DE60127183T2 - Implantierbare therapeutische stoffe abgebende vorrichtung mit einer permanent-magnet-solenoid-pumpe - Google Patents

Implantierbare therapeutische stoffe abgebende vorrichtung mit einer permanent-magnet-solenoid-pumpe Download PDF

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    • A61M5/14212—Pumping with an aspiration and an expulsion action
    • A61M5/14216—Reciprocating piston type

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Offenbarung bezieht sich auf eine medizinische Vorrichtung und insbesondere auf eine implantierbare Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz mit einer kolbenbetätigten Pumpe.
  • Die Industrie für medizinische Vorrichtungen produziert eine große Vielfalt elektronischer und mechanischer Vorrichtungen zum Behandeln medizinischer Zustände von Patienten, wie z. B. Schrittmacher, Defibrillatoren, Neurostimulatoren und Abgabepumpen für therapeutische Substanzen. Die medizinischen Vorrichtungen können so konfiguriert sein, dass sie chirurgisch implantiert oder extern mit dem Patienten, der die Behandlung empfängt, verbunden werden. Die Kliniker verwenden die medizinischen Vorrichtungen allein oder in Kombination mit Therapien mit therapeutischen Substanzen und der Chirurgie, um die medizinischen Zustände von Patienten zu behandeln. Für einige medizinische Zustände schaffen die medizinischen Vorrichtungen die beste und manchmal die einzige Therapie, um für eine Person einen gesünderen Zustand und ein erfüllteres Leben wiederherzustellen. Implantierbare Abgabepumpen für Arzneimittel können verwendet werden, um Zustände wie z. B. Schmerzen, Spastik, Krebs und eine umfassende Vielfalt anderer medizinischer Zustände zu behandeln.
  • Eine implantierbare Abgabepumpe für Arzneimittel wird durch einen Kliniker an einem Ort, der für die Therapie geeignet ist und der sowenig wie es praktikabel ist die Patientenaktivität stört, wie z. B. subkutan im unteren Bauch, in einem Patienten implantiert. Typischerweise ist ein Arzneimittelabgabekatheter mit dem Auslass der Arzneimittelpumpe verbunden und implantiert, um das Arzneimittel, das Infusat oder eine andere therapeutische Substanz mit einer programmierten Infusionsrate und an einem vorgegebenen Ort zu infundieren, um den medizinischen Zustand zu behandeln. Der zuverlässige und genaue Betrieb der Arzneimittelpumpe ist wichtig, weil sowohl eine unangemessene als auch eine unbeabsichtigte Abgabe einer therapeutischen Substanz Patientenkomplikationen erzeugen kann. Viele Arzneimittelpumpen sind so konfiguriert, dass die Pumpe durch eine Nachfüllöffnung oder ein Nachfüllseptum wieder mit dem Arzneimittel aufgefüllt werden kann, während die Pumpe implantiert ist, deshalb kann die Zeitdauer, die die Pumpe implantiert sein kann, nicht durch die Arzneimittelkapazität begrenzt sein. In elektrisch betriebenen implantierbaren Arzneimittelpumpen ist die Zeitdauer, die die Pumpe implementiert sein kann, oft durch Faktoren, wie z. B. den Batterieverbrauch, die Beschädigung durch Korrosion und den mechanischen Verschleiß, begrenzt. Die relativ große Größe einiger implantierbarer Arzneimittelpumpen kann die Orte begrenzen, an denen die Vorrichtung in einem Patienten implantiert werden kann. Ein Beispiel einer implantierbaren Arzneimittelpumpe ist in Medtronic, Inc., "SynchroMed® Infusion System", Produktbroschüre (1995), gezeigt. Implantierbare Arzneimittelpumpen können eine Vielfalt von Pumpmechanismen, wie z. B. eine Kolbenpumpe, eine Drehflügelpumpe, eine osmotische Pumpe, eine Pumpe mikroelektromechanischer Systeme (MEMS-Pumpe), eine Membranpumpe, eine peristaltische Pumpe und eine Solenoid-Kolbenpumpe verwenden, um ein Arzneimittel in einen Patienten zu infundieren.
  • Peristaltische Pumpen arbeiten typischerweise mit einem batteriebetriebenen Elektromotor, der peristaltische Walzen über ein flexibles Rohr antreibt, dessen eines Ende mit einem Reservoir für die therapeutische Substanz verbunden ist, während das andere Ende mit einem Infusionsauslass verbunden ist, um die therapeutische Substanz aus dem Reservoir für die therapeutische Substanz durch den Infusionsauslass zu pumpen. Eine implantierbare peristaltische Pumpe verbraucht typischerweise Energie von etwa 6 Joule pro Milliliter (6 J/ml) des gepumpten Fluids. Peristaltische Pumpen sind typischerweise bezüglich der elektrischen Energieeingabe und der Fluidarbeitsausgabe etwa 3 % effizient. In einer implantierbaren Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz, die eine peristaltische Pumpe aufweist, ist die peristaltische Pumpe typischerweise eine der größten Komponenten in der Vorrichtung, wobei sie 90 % oder mehr der verfügbaren Batterieenergie verbrauchen kann. Das in einer peristaltischen Pumpe verwendete flexible Rohr ist typischerweise für einige Komponenten der therapeutischen Substanz, wie z. B. Wasser, durchlässig, die dann in das hermetisch abgedichtete Gehäuse infiltrieren und eine Korrosion verursachen können. Außerdem kann sich das flexible Rohr ausdehnen, was zu einer verringerten Genauigkeit führt.
  • Die Solenoid-Kolbenpumpen, wie z. B. Solenoid-Pumpen mit variabler Reluktanz und Permanentmagnet-Solenoid-Pumpen, können im Vergleich zu den peristaltischen Pumpen Nachteile aufweisen, wie z. B. höheren Energieverbrauch, die Schwierigkeit mit hindurchgehender Luft, die Schwierigkeit mit der Ventilabdichtung und die Schwierigkeit mit der Kompatibilität des Materials mit der therapeutischen Substanz. Der Energieverbrauch einer Reluktanz-Solenoid-Pumpe kann infolge der Pumpenkonstruktion und der nichtlinearen Kolbenkraft relativ hoch sein. Die Reluktanz-Solenoid-Pumpen können mit einem großen Polschuh konstruiert sein, der einen Energieverlust des Fluids verursachen kann. Die nichtlineare Kolbenkraft einer Reluktanz-Solenoid-Pumpe, die verursacht wird, wenn sich die Kolbenkraft vergrößert, wie die Pole den Spalt schließen, kann außerdem den Wirkungsgrad des Pumpens verringern. Für Solenoid-Pumpen kann hindurchgehende Luft infolge der großen Totvolumina, die durch die Ventilgeometrien erzeugt werden, schwierig sein. Das Abdichten der Ventile kann schwierig sein, weil sich passiv betätigte Ventile unter einigen Umständen unbeabsichtigt öffnen können, was Sicherheitsbedenken hervorruft. Die Kompatibilität des Materials mit der therapeutischen Substanz kann in einigen Solenoid-Pumpen infolge der Pumpkomponenten, die sich mit der therapeutischen Substanz in Kontakt befinden, schwierig zu erreichen sein. Beispiele früherer Solenoid-Pumpen sind im US-Patent Nr. 4.883.467, "Reciprocating Pump For An Implantable Medication Dosage Device", an Franetzki u. a. (28. November 1989) und im US-Patent Nr. 4,569,641, "Low Power Electromagnetic Pump", an Falk u. a. (11. Februar 1986) gezeigt. Ein Beispiel einer Permanentmagnetpumpe, die zum Pumpen von Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser oder Kerosin, konfiguriert ist, ist im US-Patent Nr. 5.472.323, "Moveable Magnet Type Pump", an Hirabayashi u. a. (5. Dezember 1995) gezeigt.
