JP5113532B2 - 無針式経皮輸送装置 - Google Patents

Description

関連出願

本出願は、２００６年２月１０日付の発明の名称「Controlled Needle-Free Transport（制御式無針経皮輸送装置）」の出願（代理人事件番号第0050.2079-001号）（２００５年２月１１日付の米国特許仮出願第60/652,483号の利益を主張している）の継続出願である。上記出願の全内容は、参照により本明細書に引用したものとする。

人の患者または農業動物への薬物などの液体の注射は、様々な方法で実施されている。薬剤を送入する最も容易な方法の１つは、体の最も外側の保護層である皮膚を通しての方法である。皮膚は、角質層、顆粒層、有棘層、および基底層を含む表皮と、特に乳頭層を含む真皮とで構成されている。角質層は、死んだ細胞組織で形成された丈夫なうろこ状の組織である。角質層は、皮膚の表面から約１０〜２０ミクロンにわたって広がり、血液は供給されていない。この細胞の層の密度ゆえ、皮膚を貫いて体内または体外へと化合物を移動させることは、きわめて困難である。

皮膚を通して局所的に薬物を送達する現行の技法として、針または他の皮膚貫通装置を使用する方法が挙げられる。針またはランセットを用いるような侵襲的な方法は、角質層の障壁機能を効果的に破壊する。しかし、これらの方法は、局所的な皮膚の損傷、出血、および注射部位における感染の危険、ならびに廃棄しなければならない汚染された針またはランセットの発生などといったいくつかの大きな欠点を有している。さらに、これらの装置が農業動物に薬物を注入するのに使用される場合、ときには針が破損して動物の体内に埋もれたままになることがある。したがって、動物において針が折れる恐れなく、少量の薬剤を皮膚を通して正確かつ迅速に注入できれば好都合であると考えられる。

薬物を生体に効果的に送達するために、無針式装置を使用することが提案されてきた。例えば、それら提案の装置のいくつかにおいては、薬物をチャンバから体内に吐出するために加圧ガスが使用されている。他の装置においては、蓄勢されたばねが解放され、チャンバに力を加えて、薬物を吐出させる。しかし、これらの種類の装置においては、ガスの膨張またはばねの伸張に伴い薬物に加えられる圧力が低下する。しかし、注入圧力は、注入期間のあいだ実質的に同じ値を維持することが望ましく、あるいは上昇が望まれることもある。無針式注入装置の例は、米国特許第6,939,323号の発明の名称「Needleless Injector（無針式注入器）」、および２００３年９月８日付の米国特許出願第10/657,734号の発明の名称「Needleless Drug Injection Device（無針式薬物注入装置）」に記載されており、これらの両方の全内容は、参照により本明細書に引用したものとする。

別の無針式注入装置は、きわめて限られた意味で制御可能であり（例えば、ガス放出式アクチュエータまたはばね式アクチュエータ）、あるいはフィード−フォワードという意味でのみ制御可能であり（例えば、ニチノールとして知られているニッケル‐チタニウム合金などの形状記憶材料）、注入プロファイルが前もって決定され、注入に先立って圧力アクチュエータに前もって送られる。

本発明の態様によれば、サーボ制御式の無針輸送装置が、生体の表面を貫いて物質を輸送する。この装置は、制御可能性および高度な予測可能性の両者を備える高速かつ高圧のパルスを生成できるアクチュエータを備えている。装置は、１つ以上のセンサから入力を受け取るサーボコントローラと組み合わせることができる。有利には、輸送装置は、輸送の圧力プロファイルをリアルタイムで調節または調整することができる。すなわち、輸送装置は、輸送の間に検出される物理的特性に応じて、輸送の間における輸送圧力のプロファイルを調節することができる。

サーボ制御式無針注入器により、特定の動物および／または他の局所の環境要素の要件に応じてリアルタイムで動的に制御または調整される、動物体内への処方物の注入が実現される。このような制御により、皮膚の局所的な厚さおよび／または温度などの環境要素に応じて注入圧力を調節することで、単一の注入装置であっても、他の条件および要件に応じて制御された処方物の注入を実現できる。

本発明の一態様においては、無針式経皮輸送装置が、物質を貯蔵するリザーバ、リザーバに連通しているノズル、およびリザーバに連結している制御可能な電磁アクチュエータを備えている。電磁アクチュエータは、磁界を供給する固定磁石アセンブリ、および磁石アセンブリに対してスライド可能に配置されたコイルアセンブリを備えている。コイルアセンブリは、電気入力を受け取り、これに応答して受け取った入力に比例した力を生成する。力は、電気入力によってコイルアセンブリに発生する電流と磁界との相互作用からもたらされる。この力を、リザーバと生体との間の無針での物質の輸送に利用することができる。このように、ローレンツ力による駆動によって、流体などの物質が体の表面を貫いて輸送される。この無針での輸送は、動作中であっても、受け取る入力の変化に応じて変化してもよい。

本明細書に記載の無針式薬物注入装置および方法は、特別に構成された電磁アクチュエータを１つ以上のノズルと組み合わせて使用することにより、最初にランセットまたは針で皮膚を貫通することなく選択された深さまで動物の皮膚を通して薬物を効果的に注入できる。同じ装置を使用して、動物からサンプルを採取することができる。

制御可能な電磁アクチュエータは、双方向性であり、第１の電気入力に応答して正の力を生成でき、第２の電気入力に応答して負の力を生成できる。電磁アクチュエータが、ノズルを通して物質を押し出し、生体の表面を貫通するのに充分な速度を有するジェット噴流を生成する。例えば、いくつかの実施形態においては、物質が少なくとも毎秒約１００メートルの注入速度でノズルを通って吐出される。さらに、力およびノズルを制御して、所望の深さへの注入を生成できる。電気入力信号は、充電式電源によって提供できる。いくつかの実施形態においては、制御可能な電磁アクチュエータそのものが、充電式電源を充電するように構成されている。

装置はさらに、制御可能な電磁アクチュエータに電気的に結合したコントローラを備えていてもよい。装置はさらに、コントローラに電気的に結合した少なくとも１つのセンサを備えることができる。センサは物理的特性を検出し、コントローラが検出された物理的特性に応じて電気入力を生成または供給する。例えば、検出される特性は、位置、力、圧力、電流、および電圧のうちの１つ以上であってよい。コントローラは、電気入力の生成に寄与するプロセッサを備えることができる。装置は、随意により、体から採取したサンプルを分析するように構成された分析器を備えている。コントローラは、サンプルの分析に応じた電気入力を供給するように構成することができる。

いくつかの実施形態においては、さらにリモート通信インタフェースが、コントローラに電気的に結合されて設けられている。この構成では、コントローラが、リモート通信インタフェースを介して受信した通信に応答して電気入力を生成することができる。

装置は、複数の独立した無針式輸送を提供できる多数回放出（マルチショット）装置として構成できる。有利には、それらの無針式輸送を、高速で連続的に生じさせることができる。この構成は、多数の輸送物を投与することにより、表面全体にわたり間隔を空けている、大きな表面積の処置を可能にする。

電磁アクチュエータは、磁界を発生する磁石アセンブリを備えることができる。磁石アセンブリは一般に、ノズルを基準にして所定の位置に固定される。アクチュエータは、電気入力に関連する電流を流す少なくとも１回巻きの導電コイルアセンブリをさらに備えている。コイルアセンブリは、磁石アセンブリに対してスライド可能に配置されている。コイルアセンブリに生じた電流が、磁界と相互作用して、電流および磁界の方向および大きさに応じた力を生成する。好ましくは、磁界は、コイルに対して半径方向に向けられている。

機械的な力が、一端がノズルに結合されているリザーバに加えられ、リザーバ内に圧力を発生させる。圧力の大きさは、機械的な力に応じて変化し、生体とリザーバとの間に生体の表面を貫く物質の輸送を生じる。有利には、加えられる力は双方向であって、同じアクチュエータにより正の圧力および負の圧力（すなわち、真空）を生み出す。さらに、加えられる機械的な力は、電気入力を変化させることによって、動作サイクル中に変化させることができる。

いくつかの実施形態においては、生成される力の発生に関連する立ち上がり時間が、約５ミリ秒以下である。アクチュエータによって生じる力およびストロークは、少なくとも約３００マイクロリットルにのぼる量の物質を輸送するのに充分な大きさおよび継続時間である。アクチュエータの小型化および小電力により、リザーバ、ノズル、電源、および制御可能な電気アクチュエータを備える可搬の手持ちユニットが可能となる。

この装置を使用して病気を治療する方法は、最初に無針式経皮輸送装置によって生体の表面を貫通することを含んでいる。次に、この無針式装置によってリザーバ内に真空を生成することにより、体内からサンプルまたはボーラスをリザーバへ吸引し、生体からサンプルが採取される。次に、有効成分（活性化合物）の投与量が、採取したサンプルに応じて決定される。無針式装置が、決定された量の活性化合物を生体に注入する。例えば、患者から血液サンプルを抽出することができる。このサンプルが分析され、血糖値が決定される。次いで、決定された値を用いて、患者についてインスリンの投与量を計算する。この投与量が、装置への電気入力を制御することによって投与される。

サンプルの採取は、生理食塩水などの第１物質の注入を含むことができる。次いで、同じ無針式装置を使用して、サンプルが採取され、再び注入される。サンプルの再注入を複数回繰り返し、体から適正な量の間質液などで構成されたボーラスを得ることができる。

