマ
ー材料のための様々の形状が提案されるものが引用され
得る。ある場合、例えばヘッセルの米国特許第４７６９
００８号およびリーパー外の米国特許第４４１９０９６
号に開示される装置のため、エラストマー膜は管形にさ
れている。他の場合、例えばクリーゼルの米国特許第５
０１９０４７号に開示される装置のため、膜は薄板とし
て形成されている。各場合において、膜は流体室を形成
しまたはその一部として確立される。従って、膜を伸長
させるため室に流体を充填した後、膜は収縮することを
許されそしてそれにより室から流体をポンプ送りするた
め室内に流体圧力を生じさせる。さらに、エラストマー
ポンピング室の完縮の程度は制限されることが提案され
た。表面上、これは流体の大部分を室からポンプ送りさ
せる即ち分配させる作動サイクルの終わりにおいて室内
の流体に圧力を維持するように為される。しかし、これ
はエラストマー膜がそれがその非伸張状態に近づくにつ
れて流体室内に一定の圧力を維持し得ないことによって
生じさせられるポンピングサイクルの終わりにおいて遭
遇される問題と取り組まない。よく知られているよう
に、ポンピング作用間におけるポンピング室内の一定の
圧力は、均一の分配率を得るために極めて望ましい。

【０００７】収縮するエラストマー膜によって注入作用
間流体に一定の圧力を維持するため、その内部でエラス
トマー膜が作用する環境を適正に設計することが必要で
ある。言うまでもなく、これは膜の物理的性能を考慮に
入れなくてはならない。現在、エラストマーポンピング
室の完縮状態のための作用パラメータを構造的に確立す
る携帯用注入ポンプはまだ知られていない。従って、患
者に流体を注入するため収縮するエラストマー膜の作用
に依存する携帯用注入ポンプは、ポンピングサイクルの
全体を通じてその最適作用モードにエラストマーポンピ
ング機構を維持しない。本発明はこれら考慮事項が極度
に重要であることを認識する。

【０００８】上記に鑑み、本発明の一目的は携帯用静脈
注入装置であってその使用者によって容易に移動される
ものを提供することである。本発明の他の一目的は携帯
用静脈注入装置であって信頼されそして実質的に一定の
流れプロフィールを有する容認可能程度に精密な流体注
入率を確立するものを提供することである。本発明のさ
らに他の一目的は携帯用静脈注入装置であってその作用
のため予決定された持続時間に亘って実質的に一定のポ
ンピング圧力を生じさせるものを提供することである。
本発明の他の一目的は流体を注入する静脈注入ポンプで
あってポンピング作用が完了した後その室内に実質的に
残留容積を有しないものを提供することである。本発明
のさらに他の一目的は携帯用静脈注入装置であって事前
充填されそしてその室内に保持される流体薬剤の無菌性
を維持しつつ比較的延長された時間に亘っていつでも使
用できる態勢で保管され得るものを提供することであ
る。本発明のさらに他の一目的は使い捨ての注入装置で
あって異なる容積まで充填され得そして初充填容積と関
係なしに同一流体分配率を維持するポンピング室を有す
るものを提供することである。本発明の他の一目的は携
帯用静脈注入ポンプであって使用するのに容易であり、
製造するのに比較的簡単でありそして比較的費用効果的
であるものを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に従って、携帯用
流体ポンプはエラストマー膜をその非線形弾性領域内に
永久的に伸長するハウジングを有する。これを行うた
め、ハウジングは周縁部によって包囲される予決定され
た輪郭を有する面を形成される。次ぎに、エラストマー
膜はそれをハウジングの輪郭面の上にそれを横切って位
置させるように前記周縁部に結合される。これは膜をそ
の非線形弾性領域内に伸張し、そしてハウジングの面と
エラストマー膜との間に潜在的流体室を形成する。潜在
的室が流体を充填されるとき、伸長された膜は室からの
流体の均一の排出のため室内の流体に実質的に均一の流
体圧力を生じさせる。

【００１０】本発明の携帯用流体ポンプの一実施例のた
め、ハウジングは形状において実質的に半球状でありそ
して潜在的室内に流体を導入するための流体吸込ポート
を有する。さらに、ハウジングは潜在的室から流体を排
出するための流体吐出ポートを有する。流体管が潜在的
室からの流体の流量を確立するため流れ絞りとして働く
前記吐出ポートと流体連通関係に接続される。

【００１１】本発明のために意図されるように、そして
既に暗示されたように、流体は膜がその非線形弾性領域
内に止どまる間に膜の非線形収縮によって実質的に一定
の流体圧力で潜在的室から排出される。本発明の目的の
ため、非線形弾性領域は一般化されたフックの法則が適
用されない領域である。換言すれば、非線形弾性領域は
エラストマー膜のひずみが膜の応力の一次関数として表
され得ない領域である。好ましくは、膜は均一の厚さを
有しそして潜在的室内に保持される流体と化学的に反応
しない材料によってコーティングまたはライニングを施
される。

