KR101127126B1 - 압전 작동 인퓨전펌프 - Google Patents

Abstract

약액을 자동으로 주입하는 장치로서 압전 액튜에이터를 구동원으로 하고 마이크로컴퓨터로 그 압전 액튜에이터의 구동을 제어하여 약액을 자동으로 조절 주입하는 압전작동 인퓨전펌프에 관하여 개시한다. 개시된 인퓨전펌프는 휴대가능한 하우징(10)에 압전 액튜에이터 모듈(20)이 내장되고 펌핑팩 조립체(30)를 교환가능하게 수용한다. 압전 액튜에이터는 마이크로컴퓨터로 제어되는 전계신호에 따라 펌핑백을 연동시키며, 펌핑백은 그 압전 액튜에이터에 의해 반복적으로 팽창 수축하여 약액을 연속적으로 펌핑한다. 이와 같이 압전 액튜에이터는 모터 사용을 배제하여 구조를 단순화하고 안정된 약액 주입을 가능하게 하여 그 신뢰성을 향상시키는데 효과적이다.

Description

압전 작동 인퓨전펌프{PIEZO-ELECTRIC ACTUATED INFUSION PUMP}

본 발명은 약액을 자동으로 주입하는 장치인 압전 작동 인퓨전펌프에 관한 것으로서, 특히 압전 액튜에이터를 구동원으로 하고 마이크로컴퓨터로 그 압전 액튜에이터의 구동을 제어하여 약액을 자동으로 조절 주입하기 위한 것이다.

진통제나 항암제 등 환자에 따라 일정시간 동안 소량으로 연속해서 투여될 필요가 있는 약액의 투여에는 자동으로 주입할 수 있는 기구가 쓰인다. 약액을 자동으로 주입할 수 있는 기구는 통상 시린지펌프(syringe pump)와 인퓨전펌프(infusion punp)로 불리는 두가지 형태가 있다.

시린지펌프는 약액이 충전된 주사기를 장착하여 그 주사기의 플런저를 기계적으로 가압하는 장치로서 주사기 1회분의 약액을 정해진 시간 동안 연속 주사할 수 있으며, 필요시 주사기를 교체하여 추가로 주사할 수 있다. 이것은 주사기 용량이 비교적 작고 주사기를 교체하는 동안에 약액 투여가 중단되므로 많은 양의 약액을 지속적으로 투여할 필요가 있는 환자에게 적합하지 않다. 또 이것은 환자와 떨어진 가까운 장소에 고정 거치한 상태되어야 하므로 거동이 가능한 환자에게는 매우 불편하였다.

본 발명의 주제와 같은 인퓨전펌프는 약액이 저장된 주머니나 병으로부터 공급되는 약액을 연속적으로 투여할 수 있으므로 많은 양의 약액을 장시간에 걸쳐 투여하는데 적합하고, 특히 환자가 휴대하여 거동할 수 있는 편리를 제공한다.

하기 특허문헌 1(대한민국 공개특허 10-1999-0070632)과 특허문헌 2(대한민국 등록특허 10-0261584)에 제안된 종래의 인퓨전펌프는 약액 주머니의 튜브를 직접 또는 별도의 연결용 튜브를 끼워서 지지할 수 있는 원호형 테를 가지고 있고, 그 원호형 테 안에서 간격을 두고 공전하게 배치되는 복수의 가압롤러와 이를 구동하는 모터를 구비한다. 모터를 구동하면 복수의 가압롤러가 공전하고, 각 가압롤러는 신축성 재질의 튜브를 가압하는데, 이때 인접하여 공전하는 2개의 가압롤러 사이의 튜브 내 약액이 가두어진 채 그 공전에 따라 인체 쪽으로 이송되어지고, 그같은 공전이 반복됨으로써 약액의 연속적 투여가 가능한 것이다.