本発明の別の態様においては、線形電磁アクチュエータが、磁界を発生する固定磁石アセンブリ、および電気入力を受け取るコイルを備えている。コイルは、磁石アセンブリに対してスライド可能に配置されている。さらに装置は、コイルの少なくとも一部分とスライド可能に係合するベアリングを備えている。コイル内の電気入力と磁界との相互作用によって生成される力に応じたコイルの直線運動が、ベアリングによって容易になる。

本明細書においては、本発明を、無針式装置での輸送に関連して説明するが、本明細書に記載される概念の１つ以上を針と組み合わることにより、体表面を貫く物質の輸送を達成してもよい。このとき、体表面は最初に針によって貫通されてもよい。

本発明の上述の目的、特徴、および利点、ならびに他の目的、特徴、および利点が、添付の図面に示される本発明の好ましい実施形態についての以下のさらに詳細な説明から、明らかになるであろう。添付の図面においては、それぞれの図の全体を通して、同様の参照符号は同一部分を指す。図面は必ずしも縮尺とおりではなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。

本発明の好ましい実施形態を、以下に説明する。

無針式経皮輸送装置または注入装置は、物質を動物の皮膚の下に注入するように構成されている。注入装置としては、物質の注入に先立って皮膚を貫通するように構成された１つ以上の針（例えば、典型的な皮下注射針）を有する装置が挙げられる。別の注入装置は、最初に皮膚を針で貫通することなく皮膚の下に物質を注入する（すなわち、無針）ように構成されている。本明細書において使用されるとき、用語「無針」が、最初に皮膚を針またはランセットで貫通することなく注入する装置を指すことに、注意すべきである。すなわち、無針式装置は、針を備えていてもよいが、針は最初に皮膚を貫通するためには使用されない。いくつかの無針式注入装置は、装置から噴出される初期の噴出体に依存して、最初に皮膚を貫通する。別の無針式注入装置は、薬物そのものに提供される圧力に依存する。

図１を参照すると、生体１５０の表面１５５を貫いて物質を輸送するために使用される例示的な無針式経皮輸送装置１００の概略ブロック図が示されている。例えば、装置１００は有効成分（例えば、薬物）の液体処方物を生体（農業用の動物または人など）に注入するために使用できる。代替的に、あるいはこれに加えて、同じ装置１００を用いて、採取サンプルを体の表面１５５を通して装置内１００に設けることができる外部リザーバまたはチャンバ１１３内に吸引することによって、生体１５０からサンプルを採取できる。

装置１００は、典型的には、必要に応じて表面１５５（例えば、皮膚）を貫通するのに必要とされる速度および直径で生体の表面１５５を通して物質を輸送するノズル１１４を備える。すなわち、ノズル１１４から噴出される物質がジェット噴流を形成し、ジェット噴流の力が貫入深さを決定する。ノズル１１４は一般に、皮膚に接触させて配置できるヘッド１１５などの平坦な表面と、オリフィス１０１とを有する。オリフィス１０１の内径が輸送される流れの直径を制御する。さらに、オリフィス１０１を形成する開口、または管腔１０３の長さによっても、輸送（例えば、注入）圧力が制御される。

好ましくは、生体表面１５５は、物質の輸送に先立って引き伸ばされる。最初に表面または皮膚を引き伸ばすことによって、そのようにしない場合に必要とされる力よりも少ない力を用いて皮膚を貫通することができる。これは、たるんだ風船を引き張られた風船と比べた場合に類似している。通常、たるんだ風船は、はるかに貫き通しにくい。

引き伸ばしは、単にノズル１１４を皮膚の表面１５５に押し込むことによって達成できる。いくつかの実施形態においては、輸送に先立って表面１５５が充分に引き伸ばされたことを確認するために、別個の表面参照センサまたは力トランスデューサが備えられる。このようなセンサをコントローラに接続し、好ましい表面特性が達成されるまで輸送を停止することができる。

いくつかの実施形態においては、標準的な皮下注射針が所定の長さに切断され、ヘッド１１５に結合される。針の一端は、皮膚に接するヘッド１１５の表面に対して同一面、あるいはわずかに引っ込んでおり、使用時に皮膚を突き刺すのを避けている。針の内径（例えば、１００μｍ）が開口の直径を定め、針の長さ（例えば、５ｍｍ）ならびに開口寸法が、所定のアプリケータ圧力に対する結果として得られる注入圧力を制御する。別の実施形態においては、組立工程を削減するために、ヘッド１１５に孔を直接開けることができる。一般には、オリフィスの長さは例えば５００μｍ〜５ｍｍの範囲に選択可能であり、一方で、直径は５０μｍ〜２００μｍの範囲にできる。特定の一実施形態においては、オリフィスの直径は約１２０μｍである。

ノズル１１４は、シリンジ１１２（輸送される物質を一時的に貯蔵するためのリザーバ１１３を形成している）に接続できる。さらに、シリンジ１１２は、少なくとも遠位端がリザーバ１１３内にスライド可能に位置しているプランジャまたはピストン１２６を備える。プランジャ１２６がシリンジ１１２の縦軸に沿っていずれかの方向に移動することで、対応する圧力がリザーバ１１３内に生じる。いくつかの実施形態においては、シリンジ１１２は装置１００と一体化されている。別の実施形態においては、シリンジ１１２は装置１００と分離して取り付け可能である。市販の無針シリンジ１１２、例えば、カリフォルニア州Ｓａｎ ＤｉｅｇｏのＥｑｕｉｄｉｎｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．から入手できるモデル参照番号第１００１００号などのシリンジ１１２を、装置１００に取り付けることができる。

ノズル１１４をシリンジ１１２または装置１００の遠位端に着脱可能に結合することにより、それぞれが意図された用途に合わせて作製された種々のノズルを注入およびサンプル採取（すなわち、吸引）のために使用することができる。すなわち、サンプル採取ノズルが、管腔１０３の方に先細りになるより大きなオリフィス１０１を備えていてもよく、これにより、より効率的な採取またはより大量のサンプル採取を容易にすることができる。

有利には、制御可能なアクチュエータを使用して、チャンバ１１３に圧力を選択的に加えることができる。専用に設計された電磁アクチュエータ１２５が、高速立ち上がり時間（例えば、１ミリ秒未満）を有する高圧パルスを発生するように構成されている。アクチュエータ１２５は、高圧アクチュエータに依存して皮膚の下に処方物を注入する無針式注入装置に使用することができる。有利には、アクチュエータは動的に制御可能であり、動作中に圧力対時間の調節を可能にしている。別の無針式装置における電磁アクチュエータの少なくとも１つの利点は、比較的静かな動作にある。動作には、急激なばねの解放または気体の放出はなく、空隙内での自由に懸垂されたコイルの運動を含む。自由に運動するコイルを本明細書に記載の方法で動作させることで静かな動作が実現され、これは、投与の際に受け手および付近に存在する他者にとっての苦痛および不安を少なくすることに貢献するため、重要な特徴である。

さらに詳しくは、電磁アクチュエータ１２５は、物質の経皮輸送を達成するためにプランジャ１２６に加えられる線形力を発生するように構成されている。力の伝達は、ベアリング１１１によってスライド可能に結合された剛体ロッドなど、力伝達部材１１０によって達成できる。ロッド１１０のいずれかの端部を固定して、アクチュエータがいずれかの方向に移動することによってプランジャ１２６も移動するようにできる。ベアリングは、ロッド１１０の半径方向の移動を抑制する一方で、軸方向の移動を可能にする。

いくつかの実施形態においては、アクチュエータ１２５は、磁石アセンブリ１０５などの静止構成要素、およびコイルアセンブリ１０４などの可動構成要素を備えている。コイルアセンブリ１０４内で発生した力を、直接的またはロッド１１０を介して間接的にプランジャ１２６に加え、物質の経皮輸送を達成することができる。一般に、アクチュエータ１２５、ベアリング１１１、およびシリンジ１１２は、動作の際にこれらの構成要素を支持して、固定位置に保持するフレームまたはハウジング１０２に結合されている。

いくつかの実施形態においては、装置１００は、装置の状態を示すユーザインタフェース１２０を備える。ユーザインタフェースは、装置の動作準備ができている旨の単純な表示を提供することができる。例えば、注入のための充分な条件が満足されたときに、コントローラ１０８に接続された発光ダイオード（ＬＥＤ）をオンにすることができる。より詳細な情報を提供するために、液晶表示装置（ＬＣＤ）、冷陰極管（ＣＲＤ）、電荷結合素子（ＣＣＤ）、またはユーザと装置１００との間で詳細な情報を伝達できる他の任意の適切な技法など、より高度なユーザインタフェース１２０を備えることができる。このように、ユーザインタフェース１２０はタッチスクリーンなどの装備を含み、これにより、作業者は１つ以上のパラメータについてのユーザ選択として入力を供給できる。この結果、ユーザは、投与およびサンプルに関するパラメータ、年齢および体重などといった生体に関するパラメータを特定することができる。

電源１０６が、アクチュエータ１２５のコイルアセンブリ１０４への電気入力を供給する。以下にさらに詳しく説明されるように、磁石アセンブリ１０５により生成される磁界の存在下でコイルアセンブリ１０４に電流を供給することで、コイルアセンブリ１０４を作動させ、シリンジ１１２のプランジャ１２６に作用を及ぼすことができる機械的な力を発生させる。電磁アクチュエータは、装置の可搬性を裏付ける効率的な力トランスデューサである。さらに後に詳しく説明される例示的な装置は、約２００マイクロリットルの流体を送出するために約５０ジュールのエネルギーを消費する。ちなみに、標準的な９ボルトのバッテリーは、最大で約８，５００ジュールを供給することができる。

