基于減速電機的微量藥物輸送系統的研制

侯雅萍，呂坤勇，谷雪蓮

（1.上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093;2.上海微創生命科技有限公司，上海 201318）

0 引言

微量藥物輸送裝置主要應用于麻醉劑、治療腫瘤用的止痛藥物、生長激素類藥物、胰島素等藥物的微量注射，從而達到精確控制藥量、保證治療效果、保障患者安全的目的［1］。相對于普通藥物輸送，微量輸送對系統的精度、可靠性等要求更高，同時還應考慮系統的功耗、價格以及便攜性［2］。目前，國內外微量藥物輸送裝置面臨的主要問題是精度不夠和成本較高［3］。臨床上常見微量藥物輸送裝置多采用步進電機作為驅動，價格較高，步進電機產生的微小抖動、噪音大、耗電量大等缺點會導致藥量控制的誤差，不適于大批量產業化的生產［4］。本文闡述了一種以直流電機為驅動原件的微量藥物輸送裝置的研制，此裝置實現了藥量的微量精確控制，同時兼具整體尺寸小、價格低廉等優勢，適于此類產品的微型化。

1 輸注系統設計

1.1 總體基本組成

輸注系統由直流電機、驅動機構、控制系統、儲液器等機構組成，如圖1所示。

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

按鍵與液晶顯示器構成人機交換的輸入與輸出;存儲器用來儲存輸注記錄與時間;蜂鳴器在系統出現液盡、低電等異常情況時發出警報。通過操作按鍵，進行輸出劑量的設置、輸注記錄的查詢及工作情況查詢。在操作按鍵的同時，液晶顯示屏同時有相應的指示信息。

驅動機構是由直流電機、光電傳感器、減速齒輪箱、絲桿等組成。輸注機構的作用是將直流電機的旋轉運動轉變成直線運動，并且用大的減速比提高輸注機構的扭矩，以滿足推動儲液器活塞排出藥液的力矩要求。光電傳感器用于計量電機旋轉的圈數，通過計算可以得到輸出藥液的量與電機圈數的關系。

1.2 驅動機構

驅動機構采用直流電機驅動齒輪箱，通過齒輪箱的最終齒輪與絲桿的配合，將齒輪的旋轉運動轉化成直線運動。圖2是驅動機構的示意圖。

圖2 驅動機構示意圖Fig 2 Schematic diagram of driving mechanism

齒輪箱由3個齒輪和兩側夾板構成，3個齒輪相互嚙合。電機通電后，電機帶動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，相繼帶動齒輪箱的中間齒輪和最終齒輪轉動。

絲桿通過螺紋配合穿過最終齒輪，絲桿的尾部固定一個絲桿旋轉限制零件，當最終齒輪旋轉時，絲桿能夠沿其軸向進行往復運動。絲桿的前端安裝有推板，推板隨絲桿的往復運動，可以推動儲液器的活塞，將液體排出儲液器，完成輸注。

除此之外，系統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 直流電機計圈方式與計算

1.3.1 光電傳感器的原理

本系統采用直射式光電傳感器檢測電機轉動的圈數，通過對紅外發射光的阻斷和導通，在接收端感應到電流的變化，從而來實現開與關的判斷［5］。光電傳感器檢測電機尾部轉針轉動的圈數，電機轉過一圈，轉針隨之轉動一圈，阻斷光信號兩次。因此，通過單片機檢測阻斷光信號的次數，即可算電機轉動的圈數。

1.3.2 藥物輸注的計算

直流減速電機是很常見的一種電機，它由直流電機和減速齒輪箱構成，通常減速比可達幾百比一甚至更高［6］。本系統采用的是ZXD—FF—N20電機，減速比記為n1。自主設計的齒輪箱減速比為n2，設計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平行放置，縮短裝置的長度。與齒輪箱的最終齒輪相配合的絲桿螺距為p。因此，絲桿前進的距離（l）與電機轉動的圈數（Rmotor）的關系如公式（1）所示［7］

假設儲液器的內徑是d，則注射的藥物的量（V）與電機轉動的圈數的關系式如公式（2）所示

根據對光電傳感器的介紹，可以知道單片機檢測到一次阻斷信號，電機轉動半圈。因此，注射藥物的量與單片機檢測到的阻斷信號數（N）的關系如公式（3）所示

2 實現方法

2.1 零部件加工與組裝

系統組裝過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加工而成，所用材料為有機玻璃。按照圖2所設計的結構，用螺釘螺母安裝固定。圖3是裝配完成的裝置圖，裝置通過光電傳感器引出的線與PCB板相連，PCB板在這里沒有給出。

