基于减速电机的微量药物输送系统的研制

侯雅萍，吕坤勇，谷雪莲

（1.上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093;2.上海微创生命科技有限公司，上海 201318）

0 引言

微量药物输送装置主要应用于麻醉剂、治疗肿瘤用的止痛药物、生长激素类药物、胰岛素等药物的微量注射，从而达到精确控制药量、保证治疗效果、保障患者安全的目的［1］。相对于普通药物输送，微量输送对系统的精度、可靠性等要求更高，同时还应考虑系统的功耗、价格以及便携性［2］。目前，国内外微量药物输送装置面临的主要问题是精度不够和成本较高［3］。临床上常见微量药物输送装置多采用步进电机作为驱动，价格较高，步进电机产生的微小抖动、噪音大、耗电量大等缺点会导致药量控制的误差，不适于大批量产业化的生产［4］。本文阐述了一种以直流电机为驱动原件的微量药物输送装置的研制，此装置实现了药量的微量精确控制，同时兼具整体尺寸小、价格低廉等优势，适于此类产品的微型化。

1 输注系统设计

1.1 总体基本组成

输注系统由直流电机、驱动机构、控制系统、储液器等机构组成，如图1所示。

图1 输注系统基本组成示意图Fig 1 Schematic diagram of drug delivery system

按键与液晶显示器构成人机交换的输入与输出;存储器用来储存输注记录与时间;蜂鸣器在系统出现液尽、低电等异常情况时发出警报。通过操作按键，进行输出剂量的设置、输注记录的查询及工作情况查询。在操作按键的同时，液晶显示屏同时有相应的指示信息。

驱动机构是由直流电机、光电传感器、减速齿轮箱、丝杆等组成。输注机构的作用是将直流电机的旋转运动转变成直线运动，并且用大的减速比提高输注机构的扭矩，以满足推动储液器活塞排出药液的力矩要求。光电传感器用于计量电机旋转的圈数，通过计算可以得到输出药液的量与电机圈数的关系。

1.2 驱动机构

驱动机构采用直流电机驱动齿轮箱，通过齿轮箱的最终齿轮与丝杆的配合，将齿轮的旋转运动转化成直线运动。图2是驱动机构的示意图。

图2 驱动机构示意图Fig 2 Schematic diagram of driving mechanism

齿轮箱由3个齿轮和两侧夹板构成，3个齿轮相互啮合。电机通电后，电机带动与其输出轴相配合的齿轮箱第一齿轮，由于齿轮的啮合作用，相继带动齿轮箱的中间齿轮和最终齿轮转动。

丝杆通过螺纹配合穿过最终齿轮，丝杆的尾部固定一个丝杆旋转限制零件，当最终齿轮旋转时，丝杆能够沿其轴向进行往复运动。丝杆的前端安装有推板，推板随丝杆的往复运动，可以推动储液器的活塞，将液体排出储液器，完成输注。

除此之外，系统还包含用于固定用的螺钉螺母，与丝杆相配合的定位装置。

1.3 直流电机计圈方式与计算

1.3.1 光电传感器的原理

本系统采用直射式光电传感器检测电机转动的圈数，通过对红外发射光的阻断和导通，在接收端感应到电流的变化，从而来实现开与关的判断［5］。光电传感器检测电机尾部转针转动的圈数，电机转过一圈，转针随之转动一圈，阻断光信号两次。因此，通过单片机检测阻断光信号的次数，即可算电机转动的圈数。

1.3.2 药物输注的计算

直流减速电机是很常见的一种电机，它由直流电机和减速齿轮箱构成，通常减速比可达几百比一甚至更高［6］。本系统采用的是ZXD—FF—N20电机，减速比记为n1。自主设计的齿轮箱减速比为n2，设计齿轮箱的目的一是为了增加减速比，二是为了将丝杆与电机平行放置，缩短装置的长度。与齿轮箱的最终齿轮相配合的丝杆螺距为p。因此，丝杆前进的距离（l）与电机转动的圈数（Rmotor）的关系如公式（1）所示［7］