コントローラ１０８が電源１０６とアクチュエータ１２５との間に電気的に接続され、これにより、コントローラ１０８は電源１０６からアクチュエータ１２５に供給される電気入力信号を選択的に供給、除去、および調節できる。コントローラ１０８は、ローカルインタフェースによって操作できる単純なスイッチであってよい。例えば、ユーザがハウジング１０２に設けられたボタンを操作して、電源１０６からアクチュエータ１２５への電気入力を選択的に供給および除去することができる。いくつかの実施形態においては、コントローラ１０８は、電源１０６からアクチュエータ１２５に選択的に電力を供給するように構成された電気回路などの制御要素を備えており、電気入力が選択された用途によって生成される。すなわち、電源１０６が実質的に一定または直流（Ｄ．Ｃ．）値を供給する単純な電池である実施形態においては、コントローラによって、異なる電気的な値、あるいは時間変化する電気的な値を供給することができる。いくつかの実施形態においては、コントローラ１０８は搭載マイクロプロセッサを含み、あるいは多機能な能力を提供する相互接続プロセッサまたはパーソナルコンピュータを含む。

いくつかの実施形態においては、無針式経皮輸送装置１００は、リモート通信インタフェース１１８を備える。リモートインタフェース１１８を利用して、装置１００の状態や装置１００内に含まれている物質の状態などといった情報を、病院のコンピュータや薬物製造者のデータベースなどといった遠隔のソースに伝送できる。代替として、あるいはこれに加えて、リモートインタフェース１１８をコントローラ１０８と電気的に接続し、リモートインタフェース１１８を利用して、遠隔のソースから受け取った入力をコントローラ１０８に送り、アクチュエータ１２５を制御することができる。

リモートインタフェース１１８は、ローカルエリアネットワークインタフェース（例えば、イーサネット（登録商標））などのネットワークインタフェースを備えることができる。この結果、ネットワークインタフェースカードを利用することにより、別の装置またはユーザが、ローカルエリアネットワークに同じく接続されているパーソナルコンピュータを使用して、装置１００に遠隔からアクセスすることができる。代替として、あるいはこれに加えて、リモートインタフェース１１８は、広域通信網インタフェースを備えることができる。これにより、別の装置またはユーザが、ワールドワイドウェブなどの広域通信網を介して、装置１００に遠隔からアクセスできる。いくつかの実施形態においては、リモートインタフェース１１８は、公衆交換電話網を介して遠隔の装置／ユーザと接続できるモデムを備える。さらに別の実施形態においては、リモートインタフェース１１８は、無線で遠隔の装置／ユーザにアクセスするための無線インタフェースを備える。無線インタフェース１１８は、ＩＥＥＥ ８０２．１１仕様にもとづく無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）用のＷｉ‐Ｆｉ標準、８０２．１６（ＷｉＭＡＸ）などといった８０２．１１の仕様を超える新標準、ならびに他の無線インタフェース（ＺｉｇＢｅｅなど、無線パーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮｓ）用として小型の低電力デジタル無線装置を使用するように設計されたＩＥＥＥ ８０２．１５．４標準にもとづく高レベルの通信プロトコルセットを含む）など、標準的な無線インタフェースを使用することができる。

いくつかの実施形態においては、コントローラが、それぞれの物理的特性を検出する１つ以上のセンサから入力を受け取る。例えば、装置１００は、選択された基準に対する物体の座標位置（例えば、コイルの位置）を示すのに使用される位置センサ１１６Ｂなど、トランスデューサを備える。同様に、変位量を用いて、１つの位置から他の位置までの特定の距離にわたる移動を表すことができる。有利には、検出されたパラメータを、プランジャ位置の表示、すなわち投与量の表示として用いることができる。いくつかの実施形態においては、さらに近接センサを使用して、装置の一部分（コイルなど）が限界距離に達したことを表示できる。これは、プランジャ１２６、力伝達部材１１０、または電磁アクチュエータ１２５のコイルアセンブリ１０４の位置を検出することによって達成できる。例えば、光エンコーダなどの光センサを用いてコイルの巻き数を数え、コイルの位置を決定できる。位置または変位の測定に適した他の種類のセンサとしては、誘導トランスデューサ、抵抗摺動接触式トランスデューサ、光ダイオード、および線形可変変位変圧器（ＬＶＤＴ）が挙げられる。

力トランスデューサ１１６Ａなどの他のセンサを用いて、アクチュエータ１２５によってプランジャ１２６に加えられる力を検出することができる。図示されるとおり、力トランスデューサ１１６Ａを、コイルアセンブリ１０４の遠位端と力伝達部材１１０との間に配置し、トランスデューサ１１６Ａによってアクチュエータ１２５が力伝達部材１１０に加える力を検出することができる。この部材１１０は剛体であるため、力はプランジャ１２６に直接伝達される。力がプランジャ１２６を動かし、対応する圧力をリザーバ１１３内に発生させる。プランジャ１２６をリザーバ１１３内に押し込む正の力が、リザーバ１１３内の物質をノズル１１４を通して押し出す正の圧力を生み出す。プランジャ１２６をノズル１１４から離れるように引き戻す負の力が、物質を装置の外部からノズル１１４を通してリザーバ１１３内に吸引する負の圧力または真空を生み出す。また、物質をアンプルから得ることも可能であり、リザーバ１１３を物質であらかじめ満たすために負圧が使用される。代替として、あるいはこれに加え、血液、組織、または他の間質液などのサンプル物質が生体から採取されてもよい。いくつかの実施形態においては、チャンバ内の物質に加えられる圧力を直接検出するために、圧力トランスデューサ（図示されていない）を設けることもできる。

さらに、電気センサ１１６Ｃを設けて、アクチュエータ１２５に供給される電気入力を検出することもできる。電気センサ１１６Ｃは、１つ以上のコイル電圧およびコイル電流を検出できる。センサ１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｃ（全体として、１１６）は、コントローラ１０８に接続され、検出された特性をコントローラ１０８に供給する。コントローラ１０８は、検出された特性のうちの１つ以上を用いて、電源１０６からアクチュエータ１２５への電気入力の供給を制御し、これにより、シリンジ１１２内に生成される圧力を制御して所望の輸送性能を実現できる。例えば、位置センサを用いてアクチュエータ１２５をサーボ制御し、コイルアセンブリ１０４を所望の位置にあらかじめ位置合わせし、位置合わせされたコイル１０４を安定させ、動作サイクルを完了させることができる。このように、第１位置から第２位置へのコイルアセンブリ１０４の移動が、対応する容積の物質の輸送に相当する。コントローラ１０８はプログラムされたプロセッサを備え、リザーバの物理的サイズを与える位置にもとづいて容積を計算できる。

以下にさらに詳しく説明される動作サイクルでは、全体として、アクチュエータ１２５に電気入力を加えて物質の輸送を発生させ、電気入力を中止して物質の輸送を停止する。動的に制御可能な電磁アクチュエータ１２５にサーボ制御機能を組み合わせることで、動作サイクルの進行中に圧力を調節することが可能である。１つ以上のセンサ１１６を使用して、輸送すなわちサイクルの進行中に動作サイクルをさらに制御することができる。代替として、あるいはこれに加えて、１つ以上のローカルインタフェースまたはリモートインタフェースを用いて、動作サイクルをさらに制御することができる。

いくつかの実施例においては、コントローラ１０８は、それぞれが生体表面の物理的特性を検出する１つ以上のセンサ（図示されていない）に接続することができる。この情報を用いてアクチュエータ１２５をサーボ制御し、注入圧力、したがって皮膚への薬物の進入深さを、特定の用途に合わせて調整することができる。例えば、装置１００が幼児に使用される場合、センサが幼児の皮膚の柔らかさを検出し、コントローラ１０８が幼児の皮膚の特性を考慮に入れて、注入圧力を低下させる。注入圧力は、例えば、アクチュエータ１２５に加えられる電気入力信号ならびに／あるいは電流パルスの立ち上がり時間および／または継続時間を制御することによって調節可能である。成人または太陽によって皮膚を傷めた者について使用されるとき、コントローラは注入圧力を高めることができる。注入圧力を、体の皮膚の位置（例えば患者の顔対腕など）に応じて調節することができる。また、注入圧力は、薬物を皮膚の下に送達するように、あるいは深く筋肉組織に送達するように、調整できる。さらには、注入圧力は、時間とともに変化させることができる。例えば、いくつかの実施例においては、最初に大きな注入圧力を用いて薬剤で皮膚を貫通し、その後に低い注入圧力を用いて薬剤を送達することができる。また大きな注入圧力を用いて、チャンバまたは薬瓶を封じているシールを破壊することも可能である。

さらに詳しくは、電源１０６は、装置１００の外部にあってもよい。例えば、装置１００は別個の電源に接続することもできる。しかし、好ましくは、装置１００の可搬性を向上させるために、電源１０６は装置１００に内蔵されている。このような可搬性は、特に、家畜類の治療あるいは遠隔地の人々または動物へのワクチンなどの薬剤の投与など、現場での用途に有用である。