【００１２】本発明の携帯用流体ポンプのための付加的
構造として、流体が吐出ポートを通じて潜在的室からポ
ンプ送りされるにつれて流体が吸込ポートを通じて流れ
るのを防止するために一方向弁が吸込ポートと協働する
ように取付けられる。さらに、ハウジングの表面は潜在
的室が流体を充填されつつある間潜在的室から空気を抜
くために吸込ポートと吐出ポートとの間に延びる凹所を
形成され得る。本発明によって意図されるように、流体
は医療用注入器のごとき他のポンプを使用することによ
って弁付きの吸込ポートを通じて潜在的室内に充填され
る。

【００１３】本発明の新規の特色、並びに本発明そのも
の、はその構造及びその作用に関して、添付図面から、
付随する説明と一緒に検討されるとき、最も明らかに理
解されるであろう。諸図面において同一参照符号は同一
部分を示す。

【００１４】

【実施例】初めに図１を参照すると、本発明による携帯
用注入ポンプが図示されそして符号１０によって表され
る。図１において示されるように、携帯用注入ポンプ１
０は歩行間使用者１２の身につけていられそしてベルト
１４のごとき任意の周知の手段によって使用者１２に装
着され得る。さらに、図１は携帯用注入ポンプ１０が静
注管１６を通じて使用者１２の体内に流体を注入するた
め使用者１２と流体連通関係において結合され得ること
を示す。また、関連技術においてよく知られているタイ
プのインライン形の空気フィルタ１８であって空気が使
用者１２に注入されるのを防止するものが静注管１６に
配置され得ることも示される。さらに、携帯用注入ポン
プ１０から静注管１６を通じて送られる流体の流量を確
定するために流れ制御器２０か静注管１６と作動的に結
合され得る。図面において示される特定の流れ制御器２
０は標準スライドクランプであるが、関連技術において
よく知られそしてオン／オフ能力を有する流れ制御器は
すべて本発明の目的には十分であることが理解さるべき
である。

【００１５】携帯用注入ポンプ１０のための諸構成要素
の組合せは、恐らく、図２において最もよく認められ、
そこにおいて携帯用注入ポンプ１０は外板２４に結合さ
れるハウジング２２を有することが示される。エラスト
マーから成る膜２６が上リング４０と下リング４４との
間に締付けられそして次ぎに、実質的に図示されるごと
き態様で、ハウジング２２に取付けられそしてハウジン
グ２２を横切ってハウジング２２と外板２４との間に伸
張される。また、図２はハウジング２２が吸込ポート２
８および吐出ポート３０を形成されることを示す。しか
し、携帯用注入ポンプ１０の個々の構成要素は図３にお
いて最もよく認められる。

【００１６】図３において、携帯用注入ポンプ１０の各
種の構成要素は分解部品配列斜視図で示されそしてそれ
らが組立てられるべき順序を以て配列される。ハウジン
グ２２は静注管１６と結合されて示されるが、ハウジン
グ２２は他の点では単一構造である。好ましくは、ハウ
ジング２２は硬質プラスチック、例えばポリカーボネー
ト、から作られそして携帯用注入ポンプ１０によって使
用者１２に注入される流体に対し化学的に反応しない材
料である。本発明の目的のために、ハウジング２２の輪
郭面３２は膜２６をこれら構成要素が組立てられるとき
その非線形の弾性領域内に伸張させる任意の携帯を有し
得る。しかし、ハウジング２２の輪郭面３２は膨張され
た膜２６がその非線形領域内に出現するにつれてその固
有の形態に従ってそれと同形になることが好ましい。図
面に示される場合においては、輪郭面３２は実質的に半
球形である。一方、図面に示されるように、ハウジング
２２の周縁部３４はハウジング２２に対する膜２６の結
合を容易にするために輪郭面３２から外方へ折り曲げら
れる。当業者によって理解されるであろうように、ハウ
ジング２２は任意のよく知られた製造手順、例えば射出
成形、を使用して製造され得る。

【００１７】弁スリーブ３６を形成する薄壁のテーブル
および弁インサート３８が、図３において吸込ポート２
８の孔内に挿入されるためのそれらの位置で示される。
吸込ポート２８の孔内に挿入されたとき、弁スリーブ３
６および弁インサート３８はハウジング２２のための一
方向弁であって吸込ポート２８を通って一方向のみに流
体の流れを許すものを形成する。より明細に述べると、
携帯用注入ポンプ１０は吸込ポート２８を通じて流体を
満たされること、しかし流体は吸込ポート２８を通じて
は携帯用注入ポンプ１０を離去し得ないことが重要であ
る。流体は医療用注入器（図示せず）を使用して圧力下
で吸込ポート２８内に充填される。

【００１８】携帯用注入ポンプ１０は、また、膜２６の
円周に沿って位置されるリブ４２と係合し得る上リング
４０を有する。上リング４０はまた下リング４４と係合
し得それにより上リングと下リングとの間に膜２６のリ
ブを効果的に掴んで保持し得る。これら上リング４０お
よび下リング４４はポリカーボネートのごとき任意の好
適な剛性の材料であって上リング４０と下リング４４が
可撓の膜２６を支持するため互いに結合されるとき膜２
６のための堅固な基礎を提供するものから構成され得
る。

