基于減速電機(jī)的微量藥物輸送系統(tǒng)的研制

侯雅萍，呂坤勇，谷雪蓮

（1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093;2.上海微創(chuàng)生命科技有限公司，上海 201318）

0 引言

微量藥物輸送裝置主要應(yīng)用于麻醉劑、治療腫瘤用的止痛藥物、生長(zhǎng)激素類藥物、胰島素等藥物的微量注射，從而達(dá)到精確控制藥量、保證治療效果、保障患者安全的目的［1］。相對(duì)于普通藥物輸送，微量輸送對(duì)系統(tǒng)的精度、可靠性等要求更高，同時(shí)還應(yīng)考慮系統(tǒng)的功耗、價(jià)格以及便攜性［2］。目前，國(guó)內(nèi)外微量藥物輸送裝置面臨的主要問(wèn)題是精度不夠和成本較高［3］。臨床上常見(jiàn)微量藥物輸送裝置多采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，價(jià)格較高，步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的微小抖動(dòng)、噪音大、耗電量大等缺點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致藥量控制的誤差，不適于大批量產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)［4］。本文闡述了一種以直流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)原件的微量藥物輸送裝置的研制，此裝置實(shí)現(xiàn)了藥量的微量精確控制，同時(shí)兼具整體尺寸小、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，適于此類產(chǎn)品的微型化。

1 輸注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體基本組成

輸注系統(tǒng)由直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、儲(chǔ)液器等機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 輸注系統(tǒng)基本組成示意圖Fig 1 Schematic diagram of drug delivery system

按鍵與液晶顯示器構(gòu)成人機(jī)交換的輸入與輸出;存儲(chǔ)器用來(lái)儲(chǔ)存輸注記錄與時(shí)間;蜂鳴器在系統(tǒng)出現(xiàn)液盡、低電等異常情況時(shí)發(fā)出警報(bào)。通過(guò)操作按鍵，進(jìn)行輸出劑量的設(shè)置、輸注記錄的查詢及工作情況查詢。在操作按鍵的同時(shí)，液晶顯示屏同時(shí)有相應(yīng)的指示信息。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由直流電機(jī)、光電傳感器、減速齒輪箱、絲桿等組成。輸注機(jī)構(gòu)的作用是將直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，并且用大的減速比提高輸注機(jī)構(gòu)的扭矩，以滿足推動(dòng)儲(chǔ)液器活塞排出藥液的力矩要求。光電傳感器用于計(jì)量電機(jī)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，通過(guò)計(jì)算可以得到輸出藥液的量與電機(jī)圈數(shù)的關(guān)系。

1.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪箱，通過(guò)齒輪箱的最終齒輪與絲桿的配合，將齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)。圖2是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意圖。

圖2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig 2 Schematic diagram of driving mechanism

齒輪箱由3個(gè)齒輪和兩側(cè)夾板構(gòu)成，3個(gè)齒輪相互嚙合。電機(jī)通電后，電機(jī)帶動(dòng)與其輸出軸相配合的齒輪箱第一齒輪，由于齒輪的嚙合作用，相繼帶動(dòng)齒輪箱的中間齒輪和最終齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

絲桿通過(guò)螺紋配合穿過(guò)最終齒輪，絲桿的尾部固定一個(gè)絲桿旋轉(zhuǎn)限制零件，當(dāng)最終齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，絲桿能夠沿其軸向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。絲桿的前端安裝有推板，推板隨絲桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可以推動(dòng)儲(chǔ)液器的活塞，將液體排出儲(chǔ)液器，完成輸注。

除此之外，系統(tǒng)還包含用于固定用的螺釘螺母，與絲桿相配合的定位裝置。

1.3 直流電機(jī)計(jì)圈方式與計(jì)算

1.3.1 光電傳感器的原理

本系統(tǒng)采用直射式光電傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，通過(guò)對(duì)紅外發(fā)射光的阻斷和導(dǎo)通，在接收端感應(yīng)到電流的變化，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)與關(guān)的判斷［5］。光電傳感器檢測(cè)電機(jī)尾部轉(zhuǎn)針轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一圈，轉(zhuǎn)針隨之轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，阻斷光信號(hào)兩次。因此，通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)阻斷光信號(hào)的次數(shù)，即可算電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。

1.3.2 藥物輸注的計(jì)算

直流減速電機(jī)是很常見(jiàn)的一種電機(jī)，它由直流電機(jī)和減速齒輪箱構(gòu)成，通常減速比可達(dá)幾百比一甚至更高［6］。本系統(tǒng)采用的是ZXD—FF—N20電機(jī)，減速比記為n1。自主設(shè)計(jì)的齒輪箱減速比為n2，設(shè)計(jì)齒輪箱的目的一是為了增加減速比，二是為了將絲桿與電機(jī)平行放置，縮短裝置的長(zhǎng)度。與齒輪箱的最終齒輪相配合的絲桿螺距為p。因此，絲桿前進(jìn)的距離（l）與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)（Rmotor）的關(guān)系如公式（1）所示［7］

假設(shè)儲(chǔ)液器的內(nèi)徑是d，則注射的藥物的量（V）與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)的關(guān)系式如公式（2）所示

根據(jù)對(duì)光電傳感器的介紹，可以知道單片機(jī)檢測(cè)到一次阻斷信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)半圈。因此，注射藥物的量與單片機(jī)檢測(cè)到的阻斷信號(hào)數(shù)（N）的關(guān)系如公式（3）所示