  • US 5.462.525 beschreibt einen Strömungssensor für eine Infusionspumpe.
  • US 4.437.815 beschreibt eine Pumpe und eine Vorrichtung, die die Pumpe enthält, zum Infundieren flüssiger Medizin.
  • Aus den vorangehenden Gründen gibt es einen Bedarf an einer Permanentmagnetpumpe für eine implantierbare Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz, die energieeffizient, klein und mit den therapeutischen Substanzen kompatibel ist und viele andere Verbesserungen aufweist.
  • Die Erfindung schafft eine Abgabevorrichtung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist.
  • Eine Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe für eine Ausführungsform einer implantierbaren Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz ist energieeffizient, genau, klein und mit den therapeutischen Substanzen kompatibel und besitzt viele andere Verbesserungen. Viele Ausführungsformen der Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe und ihrer Betriebsverfahren sind möglich.
  • Nun werden bevorzugte Ausführungsformen lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 zeigt die Umgebung einer Ausführungsform einer implantierbaren Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz;
  • 2 zeigt eine Ausführungsform einer implantierbaren Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz mit einem Katheter;
  • 3 zeigt eine Ausführungsform einer implantierbaren Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz;
  • 4 zeigt die implantierbare Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz nach 3, wobei ein Abschnitt eines Gehäuses entfernt ist;
  • 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer implantierbaren Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz, die ein separates Reservoir für die therapeutische Substanz besitzt;
  • 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer implantierbaren Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz, die ein separates Reservoir für die therapeutische Substanz besitzt;
  • 6 zeigt die implantierbare Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz nach 5, wobei ein Abschnitt eines Gehäuses entfernt ist;
  • 7 zeigt eine Ausführungsform einer Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe;
  • 8 zeigt eine Explosionsansicht der Ausführungsform der Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe nach 7;
  • 9 zeigt eine Explosionsansicht eines Pumpenkolbens für eine dreispulige Ausführungsform einer Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe;
  • 10 zeigt eine isometrische Querschnittsansicht eines Pumpenkolbens für eine dreispulige Ausführungsform einer Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe;
  • 11 zeigt eine Querschnittsansicht eines Pumpenkolbens für eine dreispulige Ausführungsform einer Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe;
  • 12 zeigt eine isometrische Querschnittsansicht einer zweispuligen Ausführungsform einer Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe;
  • 13 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweispuligen Ausführungsform einer Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe;
  • 14a und 14b zeigen einen Pumpenkolben mit alternativen Ausführungsformen des Kolbenfluidpfades;
  • 15 zeigt eine Ausführungsform eines Auslassventils;
  • 16 zeigt ein Schema einer Ausführungsform einer zweispuligen Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe;
  • 17 zeigt ein Schema einer Ausführungsform einer zweispuligen Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe mit Permanentmagnet-Polschuhen;
  • 18 zeigt ein Schema einer Ausführungsform einer dreispuligen Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe;
  • 19 zeigt ein Schema einer Ausführungsform einer dreispuligen Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe mit Permanentmagnet-Polschuhen; und
  • 20 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Betreiben der Ausführungsform einer Permanentmagnet-Solenoid-Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt die Umgebung einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung, die als eine implantierbare Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz bekannt ist und die außerdem als eine Arzneimittelpumpe bekannt ist, die eine Ausführungsform einer Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe aufweist. Die Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz kann für eine umfassende Vielfalt von Therapien wie z. B. Schmerzen, Spastik, Krebs und eine viele andere medizinische Zustände verwendet werden. Die implantierbare Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz wird typischerweise durch einen Kliniker, wie z. B. einen Chirurgen, in einer sterilen chirurgi schen Prozedur implantiert, die unter lokaler, regionaler oder allgemeiner Anästhesie ausgeführt wird. Vor dem Implantieren der Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz wird typischerweise ein Katheter 32 implantiert, wobei sich die Position seines distalen Endes an der gewünschten Abgabestelle 34 der therapeutischen Substanz befindet, während das proximale Ende zu dem Ort getunnelt ist, wo die Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz implantiert werden soll. Das Katheter 32 und die Abgabestelle der therapeutischen Substanz können während der Infusion einen Gegendruck erzeugen, der als der Infusionsstellendruck bekannt ist, den die Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz überwindet, um die therapeutische Substanz 36 an der Infusionsstelle abzugeben. Die implantierbare Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz wird im Allgemeinen subkutan etwa 2,5 cm (1,0 Zoll) unter der Haut implantiert, wo es ausreichend subkutanes Gewebe gibt, um das implantierte System zu unterstützen. Sobald die Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz subkutan im Patienten implantiert ist, kann die Inzision durch eine Naht geschlossen werden, wobei die Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz den Betrieb beginnen kann.
  • Die Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz arbeitet, um eine therapeutische Substanz 36 mit einer programmierten Rate in einen Patienten 38 zu infundieren. Die therapeutische Substanz 36 ist ein Produkt oder eine Substanz, die vorgesehen ist, damit sie eine therapeutische Wirkung besitzt, wie z. B. pharmazeutische Zusammensetzungen, genetische Materialien, biologische Präparate und andere Substanzen. Die pharmazeutischen Zusammensetzungen sind chemische Formulierungen, die vorgesehen sind, damit sie eine therapeutische Wirkung besitzen, wie z. B. intrathekale Spasmolytika, Schmerzmedikationen, chemotherapeutische Wirkstoffe und dergleichen. Die pharmazeutischen Zusammensetzungen sind oft so konfiguriert, dass sie in einer implantierten Umgebung mit Eigenschaften, wie z. B. Stabilität bei Körpertemperatur, um die therapeutischen Qualitäten beizubehalten, Konzentration, um die Häufigkeit des Auffüllens zu verringern, und dergleichen, arbeiten. Die genetischen Materialien sind Substanzen, die vorgesehen sind, damit sie eine direkte oder indirekte genetische therapeutische Wirkung besitzen, wie z. B. genetische Vektoren, genetische Regulatorelemente, genetische Strukturelemente, DNS und dergleichen. Biologische Präparate sind Substanzen, die lebende Materie sind oder aus lebender Materie abgeleitet sind, die vorgesehen sind, damit sie eine therapeutische Wirkung besitzen, wie z. B. Stammzellen, Thrombozyten, Hormone, biologisch erzeugte Chemikalien und dergleichen. Andere Substanzen sind Substanzen, die vorgesehen sind, damit sie eine therapeutische Wirkung besitzen, jedoch nicht klassifiziert sind, wie z. B. Kochsalzlösung, Fluoreszenzwirkstoffe und dergleichen.