電源１０６は、汎用の９ボルトのバッテリーなど、交換可能な電池を含むことができる。あるいは、電源１０６は、充電式電池（例えば、ゲル電池、鉛酸蓄電池、ニッケル‐カドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、およびリチウムポリマー電池）など、充電可能な装置を備えている。いくつかの実施形態においては、電源１０６はストレージキャパシタを備えている。例えば、複数のキャパシタを、外部の電源などの別の電源によって充電することができる。

さらに詳しくは、電磁アクチュエータ１２５は、磁界に対して配置された導電コイルアセンブリ１０４を含み、これにより、コイル内に導入される電流と対応する機械的な力を発生する。この構成は、少なくとも原理的には、拡声器のボイスコイルアセンブリにおいて見られるものと同様である。すなわち、磁界と電流と発生する力との間の関係は明らかであり、一般にローレンツ力の法則と称されている。

好ましくは、コイル１０４は、磁界がコイル１０４の１つ以上の巻きの方向に対してほぼ直角に向けられるように、磁界に対して位置合わせされている。したがって、磁界の存在下でコイル１０４内に導入される電流は、磁界およびコイルの両者に対して直交する方向（「右手の法則」と称される関係）の比例力を生成する。

さらに詳しくは、電磁インパルス・アクチュエータ２００の断面図が、図２Ａに示されている。電磁アクチュエータ２００は、環状の隙間２１４を形成している磁石アセンブリ２０５と、間隙２１４にスライド可能に配置されたコイルアセンブリ２０３とを備えている。コイル２０３のストロークは、コイルおよび磁石アセンブリの長さによって制御することができる。このようにして、電磁アクチュエータは、１回のストロークの持続中に、かなりの量の物質を輸送するように構成することができる。例えば、最大で３００マイクロリットル以上の容積を、１回のストロークで輸送することができる。代替として、あるいはこれに加えて、薬瓶またはシリンジの全内容物を、複数の少ない投与量で輸送することができる。例えば、３００マイクロリットルの薬瓶の実質的に全内容物を、それぞれが３０マイクロリットルである１０回の別個の注入により動物に輸送することができる。

さらに、アクチュエータの可制御性により、精密な輸送が可能になる。例えば、物質を、約１％である最小の容積増分で生体に送出することができる。すなわち、２００マイクロリットルの容積について、投与量を２００ナノリットル刻みで調整できる。したがって、充分な容積で満たされた単一シリンジは、コイルへの電気入力を制御することによって、さまざまな量を送出できる。このようなアクチュエータの動作は確定的であり、さらに精密な制御に適している。

磁石アセンブリ２０５は、中心軸に沿って配置された磁石２０４Ａ、２０４Ｂの列を備えている。磁石の列を、１つ以上の磁石デバイスを重ねることによって生成できる。例えば、磁石デバイスは永久磁石であってもよい。磁界が強いほど、同じコイルにおいて発生する機械力はより大きいため、より強力な磁石が好ましい。可搬性および操作の容易性が、手持ちユニットとされる装置１００にとって重要な特徴であるため、高密度磁石が好ましい。

このような種類の磁石の１つは、希土類磁石と称され、ネオジム‐鉄‐ホウ素磁石（例えば、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ）としても知られている。この種類の磁石は、それらの質量に比べてきわめて強力である。現在入手可能なデバイスは、強さにおいて約Ｎ２４〜約Ｎ５４に分類され、Ｎの後ろの数字が磁気エネルギー積（単位は、メガガウス‐エルステッド（ＭＧＯｅ））を表している。特定の一実施形態においては、Ｎ５０の磁石が使用される。磁石によって生成される磁界は、一般に磁力線２０８に従い、図示の構成においては中心軸を中心として回転対称である。

軸方向の空洞を形成し、一端で閉じられている直円柱シェル２０１の一端に、磁石２０４Ａ、２０４Ｂが取り付けられている。環状の隙間が、磁石２０４Ａ、２０４Ｂとケースの内壁との間に残され、シェル２０１の他端は、開放されてアクセス可能である。例示的なシェル２０１は、約４０ｍｍの外径および約３１．６ｍｍの内径を備えて形成され、したがって壁の厚さは約４．２ｍｍである。この実施形態において、磁石２０４Ａ、２０４Ｂは円柱形であり、約２５．４ｍｍの直径を有する。

シェル２０１は、好ましくは、磁石２０４Ａ、２０４Ｂによって生成される磁界の封入を促進するように構成された材料から形成される。例えば、シェル２０１を、強磁性体またはフェライトから形成することができる。このような強磁性体の１つとして、炭素鋼（米国鉄鋼協会（ＡＩＳＩ） １０２６の炭素鋼）と称される合金が挙げられる。さらに、同様の強磁性体からなる端部キャップ２０６が、磁石２０４Ａ、２０４Ｂの他端に取り付けられて設けられる。端部キャップ２０６を設けることは、内部に磁界を封入するように作用し、端部キャップ２０６とシェル２０１の外壁との間に形成される環状の隙間の間で磁界が半径方向に向くようになる。端部キャップは一般にシェルの壁よりも厚く、磁界が上部の磁石２０４Ａの端部にループを描いて入るときに、磁界の封じ込みを促進する。上述の例示的なシェル２０１の実施形態において、端部キャップ２０６の軸方向の厚さは約８ｍｍである。

コイルアセンブリ２０３は、ボビン２１０の周囲に巻き付けられた銅線など、導電材料から形成されたコイル２１２を備えている。ボビン２１０は、円筒形であってもよく、コイル２１２と一緒に環状の空洞２１４内に嵌り込むような寸法とされる軸方向空洞を形成する。いくつかの実施形態においては、ボビン２１０は、環状の空洞２１４に近接して並ぶ端部において実質的に閉じられている。閉じられた端部が、図２Ａのプランジャ２１４または力支持棒２１０を押す力支持面を形成する。

強力かつ軽量のコイルアセンブリ２０３は、無針式輸送など、大きい力を高速に発生する必要がある用途にとって好ましい。好ましくは、ボビンは、アルミニウムやガラス繊維強化エポキシ樹脂など、丈夫でかつ軽量の材料から形成される。このような種類のガラス強化エポキシの１つが、ＧＡＲＯＬＩＴＥ（登録商標）の商品名で販売されている。この系列から選択される適切な材料として、湿潤および乾燥の両者においてきわめて高い機械的強度、良好な誘電損失特性、および良好な耐電圧性を提供するＧ１０／ＦＲ４材料が挙げられる。他の材料としては、種々のポリマーにより補強可能な鈍い金色のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）化合物が挙げられ、これは、３１６ステンレス鋼、アルミニウム、軟鋼、真ちゅう、およびカリフォルニア州ＦｕｌｌｅｒｔｏｎのＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ ＰｌａｓｔｉｃｓからＲＵＬＯＮ（登録商標）の商品名で市販されている他のプラスチックなどの柔軟な相手面に対して極めて良好に機能する。ボビン２１０は、環状の隙間に嵌り込むように薄肉とされている。さらに、ボビン２１０は、シェル２０１、磁石２０４Ａ、２０４Ｂ、または端部キャップ２０６に接触しうる表面について、低い摩擦係数を有する必要がある。いくつかの実施形態においては、低摩擦コーティングを、ボビンに施すことができる。このようなコーティングとしては、ＰＴＦＥなどのフッ化炭素類が挙げられる。

一般には、ガラス繊維強化エポキシ樹脂などの非導電性材料が、アルミニウムなどの導電性材料よりも好ましい。磁界と交差して移動する導電性材料に生じる渦電流が、ボビンの移動に対抗する機械力を発生する。このような対抗力は、意図するコイルの動きに逆らい、効率の低下を招くことになる。絶縁材料は、このような渦電流の発生を低減または防止する。

薄肉のボビン２１０は、より狭い環状の隙間２１４を可能にし、隙間を横切る磁界の強度をより大きくする。コイル２１２に大きな電流が流れると、結果として、構造破壊（例えば、溶解）を引き起こす可能性のある大きな熱負荷を生じる可能性がある。他の軽量材料として、高温の用途に最適の機械加工可能なポリアセタール樹脂が挙げられる。

例示的な実施形態をさらに検討すると、ボビン２１０は、約２７ｍｍの外径、約２６ｍｍの内径、および約４６ｍｍの軸方向長さを有する。コイル２１２は、２８ゲージの銅線をボビン２１０の周囲にコイルの長さ（約３５ｍｍ）当たり約１１５巻数の割合で６層に巻き付けて構成され、結果として合計で約７００の巻数を有する。１０２６炭素鋼とともにＮ５０の磁石を使用すると、端部キャップ２０６は、約０．６３〜０．５５テスラ（端部キャップ２０６の中央から測定して半径方向外側に向かうにつれて小さくなる値）を含む。

このように、コイル２１２を通って流れる電流は、端部キャップ２０６とシェル２０１の壁面との間に生成される磁界２０８に対して直角に位置する。この結果として、縦軸に沿った方向の力がコイルに生じ、力の方向は、電流の流れの方向に応じて決まる。上述の例示的な装置においては、約１ミリ秒の継続時間にわたってコイルに加えられる約１００ボルトの電気入力、すなわち駆動電圧が、動作サイクルのうちの貫通段階を表す。輸送段階においては、より低い約−２ボルトの電気入力が加えられる。加えられる入力の極性は、この輸送段階が生体からサンプルを採取するサンプル段階であることを示している。