하기 특허문헌 3(대한민국 등록특허 10-0580586)에 제안된 인퓨전펌프는 약액 주머니와 연결된 튜브를 일직선상으로 끼워서 지지할 수 있는 안내홈을 가지고 있고, 그 안내홈에 끼워진 튜브에 대해 비교적 촘촘한 간격을 두고 배치된 다수의 가압편과 이들 가압편을 차례로 연동시키기 위한 캠 그리고 캠을 구동하는 모터를 구비한다. 모터를 구동하면 캠이 회전하고, 캠이 1회전하는 동안 다수의 가압편이 차례로 연동하여 튜브를 가압함으로써 튜브 내 약액이 인체쪽으로 가압 이송되어지고, 그 캠의 회전이 반복됨으로써 약액의 연속적 투여가 가능한 것이다.

하기 특허문헌 4(대한민국 등록특허 10-0948632)에 제안된 인퓨전펌프는 본체와 이 본체에 탈착가능한 작동유니트로 이루어진다. 본체에는 모터와 이 모터의 동력을 전달하는 동축상에 결합된 두개의 구동축을 가진 기어장치가 장착된다. 작동유니트는 동일 축선상에 접하고 본체 측 두개의 구동축에 연결되어 각각 회전될 수 있는 2개의 회전체가 들어있고, 그 2개의 회전체와 케이싱 내벽 사이에 하나의 원환형 실린더가 형성되고, 각 회전체에는 실린더 내벽에 밀착하여 이동할 수 있는 플런저가 붙어 있으며, 그 실린더에는 약액 주머니의 튜브와 인체측 튜브를 각각 연결하여 약액을 유통시킬 수 있는 입구와 출구가 형성되어 있다. 모터를 구동하면 1회전 주기의 처음 300°구간은 동축상의 구동축 중 일측만 회전하고 타측은 회전하지 않은 상태로 유지되며, 다음 30°구간은 그 양측이 동시에 회전하며, 다음 300°구간은 일측은 정지하고 타측만 회전하며, 다음 나머지 30°구간은 양측이 동시에 회전한다. 상기 입구와 출구 사이의 중심각은 30°에 맞추어져 있고, 상기 각 플런저의 길이는 중심각 15°을 이룬다. 즉, 2개의 플런저는 상기 30°구간에서 서로 만나며 그 구간의 전단과 후단에서 상기 입구와 출구중 하나는 막으며, 후위에 위치한 플런저가 전위에 위치한 플런저가 300°구간을 이동함에 따라 그 플런저에 의해 막혀 있던 입구가 열리면서 약액이 실린더 내부로 유입되는 동시에 그 플런저 앞쪽에 있는 약액이 이미 열려있는 출구로 유출되며, 이러한 작용이 반복됨으로써 약액의 연속적 가능한 것이다. 이 인퓨저펌프는 상기 작동유니를 교환하여 재사용할 수 있다.

한편, 하기 특허문헌 3(대한민국 등록특허 10-0561728)와 4(대한민국 등록특허 10-0891245) 및 5(대한민국 등록특허 10-0930979)는, 본 발명의 주제인 약액용 인퓨전펌프는 아니지만, 압전소자를 이용하는 다양한 형태의 펌프 액튜에이터에 관하여 개시한다.

KR 10-1999-0070632 A (1999-09-15) KR 10-0261584 B1 (2000-04-19) KR 10-0580586 B1 (2006-05-09) KR 10-0948632 B1 (2010-03-12) KR 10-0561728 B1 (2006-03-09) KR 10-0891245 B1 (2009-03-24) KR 10-0930979 B1 (2009-12-02)

진통제나 항암제와 같이 전문의의 처방에 따라 조절된 양으로 장시간 투여되어야 하는 약액은 그 투여량 조절의 신뢰성 확보가 아주 중요하다.

전술한 특허문헌 1 내지 3에 제안된 종래의 인퓨전펌프는 비교적 구조가 간단하여 취급에 용이한 편이지만, 약액 튜브를 가압하여 마치 쥐어짜는 작동으로 약액을 펌핑하는 것이고, 약액 튜브의 재질과 구경 및 두께가 제조회사마다 다르기 때문에 모터의 동일 구동 속도에서 약액 주입량 조절에 오차가 발생할 수 있고, 특히 반복적인 가압과 수축으로 약액 튜브가 손상되어 약액이 누출되거나 오염될 수 있는 등 치명적 사고를 일으킬 수 있는 위험성을 내재하고 있다.