  • Die therapeutische Substanz 36 kann in einigen Ausführungsformen der implantierten Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz aufgefüllt werden, indem eine Non-Coring-Nadel, die mit einer mit der therapeutischen Substanz 36 gefüllten Spritze verbunden ist, durch die Haut des Patienten in ein Septum 40 an der Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz gesteckt wird, um die implantierte Vorrichtung zu füllen. Falls die Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz auf Grund von Zuständen, wie z. B. die Entleerung der Batterie oder anderer Zustände, die Ersetzung erfordert, wird in der Nähe der implantierten Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz eine Inzision ausgeführt, wobei die alte Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz entfernt wird, was außerdem als Explantieren bekannt ist. Nachdem die alte Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz explantiert worden ist, wird dann typischerweise eine neue Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz implantiert.
  • Die 3–6 zeigen Ansichten von Ausführungsformen der Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz. Eine implantierbare Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz mit einer Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe umfasst ein Gehäuse 41, ein Reservoir 42 für die therapeutische Substanz, eine Energiequelle 44, die Elektronik 46 und eine Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe 48. Typischerweise sind die Komponenten der Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz in einem einzigen Gehäuse 41 angeordnet, die z. B. in den 3 und 4 gezeigt ist, das aus einem Material hergestellt ist, das biokompatibel und hermetisch abgedichtet ist, wie z. B. Titan, Tantal, rostfreier Stahl, Kunststoff, Keramik und dergleichen. Die Komponenten der Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz können außerdem in mehr als einem Gehäuse 41 angeordnet sein, wie z. B. in den 5 und 6 gezeigt ist, die geeignet verbunden sind. Das Reservoir 42 für die therapeutische Substanz kann innerhalb des Gehäuses 41 angeordnet sein oder kann vom Ge häuse 41 mit einer Fluidkopplung, wie z. B. einem Rohr zwischen dem Reservoir 41 und dem Gehäuse 41, getrennt sein. Das Reservoir 42 für die therapeutische Substanz ist so konfiguriert, dass es eine therapeutische Substanz 36 enthält, wobei es Geometrien, wie z. B. einen Metallbalg, eine Polyomer-Beutel und dergleichen, verwenden kann. Das Reservoir 42 für die therapeutische Substanz besitzt einen Reservoirauslass 52 und kann ein Septum 40 zum Nachfüllen des Reservoirs 42 besitzen.
  • Die Energiequelle 44 ist im Gehäuse 41 angeordnet. Die Energiequelle 44 ist so ausgewählt, dass sie die Solenoid-Pumpe 48 und die Elektronik 46 betreibt, wie z. B. eine Lithiumionenbatterie (Li+-Batterie), ein Kondensator und dergleichen. Die Elektronik 46 ist mit der Energiequelle 44 verbunden, wobei sie typischerweise einen Speicher und eine Steuereinheit enthält. Die Steuereinheit kann eine Zustandmaschine mit einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC-Zustandmaschine) oder eine Gatteranordnung sein oder sie kann einen Mikroprozessor enthalten. Die Elektronik 46 ist so konfiguriert, dass sie die Infusionsrate der Solenoid-Pumpe 48 steuert, wobei sie so konfiguriert sein kann, dass sie viele andere Merkmale bewirkt, wie z. B. Patientenalarme und dergleichen. Die Elektronik 46 kann außerdem eine Telemetrie-Schaltungsanordnung enthalten, die so konfiguriert ist, dass sie die Informationen empfängt und sendet, wenn die Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz implantiert ist, um die Programmierung der Infusionsrate zu erlauben. Die Solenoid-Pumpe 48 ist mit der Elektronik 46 und mit dem Auslass 52 des Reservoirs für die therapeutische Substanz verbunden und so konfigu riert, dass sie die therapeutische Substanz vom Reservoir 42 für die therapeutische Substanz mit einer programmierten Rate durch einen Infusionsauslass 54 pumpt.
  • Die 7–11 zeigen eine dreispulige Ausführungsform der Solenoid-Pumpe. Die Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe 48 umfasst einen Pumpenzylinder 56, einen Pumpenkolben 58, ein Vorspannelement 60, ein Einlassventil 62, ein Auslassventil 64, einen Permanentmagneten 66, eine erste Spule 68 und eine zweite Spule 70. Die Solenoid-Pumpe 48 ist mit der Elektronik 46, dem Auslass 52 des Reservoirs für die therapeutische Substanz und dem Infusionsauslass 54 verbunden. Die Solenoid-Pumpe 48 ist so konfiguriert, dass sie die therapeutische Substanz 36 mit einer programmierten Rate durch einen Infusionsauslass 54 aus dem Reservoir 42 pumpt.
  • Der Pumpenzylinder 56 besitzt eine Einlassabdeckung 72, eine Auslassabdeckung 74, einen Einlass 76 für die therapeutische Substanz und einen Infusionsauslass 54. Die Einlassabdeckung 72 überführt den Pumpenzylinder 56 zum Einlass 76 für die therapeutische Substanz. Die Auslassabdeckung 74 überführt den Pumpenzylinder 56 zum Infusionsauslass 54. Der Einlass 76 für die therapeutische Substanz ist mit einem Auslass 52 des Reservoirs für die therapeutische Substanz und mit der Einlassabdeckung 72 des Pumpenzylinders 56 verbunden. Einige Ausführungsformen können eine Kolbendichtung 78 enthalten, die zwischen dem Pumpenzylinder 56 und dem Pumpenkolben 58 angeordnet ist, um die Strömung der therapeutischen Substanz 36 zwischen dem Pumpenkolben 58 und dem Pumpenzylinder 56 zu verringern und andere Funktionen bereitzustellen. Die Kolbendichtung 78 kann so konfiguriert sein, dass sie als eine Führung für das Vorspannelement 60 dient und den Pumpenkolben 58 am Ende des Zurückziehens des Pumpenkolbens 58 für den Ansaughub dämpft. Die Kolbendichtung 78 ist aus einem elastischen Material mit guten Dichtungsqualitäten, wie z. B. synthetischem Gummi, PTFE, Silikon und dergleichen, hergestellt.