【００１９】特に膜２６に関して、図３において膜２６
はそれがその非伸張状態に在るとき実質的に円形の薄板
であることが認められる。さらに、この薄板は既に言及
されたように上リング４０と下リング４４との間に掴持
され得る高くされたリブ４２を形成される。大部分のエ
ラストマー材料は本発明の目的のために好適であること
は理解されるであろうが、膜２６は高弾性復原力を有す
る天然ゴムまたはイソプレンから作られることが好まし
い。しかし、膜２６のために使用される特定材料が何で
あるかにかかわらず、膜２６は携帯用注入ポンプ１０か
ら使用者１２に注入さるべき流体薬剤に対して化学的に
反応しないことが重要である。もし膜２６と流体薬剤と
の間において化学反応が生じる可能性があるならば、そ
れらの間にドラッグバリヤ（ｄｒｕｇ ｂａｒｒｉｅ
ｒ）を設ける必要がある。シリコーンまたはウレタンが
この目的に好適であることは既知である。そのようなド
ラッグバリヤを設けるために、膜２６はハウジング２２
の輪郭面２６と接触する膜２６の特定面が携帯用注入ポ
ンプ１０内の流体薬剤と化学的に相互に反応しないよう
に適切にコーティングを施され得る。代替的に、図面に
は示されていないが、薬剤無反応膜が上リング４０と下
リング４４との間に膜２６と共に保持され得る。この組
合せによって、薬剤無反応膜は膜２６とハウジング２２
の輪郭面３２との間に、これら要素が組立てられると
き、配置され得る。本発明の目的のため、リブ４２によ
って包囲される膜２６の部分は均一の厚さを有すること
が好ましい。しかし、厚さは結果として生じる携帯が膜
２６のための非線形弾性反応を生じさせるかぎり膜２６
を横切って変更され得ることが認められる。

【００２０】図３は、さらに、携帯用注入ポンプ１０は
基本的にはジャー形状でありそしてハウジング２２をそ
れがエラストマーの膜２６と組立てられるとき受容する
ための開口を有する外板２４を有することを示す。本発
明の提示実施例のため、外板２４はブロー成形のごとき
周知の方法によって容易に製造され得るＰＥＴＧのよう
な硬質または半剛性プラスチックから作られる。様々の
寸法にされた膜２６が携帯用注入ポンプ１０の製造にお
いて使用される可能性の故に、外板２４はそれに応じて
その寸法を変更され得る。より明確に述べると、外板２
４の寸法は携帯用注入ポンプ１０の提案された最大流体
容量と適合するようにされ得る。

【００２１】携帯用注入ポンプ１０の様々の構成要素の
協働は図４（Ａ）および図４（Ｂ）を参照するとき最も
良く理解されるであろう。まず、図４（Ａ）において上
リング４０は下リング４４にそれらの間に膜２６のリブ
４２を掴保するように結合されることが認められる。上
リング４０と下リング４４は超音波溶接または溶剤ボン
ディングのような幾つかの手段の何れかによって互いに
結合され得る。下リング４４は同様に、膜２６を外板２
４の開口４６を横切って位置させそしてそれによって外
板２４と膜２６との間にキャビティ４８を形成するよう
に、同じまたは類似の手段によって、外板２４に結合さ
れ得る。さらに、図４（Ａ）において認められるよう
に、ハウジングの周縁部３４は上リング４０に結合され
る。ハウジング２２が上リング４０に結合されるとき、
ハウジング２２の輪郭面３２は図示のように膜２６を実
質的に伸張する。重要なこととして、膜２６及び輪郭面
３２の寸法はこの伸張が膜２６をその非線形弾性領域内
に導くように選ばれる。上リング４０に対するハウジン
グ２２の結合は、また、膜２６と輪郭面３２との間に潜
在的室５０を画成する。

【００２２】次ぎに図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を参照す
ると、流体が注入器またはその他のポンピング手段の圧
力下でハウジング２２の吸込ポート２８を通じて潜在的
室５０内に導入されるにつれてシステム内の空気は輪郭
内３２内に形成された凹所５２に沿って吐出ポート３０
へ先ず通されることが理解され得る。これは、勿論、空
気圧力が膜２６を伸張するのに必要な圧力より小さいと
き常に起こる。次いで、吐出ポート３０が室５０からの
液体薬剤の流れを阻止するように閉塞されることによっ
て、エラストマーの膜２６は追加の液体薬剤が潜在的室
５０内に導入されるにつれて伸張し始める。実質的に一
定の流体ポンピング圧力を室５０内に生じさせるために
は、膜２６の伸張及びその後の収縮が膜２６がその非線
形弾性領域内に在る間に完全に達成されることが本発明
にとって必要である。既に述べたように、エラストマー
の膜２６は携帯用注入ポンプの組立間にその非線形弾性
領域内に最初伸ばされる。室５０内への流体の爾後の充
填間、医用注入器のごときポンプ手段はエラストマーの
膜２６によって発揮される力に打ち勝たなくてはならな
いことは理解されるであろう。従って、図４（Ｂ）に示
されるごとく室５０を形づくって伸ばすためには膜２６
のさらなる非線形伸張が生じなくてはならない。

