一種基于SMA絲的微型藥物釋放系統(tǒng)

劉洪延 周正權(quán) 洪博恩

摘 ? 要：NiTi形狀記憶合金是一種具有多種優(yōu)良特性的金屬，其特點是在不同的溫度環(huán)境下，其形狀和物理特性均會發(fā)生改變。根據(jù)這一特性，在航天，醫(yī)療，微型機器人制造等領(lǐng)域，形狀記憶合金發(fā)揮了重要作用。NiTi形狀記憶合金絲在不同溫度下的長度不同，在高溫下縮短，在低溫下伸長，可以利用這一特性驅(qū)動微型機械結(jié)構(gòu)。本文以基于SMA絲驅(qū)動的微型機械為基礎(chǔ)，設(shè)計研究一種以SMA絲為動力源的微型藥物釋放系統(tǒng)。該機械系統(tǒng)可通過對加載于SMA絲的兩端電壓進行控制，從而達到對微型機械進行控制的目的，進而完成藥物的釋放。本文將以微型機械的工作原理為主要內(nèi)容，研究該微型系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：形狀記憶合金絲（SMA） ?微型機械 ?藥物釋放 ?助老機械

中圖分類號：TH6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（a）-0100-02

1 ?系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)設(shè)計的背景

近年來，我國的老齡化程度進一步加重，老年人的總體量以及其所占比例都增長。由于老年人免疫力較低，身體素質(zhì)較差，大多患有心腦血管疾病，《心臟病學(xué)》的報告顯示，心血管疾病已經(jīng)成為全球頭號死因，從心血管疾病的總體患病人數(shù)來看，由1990年的4060萬上升到2016年的9380萬，翻了一番。因而針對老年人的心血管疾病防治任務(wù)成為社會關(guān)注的重點之一。心腦血管疾病的特點是發(fā)病快，急救時間短，常伴有明顯的身體不適，如心悸、胸痛，頭痛，嘔吐，半邊肢體偏癱。在該狀態(tài)下，患者很難進行自主服藥，從而加重病情，往往會錯過最佳的救治時間。而急救藥物多為顆粒劑，僅幾毫克就能達到急救效果。因此，如何研究一種自主釋放藥物的微型可穿戴系統(tǒng)成為了解決該問題的辦法之一。

1.2 系統(tǒng)主體概要

根據(jù)該系統(tǒng)根據(jù)不同部分的功能和用途分成了三個主要部分：（1）心率檢測系統(tǒng)，其主體為安裝在指尖的心率檢測系統(tǒng)和手環(huán)中的信號處理部分，對心率信號進行處理分析;（2）信號控制系統(tǒng)，主體為手環(huán)中處理的脈沖數(shù)據(jù)發(fā)出端與穿戴設(shè)備中的信號接收端，負責(zé)接收和發(fā)出信號;（3）藥物釋放系統(tǒng)，穿戴設(shè)備（牙齒中）中的藥物釋放模塊，以形狀記憶合金絲為動力源，驅(qū)動藥物釋放結(jié)構(gòu)。

1.3 控制模塊概要

電路遙控操作模塊由心率檢測模塊和電路控制模塊構(gòu)成，該模塊采用了MAX30102集成模塊，這是一個集成的血氧檢測和脈搏檢測傳感器的模塊。它安裝有兩個LED，分別發(fā)出紅外光和紅光、光電檢測器、以及光電元件，和帶有周圍光照抑制作用的低噪聲電子電路。MAX30102采用一個1.8V電源和一個獨立的5V用于內(nèi)部LED的電源，應(yīng)用于可穿戴設(shè)備進行心率和血氧采集檢測，佩戴于手指、耳垂和手腕等處。標(biāo)準12C兼容的通信接收串口可以將采集到的心率數(shù)值傳輸給stm32單片機進行心臟跳動頻率和血液含氧量計算。此外，該芯片還可通過軟件關(guān)斷模塊，待機電流接近為0，實現(xiàn)電源始終維持供電狀態(tài)，MAX30102心率模塊采用光溶積法測量，利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同和血氧飽和度測量的，光源及采用對脈動血中氧含血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）有選擇性的特定波長的發(fā)光極管，然后動脈搏動充血積委化導(dǎo)致夠束光的透光性發(fā)生改變，此時由光電變換接收經(jīng)人體組織反射光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠓懦觯溆嬎愎綖?/p>

通過采集的脈沖信號，計算獲得心率數(shù)值，進而達到監(jiān)測心率的目的。

采集的脈沖信號輸入到單片機中，單片機對脈沖信號進行處理，將脈沖波轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過對數(shù)字信號的計數(shù)統(tǒng)計，分析出心率。