  • Der Pumpenkolben 58 ist innerhalb des Pumpenzylinders 56 beweglich und weist ein Kolbeneinlassende 80, ein Kolbenauslassende 82 und einen Kolbenfluidpfad 84 auf. Der Pumpenkolben 58 bildet zwischen dem Pumpenkolben 58 und der Einlassabdeckung 72 eine Einlasskammer 86 und zwischen dem Pumpenkolben 58 und der Auslassabdeckung 74 eine Pumpenkammer 88. Die Einlasskammer 86 enthält die therapeutische Substanz 36, die verdrängt wird, wenn der Pumpenkolben 58 zurückgezogen wird. Die Pumpenkammer 88 enthält die therapeutische Substanz 36, die verdrängt wird, wenn der Pumpenkolben 58 betätigt wird. Der Kolbenfluidpfad 84 ist so konfiguriert, dass er eine Fluidverbindung zwischen der Einlasskammer 86 und der Pumpenkammer 88 bereitstellt, die durch das Einlassventil 62 gesteuert wird. Der Kolbenfluidpfad 84 kann eine umfassende Vielfalt von Formen annehmen, wie z. B. ein zentraler Fluidpfad, ein seitlicher Fluidpfad, ein teilweise zentraler und ein teilweise seitlicher Fluidpfad und dergleichen.
  • Das Vorspannelement 60 ist zwischen dem Pumpenkolben 58 und der Einlassabdeckung 72 in der Einlasskammer 86 des Pumpenzylinders angeordnet. Das Vorspannelement 60 übt eine Kraft auf den Pumpenkolben 58 aus, um die therapeu tische Substanz 36 durch den Infusionsauslass 58 auszustoßen. In einigen Ausführungsformen über das Vorspannelement 60 im Wesentlichen die einzige Kraft auf den Pumpenkolben 58 aus, um die therapeutische Substanz 36 durch den Infusionsauslass 54 auszustoßen. Das Vorspannelement 60 stellt außerdem eine Kraft bereit, um den Pumpenkolben 58 in einer betätigten Position zu halten, bis er zurückgezogen wird, um das Einlassventil 62 gegen die Auslassabdeckung 74 abzudichten, um einen redundanten Schutz gegen einen unbeabsichtigten Fluss der therapeutischen Substanz 36 in den Patienten 38 zu schaffen. Das Vorspannelement 60 kann eine oder mehrere aus einer umfassenden Vielfalt von Vorspannstrukturen sein, die ausgewählt werden, um die gewünschte Vorspannkraft auf den Pumpenkolben 58 bereitzustellen. Die gewünschte Kraft des Vorspannelements 60 in einer speziellen Ausführungsform ist die Kraft, die erforderlich ist, um während des Ausstoßhubs des Pumpenkolbens 58 alle Reibungsverluste zu überwinden, um einen Druck zu erzeugen, um das Auslassventil 64 zu öffnen, und um die Druckverluste zwischen dem Infusionauslass 54 und der Infusionsstelle 34 zu überwinden, die sich am distalen Ende des Katheters 32 befinden kann. Einige spezifische Ausführungsformen des Vorspannelements 60 enthalten eine Feder, eine Schraubenfeder und dergleichen.
  • Das Einlassventil 62 ist am Auslassende 82 des Pumpenkolbens angeordnet. Das Einlassventil 62 kann eine Vielfalt von Einlassventilen 62 sein, wie z. B. ein Klappenventil, ein ringförmiges Klappenventil, ein Kugelventil, ein Blattventil, ein Löffelventil (duckbill valve), ein Tellerventil und dergleichen. Das Auslassventil 64 ist in der Auslassabdeckung 74 angeordnet und mit dem Infusionsauslass 54 verbunden. Das Auslassventil 64 verbessert die Sicherheit der Solenoid-Pumpe 48, indem es im Wesentlichen eine unbeabsichtigte Strömung der therapeutischen Substanz 36 verhindert, wenn der Druck im Reservoir 42 größer als der Druck an der Infusionsstelle 34 ist. Das Auslassventil 64 verbessert die Genauigkeit der Solenoid-Pumpe 48, indem es einen ausreichenden Gegendruck aufrechterhält, um während des Ausstoßes der therapeutischen Substanz 36 durch den Infusionsauslass 54 das Einlassventil 62 geschlossen zu halten, so dass keine zusätzliche therapeutische Substanz 36 infundiert wird, wenn der Druck im Reservoir 42 größer als der Druck an der Infusionsstelle 34 ist. Das Auslassventil 64 kann eine Vielfalt von Auslassventilen 64 sein, wie z. B. ein Klappenventil, ein Kugelventil, ein Blattventil, ein Löffelventil, ein Tellerventil und dergleichen. Eine Ausführungsform des Auslassventils ist in 15 gezeigt.
  • Einige Ausführungsformen der Solenoid-Pumpe 48 können ein Antikavitationsventil 90 enthalten, das in Fluidverbindung mit dem Auslass 76 für die therapeutische Substanz angeordnet ist. Das Antikavitationsventil 90 verhindert im Wesentlichen, dass die therapeutische Substanz 36 in der Einlasskammer 86 während des Zurückziehens des Pumpenkolbens 58 durch den Einlass 76 für die therapeutische Substanz zurückströmt. Weil die therapeutische Substanz nicht rückwärts strömen kann, vergrößert sich der Druck in der Einlasskammer 86, wie der Pumpenkolben 58 zurückgezogen wird, was verursacht, dass die therapeutische Substanz 36 durch den Kolbenfluidpfad 84 strömt, ohne zu verursachen, dass der Druck in der Pumpenkammer 88 tief genug abfällt, um zu verursachen, dass aufgelöste Gase aus der Lösung gehen. Indem die Rückströmung der therapeutischen Substanz 36 während des Zurückziehens des Pumpenkolbens 58 durch den Einlass 76 für die therapeutische Substanz im Wesentlichen verhindert wird, wird außerdem der Wirkungsgrad der Kolbenpumpe 58 verbessert, weil eine verschwendete Strömung der therapeutischen Substanz 36 minimiert wird. Das Antikavitationsventil 90 kann eine umfassende Vielfalt von Antikavitationsventilen 90 sein, wie z. B. ein Klappenventil, ein ringförmiges Klappenventil, ein Kugelventil, ein Blattventil, ein Löffelventil, ein Tellerventil und dergleichen. Zusätzlich zum Verdrängen der therapeutischen Substanz 36, das das Einlassventil 62, das Auslassventil 64 und das Antikavitationsventil 90 betätigt, trägt der Pumpenkolben 58 einen Permanentmagneten 66.
