電磁驅動式無針注射器設計及力學和運動仿真

陳添禹 王明娣 陳 潔

1.蘇州大學機電工程學院，蘇州,2150212.蘇州市職業大學機電工程學院,蘇州,215104

0 引言

隨著一次性注射裝置弊端的日益顯露(如容易引起疼痛恐懼感、皮膚硬結、針頭傷害、環境污染等)[1]，人們對于無針注射器的渴求隨著時代的發展日益增強。目前國內外使用最為普遍的是機械式和氣動式無針注射器[2]。這兩種注射器實現了注射過程的無針化，符合綠色發展的要求，是一種可持續使用、環保的注射裝置。但是不管是機械式還是氣動式無針注射器，在使用時都存在注射動力不可控的問題[3]。如機械式無針注射器隨著使用時間的增長彈簧會失效，這會影響無針注射器的注射力大小；氣動式無針注射器一般需要密封結構，隨著使用時間的增長裝置的密封性能會下降，注射力不穩定(一般誤差在15%左右)[4]。氣動無針注射器所需的空氣壓縮機裝置體積很大，不利于無針注射器的攜帶和推廣。

國外對于無針注射的研究開始較早，早在20世紀90年代，ZSIGMOND等[5]關注了注射藥物對人體產生的疼痛感。WILLIAMS等[6]著眼于藥物注射人體后的效果。SCHRAMM等[7]使用人體皮膚模型和豬皮模型進行實驗，得出當藥液噴射速度越大時藥液對皮膚模型的滲透率越好的結論。SCHRAMM-BAXTER等[8]通過噴射注射仿人體皮膚材料凝膠實驗,將注射進程分為三個階段，并研究了穿刺深度以及分散寬度與實驗材料楊氏模量之間的關系。SHERGOLD等[9]對人體皮膚和橡膠進行了壓力實驗。

一些學者研究了射流速度和功率對注射深度等的影響。SCHRAMM-BAXTER等[10]研究了噴射功率與射流穿透深度和擴散寬度的關系，研究表明注射完全度(進入體內的藥液占全部藥液的百分比)取決于噴孔的直徑和噴射速度，噴射速度和噴孔直徑在一定范圍內，注射完全度可達90%以上。

相較國外無針注射器的研究，國內無針注射器研究不僅起步晚，而且技術基礎薄弱，市場上已有的產品大多是彈簧式或高壓氣體式，國產產品市場份額占有比低。目前對電磁式無針注射器的研究也大多集中在音圈電機式這種比較復雜的結構上，其他形式的無針注射器大多還處于研發階段，所以盡早研究出具有自主知識產權的無針注射器具有積極意義。本文針對國內無針注射器的研究現狀，設計了一種新型的蓄能式電磁無針注射器并建立了數學模型，并進行了仿真分析。

1 電磁式無針注射器的結構和工作原理

1.1 電磁式無針注射器結構

電磁式無針注射器結構如圖1所示。在未通電之前，后蓋處的永磁鐵吸附著鐵芯，達到蓄能的目的；通電后，通過控制通電線圈中的電流大小來控制動力部分所產生力的大小，以達到推動安瓿藥液完成注射的目的。

1.后蓋 2.鐵芯 3.卡盤 4.點動開關 5.外殼 6.線圈 7.前端蓋 8.安瓿圖1 電磁式無針注射器結構Fig.1 The structure of the electromagnetic needleless syringe

1.2 工作原理

動力部分簡化模型如圖2所示。根據物體磁化原理，給線圈加以電壓，將產生一定的電流，通電線圈會產生磁場。在線圈中的鐵芯，由于磁場的存在，將會被磁化。無論鐵芯放在線圈的哪一端，鐵芯都會受到一個拉力作用。當給線圈通上固定大小的電流時，在拉力作用下，鐵芯產生運動，它在某一固定截面內的磁力線密度在不同位置是不一樣的。某一位置的磁場強度越大，在這個截面內的磁力線密度就越大，鐵芯受到的力也就越大。由于鐵芯的兩端在線圈中處于不同的位置，使得鐵芯某一端的磁力線密度比較大，所以兩端的受力情況會不同，這樣便會引起鐵芯的運動，當鐵芯由圖2中的A處運動到B處時，鐵芯的中點與線圈的中點重合，這時兩端的磁力線密度相等，鐵芯不會受力。

圖2 動力部分簡化模型Fig.2 Simplified model of the power section

2 電磁式無針注射器的數學模型

2.1 動力部分的數學模型[11]

如圖2所示，在電磁式無針注射器的整個注射過程中，其能量變化為電能通過線圈作用轉化為磁能，受磁能作用的鐵芯運動，將磁能轉化為動能。

在電磁式無針注射裝置中，線圈是無針注射器的主要部件,根據上述假設，認為線圈的每一個截面處電流密度相同，所以可以假設通電導線是均勻繞在螺線管上的。根據磁路原理，可以得到鐵芯在線圈中所受電磁力隨位置變化的大小：

(1)