반면 전술한 특허문헌 4의 제안된 종래의 인퓨전펌프는 구조적으로 본체와 작동유니트 모두 정밀도가 높은 제품으로 고가인데다, 본체의 재사용시 작동유니트를 교체하여야 하므로 유지비가 많이 들며, 특히 작동 유니트를 교환 장착할 때 그 유니트 내 각 부품의 초기 위치가 어긋나 오동작을 일으킬 수 있고, 또한 본체 내 기어장치의 조립공차, 마모, 백래시 등 불량과 고장요인이 많아 이 역시 신뢰성이 크게 떨어지는 것이다.

이와 같은 종래에 제안된 인퓨전펌프들의 문제점은 구동원으로서 모터를 사용하는데 그 원인이 있다. 즉, 모터는 그 회전동력의 감속과 전달 또는 직선운동으로의 변환 등을 위해 복잡한 기어트레인(gear train)이나 캠을 수반하므로 구조를 복잡하게 만들고, 그 기어트레인이나 캠의 조립공차 증가와 마모로 인한 고장, 그리고 백래쉬나 외부 충격 등에 의한 오동작을 일으키게 하는 주 요인으로 작용하는 것이다.

본 발명자는 상기 문제점들을 일거에 해결하기 위해 모터 사용을 배제하고, 압전소자로 약액을 펌핑하고 마이크로컴퓨터로 그 압전 소자의 구동을 제어하여 안정적인 약액량 조절과 주입이 가능한 압전 작동형 인퓨전펌프를 제공하려는 것이다.

참고로, 상기 특허문헌 5 내지 7에는 압전 소자를 펌프 용도로 응용한 다양한 형태의 압전 액튜에이터가 개시되어 있으나, 이들 모두 압전 액튜에이터가 유로 내에 설치되어 유체와 직접 접촉하는 구조여서 약액 주입용으로 재사용이 불가하여 약액용 인퓨전펌프로서는 적합하지 않았다.

따라서 본 발명자는 약액 주입용으로 재사용가능한 새로운 구조의 압전 액튜에이터를 창안하여 이를 채용한, 이른 바 압전 작동 인퓨전펌프 개발에 성공하였다.

상기 목적을 달성하는 본 발명에 따른 압전 작동 인퓨전펌프는, 약액이 저장된 약액주머니, 약액을 펌핑하기 위한 펌핑백, 약액이 약액주머니로부터 펌핑백으로 그리고 그 펌핑백으로부터 외부로 흐르는 것을 허용하고 그 역류를 차단하는 밸브수단, 전계신호에 따라 상기 펌핑백을 신축시키는 압전 액튜에이터, 그 전계신호의 주기와 크기를 조절하여 그 압전 액튜에이터의 구동을 제어하는 제어회로를 구비한다.

바람직하게는, 상기한 약액주머니와 펌핑백 및 밸브수단이 튜브로 연결되어 그 튜브를 통해 외부 기기와 연결가능한 하나의 조립체로서 제공되고, 상기 압전 액튜에이터와 제어회로가 고정 장착되고 상기 조립체를 수용할 수 있는 공간부가 마련되며 이 공간부를 개폐시킬 수 있는 덮개가 있는 휴대가능한 하우징이 구비되고, 상기 조립체의 펌핑백에 압전 액튜에이터와 분리가능하게 연결할 수 있는 클립이 부착되어, 상기 조립체를 교환할 수 있는 휴대가능한 장치로서 제공될 수 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 제어회로와 접속하여 외부에서 조작할 수 있는 볼러스 스위치(bolus switch)가 구비되고, 그 제어회로가 그 볼러스 스위치의 조작시 상기 압전 액튜에이터의 구동 속도를 증가시켜 약액 투여량을 일시적으로 증가시키는 제어 기능을 포함하게 할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 압전 작동 인퓨전펌프는, 종래와 달리 구동원으로서 압전 액튜에이터를 이용하는 것이며, 특히 그 압전 액튜에이터가 약액과는 직접 접촉하지 않고 펌핑백을 연동시켜 펌핑하는 형태로 되어 재사용시 압전 액튜에이터는 교체하지 않고 펌핑백 등 만을 교체할 수 있는 것이다.