  • Der Permanentmagnet 66 ist wenigstens ein erster Permanentmagnet 66, der einen ersten Pol 92 und einen zweiten Pol 94 besitzt. Der Permanentmagnet 66 ist am Pumpenkolben 58 angeordnet, wobei die Magnetfelder auf ihn einwirken, die durch die Spulen 67 erzeugt werden, die wenigstens die erste Spule 68 und wenigstens die zweite Spule 70 enthalten. Wenn die erste Spule 68 und die zweite Spule 70 erregt sind, erzeugen die Spulen 67 eine axiale elektromagnetische Kraft, die auf den Permanentmagneten 66 wirkt, um die Bewegung des Pumpenkolbens 58 zu vermitteln. In einigen Ausführungsformen kann es mehr als einen Permanentmagneten 66 geben, wie z. B. einen ersten Permanentmagneten 66, einen zweiten Permanentmagneten 96, einen dritten Permanentmagneten 98 usw. Außerdem kann es in einigen Ausführungsformen mehr als eine erste Spule 68 und eine zweite Spule 70 geben, wie z. B. eine dritte Spule 71 usw. Wenn mehr als ein Permanentmagnet 66 verwendet wird, sind gleiche Pole zueinander benachbart angeordnet, wobei es N – 1 Betriebs-Permanentmagneten 66 gibt, wobei N die Anzahl der Spulen 67 im Bereich von etwa 3 bis 10 ist. Der Permanentmagnet 66 ist aus einem harten ferromagnetischen Material, wie z. B. Samariumkobalt, Neodym, Keramik, Alnico und dergleichen, hergestellt. Weil das Material des Permanentmagneten 66 typischerweise nicht mit der therapeutischen Substanz kompatibel oder biokompatibel ist, ist der Permanentmagnet 66 typischerweise durch den Kolbenfluidpfad 84 von der therapeutischen Substanz 36 isoliert, wobei der Pumpenkolben 58 durch das Kolbeneinlassende 80 und das Kolbenauslassende 82 abgedichtet ist. Die erste Spule 68 und die zweite Spule 70 sind in einer Betriebsbeziehung zum Permanentmagneten 66 angeordnet. Eine alternative Ausführungsform einer Solenoid-Pumpe 48 unter Verwendung von zwei Spulen 67 ist in den 12–13 gezeigt.
  • Die 16–19 zeigen Blockschemata von einigen der Ausführungsformen des Permanentmagneten 66 und der Spule 67 der Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe 48. Es gibt wenigstens eine erste um den Pumpenzylinder 56 konfigurierte Spule 68, die benachbart zum ersten Pol 92 des Permanentmagneten 66 angeordnet ist, und wenigstens eine zweite um den Pumpenzylinder 56 konfigurierte Spule 70, die benachbart zum zweiten Pol 94 des Permanentmagneten 66 angeordnet ist. Die erste Spule 68 und die zweite Spule 70 können in Bezug auf den Permanentmagneten 66 entgegengesetzt sein, so dass sich die erste Spule 68 benachbart zum zweiten Pol 94 und die zweite Spule 70 benachbart zum ersten Pol 92 befindet. Andere Ausführungsformen der Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe 48 können mehr als eine erste Spule 68 und eine zweite Spule 70, wie z. B. eine dritte Spule 71 oder N Betriebsspulen, besitzen, wobei N eine ganze Zahl im Bereich von etwa 3 bis 10 ist. Wenn die Solenoid-Pumpe 48 mit N Spulen konfiguriert ist, gibt es N – 1 funktionale Permanentmagneten 66. Die folgende Erörterung verwendet den Begriff Spule 67, um sich auf eine erste Spule 68 und eine zweite Spule 70 oder N Spulen zu beziehen, und den Begriff Permanentmagnet 66, um sich auf einen ersten Permanentmagneten 66 oder N – 1 Permanentmagneten zu beziehen.
  • Die Spulen 67 sind typischerweise in entgegengesetzten Richtungen gewickelt, so dass der Strom in entgegengesetzten Richtungen fließt, um entgegengesetzte Magnetfelder zu erzeugen. Alternativ können die Spulen 67 in der gleichen Richtung gewickelt sein, während die an die Spulen 67 angelegte Polarität der Spannung entgegengesetzt sein kann, um zu verursachen, dass der Strom in entgegengesetzten Richtungen fließt, um entgegengesetzte Magnetfelder zu erzeugen. Die Spulen 67 sind so konfiguriert, dass sie eine Kraft in einer Richtung für einen Pol 92 des Permanentmagneten und in der gleichen Richtung für den anderen Pol 94 des Permanentmagneten erzeugen. Die Spulen 67 werden für das Zurückziehen des Pumpenkolbens 58 zur Einlassabdeckung 72 erregt, um die Pumpenkammer 88 von der Einlasskammer 86 zu füllen. Weil die Spulen 67 typischerweise nicht mit den therapeutischen Substanzen kompatibel oder biokompatibel sind, sind die Spulen 67 typischerweise durch den Pumpenzylinder 56 von der therapeutischen Substanz 36 und durch das Gehäuse 41 vom Patienten 38 isoliert. Der Pumpenzylinder 56 ist aus irgendeinem mit der therapeutischen Substanz kompatiblen Material hergestellt, das die Konstruktionsanforderungen erfüllt, wie z. B. Titan, Tantal, rostfreier Stahl, Kunststoff, Keramik und dergleichen. Der Permanentmagnet 66 und die Spulen 67 können zusammen mit dem Pumpenkolben 58 in den Pumpenzylinder 56 eingesetzt werden, wobei dann die Einlassabdeckung 72 und die Auslassabdeckung 74 angeschweißt werden können, um den Permanentmagneten 66 und die Spulen 67 von der therapeutischen Substanz 36 zu isolieren. Die axiale elektromagnetische Kraft der Spule 67 kann mit einem magnetisch permeablen Joch 100 und den Polschuhen 102 verstärkt werden.
  • Das magnetisch permeable Joch 100 und die Polschuhe 102 verstärken die durch die Spulen 67 erzeugte axiale elektromagnetische Kraft, obwohl sie für den Betrieb nicht erforderlich sind. Das magnetisch permeable Joch 100 ist um die Spulen 67 angeordnet, um den magnetischen Wirkungsgrad zu verbessern. Das magnetisch permeable Joch 100 schirmt außerdem den Permanentmagneten 66 von externen hohen Magnetfeldern ab, bis das magnetisch permeable Joch 100 gesättigt wird, um den Permanentmagneten 66 vor der Entmagnetisierung zu schützen. Das externe hohe Magnetfeld kann durch die Ausrüstung, wie z. B. die Ausrüstung für die magnetische Resonanzabbildung (MRI-Ausrüstung), die magnetische Sicherheitsausrüstung und dergleichen, erzeugt werden. Die Polschuhe 102 können den Polen von einem oder mehreren der Permanentmagneten 66 benachbart angeordnet sein. Ein erster Polschuh 104 kann z. B. zwischen dem Permanentmagneten 66 und der Einlassabdeckung 72 am Pumpenkolben 58 angeordnet sein, um die magnetische Kopplung zu verbessern. Ein zweiter Polschuh 106 kann zwischen dem Permanentmagneten 66 und der Auslassabdeckung 74 am Pumpenkolben 58 angeordnet sein, um die magnetische Kopplung zu verbessern.