一般に、コイル２１２は、２つの電気リード２１６を通して電気入力信号を受け取る。シェル２０１は１つ以上の孔部２１８を備え、この孔部を通してリード２１６を電源１０６（図１）に導く。シェル２０１の閉鎖端は、コイルの移動の際に空気が通過できる１つ以上の追加の孔部を含むことができる。このような孔部がなく、コイル２１２と環状の隙間２１４との間の空隙の公差が比較的密である場合、圧力が上昇してコイルの運動を妨げる。代替として、あるいはこれに加えて、さらにボビン２１０が、動作時の減衰圧力の上昇をさらに抑える１つ以上の孔部２２０を有してもよい。

図２Ａは、注入段階の後または最中のコイルアセンブリ２０３を示しており、コイルがシェル２０１から押し出され、前部プレート２１５を前方に送り出している。図２Ｂは、採取段階の後のシェル２０１内に引き込まれたコイルアセンブリ２０３を示しており、コイルアセンブリ２０３がシェル２０１内に引き込まれている。

いくつかの実施形態においては、導電コイルが比較的大きな振幅の電流を流し、大きな力を発生して大きな圧力を生じるように構成されている。また、コイルは高周波動作を可能にするために比較的低インダクタンスを有し、高速の立ち上がり時間（すなわち、インパルス）の応答を可能にしている。いくつかの実施形態においては、コイルのインダクタンスは１００ミリヘンリー未満である。好ましくは、コイルのインダクタンスは約５０ミリヘンリー未満である。さらに好ましくは、コイルのインダクタンスは約１０ミリヘンリー未満である。例えば、コイルのインダクタンスは、約５〜１０ミリヘンリーの間であってもよい。低インダクタンスで大電流容量を提供する１つの方法は、少数の巻数（例えば、１〜３回）で構成された太い直径の導体で形成されたコイルを使用することである。

結果として、高速の立ち上がり時間の高圧のパルスを生成できる圧力アクチュエータが得られる。さらに、アクチュエータの動作は、アクチュエータの物理的特性および入力電流に応じて、制御可能かつ高度に予測可能である。さらにまた、アクチュエータは可逆であり、コイルの電流の方向に応じて両方向に力を発生することができる。

さらに、この可制御性は注入プロファイルを調整可能にし、このプロファイルは、皮膚の外側層を破壊する高速の高圧パルス、およびその後に処方物を送出するための低圧の長いパルスを含むことができる。図３Ａを参照すると、時間変化する例示的な電気入力が示されている。曲線が、アクチュエータ１２５のコイルアセンブリ１０４に供給される電流の変化を表している。最初の時点ｔ_０において、コイル１０４に電流が供給される。電流が、休止値（例えば、０アンペア）から最大値Ｉ_Ｐに立ち上がり、選択された継続時間にわたってこの最大値を維持し、その後に時刻ｔ_１において別の電流値Ｉ_Ｔに移行している。電流の振幅は、後の時刻ｔ_２まで実質的にこの値を維持しても、あるいは時間とともに変化を続けてもよく、時刻ｔ_２において電流は休止値に戻る。

時刻ｔ_２およびｔ_０の間に画定された全期間を、動作期間または動作サイクルと称することができる。ここで述べた電流入力に類似の形状を有する電流入力に関しては、時刻ｔ_１およびｔ_０の間に画定された期間を、貫通段階と称することができる。その名が示しているとおり、大きな電流値Ｉ_Ｐが、相応して高い圧力を生じさせ、この圧力を針またはランセットを使用することなく生体表面を貫通するために使用することができる。時刻ｔ_２およびｔ_１の間に画定された動作サイクルの残りの部分を、輸送段階と称することができる。この名称が示しているとおり、比較的小さな電流値Ｉ_Ｔが、より低い圧力を生じ、この圧力を利用して、貫通段階において生成された表面の孔を通ってリザーバ１１３（図１）から生体に物質を輸送することができる。

電気入力に応答してリザーバ１１３（図１）内に生じる圧力の例示的なグラフが、図３Ｂに示されている。図示されるように、圧力が時刻ｔ_０において、おそらくは電気コイルの伝達特性に起因するわずかな遅延Δを伴い、初期の休止値から極大値Ｐ_Ｐに上昇する。この圧力値を、図１に関して上述したとおり、ジェット噴流の生成に利用することができる。輸送段階においては電流が減少するため、圧力も同様に、物質について所望の輸送を達成するように定められたより小さな値Ｐ_Ｔに低下する。輸送段階は、所望の量の物質が輸送されるまで続き、次いで圧力が取り除かれて、動作サイクルが完了する。

サーボ制御の注入器は、サーボコントローラと組み合わるにように構成された専用設計の電磁圧力アクチュエータを備え、１つ以上の物理的特性（例えば、圧力、位置、容積、など）にリアルタイムに応答する注入圧力を生成する。いくつかの実施形態においては、サーボ制御の注入器は、無針式装置である。電磁圧力アクチュエータが、皮膚の下に処方物を注入するために、高速の立ち上がり時間（例えば、１ミリ秒未満）を有する高圧パルスを生成する。このような高速の立ち上がり時間により、輸送全体を約１０ミリ秒未満で完了させることができる。アクチュエータによって提供される圧力は、所望の結果を達成するために、単一の注入動作の最中に変化させることができる。例えば、最初に第１の高圧力を処方物に与えて、動物の皮膚の外側表面層を貫通する。ひとたび皮膚を貫通すると、注入の残りの部分に対して、圧力を第２のより低い圧力に下げる。サーボコントローラを用いて、チャンバ内の圧力の変化を検出することによっていつ皮膚が貫かれたのかを決定し、それに応じて注入圧力を制御することができる。

サーボコントローラ１０８は、１つ以上のセンサ１１６から入力信号を受け取り、所定の関係に従って出力信号を発生する。サーボコントローラの出力を用いて、制御可能なアクチュエータを駆動する電流の振幅を制御することによって、圧力を制御できる。

リアルタイム制御は、センサ１１６からの入力を繰り返し受け取り、それらの入力を所定の関係に従って処理し、対応する出力を発生するサーボコントローラ１０８によって達成可能である。注入の間に注入圧力を調節するために、検出‐制御のプロセス全体が、注入期間の最中に多数回実行されなければならない。例えば、サーボコントローラ１０８は、センサから受け取った信号を処理して、対応する出力信号を１００ｋＨｚの速度（すなわち、１０マイクロ秒ごと）で高速に供給できる高速マイクロプロセッサを備えている。このような高速応答時間は、単一の５〜１０ミリ秒の注入の間に数百回の圧力調節の機会を提供する。

コイルアセンブリ１０４の摩擦または抗力が効率低下を引き起こすため、コイルを磁石アセンブリ１０５の空洞内で浮動させることができる。すなわち、コイルアセンブリ１０４が隙間内で浮遊し、自由に移動することができる。コイルアセンブリ１０４に電流が供給されていない状態では、コイルアセンブリは装置１００の動きとともに前後にスライドできる。このような動きは、物質をリザーバから意図せず流出させることがあり、あるいはリザーバに空気などの物質を導入することがあるため、望ましくないと考えられる。位置センサ１１６Ｂを備えるサーボコントローラを使用し、コイル１０４の位置を調整することによって、コイルアセンブリ１０４に供給される電気入力信号から生じる反対向きで等しい力を加えることによって、外力（例えば、重力）の存在下でコイルを所定の位置に保持することができる

代替として、あるいはこれに加えて、アクチュエータを、処方物を収容するチャンバを形成するベローズに結合することができる。いずれの構成においても、動作の結果としてチャンバ内に圧力が生じ、チャンバがノズルを通じて処方物を押し出す。

動的制御可能な無針式注入装置４００の例示的な実施形態が、図４に示されている。装置４００は、制御可能な電磁アクチュエータ４０２を、一端を押し棒４０６に当接させて備えている。押し棒４０６の軸は、アクチュエータ４０２の縦軸と同一線上にあり、ベアリング４０８を通ってスライドして半径方向の動きを抑制する。シリンジ４１０を取り付けるための取付けアダプタ４１２が、装置４００の遠位端に設けられている。シリンジのプランジャ（図示されていない）が、取付けアダプタ４１２の内部に位置し、押し棒４０６の他端に当接している。充電可能キャパシタ４１５などの電源が、アクチュエータ４０２内に電流を導入するため、アクチュエータ４０２の近くに配置されている。さらに、装置４００は、注入を開始するボタン４１４、およびアクチュエータ４０２への電源の供給を制御するコントローラ４１６を備えている。さらに、細長い成型プラスチックケース４１８などのハウジングが、種々の構成部品を相互に固定するために設けられている。

より小型の動的制御可能な無針式注入装置５００の例示的な実施形態が、図５に示されている。装置５００は、小型電磁アクチュエータ５０２を備えており、電磁アクチュエータ５０２は、シリンジ５０８のプランジャ５０６の近位端に当接する遠位側の押し板５０４を有する。さらに、装置５００は、シリンジ５０８の近位端が結合される取付け部材５１２を備えている。電源５１４も、アクチュエータ５０２の近くに配置されており、これら種々の構成要素が、ハウジング５１６内で相互に固定されている。いくつかの実施形態においては、図６に示すように、プランジャ５２８をコイルアセンブリ５０５に着脱可能に固定するために、接続具５２５が設けられている。これは、プランジャがコイルアセンブリ５０５の動きに応じていずれかの方向に移動することを保証する。