【００２３】エネルギーの観点から見るとき、流体は初
め伸ばされた膜２６の位置エネルギーに打ち勝つのに十
分な圧力下で導入されなくてはならない。これに加え
て、流体は膜２６をさらに非線形的に伸ばして室５０を
形づくるのに十分である圧力下で導入されなくてはなら
ない。このエネルギー総量は室５０から流体を排出する
ために使用され得る。さらに、膜２６の初度非線形伸張
の故に、流体の完全排出後も、残留力が輪郭面３２に作
用する膜２６によって維持される。

【００２４】フックの法則（注意：フックの法則は膜２
６の作用区域には適用されない）に従って非等方性線形
弾性材料の応力ひずみ関係は下記の通りである：

【００２５】

【数１】ε_xx＝Ｃ₁₁σ_xx＋Ｃ₁₂σ_yy＋Ｃ₁₃σ_zz

【００２６】

【数２】ε_yy＝Ｃ₂₁σ_xx＋Ｃ₂₂σ_yy＋Ｃ₂₃σ_zz

【００２７】

【数３】ε_xx＝Ｃ₃₁σ_xx＋Ｃ₃₂σ_yy＋Ｃ₃₃σ_zz

【００２８】

【数４】ε_xy＝Ｃ₄₄σ_xy ε_yz＝Ｃ₅₅σ_yz ε_zx＝σ_zx

【００２９】上式において、 ε＝ｘ、ｙおよびｚ軸に沿う引張ひずみ σ＝ｘ、ｙおよびｚ軸に沿う応力 Ｃ＝定数

【００３０】簡述すれば、フックの法則は応力の変化が
ひずみの変化に正比例する状態に対し適用される。換言
すると、ひずみの変化に対する応力の変化の比は一定で
ある（例えば、二次元の場合：Ｆ＝ｋｘ）。本発明はこ
れら状態下においては機能しない。

【００３１】フックの法則に関し説明された状態とは異
なって、本発明の目的のために、非線形弾性領域はエラ
ストマー材料の伸縮がフックの法則に従わない領域と定
義される。従って、材料は非等方性線形弾性材料として
の反応を示さず、そして膜２６の材料における応力の変
化は携帯用注入ポンプ１０の作動間における材料のひず
みの変化に直線的に比例しない。

【００３２】フックの法則が適用される線形性の領域に
おいて働かないことの一つの結果はエラストマーの膜２
６の反応が互いに一定の関係を有する諸要素に関してモ
デル化され得ないことである。代わりに、本発明の目的
のために、いわゆる四パラメータマックスウェル−ボイ
ト（Ｍａｘｗｅｌｌ−Ｖｏｉｇｔ）モデルが膜２６の伸
縮間に膜２６から得られる動的反応を最もよく表すと考
えられる。

【００３３】膜２６のためのこの理想化されたマックス
ウェル−ボイトモデルが図５に示されそして全体として
符号８０を以て表される。図示のように、モデル８０は
瞬間弾性、線形クリープ及び遅延弾性の諸特徴を一緒に
示す諸要素の組合せを有する。図５において、膜２６の
限定要素（例えば、セグメント５４）の動的反応に対す
る前記モデル８０は周知の機械的要素の特別の組合せを
有することが示される。特定的に、これら諸要素は接地
点８２と点８４との間において互いに結合されて示され
る。限定要素分析のために、接地点８２及び点８４は互
いに極限的に接近していると見なさるべきである。より
特定的に、接地点８２と点８４との間のモデル化された
結合は、互いに直列に接続されたばね８６とダッシュポ
ット８８との組合せと、互いに並列に接続されたばね９
０とダッシュポット９２との組合せとを有する。ばねと
ダッシュポットとのこれら二つの組合せは、それら自
体、接地点８２と点８４との間に直列に接続されてい
る。

【００３４】モデル８０の構成要素の確認され得る物理
的特性を使用して、接地点８２と点８４との間の一定の
応力下におけるモデル８０のための変形−時間曲線は、
流動学的等式によって説明され得る：

【００３５】

【数５】

【００３６】上式において、 Ｅ＝材料定数（即ち、モジュラス） ε＝引張ひずみ σ。＝初応力 ｔ＝時間 η＝粘性係数

【数６】

【００３７】モデル８０は、図５に示されるように、前
記等式によって説明されたその対応する変形−時間と共
に、膜２６の非線形弾性領域における膜２６の反応を表
すものと受け取られる。このことを考慮に入れて、膜２
６の非線形弾性領域における膜２６の物理的反応はおそ
らく限定要素の分析によって最もよく理解されるであろ
う。

【００３８】この分析を開始するため、図４（Ｂ）に示
されるセグメント５４のような膜２６の限定要素と、図
６（Ａ）に示されるようなセグメント５４のより理想化
された図解とを検討する。特定的に、図６（Ａ）は膜２
６の表面に確認された様々の限定要素（すべてセグメン
ト５４と同様である）によって一形状に伸張された膜２
６を示す。膜２６の伸縮に従って、各限定要素（例え
ば、セグメント５４）はその力および膜２６におけるす
べてのその他の限定要素とのその関係を均衡させるため
その寸法および隣接限定要素に対するその向きを調整す
る。従って、各限定要素によって発生される力対面積比
（即ち、圧力）はすべてのその他の限定要素のそれと等
しい。これは均一の圧力を含意する。

