電磁式齒內急救系統的研究與設計

許晟鑫 宋淼杉

摘 ? 要：現如今，心血管疾病已經成為人類生命健康安全的一大威脅，及時采取急救措施，提高救治率，刻不容緩。本文提出了一種以電磁控制的，用于患者發病時自動急救的微型急救系統，設計了微型急救系統中置于齒內的藥物釋放裝置的結構，分析其功能，并對該裝置的安全性和適應性進行了討論。

關鍵詞：電磁控制 ?微型機械 ?齒內 ?急救

中圖分類號：TH12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0072-02

Abstract： Nowadays， cardiovascular disease has become a major threat to human life and health， and the gradual maturity of drug concentration technology provides the possibility for the design and development of micro emergency devices. In this paper， a micro emergency system is proposed， which consists of three parts： the hand ring for disease detection， the signal transmission system and the drug release device in the tooth. By detecting the heart rate and other parameters， the disease signal is sent to the device in the tooth， and the magnetic force is controlled by the current and coil to control the start of the device. The structure and function of the device are analyzed and designed， and the working mode， material， safety， tightness， strength and rigidity of the device are further analyzed and discussed.

Key Words： Electromagnetic control; Micromechanical; Internal tooth; First aid

隨著現代化程度的加深和生活水平的逐漸提高，心血管疾病已成為當今社會最為常見的疾病之一。作為世界上人口最多、老齡化問題最為嚴重的國家之一，我國面臨著嚴峻的考驗。據估計，全國心血管疾病患者超過兩億，成年人患病率高達20%。全國每年因其死亡人數約350萬人，平均每10s就有一人死亡，占死亡總數的41%。因此，及時采取急救措施，提高救治率，刻不容緩。

據醫學觀察，能否及時服用急救藥物，將直接決定病人的安危。但大多數患者，尤其是老年患者，往往體質差，行動不便，且在發病狀態下伴有肌肉痙攣等癥狀，致難以自主服用急救藥物。這種情況下，設計一種能自動監測，自主釋放的急救系統便尤為重要。本文在急救系統的整體上分析、設計了藥物釋放裝置的結構，并進行了相關性討論。

1 ?電磁式微型急救系統設計總述

微型急救系統主要有發病檢測手環、信號傳送系統和位于齒內的藥物釋放裝置三部分組成。前兩部分現今已有較為成熟的設計和產品本文主要講述終端部分—— ? 微型齒內藥物釋放裝置的研究與設計。

本文所述的微型齒內急救藥物釋放裝置具有體積小，反應快速，不需要正常活動能力，無需額外操作的特點。可在緊急情況下對老人實施急救，比常規便攜性藥盒更方便可靠，起效更快，防止老人錯過最佳急救時間。

該裝置將急救藥物裝入人工牙齒中，并將人工牙齒以牙科種牙的方式植入使用者的口腔，并在患者發病時自動釋放，打破了常規藥盒的思維，省去了服藥過程，減少了各個環節的風險與不確定因素。

但該裝置嵌于牙齒中，體積較小，屬于小微型機構。且置于人體口腔中，環境復雜，對安全性和舒適度的要求較高，故加工、組裝、調試較為困難。整個裝置受到空間和加工工藝限制，具有一定的挑戰性。

微型齒內急救藥物釋放裝置可延伸出多種急救裝置，如急救牙套等，在醫用方面有很大發展空間。

2 ?微型齒內藥物釋放裝置的設計

2.1 藥物釋放裝置

由圖1所示，微型齒內藥物釋放裝置主要由外殼、擋板系統、內艙和密封裝置組成。

2.2 外殼

外殼主要用于保持裝置的整體形態和相對獨立，使裝置內部不暴露在口腔的復雜環境中。外殼底部應設置兩個小空間以分別容納微型電池和微型彈簧。外殼應與人工牙齒作為一體式結構，若考慮減少成本和更換方便，可與人工牙齒分離，但要保證兩者為過盈配合或增加鍵、槽等。此外，外殼應設置小孔通道以穿過電線，使微型電池和擋板系統中的壁側線圈相連接。外殼的緊縮處下表面應考慮裝置啟用后的密封。