이와 같은 압전 액튜에이터는 종래의 모터 사용을 배제하여 구조가 헐씬 간단하고 고장이 작고 저렴하며, 특히 마이크로컴퓨터로 정밀하고 일정한 특성으로 제어가 가능하여 인퓨전펌프의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압전작동 인퓨전 펌프의 외관을 보인 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 압전작동 인퓨전 펌프의 덮개 부분을 열어 그 안쪽이 보이게 한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 압전작동 인퓨전 펌프의 내부 구조를 보인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 압전작동 인퓨전 펌프의 하우징 내에 고정 설치되는 압전 액튜에이터 모듈과 그 하우징에 교환가능하게 수용될 수 있는 펌핑백 조립체를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 압전 액튜에이터 모듈과 펌핑백 조립체의 연결 상태를 보인 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 압전작동 인퓨전 펌프에 구비되는 압전 액튜에이터의 바람직한 적층 구조와 그 전기 배선 형태를 보인 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 압전 액튜에이터 동작을 나타낸 모식도로, (가)는 비반전 전계신호 입력시의 동작을, (나)는 반전 전계신호 입력시의 동작을 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 압전 작동 인퓨전 펌프에 구비되는 압전 액튜에이터의 바람직한 형태의 제어회로 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 발명에 따른 압전작동 인퓨전펌프에 관하여 상술한다. 첨부된 도면은 어디까지나 본 발명의 이해를 돕기 위하여 그 바람직한 실시 형태 중 하나를 예시한 것일 뿐, 일부 구성 요소가 과장되거나 생략되는 등 실제와는 차이가 있을 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면 본 발명에 압전작동 인퓨전펌프는 휴대가능한 구조의 하우징(10)을 구비한다. 하우징(10) 전면에는 표시소자(11)의 화면을 노출시키는 창(11)이 형성되고 사용자의 입력 조작을 위한 복수의 버튼(12)이 배치된다. 하우징(10)의 전면 하단부 일부는 덮개(13)로서 구획되었다. 덮개(13)는 힌지부(14)를 중심으로 회전 개폐가능하다(도 2 및 도 3 참조). 하우징(10)의 고리부(15)는 별도의 도시하지 않은 목걸이 줄을 메달기 위한 것이다. 하우징(10) 측면에는 도 2에 나타난 바와 같이 플러그 잭(plug jack; 16)이 있는데, 후술하는 볼러스 스위치(bolus switch) 접속을 위한 것이다. 여기서 복수의 버튼(12)에는 작동 개시와 정지를 위한 것과 동작 시간과 펌핑되는 약액량 등 설정 값을 입력하고 변경할 수 있는 방향키, 그리고 설정값을 초기화할 수 있는 리셋키 등이 포함될 수 있다.

하우징(1) 내부에는 도 3에 나타난 바와 같이 전술한 표시소자(11)와 버튼(12)을 포함하여 후술하는 제어회로(40)의 각 부품이 실장된 회로기판(18)과 전원으로서의 배터리(19)와 압전 액튜에이터 모듈(20)이 고정 장착되어 있다. 하우징(10) 내부에는 또한 상기 덮개(13)를 통해 개폐되는 공간부(부호 없음)가 있으며, 그 공간부에 별도로 제공되는 펌핑백 조립체(30)가 수용되며 교환가능하다. 또한 도면으로 별도 예시하지는 않았으나, 하우징(10)은 상기 배터리(19)를 교환할 수 있는 구조로 되는 것이다.