【００３９】図６（Ｂ）は単に二つの次元においてセグ
メント５４に作用する力を示すセグメント５４の代表的
な自由本体線図である。より特定的に、図６（Ａ）にお
いてセグメント５４に作用する図示の力は、膜２６が湾
曲形状に伸張される一状態を表す。図示されるように、
各セグメント５４における力は図示されるごときマック
スウェル−ボイトモデル８０の構成を実質的に使用して
モデル化され得る。例えば、そのような状態は図４
（Ａ）および図４（Ｂ）において膜２６のために示され
る。結果はセグメント５４に作用するものとして示され
る膜２６において発生されるエラストマー応力の力（Ｆ
₁ 及びＦ₂ ）は共線的でない、即ち角度５６および５８
は零に等しくない。従って、潜在的室５０内に保持され
る流体と作用し合う合力Ｒが発生される。

【００４０】膜２６の作用を目に見えるようにするのを
助ける前記力システムの二次元の簡単化されたモデル
は、点６６において互いに作用する１対のマックスウェ
ル−ボイトモデル６２及び６４をおそらく有するであろ
う。図６（Ｂ）において示されるように、この構成にお
けるマックスウェル−ボイトモデル６２および６４は合
力Ｒの方向に点６６を動かすように点６６において互い
に作用する。ベクトル分析に従って、この合力Ｒの大き
さはモデル６４及び６２によって発生される力の大きさ
と、これら力が点６６において作用する方向とに依存す
る。これら方向は図６（Ａ）及び図６（Ｂ）において角
度５６および５８によって示される。モデルはここでは
セグメント５４に作用する力が変動し得ることを目に見
えるようにするためにのみ示される。この考慮すべき問
題の線形分析のため、モデル６２及び６４をばねと取り
替えることが検討される。

【００４１】しかし、携帯用注入ポンプ１０のための定
流量プロフィールの達成は膜２６の弾性作用下で一定の
合力Ｒを維持することに依存しない。それよりも、この
目的は潜在的室５０内の流体に対し一定の圧力を維持す
るように膜２６を使用することによって達成される。こ
れは合力Ｒとセグメント５４の表面積６０との比が、膜
２６の収縮間可能なかぎりほぼ一定に保たれることが重
要であることを意味する。

【００４２】膜２６が図４（Ｂ）に示されるごとき形状
から図４（Ａ）に示されるごとき形状にポンピング作用
間収縮するに従って、幾つかの変化が同時に生じること
が起こる。一緒に、これら変化は潜在的室５０内の流体
に対し膜２６によって発揮される圧力に影響を及ぼす。
最も注目に値することとして、膜２６がその非線形弾性
領域内で収縮するにつれて、エラストマー性の力Ｆ₁ 及
びＦ₂ の大きさは減少し、表面積６０も減少し、そして
角度５６および５８は増大する。明らかに、室５０内の
流体に対する圧力が一定に止どまるためには、これら変
数は釣り合わされることを要する。本発明によって認め
られるように、これら変数は膜２６がその非線形弾性領
域内での作用に制限されるかぎり室５０内で実質的に一
定の圧力を生じるように効果的に釣り合わされる。

【００４３】図７において、実質的に一定の圧力の領域
６８が、膜２６のごとき伸張されたエラストマー膜によ
って包囲される体積が概ね２０立方ｃｍより大きいとき
図７において存在することが示される。特定的に、図７
に示される曲線７０は、予決定された厚さ及び予決定さ
れた直径を有する初め平らな円形のエラストマーの膜２
６によって流体に対し及ぼされる圧力の経験プロットを
表す。より特定的に、曲線７０は膜２６がその周縁にお
いて抑止されそしてその非伸張即ち弛緩状態から伸張さ
れるに従って生じさせられる。また、曲線７０は膜２６
がその非伸張即ち弛緩状態に収縮して復元するにつれて
膜２６によって発揮される圧力の変化をも表す。本発明
の目的のためにヒステリシスの効果は無視され得る。理
解されるであろうように、膜２６の物理的寸法は生じる
曲線における若干の結果的変化によって変化させられ得
る。しかし、検討のために図７の曲線７０は膜２６のた
めの典型的反応を表すものと見なされる。

【００４４】携帯用注入ポンプ１０のための重要な構造
設計基準を確立する重要なファクターが図７において説
明される。特定の膜２６にとって、このファクターは実
質的に一定の圧力が室５０内の流体に対し膜２６によっ
て及ぼされ得る曲線７０の領域６８が、概ね２０立方ｃ
ｍに等しい体積を包囲するように膜２６が初めに伸張さ
れた後のみに生じることである。この包囲された体積
は、従って、ハウジング２２の輪郭面３２によって画成
されることを要する排出体積のための境界条件を確立す
る。曲線７０は、既に言及されたごとく、経験的に導か
れそして膜２６の非線形反応のためのモデリングによっ
て証明される。曲線７０とは対照的に、曲線９８は線形
反応のためのモデリングの結果である。重要なこととし
て、領域６８において、曲線７０はより平坦であり、従
って、より一定の圧力を示す。また、特定の膜２６のた
めに、曲線７０の導出はモデル化されそして試験された
特定のエラストマーに対し概ね２５立方ｃｍにおいて生
じることが注目さるべきである。