さらに詳しくは、図６を参照すると、小型の制御可能な電磁アクチュエータ５０２が、中央の磁気コア５２０を強磁性体の端部キャップ５０６で覆われた強磁性体シェル５２２を備えている。コイルアセンブリ５０５が、磁石アセンブリの環状の隙間にスライド可能に配置されており、隙間内で自由に浮動する。シェル５２２の遠位端が、シェル５２２の遠位端の近くから続いて遠位側の取付けプレート５１２で終わる１つ以上の延長部５２４を備えている。しかし、図１および４の装置と対照的に、電磁アクチュエータ５０２は、別個のベアリング１１１、４０８を備えていない。代わりに、延長部５２４を含むシェル５２２の内表面が、コイルアセンブリ５０５に静止ベアリング面を提供し、軸方向の動きを可能にすると同時に、半径方向の動きを抑制する。第１のベアリング面５５０が、コイルアセンブリの遠位端に沿って画定される。第１のベアリング面５５０が、動作の際に延長部５２４の内表面に接してスライドする。いくつかの実施形態においては、第２のベアリング面５５５が、コイルアセンブリ５０５の近位部分に設けられる。第２のベアリング面５５５は、動作の際にシェル５２２の内表面に接してスライドする。

延長部５２４は、図示のとおり、隣接する延長部５２４の間に開口を備え、重量を軽減するとともに、コイルの移動の促進および冷却のために空気の流れを促進することができる。この構成では、遠位側の取付けプレート５１２をシェル５２２に固定結合し、アクチュエータ５０２の剛性を高め、装置の動作によって生じるハウジング５１６（図５）への応力／ひずみの負荷を実質的に除去、または軽減している。

典型的な小型のローレンツ力アクチュエータ６０２の後方からの斜視図が、図７に示されている。電磁アクチュエータ６０２は、外側シェル６２２を有する磁石アセンブリを備えている。コイルアセンブリ６０５が、シェル６２２の内部にスライド可能に配置され、軸方向に平行移動するように構成されている。複数の縦方向の延長部６２４が、シェル６２２を取付けプレート６１２に結合するように構成されて、軸の周囲に配置されている。隣接する延長部６２４の間に開口が設けられている。シリンジ６０８が、電磁アクチュエータ６０２の遠位端において取り付けプレート６１２に結合されている。１つ以上のガイド６２６を設けてコイルの回転を防止し、それぞれのガイド６２６は、隣接する延長部６２４の内縁に沿って移動する。電磁アクチュエータ６０２の近位端は、コイルのリード６１６を通す孔部６１８と、動作の際に空気の流れを促進するための１つ以上の別の孔部６２０とを備えている。いくつかの用途においては、サンプル採取と注入との間に、サンプルの薬瓶が薬剤の薬瓶と交換される。代替として、あるいはこれに加えて、サンプルの分析を別個の分析器によって実行することも可能である。

ローレンツ力アクチュエータは双方向性であるため、コイルの電流方向に応じて、物質の注入に使用される同じ装置を、サンプルの吸引にも使用することが可能である。これは、装置によってサンプルの採取を行うことができるため、有益な特徴である。図８Ａを参照すると、例示的なサンプル採取の無針式注入器７００が示されている。サンプル採取の注入装置７００が、一端において第１のピストン７１４Ａに当接している双方向の電磁アクチュエータ７０２を備えている。サンプル採取ノズル７１１Ａが、シリンジ７１０の他端に結合されている。アクチュエータ７０２は、電池や適切に充電されたストレージキャパシタなどといった電源７０４によって駆動される。第１ピストン７１４Ａがサンプル採取シリンジ７１０の内部にスライド可能に配置されており、これにより、アクチュエータ７０２に電気入力信号が供給されたときに第１ピストン７１４Ａがサンプル採取ノズル７１１Ａから離れて引き込まれる。動作の際にサンプル採取ノズル７１１Ａを体の表面に接触させて置くと、生体からサンプルを採取することができる。

次に、図８Ｂを参照すると、サンプルが採取された後、可動のシリンジ取付け具７０８を用いて、サンプル採取シリンジ７１０が分析器７０６に整列するように配置し直すことができる。この同じ動きによって、第２のピストン７１４Ｂを有し、かつ薬物などの物質を含んでいる第２シリンジ７１２が、アクチュエータ７０２に位置合わせされる。取付け具７０８は、縦軸を中心として回転する回転式取付け具であってもよく、あるいは図示のような直線移動する取付け具であってよい。分析器７０６は、分析されたサンプルに応じて電源７０４に制御信号を提供する。制御信号によって、アクチュエータ７０２が第２ピストン７１４Ｂを前方に押し、分析したサンプルに応じた量の物質を押し出す。このようにして、同じ装置７００を、サンプルの採取および物質の注入の両方に使用できる。

すでに述べたとおり、無針式装置を、体からサンプルを採取するために使用することができる。例示的なサンプル採取方法が、図９Ａのフロー図に示されている。最初に、無針式注入器を用いて表面に孔が開けられる（ステップ８００）。次いで、この無針式装置を再び使用して、生体からサンプルが採取される（ステップ８１０）。採取されたサンプルを分析して、例えば血糖などの物理的特性を決定する（ステップ８２０）。多数の異なる分析方法のいずれか１つ以上を、このステップにおいて実行することができる。例えば、分析として、（ｉ）グルコースオキシダーゼ検査など、グルコースの検出のための電気化学的技法、および表面増感ラマン分光法などといった光学的技法を挙げることができる。コントローラが、分析の結果を受け取り、サンプルの分析結果にもとづいて投与量を決定する（ステップ８３０）。決定された投与量が、無針式装置を使用して生体に投与される（ステップ８４０）。

さらに詳しくは、図９Ｂのフロー図を参照すると、無針式のサンプル採取のステップ（ステップ８１０）は、最初に皮膚を貫通するために物質を注入することを含む（ステップ８１２）。例えば、皮膚を貫通するために、生理食塩水を注入することができる。次いで、無針式装置を使用し、生体から装置のリザーバ内にサンプルを吸引することによって、サンプルが抽出または採取される。サンプルの容積または組成が不充分である場合、生理食塩水ならびに血液、組織、および間質液からなる吸引されたサンプルは、無針式装置を使用して生体内に再注入される（ステップ８１８）。ステップ８１４〜８１８は、適切なサンプルまたはボーラスが得られるまで繰り返すことができる。いくつかの実施形態においては、サンプルが充分であるか否かの判断を、所定のサイクル数に応じて前もって決定できる。代替として、あるいはこれに加えて、サンプルが充分であるか否かを、サンプル採取のプロセスの間に決定することもできる。

動的制御可能な電磁アクチュエータに供給できる例示的な駆動電流が、図１０Ａおよび１０Ｂのグラフに示されている。最初に図１０Ａを参照すると、初期の貫通段階を含む駆動サイクル例が示されており、この貫通段階では、物質を生体に送出して孔を生成するために大きな正の電流が印加される。貫通段階の後にサンプル採取段階が続き、サンプルを採取するために、より小さい電流が反対方向に加えられる。次に図１０Ｂを参照すると、初期の貫通段階に続いて、図９Ｂに関して説明したサンプル採取の段階および再注入の段階が繰り返される多サイクルの例が示されている。

サンプル採取注入装置９００の別の実施形態が、図１１に示されている。装置９００は、それぞれが装置の両端に位置している２つのノズル９１４Ａ、９１４Ｂを備えており、それらの間に制御可能な電磁アクチュエータ９２５が配置されている。各ノズル９１４Ａ、９１４Ｂが、それぞれのシリンジ９１２Ａ、９１２Ｂの外側端に接合されており、各シリンジは、それぞれのリザーバ９１３Ａ、９１３Ｂを形成するとともに、内部にスライド可能に配置されたそれぞれのピストン９１０Ａ、９１０Ｂを有する。各ピストンの内側端はアクチュエータ９２５のそれぞれの端部に結合され、これにより、一方向への動作によって一方のプランジャ９１０Ａが遠位側のノズル９１４Ａの方向に押し出され、内部に収容された物質を注入するように構成されたリザーバ９１３Ａ内に圧力を生成する。同じ方向の同じ動作によって、他方のプランジャ９１０Ｂが遠位側のノズル９１４Ｂから離れて引き込まれ、リザーバ９１３Ｂ内に真空を発生して物質をリザーバ９１３Ｂ内に吸引する。

アクチュエータ９２５は、可動のコイルアセンブリ９０４を備えており、電源９０９に接続されているコントローラ９０８から電気入力信号を受け取る。いくつかの実施形態においては、装置９００は、サンプル採取リザーバ９１３Ｂに収集されたサンプルを分析するため、コントローラ９０８に接続された分析器９１６を備える。動作時には、生体表面を貫く無針式輸送の結果として、装置の一端を用いて生体からサンプルを採取できる。分析器９１６は、サンプルを分析し、結果をコントローラ９０８に提供できる。コントローラ９０８は、分析されたサンプルにもとづき、生体への物質の投与についてのパラメータを決定できる。

装置の他端を用いて、ある一定の投与量の物質を生体に投与できる。このとき、コントローラは、おそらくは入力／出力インタフェースを介して現場または遠方の作業者の制御のもとで、電源９０９からアクチュエータ９２５に電気入力を供給する。アクチュエータ９２５が、受け取った入力に従って同じ方向にピストンを移動させ、圧力を生成して、装置９００の注入端を通しての注入を可能にする。