  • Wenn der Pumpenkolben 58 vollständig in Richtung auf die Einlassabdeckung 72 positioniert ist, wird das maximale Volumen der Pumpenkammer 88 erzeugt. Die Pumpenkammer 88 besitzt ein Volumen der Pumpenkammer 88, das ein Kolbenvolumen und ein Totvolumen umfasst. Das Kolbenvolumen liegt im Bereich von etwa 0,5 Mikroliter bis etwa 5,0 Mikroliter. Die Summe des Öffnungsdrucks eines Einlassventils 62 und des Öffnungsdrucks des Auslassventils 64 übersteigt den maximalen Druck des Reservoirs 42 minus den Druck an der Infusionsstelle 34, um im Wesentlichen die freie Strömung der therapeutischen Substanz 36 zum Patienten 38 zu verhindern. Das Totvolumen ist kleiner als die Hälfte des Kolbenvolumens im Bereich von etwa 0,25 Mikroliter bis etwa 2,5 Mikroliter. Das kleine Totvolumen der Solenoid-Pumpe 48 im Vergleich zum Kolbenvolumen verbessert infolge des niedrigen Vakuumdrucks, der typischerweise in der Pumpenkammer 88 erzeugt wird, die Fähigkeit der Solenoid-Pumpe 48, Luft hindurchzulassen. Die Öffnungsdrucke des Einlassventils 62 und des Auslassventils 64 sind so ausgewählt, dass sie die unbeabsichtigte Infusion unter extremen Betriebsbedingungen verhindern. Die unbeabsichtigte Infusion wird im Wesentlichen verhindert, indem der Öffnungsdruck des Einlassventils 62 und der Öffnungsdruck des Auslassventils 64 so gewählt werden, dass die Summe dieser Drucke größer als der maximale Druckunterschied zwischen dem Reservoir 42 und der Infusionsstelle 34 ist. Die unbeabsichtigte Infusion wird z. B. verhindert, wenn der Druck im Reservoir 42 hoch und der Umgebungsdruck (typischerweise der gleiche wie der Druck an der Infusionsstelle 34) niedrig ist, was auftreten kann, wenn das Reservoir 42 voll ist und der Patient 38 in großer Höhe einer hohen Temperatur ausgesetzt ist.
  • Die Fähigkeit der Solenoid-Pumpe 48, Luft hindurchzulassen und genau zu arbeiten, ist eine Funktion des Kompressionsverhältnisses der Solenoid-Pumpe 48, des Drucks im Reservoirauslass 52, des Drucks am Infusionsauslass 54 und des Berstdrucks (Öffnungsdrucks) des Auslassventils 64. Für adiabatische Systeme mit idealen Gasen kann das Kompressionsverhältnis in der Pumpenkammer 88 als
    Figure 00220001
    (Gleichung 1) ausgedrückt werden, wobei CPpc das Kompressionsverhältnis in der Pumpenkammer 88 ist, Vpc final das Endvolumen in der Pumpenkammer 88 ist, das durch (Kolbenvolumen + Pumpenkammer-Totvolumen) berechnet wird, wobei Kolbenvolumen = Kolbenfläche × Kolbenhub gilt, und Vpc initial das Anfangsvolumen in der Pumpenkammer 88 ist, das als das Pumpenkammer-Totvolumen bekannt ist, das außerdem das Pumpenkammervolumen ist, das verbleibt, nachdem der Pumpenkolben 58 das Kolbenvolumen ausgestoßen hat. Das Kompressionsverhältnis in der Einlasskammer 86 kann als
    Figure 00220002
    (Gleichung 2) ausgedrückt werden, wobei CRic das Kompressionsverhältnis in der Einlasskammer 86 ist und Vic das Volumen in der Einlasskammer 86 ist, wobei Vic final = (Kolbenvolumen + Einlasskammer-Totvolumen) und Vic initial = (Einlasskammer-Totvolumen) gilt. Aus diesen Beziehungen ist offensichtlich, dass der Druck in der Pumpenkammer 88 abnimmt, während der Druck in der Einlasskammer 86 zunimmt, wie der Pumpenkolben 58 zurückgezogen wird. Damit die therapeutische Substanz 36 in die Pumpenkammer 88 strömt, wenn Gasblasen vorhanden sind, muss der Druck in der Pumpenkammer 88 während des Hubs des Pumpenkolbens 58 im Wesentlichen unter den Druck in der Einlasskammer 86 fallen. Damit die therapeutische Substanz 36 aus der Pumpenkammer 88 strömt, muss der Ausstoßdruck größer als der Druck am Infusionsauslass 54 sein. Die therapeutische Substanz 36 strömt durch das Auslassventil 64, wenn Ppc ≥ Pa + Povc gilt, wobei Ppc der Druck in der Pumpenkammer 88 ist, Pa der Umgebungsdruck am Infusionsauslass 54 ist und Povc der Berstdruck (Öffnungsdruck) des Auslassventils 64 ist. Durch das Auswählen eines geeigneten Berstdrucks des Auslassventils 64 kann das Risiko der unbeabsichtigten Infusion im Wesentlichen beseitigt werden.
  • Die Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe 48 ist so konstruiert, dass sie energieeffizient ist und weniger als etwa 3,0 Joule pro Milliliter (3,0 J/ml) bei etwa 137,895 Pascal (20 Pfund/Quadratzoll) Gegendruck verbraucht. Die Solenoid-Pumpe 48 ist bezüglich der elektrischen Energieeingabe und der Fluidarbeitsausgabe etwa 5 bis 10 % effizient. Der Energiewirkungsgrad der Solenoid-Pumpe 48 bestimmt in einem großen Maß den Energiewirkungsgrad der implantierbaren Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz und die Größe der benötigten Energiequelle 44. Die Verdoppelung des Wirkungsgrads der Solenoid-Pumpe 48 kann z. B. theoretisch zu einer etwa 50-%-Verringerung des Energieverbrauchs und einer 50-%-Verringerung der Größe der Energiequelle 44 führen. Außerdem kann die Solenoid-Pumpe 48 eine umfassende Vielfalt von Größen besitzen. Die Konstruktion der Solenoid-Pumpe 48 erlaubt eine Konfiguration mit kleiner Größe, die z. B. bei einem Durchmesser von etwa 6,0 mm kürzer als etwa 20,0 mm ist und ein Gesamtvolumen besitzt, das kleiner als 0,5 cm3 ist. Die kleine Größe der Solenoid-Pumpe 48 erlaubt außerdem eine kleine implantierbare Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz, die an einer umfassenden Vielfalt von Orten implantiert werden kann, wie z. B. dem Kopf, den Armen und den Beinen.