【００４５】本発明によって認められるように、任意の
特定の膜２６のために非線形作用のみを保証することが
必要である境界条件は幾つかのファクターに従って変化
する。重要なこととして、これらファクターは膜２６の
製造のため使用される材料の応力ひずみ特性と、輪郭面
３２の初期排出体積とを含む。膜２６のために、追加フ
ァクターは膜２６のジオメトリー、即ち、その直径およ
びその厚さを含む。これら変数のすべては、いったん膜
２６が輪郭面３２を横切って配置されたならば、輪郭面
３２と接触する膜２６のすべてがその非線形弾性領域内
に伸張されるように選択されることを要する。これを念
頭におくとき、膜２６のためのその他のジオミトリーに
対応する曲線７０が生じさせられ得ることと、領域６８
がそれに従って変化することとが理解され得る。その結
果として、輪郭面３２によって離間されるまたは押退け
られることを要求される初期体積もまた変化する。理想
的には、輪郭面３２によって押退けられる体積は線形及
び非線形反応が分離する測定された体積に概ね等しいで
あろう。

【００４６】膜２６の弾性収縮によって確立されるポン
ピング作用の理解は、極度に重要ではあるが、携帯用注
入ポンプ１０の作用の単なる一局面である。同等に重要
であるのは、システムにおける結果として生じる流体動
力学の理解である。流体動力学に関して、携帯用注入ポ
ンプ１０から使用者１２への流体薬剤の層流は下記一般
等式に従うことが知られている：

【００４７】

【数７】Ｐ装置−Ｐ患者＝流量＊絞り抵抗

【００４８】この一般等式（それは本質的にハーゲン−
ポアシュール（Ｈａｇｅｎ−Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ）の
等式の書き換えである）から実質的に一定の流量を得る
ため、携帯用注入ポンプ１０によって発生される圧力
（Ｐ装置）は、事実上一定でなくてはならないことが理
解され得る。これはまた患者によって発生される圧力
（Ｐ患者）も事実上一定であると仮定する。幸いにも、
本発明のための層流作用の状態下において、この仮定は
容認され得る。従って、その結果として、静注管１６を
通る流体の流れはハーゲン−ポアシュール等式によって
特徴づけられ得る。この等式は：

【００４９】

【数８】

【００５０】上式において： Ｖ＝流体の流れの速度； ｒ＝流れ絞り導管の半径； Δｐ＝エネルギー損失（即ち、長さＬに亘る圧力変
化）； Ｌ＝流れ絞りの長さ；および μ＝流体粘度

【００５１】ハーゲン−ポアシュール等式に従って、も
し管の長さに亘って一定のエネルギー損失が生じるなら
ば、管を通る流体の一定の流量は管の物理的特徴を適正
に設計することによって確立され得る。

【００５２】理論上、Ｐ装置が実質的に一定であるなら
ば、静注管１６に沿うエネルギー損失は事実上一定であ
ることは容認され得る。何故ならば、既に指摘されたご
とく、Ｐ患者は事実上一定であることと、そして膜２６
の作用のための境界条件はＰ装置も事実上一定であるよ
うに適正に確立されることとが仮定されているからであ
る。従って、条件がＰ装置−Ｐ患者は一定であるように
設定されているとき、静注管１６を通る流量は一定であ
る。実際問題として、Ｐ患者は無視可能なほどに小さ
い。従って、携帯用注入ポンプ１０の非脈動線形流れは
外ポンプのために操作される一定の圧力にほとんど完全
に帰せられる。

【００５３】その結果として、携帯用注入ポンプ１０か
ら静注管１６を通って使用者に送られる流体の流量のた
めの特定値を確立するため、Ｐ装置及び静注管１６の物
理的設計はおのおの他方に対する考慮を以て工夫されな
くてはならない。Ｐ装置の設計に伴う考慮事項は既に検
討された。この点において、静注管１６の設計は静注管
１６の内腔の半径と静注管１６の長さとに特に依存する
ことを認識すれば十分である。

【００５４】ここに示されそして詳細に説明された特定
の携帯用静注ポンプは、本発明の諸目的を達成するとと
もに前述した諸利点を提供することを十分に可能にする
が、それは本発明の現在好ましいとされる実施例を説明
するに過ぎないことと、請求項に記載されたそれらを除
きここに示された構造または設計の細部に何らの制限も
意図されないこととが理解さるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】使用者に作用的に結合されて示される本発明の
携帯用注入ポンプの斜視図。

【図２】携帯用注入ポンプの斜視図。

【図３】携帯用注入ポンプの構成要素の分解部品配列斜
視図。

【図４】（Ａ）は図２における線４−４に沿って見られ
る携帯用注入ポンプの横断面図であってエラストマー膜
が携帯用注入ポンプのハウジング上に完縮して示される
図面；（Ｂ）はエラストマー膜がそれと携帯用注入ポン
プのハウジングとの間に流体室を確立するように伸張し
て示される図４の（Ａ）において見られる携帯用注入ポ
ンプの横断面図。