いくつかの実施形態においては、有利には、複数回の注入および／またはサンプル採取を連続して実行できる制御可能な無針式注入装置１０００を提供する。この結果、動作サイクルが、比較的短い隣接サイクル間の時間遅延をともなって生じる。このような装置は、多数回放出（マルチショット）無針式注入装置と称することができる。多数回放出による注入は、１０ミリ秒の動作（すなわち、注入）サイクルで３０ミリ秒〜５０ミリ秒のうちに行うことができる。多数回放出のいくつかの装置は、薬瓶当たり最大５００回の注入を送出する能力を有する。

例えば、図１２の概略図を参照すると、多数回放出の無針式注入装置１０００に、リザーバまたはアンプル１００２が取り付けられている。装置１０００が生体１００４の表面に接して置かれ、経皮的な輸送が、装置１０００の先端が置かれた第１の位置１００６において開始される。このプロセスを、相互に略近接した他の位置において繰り返し、生体の大きな表面領域１００８を処置することができる。他の用途においては、同じ多数回放出装置１０００を使用して、多数の異なる生体のそれぞれにおいて物質を経皮的に輸送することができる。そのような用途として、一群の動物への連続的な接種を挙げることができる。

多数回放出の用途における例示的なコイル駆動電流対時間のグラフが、図１３に示されている。個々の動作サイクルまたは動作期間の電流プロファイルは、図３、１０Ａ、および１０Ｂ（ユーザによる選択可能な放出間の遅延によって区別されている）に関して先に説明した電流プロファイルのいずれかと同様であってよい。各サイクルについて同一の全体的な入力波形が示されているが、装置は、各サイクルについて異なる波形を開始することも可能である。

例示の可搬式多数回放出注入装置１１００が、図１４Ａおよび１４Ｂに示されている。装置１１００は、ハンドル部１１０４を有するハウジング１１０２を備えており、ハンドル部１１０４に引き金１１１０を備えることができる。さらに装置は、ノズル１１０６、リザーバまたはアンプル１１１２、ならびに内蔵電源１１０８を備えている。いくつかの実施形態においては、装置１１００は、さらにユーザインタフェース１１１４を備えている。

さらに詳しく電源１０６を参照すると、充電式電池またはストレージキャパシタなど、充電可能な電源を充電することが可能である。例えば、充電は、太陽電池、ダイナモ、または誘導結合によって実現できる。例えば、コイルアセンブリ１０４を、外部の電源に誘導結合して使用することができ、結合された電源が、コイルアセンブリ１０４内に電源１０６の充電に利用できる電流を発生させる。

いくつかの実施形態においては、装置を、電磁アクチュエータ１２５自身を使用して充電できる。すなわち、磁石アセンブリ１０５によって生成される磁界を通してコイルアセンブリ１０４を機械的に動かす（装置１００を揺動または振動させることによって達成できるように）ことで、コイル内に電流が生成される。コイルアセンブリ１０４を、レギュレータまたは他の適切な充電回路を介して、電源１０６に接続することができる。すなわち、磁界を通過してコイルアセンブリ１０４を動かすことによってコイルアセンブリ１０４に発生する電流を、電源１０６の充電に使用できる。

例示的な機械式充電装置が、図１５に示されている。機械式充電ユニット１２００は、軸１２０６を往復振動させる加振器１２０４などの機械的トランスデューサを備えている。軸の一端が、加振器１２０４に結合され、他端は、装置１２０１の力伝達部材１１０に係合するアダプタ金具１２０８に結合されている。さらに、充電ユニット１２００は、充電期間において装置を加振器１２０４との係合状態に保持する取付けフランジ１２０２を備える。図示のとおり、まずシリンジが取り除かれ、これによりコイルアセンブリが磁界を通して振動し、コイル１０４に電流を発生させることができる。生じた電流を、電力調整器１２１０を通して電源１０６に供給できる。電力調整器１２１０は、１つ以上の整流器、電圧調整器、フィルタ、および充電ユニットを備えることができる。図示のとおり、磁石アセンブリ１０５は、運動するコイルアセンブリ１０４に対して磁石が固定されて維持されるように、取付け具１２１１を介してハウジング１０２に結合されている。

このような経皮輸送装置の制御可能な特性は、自動注入またはロボットによる注入に適している。第１に、強力な無針式注入を使用して、乳牛などの大型の哺乳類の比較的厚い皮など、生体の皮膚を通して注入することができる。注入が無針であるため、注入の最中に動物が動いても、動物の体内で針が破損することがない。さらに、強力な無針式注入を数分の１秒で達成できるため、動物が動いてはならない時間の長さが、大幅に短縮される。すなわち、単にノズルを動物に押し付け、瞬間的に放出を行うだけでよく、動物が動いている間に行うことさえ可能な短い時間期間で行うことが可能である。

制御された量の物質を動物に投与するための例示的な無針式注入システムが、図１６に示されている。このシステムは、延長可能なアーム１３０４の遠位端に配置された無針式経皮輸送装置１３０６を備えている。アーム１３０４の近位端を、柱またはフレーム１３０８などの剛体の取付け部に接続することができる。さらに、センサ１３１０を設けて、経皮的輸送の実行に先立って動物を識別することもできる。例えば、動物１３０２が、バーコードタグまたは無線識別（ＲＦＩＤ）タグなどといった識別マーク１３１２を備えることもできる。したがって、センサ１３１０は、バーコードまたはＲＦＩＤタグを読み取るように構成された質問器を備えることができる。センサ１３１０および経皮輸送装置１３０６は、どちらもコントローラ１３１４に接続されており、コントローラ１３１４はプロセッサを備えることができる。電源１３１６も、コントローラ１３１４を介して経皮輸送装置１３０６に接続されている。

いくつかの実施形態においては、装置は、床反力センサ１３１８などの動物の物理的特性（体重など）を検出する別の動物用センサを備えている。識別および投与の際に動物１３０２を適切に位置させるため、ゲート１３２４などの案内を設けることができる。さらに、コントローラ１３１４は、センサ１３１８から入力を受け取り、動物の識別および体重にもとづいて投与量の制御を実行する。例えば、特定の動物に対し、識別および体重にもとづいて成長ホルモンを投与することができる。

いくつかの実施形態においては、システムはさらに、通信インタフェース１３２０を備える。通信インタフェースは、図１に関して上述した無線通信インタフェースなどの無線インタフェース１３２２を備えることができる。したがって、システムは、遠隔のユーザ、プロセッサ、および／またはデータベースと通信できる。

動的制御可能なローレンツ力アクチュエータによって提供される動作機能が、多数かつさまざまな処置の選択肢を可能にしている。強力な注入能力と可制御性との組み合わせにより、同じ制御可能な無針式経皮輸送装置を、さまざまな注入物を送出するのに使用できる。例えば、装置を、表面層または皮膚への種々の生体層間（例えば、卵割面に沿って）の皮内投与のために、あるいは表皮および真皮の下の皮膚層である皮下組織に投与される皮下注入のために、非侵襲的に使用することができる。非軸方向の無針式注入が、代理人事件番号第0050.2093-000号による２００６年２月１０日付の発明の名称「Surface Injection Device（表面注入装置）」の米国特許出願に記載されており、本出願の全内容は参照により本明細書に引用したものとする。この装置を用いて、物質を筋肉に直接投与する筋肉注射を行うこともできる。またさらには、この装置は、薬物を静脈を介して血流に直接投与する静脈内注射に使用することも可能である。

物質を関節に注入する例示的な用途が、図１７に示されている。人の膝１４００の一部分が、滑膜関節１４０２の例として示されている。滑膜関節１４０２は、「滑」膜１４０４または「関節」包の内部に封入された粘液１４０６を含んでいる。いくつかの処置においては、物質を粘液１４０６に注入することが望まれる。これは、滑膜１４０４をも貫通する比較的深い注入を必要とする。これまでのところ、このような注入においては、針の曲がりまたは破損を防ぐため、太い針を使用する必要がある。不利な点は、直径の大きな針は、患者の苦痛および不快を大きくする傾向にある。制御可能な電磁式無針装置を使用することにより、このような注入を実行して、物質１４１４を送出することが可能である。すなわち、シリンジ１４０８に貯蔵された物質１４１４が、ノズル１４１２を通って吐出される。ノズル１４１２によって細いジェット噴流が形成され、物質の流れ１４１６を直線経路に沿って所望の深さに導く。このようにして、より少ない苦痛で、曲げを生じることなく、流れ１４１６を滑膜１４０４を通して関節１４０２の内部領域に導き、物質１４１８を送達することができる。

図１８に示されている制御可能な無針式注入装置１８００の別の実施形態は、内部にリザーバを形成するベローズ１８０２を備える。電磁アクチュエータ１８２５が、入力電流の方向に応じて、ベローズ１８０２を圧縮し、あるいは膨張させる。無針式注入に適合するノズル１８０１がベローズ・チャンバ１８０２に連通し、ベローズ１８０２が圧縮されたときに、チャンバ１８０２内に収容された処方物がノズル１８０１を通って押し出される。ノズル１８０１は、通常はアクチュエータ１８２５の静止部分に対して固定された関係に保持され、ベローズがアクチュエータ１８２５の可動部分とノズル１８０１との間で圧縮される。

