核酸提取儀用多軌道注射泵設計與研究

王春政 原 遠

（韶關學院,廣東 韶關 512005）

核酸提取儀是應用配套的提取試劑自動完成樣本核酸提取工作的儀器。在臨床上，注射泵又被稱為注射輸液泵[1]，主要用于注射給藥。相比于普通的輸液泵，注射泵在小劑量給藥方面具有較大的優(yōu)勢，如給藥的精度高，配藥較為靈活，處理過程簡單，流速波動小等[2]。注射泵可以使藥物進入患者體內的速度更加均勻準確，從而更高效地發(fā)揮藥物本身的作用，提高給藥的效率和靈活性，同時還可以減少醫(yī)護人員的工作強度。

1 研究現(xiàn)狀

國外對注射泵的研制比較早，并且應用范圍廣。德國貝朗公司［B.Braun Medical (H.K.) Ltd］曾在1951年發(fā)明了第一臺醫(yī)用注射泵，到現(xiàn)在已經有半個多世紀的歷史了[3]。國外注射泵型號多樣，穩(wěn)定可靠，但其價格昂貴，使得注射泵在國內醫(yī)療機構尤其是農村醫(yī)院、診所等中小型醫(yī)療機構難以推廣[4]。

我國在20世紀90年代中期已經開始研制注射泵，到目前已經擁有了非常多的國產注射泵，例如WZS-50F6注射泵（由浙江大學研制，雙通道，注射精度±2%）[4]。與國外注射泵產品相比，國內注射泵具有價格上的優(yōu)勢，但在注射精度控制和最小速率控制方面存在很大的差距。目前國內的研究多為單軌道注射泵，多軌道注射泵研究較少，與核酸提取儀配合使用的多軌道注射泵研究更少。

多軌道注射泵能夠在滿足單軌道注射泵的前提下，可以提高注射效率。因此，本文從使用效率上出發(fā)，利用多軌道注射泵的特點，以及結合核酸提取儀的需求，研究了一款適用于核酸提取儀的多軌道注射泵，以滿足醫(yī)療機構的需求。

2 核酸提取儀用多軌注射泵總體方案設計

核酸提取儀用多軌注射泵的動力系統(tǒng)由動力源、減速傳動機構、螺桿副和注射機構組成。

2.1 工作原理

多軌道注射泵的整體結構如圖1所示，多軌道注射泵采取了螺旋進給的方式進行藥液注射。多軌道注射泵電機的轉動由控制器控制，輸入的扭矩由減速機和螺桿機構轉變?yōu)橥屏?，以推動注射泵注射液體。通過控制電機的轉速，可以有效地控制注射速率，使整個注射過程更加方便。

圖1 多軌道注射泵結構原理圖

2.2 總體方案

本文所設計的多軌道醫(yī)用注射泵，擬采用泵體獨立的結構形式，即每個泵單獨有一個完整的控制系統(tǒng)。初步選用四泵組合的結構形式，采用4個獨立的步進電機分別驅動4個絲杠結構，實現(xiàn)獨立控制，如圖2所示。

圖2 多軌道注射泵三維圖

多軌道醫(yī)療泵主要由電機、聯(lián)軸器、絲杠軸、絲杠支架、注射泵支架、活塞桿、泵體、注射螺栓等組成，每個注射泵采用單獨的驅動系統(tǒng)、獨立的絲杠支架等，且同時采用單獨的電機進行驅動，以實現(xiàn)獨立注射。

電機輸出軸通過聯(lián)軸器與絲桿連接，當電機轉動時帶動絲桿進行旋轉，并推動與絲桿連接的注射泵進行注射。通過外部的控制程序能夠做到分別驅動4臺電機獨立運動，以實現(xiàn)單獨注射或者實現(xiàn)同時注射。

2.3 泵體設計

2.3.1 泵體材料選取

由于核酸提取儀用多軌道注射泵注射的藥液可能含有酸、堿和有機溶液等腐蝕液，所以本設計選取Acrylics（亞克力）做泵體的材料。

2.3.2 基座設計

選用鋁合金作為基座底材料，基座的結構如圖3所示。

圖3 基座的結構圖

基座用于安裝各機械傳動裝置，以實現(xiàn)醫(yī)療注射泵的注射動作，因此在基座上銑削加工出長圓槽。

2.4 絲杠固定座設計

絲杠在運動過程中需要支撐，其支撐材料為鋁合金，結構如圖4所示。

圖4 絲杠支撐單元

圖4所示的絲杠支撐座上部螺紋孔為預留擴展孔，通過預留擴展孔可以增加注射泵的直徑，實現(xiàn)多注射泵組合。中間大孔為軸承座孔，用于軸承的安裝。底部銑削加工出長圓鍵及螺紋孔，用于定位及安裝。