【図５】四パラメータボイト／マックスウェル弾性要素
の機械的モデルの概略図。

【図６】（Ａ）は限定要素が膜の表面に示される膨張状
態における本発明のエラストマー膜の側面図；（Ｂ）は
伸張状態におけるエラストマー材料のセグメントの自由
体線図；（Ｃ）は図６の（Ｂ）に示された自由体線図の
二次元アナログ。

【図７】材料の理論的線形反応に対するモデル化された
曲線と比較して示されるエラストマー材料の線形反応に
対するモデル化された経験的に得られた圧力対容積曲線
を示すグラフ。

【符号の説明】

１０ 携帯用注入ポンプ １６ 静注管 １８ 空気フィルタ ２０ 流れ制御器 ２２ ハウジング ２４ 外板 ２６ 膜 ２８ 吸込ポート ３０ 吐出ポート ３２ 輪郭面 ３４ 周縁部 ３６ 弁スリーブ ４０ 上リング ４４ 下リング ４６ 開口 ５０ 潜在的室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャールズ アール．ボッツ アメリカ合衆国カリフォルニア州サン デ ィエゴ，マウント アルバーティン 3882

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体をポンピングする装置であって：流
   体ポートを有するハウジングであって周縁部および前記
   周縁部によって包囲される予決定された輪郭を有する面
   を形成されたもの；およびエラストマーから成る膜であ
   ってそれを非線形弾性領域内に伸長しそして前記伸長さ
   れた膜と前記ハウジングとの間に潜在的室をその内部に
   前記ポートを通じて流体を受容しそしてそれから前記ポ
   ートを通じて流体を実質的に一定の圧力をもって前記膜
   の非線形収縮によって排出するために生じさせるように
   前記輪郭面をおおって前記周縁部に結合されたものを有
   することを特徴とする流体をポンピングする装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載される装置において、前
   記膜が均一の厚さを有することを特徴とする流体をポン
   ピングする装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載される装置において、前
   記予決定された輪郭が実質的に半球形であることを特徴
   とする流体をポンピングする装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載される装置において、前
   記膜が前記ポートを通じて前記潜在的室内に注入される
   流体と化学的に反応しないようにコーティングを施され
   ることを特徴とする流体をポンピングする装置。
5. 【請求項５】 請求項１に記載される装置において、前
   記ポートが前記潜在的室を満たすための吸込ポートであ
   りそして前記ハウジングがさらに前記潜在的室から流体
   を排出するための吐出ポートを有することを特徴とする
   流体をポンピングする装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載される装置であって、さ
   らに、流体が前記潜在的室から前記吸込ポートを通じて
   流れるのを阻止するために前記吸込ポートに取付けられ
   た一方向弁を有することを特徴とする流体をポンピング
   する装置。
7. 【請求項７】 請求項５に記載される装置であって、さ
   らに、前記潜在的室が流体を満たされつつある間前記潜
   在的室から空気を抜くため前記吸込ポートと前記吐出ポ
   ートとの間において前記ハウジングの前記面に形成され
   た凹所を有することを特徴とする流体をポンピングする
   装置。
8. 【請求項８】 請求項１に記載される装置において、さ
   らに、前記ハウジングの前記周縁部に結合された外板で
   あって前記潜在的室を保護するため前記ハウジングと前
   記外板との間に前記膜を位置させるように結合されたも
   のを有することを特徴とする流体をポンピングする装
   置。
9. 【請求項９】 請求項１に記載される装置であって、さ
   らに、前記潜在的室内に導入される流体と化学的に反応
   しない保護膜を有し、前記保護膜が前記面の前記周縁部
   に結合されそして前記ハウジングと前記エラストマー膜
   との間に位置され、前記潜在的室がその内部の流体から
   前記エラストマー膜を化学的に保護するため前記ハウジ
   ングと前記保護膜との間に確立されることを特徴とする
   流体をポンピングする装置。
10. 【請求項１０】 エラストマーから成る膜と；前記膜を
    その非線形弾性領域内に伸長させる手段と；前記膜を前
    記伸長手段にそれらの間に潜在的室を生じさせるように
    取付ける手段と；前記膜が前記非線形弾性領域内に止ど
    まる間に前記膜の非線形収縮によって前記潜在的室から
    流体を排出する手段とを有することを特徴とする流体ポ
    ンプ。
11. 【請求項１１】 請求項１０に記載される流体ポンプに
    おいて、前記伸長手段が周縁部および前記周縁部によっ
    て包囲される予決定された輪郭を有する面を形成された
    ハウジングであることと、前記エラストマーから成る膜
    が前記輪郭面をおおって前記周縁部に結合されることと
    を特徴とする流体ポンプ。
12. 【請求項１２】 請求項１１に記載される流体ポンプに