2 實(shí)現(xiàn)方法

2.1 零部件加工與組裝

系統(tǒng)組裝過(guò)程中所用的齒輪利用線切割加工而成，所用材料為黃銅或不銹鋼。其余零部件用雕刻機(jī)加工而成，所用材料為有機(jī)玻璃。按照?qǐng)D2所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，用螺釘螺母安裝固定。圖3是裝配完成的裝置圖，裝置通過(guò)光電傳感器引出的線與PCB板相連，PCB板在這里沒(méi)有給出。

圖3 藥物輸送系統(tǒng)Fig 3 Drug delivery system

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)方法

系統(tǒng)采用MSP430F149單片機(jī)控制，藥物輸送程序?qū)崿F(xiàn)如下:操作者通過(guò)按鍵設(shè)置所要輸注劑量，所設(shè)置的劑量可以在液晶顯示器上反映出來(lái);控制程序根據(jù)所設(shè)置的預(yù)設(shè)量，依照公式（3）計(jì)算出需要轉(zhuǎn)針阻斷光電傳感器的次數(shù)N;當(dāng)操作者按下執(zhí)行以后，單片機(jī)啟動(dòng)電機(jī)，同時(shí)開(kāi)始監(jiān)測(cè)并記錄轉(zhuǎn)針阻斷光電傳感器的次數(shù)，當(dāng)阻斷次數(shù)達(dá)到N后，停止電機(jī)供電，完成一次輸注，并將輸注記錄與實(shí)際阻斷次數(shù)存儲(chǔ)起來(lái)，供查詢。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 系統(tǒng)的精確性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證藥物輸送的準(zhǔn)確性，在軟件中增加了記錄轉(zhuǎn)針阻斷光電傳感器次數(shù)的程序。采用微量天平稱量系統(tǒng)輸注出的液體的質(zhì)量，除以液體的密度即可以得到液體的體積，實(shí)驗(yàn)中采用蒸餾水做輸注介質(zhì)。最終結(jié)合理論計(jì)算，驗(yàn)證系統(tǒng)的精確性。本實(shí)驗(yàn)所用到的一些參數(shù)主要有:n1=298∶1，n2=3∶1，p=0.5 mm，d=9.65 mm。表 1 記錄了分別輸注0.05～0.4 mL 液體的實(shí)際輸注量（間隔 0.05 mL），理論值與誤差。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab 1 Experimental result

從表1中可以看出:實(shí)際測(cè)試的液體的量大都比預(yù)設(shè)量大。通過(guò)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)針阻斷光電傳感器的次數(shù)（如表1第4列），可以得知實(shí)際阻斷次數(shù)比理論阻斷次數(shù)要大。在程序控制時(shí)，單片機(jī)監(jiān)測(cè)到轉(zhuǎn)針轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)達(dá)到理論值時(shí)，開(kāi)始斷電，但是斷電后電機(jī)會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一會(huì)，這是由于慣性所引發(fā)的過(guò)沖。過(guò)沖量如表1最后一列所示，大約為28次，即過(guò)沖14圈。

根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)修改程序，補(bǔ)償因電機(jī)過(guò)沖所引起的藥物輸送誤差。具體作法是，當(dāng)轉(zhuǎn)針轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到光電傳感器理論次數(shù)減去28的數(shù)值時(shí)，即停止電機(jī)供電，由慣性來(lái)補(bǔ)償剩余部分。

關(guān)于系統(tǒng)的誤差問(wèn)題，可以通過(guò)表1中實(shí)際阻斷次數(shù)計(jì)算出理論輸注量，用其與實(shí)際量相比即可，輸注誤差為－0.68%～1.24%。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)將系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值固定在0.1 mL，將儲(chǔ)液器里的液體依次排出，儲(chǔ)液器容量3mL，為了保證數(shù)據(jù)的有效性，記錄25個(gè)數(shù)據(jù)。每天測(cè)試一組，持續(xù)5d進(jìn)行。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

其中，最大值為 0.1048 mL，最小為 0.0996 mL，平均值為0.101 9 mL。根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出系統(tǒng)輸注量為0.1019 mL時(shí)的精度在 －2.3%～2.9%。連續(xù) 5 d的輸注結(jié)果無(wú)序地分布在0.1019 mL附近，系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性都比較理想。

圖4 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試曲線Fig 4 Test curve of system stability

4 結(jié)論

本文提出一種藥物輸送系統(tǒng)，闡述其基本組成與實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)輸注和固定量輸注時(shí)均有很好的精度，且穩(wěn)定性很高，易于應(yīng)用在臨床或微型藥物輸送器械。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明:本系統(tǒng)存在電機(jī)過(guò)沖現(xiàn)象，雖然文中提出了一種修正補(bǔ)償?shù)姆椒?，但尚存在風(fēng)險(xiǎn)，如果輸注阻力不同，電機(jī)斷電后的過(guò)沖量可能會(huì)有所不同。另外，在極微小量的藥物輸送應(yīng)用方面還存在風(fēng)險(xiǎn)，輸注極微小量的藥物時(shí)，電機(jī)只需轉(zhuǎn)動(dòng)幾十圈甚至幾圈，在電機(jī)還沒(méi)有達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速時(shí)就已經(jīng)完成了預(yù)設(shè)量的輸注，此時(shí)斷電所引起的過(guò)沖量又是一個(gè)不同的值。該系統(tǒng)需要進(jìn)一步的完善，確保其實(shí)際應(yīng)用的安全性。

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