  • Der Betrieb
  • 20 zeigt einen Ablaufplan des Verfahrens zum Betreiben einer implantierbaren Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz, die eine Ausführungsform mit Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe 48 besitzt. Im Allgemeinen beginnt der Betrieb der Ausführungsformen der Abgabevorrichtung 30 für eine therapeutische Substanz damit, dass die Elektronik 86 programmiert wird, damit sie die Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe 48 betreibt, um eine therapeutische Substanz 36 mit einer programmierten Rate abzugeben. Die therapeutische Substanz 36 wird von einem Reservoir 42 für die therapeutische Substanz zu einem Einlass 76 für die therapeutische Substanz geliefert. Die Solenoid-Pumpe 48 arbeitet im Allgemeinen, indem sie einen Pumpenkolben 58 zurückzieht und dann den Pumpenkolben 58 betätigt, während sie die Ventile betätigt, um die therapeutische Substanz 36 mit einer programmierten Rate durch einen Infusionsauslass 54 abzugeben. Diese Operation wird in einer vorgegebenen Anzahl in vorgegebenen Intervallen wiederholt, um die therapeutische Substanz 36 mit der programmierten Rate abzugeben. Eine Solenoid-Pumpe 48 mit einem Kolbenvolumen von 2,0 Mikroliter würde z. B. typischerweise von einem Maximum von etwa 10 Zyklen pro Sekunde (Hz), um eine Infusionsrate von 1,2 Milliliter pro Minute zu erreichen, bis zu einem Minimum von etwa 1,0 Zyklus pro Stunde, um eine Infusionsrate von etwa 48 Mikroliter pro Tag zu erreichen, betrieben.
  • Das Zurückziehen des Pumpenkolbens 58 wird eingeleitet, wenn eine erste Spule 68 für den Stromfluss in einer ersten Richtung erregt wird 112 und eine zweite Spule 70 für den Stromfluss in einer entgegengesetzten Richtung erregt wird 112, um eine axiale elektromagnetische Kraft zu erzeugen. Der Pumpenkolben 58 wird zurückgezogen 114, wenn die axialen elektromagnetischen Kräfte auf einen Permanentmagneten 66 wirken, der am Pumpenkolben 58 angeordnet ist. Während der Pumpenkolben 58 zurückgezogen wird, wird ein Einlassventil 62 geöffnet 116 und ein Vorspannelement 60 belastet. Eine Pumpenkammer 88 wird durch das Einlassventil 62 mit der therapeutischen Substanz 36 gefüllt, während der Pumpenkolben 58 zurückgezogen wird 114. In einer Ausführungsform mit einer Kolbendichtung 78 kann während des Zurückziehens des Pumpenkolbens 58 die Kolbendichtung 78 außerdem so konfiguriert sein, dass sie den Stoß dämpft, wenn der Pumpenkolben 58 seine vollständig zurückgezogene Position erreicht. Durch das Dämpfen dieses Stoßes kann die Kolbendichtung 78 etwas Verschleiß und Geräusche verringern, die auftreten, wenn der Pumpenkolben 58 seine vollständig zurückgezogene Position erreicht. In Ausführungsformen mit einem Antikavitationsventil 90 verhindert das Antikavitationsventil 90, dass die therapeutische Substanz 36 in der Einlasskammer 86 zurück in das Reservoir 42 für die therapeutische Substanz strömt, wenn der Pumpenkolben 58 zurückgezogen wird. Das Antikavitationsventil 90 unterstützt das Aufrechterhalten höherer Drucke in der Pumpenkammer 88 während des Zurückziehens des Pumpenkolbens 58, was es leichter macht, Luftblasen hindurchzuleiten.
  • Unter der Voraussetzung, dass es ein Antikavitationsventil 90 gibt und sowohl die Einlasskammer 86 als auch die Pumpenkammer 88 mit der therapeutischen Substanz 36 gefüllt sind, nimmt während des Zurückziehens des Pumpenkolbens 58 der Druck in der Einlasskammer 86 auf Grund der Inkompressibilität der Flüssigkeiten schnell zu, was verursacht, dass die therapeutische Substanz 36 durch den Kolbenfluidpfad 84 in die Pumpenkammer 88 strömt, ohne die Verringerung des Drucks in der Pumpenkammer 88 auf ein Niveau zu verursachen, das verursachen würde, dass Gase aus der Lösung gehen. Nachdem der Pumpenkolben 58 zurückgezogen worden ist, wird der Betrieb der Solenoid-Pumpe 48 fortgesetzt, wenn der Pumpenkolben 58 betätigt wird.
  • Die Betätigung des Pumpenkolbens wird begonnen, wenn die erste Spule 68 für den Stromfluss in der ersten Richtung aberregt wird 122 und die zweite Spule 70 für den Stromfluss in der entgegengesetzten Richtung aberregt wird 122, um die axiale elektromagnetische Kraft zusammenbrechen zu lassen. Wie die axiale elektromagnetische Kraft zusammenbricht, wird das Vorspannelement 60 entlastet, wobei der Pumpenkolben 58 durch das Vorspannelement 60 betätigt wird, um den Pumpenkolben 58 in Richtung auf die Auslassabdeckung 74 anzutreiben. Wenn der Pumpenkolben 58 betätigt wird 126, öffnet der in der Pumpenkammer 88 erzeugte Druck das Auslassventil 64. Das offene Auslassventil 64 erlaubt, dass ein Kolbenvolumen durch den Infusionsauslass 54 ausgestoßen wird, während der Pumpenkolben 58 betätigt wird 126. Die durch den Infusionsauslass 54 entladene therapeutische Substanz 36 wird mit einer programmierten Rate abgegeben. In einigen Ausführungsformen verhindert während der Betätigung 126 des Pumpenkolbens die Kolbendichtung 78 im Wesentlichen, dass die therapeutische Substanz 36 um den Pumpenkolben 58 zurück in die Einlasskammer 86 strömt. Die vorher erörterten Elemente der Verfahrensausführungsform sind in einer allgemeinen Folge dargestellt, die nur als einschränkend vorgesehen ist, wenn es erforderlich ist, dass sich ein spezielles Element in einer bestimmten Weise in der Folge befindet, damit die gesamte Verfahrensausführungsform zweckmäßig ist. Die Betätigung 126 des Pumpenkolbens kann mathematisch gekennzeichnet werden.
  • Während der Betätigung 126 des Kolbens, um die therapeutische Substanz 36 auszustoßen, besteht, wenn das Volumen der Pumpenkammer 88 abnimmt und das Volumen der Einlasskammer 86 zunimmt, die folgende Beziehung. Der Enddruck in der Pumpenkammer 88 kann als
    Figure 00270001
    (Gleichung 3) ausgedrückt werden, wobei Ppc final der Enddruck in der Pumpenkammer 88 ist, Ppc initial der Anfangsdruck in der Pumpenkammer 88 ist und CRpc das Kompressionsverhältnis in der Pumpenkammer 88 ist. Der Enddruck in der Einlasskammer 86 kann als
    Figure 00280001
    (Gleichung 4) ausgedrückt werden, wobei Pic final der Enddruck in der Einlasskammer 86 ist, Pic initial der Anfangsdruck in der Einlasskammer 86 ist und CRic das Kompressionsverhältnis in der Pumpenkammer 86 ist. Die therapeutische Substanz 36 strömt durch das Auslassventil 64, wenn Ppc final ≥ Pa + Povc (Gleichung 5) gilt, wobei Pic der Anfangsdruck in der Einlasskammer 86 ist, Pa der Umgebungsdruck am Pumpenauslass ist und Povc der Berstdruck (Öffnungsdruck) des Auslassventils 64 ist. In den obigen Beziehungen wird angenommen, dass es ein Antikavitationsventil 90 gibt, es keine Luft in der Pumpenkammer 88 gibt und Pic abnimmt, wie der Pumpenkolben 58 betätigt wird, weil die Flüssigkeiten im Wesentlichen inkompressibel sind.