    おいて、前記排出手段が前記ハウジングに形成された吐
    出ポートでありそして前記ハウジングがさらに前記潜在
    的室内に流体を導入するための吸込ポートを有すること
    を特徴とする流体ポンプ。
13. 【請求項１３】 請求項１２に記載される流体ポンプで
    あって、さらに、流体が前記潜在的室から前記吸込ポー
    トを通って流れるのを阻止するため前記吸込ポート内に
    取付けられた一方向弁を有しそして前記流体ポンプが、
    さらに、前記潜在的室が流体を満たされつつある間前記
    潜在的室から空気を抜くため前記吸込ポートと前記吐出
    ポートとの間において前記ハウジングの前記面に形成さ
    れた凹所を有することを特徴とする流体ポンプ。
14. 【請求項１４】 請求項１０に記載される流体ポンプに
    おいて、前記予決定された輪郭が実質的に半球形である
    ことを特徴とする流体ポンプ。
15. 【請求項１５】 請求項１０に記載される流体ポンプに
    おいて、前記膜が均一の厚さでありそして前記潜在的室
    内の流体と化学的に反応しないようにコーティングを施
    されることを特徴とする流体ポンプ。
16. 【請求項１６】 請求項１３に記載される流体ポンプで
    あって、さらに、前記吐出ポートと流体連通関係に結合
    された流体管と、前記潜在的室から前記流体管を通る流
    体の流れを制御するため前記流体管に連結された流れ絞
    りとを有することを特徴とする流体ポンプ。
17. 【請求項１７】 流体薬剤を患者に使用する方法であっ
    て：流体ポートを有するハウジングであって周縁部およ
    び前記周縁部によって包囲される予決定された輪郭を有
    する面を形成されたものを有する流体ポンプを用意する
    過程；エラストマーから成る膜であってそれを非線形弾
    性領域内に伸長しそして前記伸長された膜と前記ハウジ
    ングとの間に潜在的室をその内部に前記ポートを通じて
    流体を受容しそしてそれから前記ポートを通じて流体を
    前記膜の非線形収縮によって排出するために生じさせる
    ように前記輪郭面をおおって前記周縁部に結合されたも
    の；前記潜在的室を前記ポートを通じて満たす過程；前
    記ポートを患者と流体連通関係に結合する過程；及び前
    記膜が前記非線形弾性領域内に止どまっている間前記膜
    の非線形収縮によって流体を前記潜在的室から患者に対
    し排出する過程を有することを特徴とする流体薬剤を患
    者に使用する方法。
18. 【請求項１８】 請求項１７に記載される方法におい
    て、前記ポートが前記潜在的室を満たすための吸込ポー
    トを有しそして前記ポートがさらに前記潜在的室から流
    体を排出するための吐出ポートを有することを特徴とす
    る流体薬剤を患者に使用する方法。
19. 【請求項１９】 請求項１７に記載される方法におい
    て、前記膜が均一の厚さでありそして前記予決定された
    輪郭が実質的に半球形であることを特徴とする流体薬剤
    を患者に使用する方法。
20. 【請求項２０】 請求項１７に記載される方法におい
    て、前記流体ポンプがさらに前記吐出ポートと流体連通
    関係に結合された流体管と、前記潜在的室から前記流体
    管を通る流体の流れを制御するため前記流体管と連結さ
    れた流れ絞りとを有しそして前記方法がさらに前記潜在
    的室から前記流体管を通る流体の流れを制御するため前
    記流れ絞りを操作する過程を有することを特徴とする流
    体薬剤を患者に使用する方法。
21. 【請求項２１】 流体ポンプであって：輪郭面を有する
    ハウジング；前記流体ポンプの組立間にハウジングに取
    付けられそして非線形弾性領域内に輪郭面をおおって伸
    長されるエラストマーから成る膜；さらに非線形的に膜
    を伸長しそして膜と輪郭面との間に室を形成するために
    圧力下の流体を膜と輪郭面との間に導入するための吸込
    手段；及び膜によって発揮される圧力下で室から流体を
    排出するための吐出手段を有し、 それにより実質的に均一の流体圧力が前記膜の収縮間非
    線形的に伸長された膜によって流体に対し発揮されそし
    て残留圧力が流体の完全排出後輪郭面に対し膜によって
    発揮されることを特徴とする流体ポンプ。
22. 【請求項２２】 請求項２１に記載される流体ポンプに
    おいて、吸込手段が医療用注入器から流体を受け入れる
    ようにされた一方向弁を有することを特徴とする流体ポ
    ンプ。
23. 【請求項２３】 請求項２１に記載される流体ポンプに
    おいて、輪郭面が吐出手段内に空気を抜き出すための凹
    所を形成されることを特徴とする流体ポンプ。
24. 【請求項２４】 請求項２１に記載される流体ポンプに
    おいて、前記膜を非線形応力ひずみ領域内に転移させる
    ために必要な容積に実質的に等しい体積を包含する室を
    形成するように膜が伸長されることを特徴とする流体ポ
    ンプ。
25. 【請求項２５】 請求項２４に記載される流体ポンプに
    おいて、膜が約０．４２ｋｇ／ｃｍ² （６ｐｓｉｇ）の
    圧力を発揮するような材料、直径および厚さから形成さ
    れることを特徴とする流体ポンプ。