1.4 藥物釋放模塊概要

由芯塊，殼體，滑塊，蓋四部分組成。其中滑塊上附帶有限位銷，限位銷作用于蓋上，可達到控制運動的目的。芯塊上附帶有裝配孔，其為六邊形成形孔，方便滑塊的裝配，其并不會影響結(jié)構(gòu)的正常工作。該結(jié)構(gòu)中，殼體為主體部分，其上的滑槽用于對滑塊的限位，外表面與牙齒內(nèi)面相接觸，裝配方式為過盈配合。蓋負責(zé)密封，確保不會浸水導(dǎo)致藥物失效，設(shè)計有鎖緊機構(gòu)。滑塊起到限位控制作用，使得芯塊和蓋按一定順序彈出，滑塊左端連有平衡彈簧，右端連有形狀記憶合金絲，在藥物釋放前兩端力大小保持相等，確保滑塊不會移動。芯塊起到了彈出藥物的作用，芯塊上的斜面設(shè)計有助于藥物的釋放，使內(nèi)容顆粒物成功放出。

2 ?工作流程

2.1 控制系統(tǒng)工作流程

心率監(jiān)測計算系統(tǒng)對心率變化進行實時監(jiān)測。分四種工作狀態(tài)：（1）心率在45次/min以下或100次/min以上時發(fā)出報警，10s后接通信號發(fā)出端電路，藥物釋放系統(tǒng)電路接通，藥物釋放，開關(guān)接通10s后復(fù)位;（2）在報警后10s鐘內(nèi)，按下復(fù)位鍵停止報警，藥物不進行釋放運動，系統(tǒng)3min后恢復(fù)正常工作;（3）在心率為45～100次/min時，按下主動開關(guān)，信號發(fā)射端發(fā)出信號，藥物釋放系統(tǒng)電路接通，藥物釋放，10s后復(fù)位;（4）按下待機鍵按鈕后（總開關(guān)）進入準備狀態(tài)，僅展示心率計數(shù)。當(dāng)穿戴設(shè)備接收端接收到信號時，接通藥物釋放系統(tǒng)電路。

2.2 藥物釋放系統(tǒng)工作流程

（1）藥物釋放系統(tǒng)中形狀記憶合金絲被加熱，合金絲收縮，拉力增加，大于平衡彈簧壓力。（2）形狀記憶合金絲牽引滑塊，滑塊右移1mm，蓋中間卡銷松開。（3）在底部彈簧力擠壓力下，蓋向上運動2mm，滑塊將向右移0.5mm，芯塊卡松開。（4）在彈簧力作用下，芯塊向上移動4mm，容器中藥物被擠出釋放。10s后，電路斷開，形狀記憶合金絲冷卻收縮，拉力變小，平衡彈簧拉力大于合金絲拉力。壓下蓋后，滑塊復(fù)位，藥物釋放模塊關(guān)閉。

3 ?系統(tǒng)分析

3.1 安全措施

（1）密封措施：由于遙控信號接收端和藥物釋放模塊都在牙齒中，口腔環(huán)境為濕度大，鹽度大，在喝水時，口腔中液體壓強較大，藥物釋放模塊中的滑塊卡銷有增大向下壓力的作用，壓緊蓋下端的密封膠墊，達到密封的效果，設(shè)計防水等級為IPX7。

（2）結(jié)構(gòu)強度：設(shè)計時考慮到蓋端會受到?jīng)_擊，磨損，對蓋進行了加強處理，選用確保頂蓋不會損壞。

（3）有害性;藥物釋放模塊中藥物與電路部分隔離，電路中有害金屬不會進入口腔，藥物釋放模塊選用食品級材料，主結(jié)構(gòu)采用無毒塑料，避免產(chǎn)生毒性。

預(yù)期效果：當(dāng)佩戴者心率正常時，系統(tǒng)僅顯示心率，在心率異常時，系統(tǒng)發(fā)出警報并釋放藥物。當(dāng)患者感覺到身體狀態(tài)不佳時，可主動啟動系統(tǒng)，釋放藥物。該系統(tǒng)可實現(xiàn)急救藥物釋放的完全自主化，做到自主服藥，速度快，效率高。

3.2 系統(tǒng)弊端分析

（1）該系統(tǒng)體積較小，加工難度較高。對于加工設(shè)備的要求較高，加工精度為七級。

（2）該系統(tǒng)待機時間較短，芯片耗電量為0.5ma（3.7V），設(shè)計電池容量為100ma，待機狀態(tài)下僅可工作200h。

（3）該系統(tǒng)制作成本較高，需要精密加工，并且選用了大量無毒的材料，可能會導(dǎo)致成本升高。

（4）該系統(tǒng)的設(shè)計壽命較低，由于在低鹽度高濕度狀態(tài)下工作，對內(nèi)部電路及機械結(jié)構(gòu)使用壽命影響較大，預(yù)計使用3個月需進行保養(yǎng)，一年達到使用壽命。

3.3 功能拓展

（1）本系統(tǒng)采用了形狀記憶合金作為動力源，該思想可用于小型電控微型機的設(shè)計和制造，如微型肌肉替代品，微型浮游式機器人，可使用形狀記憶合金進行低頻周期性運動，其特點是空間小、可操縱性高。

（2）本系統(tǒng)作為可穿戴式設(shè)備，有較大的發(fā)展空間，對醫(yī)療，通訊等領(lǐng)域有較大意義。如內(nèi)植式藥物分泌系統(tǒng)，或內(nèi)植式信號源等多種系統(tǒng)裝置。

參考文獻

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