ベローズ・チャンバ１８０２は、注入装置１８００内で迅速かつ容易に取り外しおよび交換されるように構成することができる。例えば、ベローズ・チャンバ１８０２の挿入および取り外しを、ハウジング１８１０の側方から行うことができる。ハウジング１８１０は、ベローズ・チャンバ１８０２をコイルアセンブリ１８０４に対して固定する機械的固定具を備えることができる。例えば、機械的固定具として、ベローズ・チャンバの相補的な切り欠きに係合するように構成されたブレード（図示されていない）を挙げることができる。代替として、あるいはこれに加えて、軸方向に圧縮可能である一方で、非軸方向については剛性である特別に構成されたベローズを使用することも可能である。

本発明を、本発明の好ましい実施形態を参照しつつ詳細に示して説明してきたが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の技術的範囲から逸脱することなく、これらの実施形態において形態または細部についてさまざまな変更が可能であることは理解されるであろう。

制御可能な無針式経皮輸送装置の一実施形態の概略ブロック図である。 図１の装置において使用できる制御可能な電磁アクチュエータの一実施形態の断面図であり、突き出た状態を示している。 図１の装置において使用できる制御可能な電磁アクチュエータの一実施形態の断面図であり、引き込んだ状態を示している。 図２Ａの制御可能な電磁アクチュエータへの例示的な電気入力について、電流対時間のプロファイルを示したグラフである。 物質の輸送に使用されるリザーバ内で生成される例示的な圧力における圧力対時間のプロファイルを示したグラフであり、圧力は制御可能な電磁アクチュエータによって図３Ａの電気入力に応じて生成される。 制御可能な無針式経皮輸送装置の一実施形態の一部破断斜視図である。 制御可能な無針式経皮輸送装置の別の実施形態の一部破断斜視図である。 シリンジに接続された図５の装置に備えられている制御可能な電磁アクチュエータのより詳細な一部破断斜視図である。 シリンジに接続された図５の装置に備えられている制御可能な電磁アクチュエータの一実施形態の後方からの斜視図である。 サンプル採取および分析機能を提供する無針式経皮輸送装置の概略ブロック図であり、サンプル採取状態を示している。 サンプル採取および分析機能を提供する無針式経皮輸送装置の概略ブロック図であり、サンプル注入の状態を示している。 無針式装置でのサンプル採取、分析、および注入プロセスの実施形態を示すフロー図である。 例示的な無針式装置での採取プロセスの実施形態を示すさらに詳細なフロー図である。 １回のサンプル採取動作について、図２Ａ、４、５、あるいは８Ａおよび８Ｂの制御可能な電磁アクチュエータへの例示的な電気入力の電流対時間のプロファイルを示すグラフである。 複数回のサンプル採取動作について、図２Ａ、４、５、あるいは８Ａおよび８Ｂの制御可能な電磁アクチュエータへの例示的な電気入力の電流対時間のプロファイルを示すグラフである。 サンプル採取および注入機能を提供する無針式経皮輸送装置の別の実施形態である。 多数回放出の無針式経皮輸送装置を使用する体表面の処置を示す斜視図である。 多数回放出による輸送について、図２Ａ、４、５、８Ａ、または８Ｂの制御可能な電磁アクチュエータへの例示的な電気入力の電流対時間のプロファイルを示すグラフである。 例示的な可搬式無針式経皮輸送装置の前方斜視図である。 例示的な可搬式無針経皮輸送装置の後方斜視図である。 内部電源を充電するために充電式の無針式経皮輸送装置に結合された機械式充電ユニットの概略ブロック図である。 動物に対して無針式輸送を自動的に実行するように構成された自動無針式経皮輸送システムの概略ブロック図である。 動物の関節に物質を注入する無針式経皮輸送装置の概略図である。 ベローズ・リザーバを備える別の無針式経皮輸送装置の概略ブロック図である。

符号の説明

１００，４００，５００，７００，９００，１０００，１１００，１３０６，１８００…無針式経皮装置
１１３，９１３Ａ，９１３Ｂ，１００２，１１１２，１８０２…リザーバ
１１４，７１１Ａ，９１４Ａ，９１４Ｂ，１１０６，１４１２，１８０１…ノズル
１２５，２００，４０２，５０２，６０２，７０２，９２５，１８２５…電磁アクチュエータ
１０８，４１６，９０８，１１０８，１３１４…コントローラ
１０４，２０３，５０５，６０５，９０４，１８０４…コイルアセンブリ
１０５，２０５…磁石アセンブリ
１１６，１３１０，１３１８…センサ
１０６，４１２，５１４，７０４，９０９，１１０８，１３１６…電源
７０６，９１６…分析器
１１８…リモート通信インタフェース
１２１１…機械的取付け具
５５０…第１のベアリング面
５５５…第２のベアリング面

Claims (17)

1. 生体の表面を横切って物質を輸送する無針式経皮輸送装置であって、
   前記物質を貯蔵するリザーバと、
   前記リザーバに連通しているノズルと、
   前記リザーバに連結している制御可能な電磁アクチュエータとを備え、
   前記アクチュエータが、
   磁界を供給する固定の磁石アセンブリと、
   前記磁石アセンブリに対してスライド可能に配置され、電気入力を受け取り、これに応答して、受け取った入力に対応する力を生成するコイルアセンブリであって、前記力が、前記コイルアセンブリ内の電流と前記磁界との相互作用から発生するものであり、前記リザーバと生体との間の無針での物質の輸送を生じさせる、コイルアセンブリとを有し、
   さらに、
   前記制御可能な電磁アクチュエータに電気的に接続され、前記電気入力を提供するサーボコントローラを備え、
   前記コイルアセンブリ内で生成される力が、物質の注入中に、前記電気入力の変化に応じて動的に変化する装置。
2. 請求項１において、さらに、前記サーボコントローラに電気的に接続された少なくとも１つのセンサを有し、このセンサが物理的特性を検出し、前記サーボコントローラが検出された物理的特性に応答して前記電気入力を生成する装置。
3. 請求項２において、前記検出される物理的特性は、位置、力、圧力、電流、および電圧のうちの１つ以上である装置。
4. 請求項１において、さらに、前記コントローラに電気的に接続されたリモート通信インタフェースを備え、前記コントローラが、このリモート通信インタフェースを介して受信した通信内容に応答して前記電気入力を生成する装置。
5. 請求項１において、さらに、前記生体から採取したサンプルを分析するように構成された分析器であって、前記サンプルは当該無針式経皮輸送装置を用いて採取されたものである、分析器を備え、前記サーボコントローラが、サンプルの分析に応答して前記電気入力を提供する装置。
6. 請求項１において、前記制御可能な電磁アクチュエータが、双方向性であって、第１の電気入力に応答して正の力を生成し、第２の電気入力に応答して負の力を生成する装置。
7. 請求項１において、前記電磁アクチュエータが、ノズルを通って物質を押し出し、生体の表面を貫通するのに充分な速度を有するジェットを生成する装置。
8. 請求項１において、さらに、前記電気入力の生成に使用される充電式電源を備えた装置。
9. 請求項８において、前記制御可能な電磁アクチュエータが、前記充電式電源を充電する装置。
10. 請求項９において、さらに、前記制御可能な電磁アクチュエータを使用して前記充電式電源を充電するように構成された取り外し可能な機械的取付け具を有する装置。
11. 請求項１において、複数の連続した独立の無針式輸送を実現するように構成されている装置。
12. 請求項１において、前記リザーバ、前記ノズル、および前記制御可能な電磁アクチュエータが、可搬の手持ちユニットに組み込まれている装置。
13. 請求項１において、前記生成される力の立ち上がり時間が、約５ミリ秒未満である装置。
14. 請求項１において、前記リザーバが約３００マイクロリットルの容積を貯蔵し、前記力の大きさおよび継続時間の両者が、前記３００マイクロリットルのすべて、または一部を輸送するのに充分である装置。
15. 無針式経皮輸送装置で使用される線形電磁アクチュエータであって、
    磁界を供給する固定の磁石アセンブリと、
    前記磁石アセンブリに対してスライド可能に配置され、電気入力を受け取るコイルアセンブリと、
    前記磁石アセンブリに当接し、長さ全体にわたって形成された静止ベアリング面と、
    前記コイルアセンブリの遠位部分に沿って画定され、前記静止ベアリング面に対してスライドするように構成された第１のベアリング面と、
    前記電気入力を提供するサーボコントローラとを備えた線形電磁アクチュエータであって、
    前記コイルアセンブリ内で生成される力が、前記電気入力の変化に応じて動的に変化する線形電磁アクチュエータ。
16. 請求項１５において、さらに、前記コイルアセンブリの近位部分に沿って画定され、同じく前記静止ベアリング面に対してスライドするように構成された第２のベアリング面を備えた線形電磁アクチュエータ。
17. 生体の表面を横切って物質を輸送する無針式経皮輸送装置であって、
    一端がノズルに結合されているリザーバに機械力を加える電磁アクチュエータ手段であり、この機械力が前記リザーバ内に圧力を生成し、この圧力の大きさが、前記機械力により変化し、体の表面を横切って物質の輸送を生じさせる、電磁アクチュエータ手段と、
    前記物質の輸送の間に、物理的特性を検出する手段と、
    前記検出した物理的特性に応じて供給される電気入力を変化させ、前記加えられる機械力に相応の変化を生じさせる手段と、
    前記電磁アクチュエータ手段を制御するサーボコントローラ手段であって、前記電磁アクチュエータ手段に電気的に接続され、前記電気入力を提供するサーボコントローラ手段とを備え、
    前記電磁アクチュエータ手段で生成される力が、物質の注入中に、前記受け取った電気入力の変化に応じて動的に変化する装置。

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