도 4를 참조하면, 압전 액튜에이터 모듈(20)은 전술한 하우징(10) 내에 고정 장착되는 브래킷(21)에 지지부(22)를 형성하여, 그 지지부(22)에 한 쌍의 압전 액튜에이터(23)를 간격을 두고 설치하여 된다. 한편 펌핑백 조립체(30)는 약액이 저장되는 약액주머니(31)와 펌핑백(33)을 약액 튜브(33)의 분기관(34)으로 연결하고, 그 분기관(34) 전후에 체크밸브(35a,35b)을 설치하고, 또한 상기 한 쌍의 압전 액튜에이터(23)와의 연결을 위한 한 쌍의 클립(36)을 펌핑백(33) 양면에 각각 고정 부착하여 된다. 이 펌핑백 조립체(30)는 약액 튜브(33)가 전술한 하우징(10)의 공간부 바닥에 형성되는 지지구(17)에 끼워지게 함으로써 안정적으로 하우징(10)에 수납 고정되며, 그 약액 튜브(33)의 단부가 하우징(10) 측면으로 돌출됨으로써 외부의 도시하지 않은 인체측 주사 기구와 연결될 수 있다(도 2 참조).

도 5를 참조하면, 압전 액튜에이터 모듈(20)의 한 쌍의 압전 액튜에이터(23) 사이로 펌핑백 조립체(30)의 펌핑백(32)이 삽입되면서, 그 펌핑팩(32) 양면에 부착된 한 쌍의 클립(36)에 의해 그 한 쌍의 압전 액튜에이터(23)와 펌핑백(33)이 연동가능하게 연결된다.

도 6을 참조하면, 한 쌍의 압전 액튜에이터(23)는 동일한 판상의 적층 구조로서 각각 도전성이며 탄성체인 금속판(24), 이 금속판(24)의 양면에 박막 처리된 압전소자(25), 압전소자(25) 표면에 처리된 도전막(26)으로 이루어지고, 그 금속판(24)의 양 단부가 별도의 절연지지체(27)에 끼워지고 그 절연지지체(27)가 전술한 브래킷(21)의 지지부(22)에 끼워짐으로써, 그 길이방향으로 늘어나는 변형이 억제되고 두께방향으로의 변형을 허용되어 도 7에 보인 바와 같이 위로 또는 아래로 볼록 형태로 변형되도록 작동하는 것이다. 한 쌍의 압전 액튜에이터(23)가 서로 반대방향으로 작동하도록, 그 한 쌍 중 일측의 금속판(24)과 도전막(26)이 제어회로(40)의 비반전 출력단자(+)와 반전 출력단자(-)에 접속되고, 타측은 일측과 역상으로 접속된다.

이와 같이 접속되는 한 쌍의 압전 액튜에이터(23)는 제어회로부터 출력되는 전계신호의 비반전 위상 구간에서 도 7의 (가)에 나타낸 바와 같이 각각 상하 양측으로 휘어져 그 사이 간격이 넓어지는 형태로 변형되고, 이때 그 사이에 개재된 펌핑백(32)은 팽창되어 일측 체크밸브(35a)를 통해 유입되는 약액으로 충전된다. 반면, 상기 전게신호의 위상이 반전되면 도 7의 (나)에 나타낸 바와 같이 한 쌍의 압전 액튜에이터(23)가 각각 안쪽으로 휘어져 그 사이 간격이 좁아지는 형태로 변형되고, 이때 펌핑백(32)이 수축되고, 그 수축하는 펌핑백(32)에 충전 저장되어 있던 약액은 타측 체크밸브(35b)를 통해 외부로 유출된다. 이러한 동작은 상기 전계신호의 주기에 따라 반복되므로 약액을 연속적으로 펌핑할 수 있는 것이다.