2.3 擋板系統

擋板系統由滑塊、附于滑塊上的磁鐵、彈簧、附于外殼上的線圈及磁鐵組成，非工作狀態時，滑塊下底面為工作面，主要用于與底部彈簧一起，軸向固定內艙。壁側線圈中放置一磁鐵，稱之為壁側磁鐵。壁側線圈與壁側磁鐵用人體硅膠定位、密封并貼合于外殼。附于滑塊上的磁鐵稱之為滑塊磁鐵。彈簧連接滑塊和殼體，但應注意避開兩端磁鐵。彈簧的彈簧常數k值不應太小，以免晃動時造成滑塊移動，進而導致整個裝置非正常啟動。滑塊的數量和聯動性可根據具體要求適當調整。（見圖2）。

2.4 內艙的設計

內艙主要用于貯存急救藥物。內艙外部應設置有與擋板系統相配應的圓盤狀凸起（內艙圓盤），內部應有用于刺破密封層的破封柱。當該急救裝置啟動時，內艙在底部彈簧力的作用下逐漸向上運動，直至破封柱突破密封層。破封柱可設計成錐形或尖角，以使其能順利刺破密封層。（見圖3）。

2.5 密封裝置的設計

密封裝置主要用于封閉整個裝置，使裝置內部與口腔環境相隔離，包括密封層和密封圈兩部分。密封層位于裝置開口處，用于裝置未啟動時的密封，且應保證從裝置內部較易突破而從外部較難突破。可從密封層形狀和結構（如設置溝槽）方面實現這一點。密封圈位于外殼階梯處內壁上，裝置啟動后，內艙圓盤與之緊密接觸，以達到密封的目的。

3 ?藥物釋放裝置的相關討論

3.1 安全性討論

安全性是任何一款產品都必須要考慮的問題，尤其是本裝置這種直接用于人體的、涉及電和磁的小微型裝置。

本裝置的安全性主要從三個方面考慮，一是裝置材料本身的安全性，此處主要考慮外殼和密封圈。外殼的材料應選用無毒無害且能良好適應人體口腔環境的材料，可考慮與烤瓷牙等人工牙齒相同或相似的材料，亦可選用無毒害的塑料、樹脂等材料。密封圈材料也應選擇無毒無害且能良好適應人體口腔環境的材料。目前考慮的比較合適的材料為人體硅膠等。

二是裝置整體及各部分密封性的考慮。裝置未啟動前，裝置整體應當完全密封，裝置內部的電源、電感、導線等也應完全固定并密封。裝置啟動后，密封層被破壞，原整體裝置的密封即失效。當裝置的啟動過程結束后，內艙上升至極限位置，此時擋板與密封圈緊密貼合，形成新的密封結構，保證啟動后的裝置整體密封性。啟動過程中和啟動后裝置內部的電源、電感、導線等部件的密封不變。

三是裝置整體及各部分剛度強度等的考慮。此急救裝置置于齒內，長期浸沒在口腔液體環境內，應當有一定的抗腐蝕能力。此外，在咀嚼過程中，牙齒受反復作用的擠壓力，因此要求較高的疲勞強度和抗擠壓能力。

3.2 適應性討論

本裝置主要用于患有心血管疾病的中老年群體，該裝置置于其牙齒中（主要是人工種牙）。考慮牙齒的形狀、體積等因素，本裝置應以單齒型為主。但在極特殊情況下，也可以考慮對該裝置進行進一步設計與改造，使其適用于多齒，以達到增大內含藥劑量或增大該裝置壁厚以增強整體結構強度的目的。

4 ?結語

本裝置是一種用于心血管疾病急救的微型機械結構，用于患者突然發病的急救。該裝置主要由外殼、內艙、擋板系統、密封層四部分組成，以通訊信號進行觸發，以磁力和彈簧力進行驅動，使治療藥物可以快速進入人體口腔，繼而發揮效用。該裝置還考慮了口腔復雜環境下的安全性和適應性，對于未來微型機械與醫療領域的交叉研究有一定參考價值。

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