  • Folglich sind Ausführungsformen der Solenoid-Pumpe 48 offenbart, um den Energiewirkungsgrad zu vergrößern, um die Genauigkeit vergrößern, um die Raumanforderung für die Unterbringung zu verringern, um die Kompatibilität mit der therapeutischen Substanz zu verbessern und um viele andere Verbesserungen zu schaffen. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass die vorliegende Erfindung in Ausführungsformen praktiziert werden kann, die von den offenbarten verschieden sind. Die offenbarten Ausführungsformen sind für den Zweck der Veranschaulichung und nicht der Einschränkung dargestellt, wobei die vorliegende Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche eingeschränkt ist.

Claims (12)

  1. Implantierbare Abgabevorrichtung (30) für eine therapeutische Substanz mit einer Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe (48) und mit einem Gehäuse (41); einem Reservoir (42) für die therapeutische Substanz, das mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei das Reservoir für die therapeutische Substanz einen Reservoirauslass (52) aufweist; einem Pumpenzylinder (56) mit einer Einlassabdeckung (72) und einer Auslassabdeckung (74); einem Pumpenkolben (58), der innerhalb des Pumpenzylinders bewegbar ausgebildet ist, einer Energiequelle (44), die in dem Gehäuse angeordnet ist; einer Elektronik, die in dem Gehäuse angeordnet und mit der Energiequelle verbunden ist; wenigstens einem Vorspannelement (60), das zwischen dem Pumpenkolben und der Einlassabdeckung angeordnet ist; wenigstens einem ersten Permanentmagneten (66), welcher eine Bewegung an den Pumpenkolben vermittelt und an dem Pumpenkolben angeordnet ist; wobei die Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe mit der Elektronik verbunden und mit dem Reservoirauslass (52) verbunden ist, wobei die Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe dafür eingerichtet ist, eine therapeutische Substanz aus dem Reservoir für die therapeutische Substanz durch einen Infusionsauslass mit einer programmierten Rate zu pumpen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Vorspannelement eine Vorspannkraft auf den Pumpenkolben bereitstellt.
  2. Implantierbare Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz gemäß Anspruch 1, bei der ein Flusspfad für die therapeutische Substanz durch die Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe (48) aus einem mit der therapeutischen Substanz kompatiblen Material gebildet ist.
  3. Implantierbare Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz gemäß Anspruch 1, bei der die Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe ferner aufweist die Pumpenzylinder-Einlassabdeckung, wobei ein Einlass (76) für die therapeutische Substanz mit dem Reservoirauslass verbunden ist, und die Auslassabdeckung, die einen Infusionsauslass (54) aufweist; den Pumpenkolben, der einen Kolbenfluidpfad (84), ein Kolbeneinlassende (80) und ein Kolbenauslassende (82) aufweist, wobei der Pumpenkolben eine Einlasskammer (86) zwischen dem Pumpenkolben und der Einlassabdeckung und eine Pumpenkammer (88) zwischen den Pumpenkolben und der Auslassabdeckung bildet; ein Einlassventil (62), das an dem Pumpenkolben in wirkender Beziehung zu dem Kolbenfluidpfad angeordnet ist, wobei das Einlassventil dafür eingerichtet ist, den Fluss der therapeutischen Substanz in die Pumpenkammer zu steuern; ein Auslassventil (64), das an der Auslassabdeckung angeordnet ist, wobei das Auslassventil dafür eingerichtet ist, den Fluss der therapeutischen Substanz aus der Pumpenkammer in den Infusionsauslass zu steuern; den ersten Permanentmagneten mit einem ersten Pol und einem zweiten Pol; wenigstens eine erste Spule (68), die um den Pumpenzylinder herum gebildet ist und neben dem ersten Pol des ersten Permanentmagneten angeordnet ist; und wenigstens eine zweite Spule (70), die um den Pumpenzylinder herum gebildet ist und neben dem zweiten Pol des ersten Permanentmagneten angeordnet ist.
  4. Implantierbare Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz gemäß Anspruch 3, ferner mit einer dritten Spule (71), die um den Pumpenzylinder herum gebildet ist, wobei die dritte Spule für Strom eingerichtet ist, der in die entgegengesetzte Richtung von einem Stromfluss in einer benachbarten ersten Spule oder zweiten Spule fließt, und einem zweiten Permanentmagneten, der an dem Pumpenkolben angeordnet ist, wobei der zweite Permanentmagnet und der erste Permanentmagnet gleiche Pole benachbart aufweisen.
  5. Implantierbare Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz gemäß Anspruch 3, ferner mit N Spulen, die um den Pumpenzylinder herum gebildet sind, und N – 1 Permanentmagneten, die an dem Pumpenzylinder angeordnet sind, wobei N eine ganze Zahl im Bereich von ungefähr 3 bis 10 ist.
  6. Implantierbare Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz gemäß Anspruch 3, bei der das Vorspannelement eine Kraft auf den Pumpenkolben ausübt, um ein Fluid durch den Infusionsauslass auszustoßen.
  7. Implantierbare Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz gemäß Anspruch 6, bei der das Vorspannelement im wesentlichen die einzige Kraft auf den Pumpenkolben ausübt, um eine therapeutische Substanz durch den Infusionsauslass auszustoßen.
  8. Implantierbare Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz gemäß Anspruch 3, bei der das Vorspannelement eine Kraft zum Abdichten des Einlassventils gegen die Auslassabdeckung bereitstellt, um einen redundanten Schutz gegen eine unbeabsichtigte Infusion der therapeutischen Substanz bereitzustellen.
  9. Implantierbare Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz gemäß Anspruch 1, bei der das Reservoir für die therapeutische Substanz, das mit dem Gehäuse verbunden ist, ein separates Reservoir für die therapeutische Substanz ist.
  10. Implantierbare Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz gemäß Anspruch 1, bei der die Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe weniger als ungefähr 3 Joule/ml bei ungefähr 137.895 Pascal Gegendruck verbraucht.
  11. Implantierbare Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz gemäß Anspruch 1, bei der die Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe ca. 5% bis ca. 10% effizient bezüglich einer elektrischen Energieeingabe und einer Fluidarbeitsausgabe ist.
  12. Implantierbare Abgabevorrichtung für eine therapeutische Substanz gemäß Anspruch 1, bei der die Permanentmagnet-Solenoid-Pumpe ein Gesamtvolumen von weniger als ungefähr 0,5 cm3 einnimmt.
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