다음 도 8은 전술한 제어회로의 바람직한 형태의 블록도이다. 이 제어회로는 전술한 배터리(19), 예를 들면 DC 9V의 알칼라인 전지를 전원으로 사용하며, 제어부(41), 전원부(42), 키입력부(43), 표시부(44), 승압부(45), 구동부(46)로 이루어진다. 제어부(41)는 마이크로컴퓨터의 처리기구를 이용하여 키입력부(43)를 통해 입력되는 조건에 따라 미리 저장된 프로그램을 운용하여 각 부를 제어한다. 전원부(42)는 배터리(19) 전원으로부터 제어부(41) 등 회로 각부에 필요한 전력을 공급하고 관리하기 위한 것으로, 예컨대 잘 알려진 PMIC(power management IC)를 사용할 수 있다. 키입력부(43)는 전술한 복수의 버튼(12)과 별도 접속되는 볼러스 스위치(50)의 조작에 따른 조건에 관한 정보를 제어부(41)에 입력한다. 표시부(44)는 제어회로(41)의 명령에 따라 동작 정보를 실시간으로 출력하여 전술한 표시소자의 화면에 표시한다. 승압부(45)는 배터리(19)의 전원 전압을 압전 소자 구동에 요구되는 전압으로 승압하기 위한 것으로서, 예컨대 잘 알려진 부스터(booster)와 플라백 컨버터(flyback converter)를 사용할 수 있다. 구동부(46)는 제어부(41)의 명령에 따라 승압부(45)를 통해 인가되는 전압으로부터 조절된 주기와 크기의 전술한 전계신호를 출력하여 한 쌍의 압전 액튜에이터(23)를 구동하기 위한 것으로, 예컨대 잘 알려진 발진기와 브리지회로를 이용한다. 이와 같은 제어회로의 각 부는 이미 압전 소자를 구동하는 분야에서 잘 알려져 있고, 또 쉽게 구현될 수 있는 것이므로 더 이상의 구체적인 설명은 편의상 생략한다.

이상의 실시예에 있어서, 상기 압전 액튜에이터는 한 쌍이 아닌 한 개로도 가능하며, 압전소자가 금속판 일측에만 형성되거나 다층으로 형성되어도 무방하며, 이에 따라 그 압전 액튜에이터 모듈이나 펌핑백 조립체 등의 형태를 적절히 변경할 수 있음은 물론이다. 또한 압전 액튜에이터 구동을 위한 전계신호로서 직류신호의 펄스파형을 예시하였으나 사인파 등의 교류신호도 가능하며, 이에 따라 제어회로도 적절히 변경할 수 있는 것이다.

10: 하우징
11: 표시기
12: 버튼
13: 덮개
16: 플러그 잭
19: 배터리
20: 압전 액튜에이터 모듈
23: 압전 액튜에이터
30: 펌핑백 조립체
31: 약액주머니
32: 펌핑백
35a,35b: 체크밸브
36: 클립
40: 제어회로
50: 볼러스 스위치

Claims (3)

1. 약액이 저장된 약액주머니, 약액을 펌핑하기 위한 펌핑백, 약액이 약액주머니로부터 펌핑백으로 그리고 그 펌핑백으로부터 외부로 흐르는 것을 허용하고 그 역류를 차단하는 밸브수단, 전계신호에 따라 상기 펌핑백을 신축시키는 압전 액튜에이터, 그 전계신호의 주기와 크기를 조절하여 그 압전 액튜에이터의 구동을 제어하는 제어회로가 구비된 것을 특징으로 하는 압전 작동 인퓨전펌프.
2. 청구항 1에 있어서, 상기한 약액주머니와 펌핑백 및 밸브수단이 튜브로 연결되어 그 튜브를 통해 외부 기기와 연결가능한 하나의 조립체로서 제공되고, 상기 압전 액튜에이터와 제어회로를 고정 장착하고 상기 펌핑백 조립체를 수용할 수 있는 공간부가 마련되며 이 공간부를 개폐시킬 수 있는 덮개가 있는 휴대가능한 하우징이 구비되고, 상기 조립체의 펌핑백에 압전액튜에이터와 분리가능하게 연결할 수 있는 클립이 부착되어, 상기 조립체를 교환할 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 압전 작동 인퓨전펌프.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 제어회로와 접속하여 외부에서 조작할 수 있는 볼러스 스위치가 구비되고, 그 제어회로가 그 볼러스 스위치의 조작시 상기 압전 액튜에이터의 구동 속도를 증가시켜 약액 투여량을 일시적으로 늘어나게 하는 제어 기능을 포함하도록 구성된 것을 특징으로 하는 압전 작동 인퓨전펌프.

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