式中，Ψ(x,i)為磁通鏈即磁路磁通量Φ和線圈匝數N的乘積；Wm為磁能；x為鐵芯在線圈中的位移;i為線圈中電流大小。

因為在電磁式無針注射裝置中，所選用的電流恒定,所以鐵芯所受的電磁力僅隨著鐵芯位置的變化而變化。

2.2 安瓿的數學模型[12-16]

安瓿裝置如圖3所示。在電磁式無針注射裝置注射過程中，假定藥液的運動過程是連續運動過程，根據Baker和Sanders建立的微噴射物理模型[12-16]推導出相關數學計算公式，得出射流特性隨微型噴射孔直徑、安瓿直徑等相關參數的變化情況:

(2)

(3)

式中，xp為安瓿桿位移距離；Ap為安瓿的橫截面面積；A0為安瓿前端的微孔面積；L為初始時安瓿中液流的長度；p為安瓿內的壓力；E為液體彈性模量；mp為鐵芯與安瓿活塞的總質量；Ff為安瓿內部摩擦阻力。

圖3 安瓿裝置Fig.3 Ampoul apparatus

3 仿真分析

3.1 動力部分的設計與仿真分析

根據上述內容，在Ansoft的Maxwell中建立模型，設定線圈長度為60 mm，鐵芯長度為60 mm，但鐵芯起始位置為-30 mm，由于安瓿尾部多出長度，所以鐵芯運動長度為25 mm。假定安瓿內液流長度為15 mm，所以空行程長度為10 mm。圖4所示為無針注射器的動力部分即鐵芯與線圈在Maxwell中的物理模型及通電后其磁場強度和磁通密度。

運行Maxwell的求解器，結果如圖5所示。

由Maxwell所得結果，得到安瓿活塞桿所受的推力,如圖6所示。

綜合上述仿真分析可知：在模型中，鐵芯中心只在到達線圈中心之前運動，并且在鐵芯過中點之后所受的力為反向力。鐵芯在線圈中一直受到一個方向恒定但大小在一直減小的力，且其在運動過程中，加速度不斷減小，速度不斷增大，在將要到達中點時，獲得最大速度和能量。當選用電流與線圈匝數乘積為15 000的線圈時，鐵芯對活塞桿的推動力(鐵芯對安瓿活塞桿的推動時間很短)取近似130 N。

(a)磁場強度H

(b)磁通密度B圖4 磁場強度和磁通密度Fig.4 Magnetic field intensity and magnetic field density

圖5 鐵芯受力圖Fig.5 Core force diagram

圖6 活塞桿受力曲線Fig.6 Curve of piston power

3.2 安瓿射流的仿真

根據式(2)、式(3)，在給定系統參數的情況下，可以仿真求得藥液沖擊壓力隨時間的變化關系。無針注射器的基本數據如表1所示。本文采用MATLAB ode45算法功能進行仿真計算[16-17]。安瓿噴射射流的滯止壓變化曲線如圖7所示。

綜合上述仿真結果，可以發現電磁式無針注射器的滯止壓力具有較好的穩定性。

表1 無針注射器的基本數據Tab.1 The basic data of the needles-free syringe

圖7 射流滯止壓變化曲線Fig.7 Curve of jet stagnation

本文采用ANSYS對安瓿射流進行分析。在圖3模型中，設安瓿長46.3 mm，直徑為3.36 mm，出口小孔長2.5 mm。在SolidWorks中建模后導入ANSYS中。獲得安瓿中心線上的總壓，如圖8所示。

圖8 安瓿中心線、縱向截面總壓Fig.8 The total pressure at ampoule centerlines, a longitudinal cross section

從圖8中可以看出：在安瓿桿推力為130 N時，腔體內的壓力可以達到14.5 MPa。在圖7中，由MATLAB進行數值計算后，曲線收斂至13 MPa。這兩個數據基本吻合。

繼續運用ANSYS求解,可以得到安瓿內流體在電磁力作用下的速度，如圖9所示。

圖9 安瓿速度矢量圖Fig.9 Ampoule velocity vector

在安瓿腔體內，由于安瓿桿推力的作用，使得藥液速度穩步增大;在臨近噴口處，由于橫截面發生變化，射流速度也急劇增大。由圖9可知，在130 N推力作用下，噴口射流速度峰值可達123.6 m/s。由文獻[18]可知，當安瓿的射流速度大于110 m/s時，便可以刺穿皮膚，到達皮下組織，完成注射的要求。由此可知，本文提出的蓄能式電磁無針注射器可以滿足注射的要求。

4 結語

本文提出了一種新型的蓄能式電磁無針注射器，并進行模型建立和仿真分析，說明了電磁驅動式無針注射器的工作原理和數學模型，針對其結構參數進行數值計算，運用簡單的線圈、鐵芯作為動力源，確定了其體積減小的理論可能性，有助于無針注射器的進一步簡化。

對電磁驅動式無針注射器進行了仿真分析與計算，結果證明本文的電磁式無針注射器具有強大的推動力和簡潔的結構設計，對于電磁無針注射器的創新設計和國產化具有積極的意義。

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