2.5 柱塞和柱塞套設計

圖5為多軌道注射泵泵體柱塞和柱塞套，其中泵塞在泵體里面，注射泵通過注射泵固定塊和連接座連接，通過前后運動可以達到注射液體的效果。滾珠絲桿正反旋轉一周，每個柱塞則完成吸、壓液體一次。

圖5 注射泵組件

泵塞和泵體要求較高的精密度、低摩擦以及生物抗藥性等，因此選用SiC陶瓷[4]。該材料具有優(yōu)良的高抗彎強度、優(yōu)異的抗氧化性、良好的耐腐蝕性、高耐磨性和低摩擦系數(shù)，以及高溫力學性能（強度、抗蠕變性等）。

3 傳動系統(tǒng)設計

3.1 傳動方案選擇

由核酸提取儀用多軌道注射泵總體方案設計分析可知，注射泵的運行是由電機通過傳動裝置來控制的，電機在整個注射泵控制系統(tǒng)中起著至關重要的作用。電機的控制精度是整個系統(tǒng)傳動精度控制的關鍵。

步進電機具有價格低廉、控制精度好、安全穩(wěn)定等特點，因此本文設計的多軌道注射泵采用步進電機傳動形式實現(xiàn)傳動控制。因注射泵需要控制傳動精度，其傳動過程需要平穩(wěn)可靠，因此本設計采用絲杠傳動控制，用于將旋轉運動變?yōu)橹本€運動，同時傳遞動力。

3.2 電機選擇

查閱同類產品的設計經驗，本設計擬采用14W60KTYZ永磁同步電機，其轉矩為15-600N·cm，轉動慣量為38 g·cm2，空載啟動轉速為1～110r/min。該電機的優(yōu)點表現(xiàn)為壽命長、尺寸小、力矩大、質量?。?.25 kg），非常適合作為便攜設備的動力源。

3.3 絲杠選型

人體注射一般采用靜脈注射，靜脈壓強正常值一般為0.49～1.18 kPa。一般注射泵針頭的直徑為0.45 mm，則多軌道注射泵的單軌道壓力為

根據(jù)醫(yī)學注射泵的速度要求，最大流速不超過600～900 mL/h，因此，根據(jù)注射管的直徑，本文設計的注射泵絲桿的推進速度為4.82～7.23×10-5m/s。在滿足注射推進速度的要求下，可選擇絲杠的初始標定速度為0.02 m/s。當注射泵啟動時，其加速時間為0.1 s，有效行程暫定為100 mm，精度要求較高的情況下絲桿選擇0.1 mm[6]，則絲杠的計算如下：

（2）絲杠的最大軸向力

（3）絲杠形式選擇

根據(jù)滾珠絲杠的軸向推力F軸=31.177 N，推薦將F軸乘以4～8之間的一個系數(shù)。由于注射泵速率低且使用頻率較低，所以其可靠度要求不高的情況下，選擇4倍系數(shù)，則軸向安全力為F=4F軸=124.708 N。根據(jù)上述壓力，選擇了BNK1002-3RRG0-C3的絲杠，其動負荷是1500 N，完全滿足124.708 N的壓力要求。該型號的絲杠公稱直徑為10mm，絲杠導程為4 mm/r，效率96%。

（4）移動速度計算

在普通螺旋傳動中，螺桿（或螺母）的移動速度由導程決定，即

式中，L為移動速度，其單位為mm/min；n為轉速，其單位為r/min；S為導程，其單位為mm。根據(jù)選擇的絲杠，其導程為4 mm，注射泵用電機最低轉速為1 r/min，將其代入式（3）可知移動速度L=4 mm/min=6.7×10-5m/s。該計算結果滿足上述注射泵推進速度為4.82～7.23×10-5m/s的要求。

3.4 電機的選型校核

滾珠絲杠的驅動扭矩

上述選型的42BYG250A-SASSML-0151步進電機，其許用扭矩為230 N·mm，大于滾珠絲杠的驅動扭矩20.7 N·mm。因此電機選型合適。

通過上述的計算分析，選用42BYG250A-SASSML-0151式步進電機帶動BNK1002-3RRG0-C3型號的滾珠絲杠，可以很好地實現(xiàn)注射泵的多軌道和單軌道的注射功能。

4 結語

本文根據(jù)核酸提取儀和多軌道注射泵的特點進行研究，設計了一款用于核酸提取儀的多軌道注射泵。通過結構介紹和選型設計得知，多軌道注射泵能夠滿足使用性能要求，可以提高注射效率，符合核酸提取儀對多軌道注射泵的需求。