圖3 藥物輸送系統Fig 3 Drug delivery system

2.2 軟件實現方法

系統采用MSP430F149單片機控制，藥物輸送程序實現如下:操作者通過按鍵設置所要輸注劑量，所設置的劑量可以在液晶顯示器上反映出來;控制程序根據所設置的預設量，依照公式（3）計算出需要轉針阻斷光電傳感器的次數N;當操作者按下執行以后，單片機啟動電機，同時開始監測并記錄轉針阻斷光電傳感器的次數，當阻斷次數達到N后，停止電機供電，完成一次輸注，并將輸注記錄與實際阻斷次數存儲起來，供查詢。

3 實驗與分析

3.1 系統的精確性測試實驗

為了驗證藥物輸送的準確性，在軟件中增加了記錄轉針阻斷光電傳感器次數的程序。采用微量天平稱量系統輸注出的液體的質量，除以液體的密度即可以得到液體的體積，實驗中采用蒸餾水做輸注介質。最終結合理論計算，驗證系統的精確性。本實驗所用到的一些參數主要有: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 液體的實際輸注量（間隔 0.05 mL），理論值與誤差。

表1 實驗結果Tab 1 Experimental result

從表1中可以看出:實際測試的液體的量大都比預設量大。通過監測轉針阻斷光電傳感器的次數（如表1第4列），可以得知實際阻斷次數比理論阻斷次數要大。在程序控制時，單片機監測到轉針轉動次數達到理論值時，開始斷電，但是斷電后電機會繼續轉動一會，這是由于慣性所引發的過沖。過沖量如表1最后一列所示，大約為28次，即過沖14圈。

根據這個數據，可以通過修改程序，補償因電機過沖所引起的藥物輸送誤差。具體作法是，當轉針轉數達到光電傳感器理論次數減去28的數值時，即停止電機供電，由慣性來補償剩余部分。

關于系統的誤差問題，可以通過表1中實際阻斷次數計算出理論輸注量，用其與實際量相比即可，輸注誤差為－0.68%～1.24%。

3.2 系統穩定性測試實驗

為了驗證系統的穩定性，實驗將系統的預設值固定在0.1 mL，將儲液器里的液體依次排出，儲液器容量3mL，為了保證數據的有效性，記錄25個數據。每天測試一組，持續5d進行。測試結果如圖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。根據這些數據計算出系統輸注量為0.1019 mL時的精度在 －2.3%～2.9%。連續 5 d的輸注結果無序地分布在0.1019 mL附近，系統的精度與穩定性都比較理想。

圖4 系統穩定性測試曲線Fig 4 Test curve of system stability

4 結論

本文提出一種藥物輸送系統，闡述其基本組成與實現方法，并進行了實驗研究。通過實驗驗證，該系統在一定范圍內輸注和固定量輸注時均有很好的精度，且穩定性很高，易于應用在臨床或微型藥物輸送器械。

同時，實驗表明:本系統存在電機過沖現象，雖然文中提出了一種修正補償的方法，但尚存在風險，如果輸注阻力不同，電機斷電后的過沖量可能會有所不同。另外，在極微小量的藥物輸送應用方面還存在風險，輸注極微小量的藥物時，電機只需轉動幾十圈甚至幾圈，在電機還沒有達到其額定轉速時就已經完成了預設量的輸注，此時斷電所引起的過沖量又是一個不同的值。該系統需要進一步的完善，確保其實際應用的安全性。

［1］Hartley F T.Miniature peristaltic pump technology and applications［J］.Journal of Advanced Materials，2000，32（3）:16 － 22.

［2］王恩剛.人體便攜式自動輸液器的研制［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2006.

［3］黃丹飛.醫用微量注射儀的研究［D］.長春:長春理工大學，2004.

［4］藏 慶，王琪民.胰島素泵的研究及其對人工胰腺發展的展望［J］.國外醫學:生物醫學工程分冊，2005，28（2）:98 －102.

［5］楊 燕.各種光電傳感器的不同應用方式［J］.可編程控制器與工廠自動化，2009，2（6）:44 －48.

［6］朱立圣.直流電機閉環控制技術研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2010.

［7］朱孝錄.齒輪傳動設計手冊［M］.北京:化學工業出版社，2010:325－330.