假设储液器的内径是d，则注射的药物的量（V）与电机转动的圈数的关系式如公式（2）所示

根据对光电传感器的介绍，可以知道单片机检测到一次阻断信号，电机转动半圈。因此，注射药物的量与单片机检测到的阻断信号数（N）的关系如公式（3）所示

2 实现方法

2.1 零部件加工与组装

系统组装过程中所用的齿轮利用线切割加工而成，所用材料为黄铜或不锈钢。其余零部件用雕刻机加工而成，所用材料为有机玻璃。按照图2所设计的结构，用螺钉螺母安装固定。图3是装配完成的装置图，装置通过光电传感器引出的线与PCB板相连，PCB板在这里没有给出。

图3 药物输送系统Fig 3 Drug delivery system

2.2 软件实现方法

系统采用MSP430F149单片机控制，药物输送程序实现如下:操作者通过按键设置所要输注剂量，所设置的剂量可以在液晶显示器上反映出来;控制程序根据所设置的预设量，依照公式（3）计算出需要转针阻断光电传感器的次数N;当操作者按下执行以后，单片机启动电机，同时开始监测并记录转针阻断光电传感器的次数，当阻断次数达到N后，停止电机供电，完成一次输注，并将输注记录与实际阻断次数存储起来，供查询。

3 实验与分析

3.1 系统的精确性测试实验

为了验证药物输送的准确性，在软件中增加了记录转针阻断光电传感器次数的程序。采用微量天平称量系统输注出的液体的质量，除以液体的密度即可以得到液体的体积，实验中采用蒸馏水做输注介质。最终结合理论计算，验证系统的精确性。本实验所用到的一些参数主要有:n1=298∶1，n2=3∶1，p=0.5 mm，d=9.65 mm。表 1 记录了分别输注0.05～0.4 mL 液体的实际输注量（间隔 0.05 mL），理论值与误差。

表1 实验结果Tab 1 Experimental result

从表1中可以看出:实际测试的液体的量大都比预设量大。通过监测转针阻断光电传感器的次数（如表1第4列），可以得知实际阻断次数比理论阻断次数要大。在程序控制时，单片机监测到转针转动次数达到理论值时，开始断电，但是断电后电机会继续转动一会，这是由于惯性所引发的过冲。过冲量如表1最后一列所示，大约为28次，即过冲14圈。

根据这个数据，可以通过修改程序，补偿因电机过冲所引起的药物输送误差。具体作法是，当转针转数达到光电传感器理论次数减去28的数值时，即停止电机供电，由惯性来补偿剩余部分。

关于系统的误差问题，可以通过表1中实际阻断次数计算出理论输注量，用其与实际量相比即可，输注误差为－0.68%～1.24%。

3.2 系统稳定性测试实验

为了验证系统的稳定性，实验将系统的预设值固定在0.1 mL，将储液器里的液体依次排出，储液器容量3mL，为了保证数据的有效性，记录25个数据。每天测试一组，持续5d进行。测试结果如图4所示。

其中，最大值为 0.1048 mL，最小为 0.0996 mL，平均值为0.101 9 mL。根据这些数据计算出系统输注量为0.1019 mL时的精度在 －2.3%～2.9%。连续 5 d的输注结果无序地分布在0.1019 mL附近，系统的精度与稳定性都比较理想。

图4 系统稳定性测试曲线Fig 4 Test curve of system stability

4 结论

本文提出一种药物输送系统，阐述其基本组成与实现方法，并进行了实验研究。通过实验验证，该系统在一定范围内输注和固定量输注时均有很好的精度，且稳定性很高，易于应用在临床或微型药物输送器械。

同时，实验表明:本系统存在电机过冲现象，虽然文中提出了一种修正补偿的方法，但尚存在风险，如果输注阻力不同，电机断电后的过冲量可能会有所不同。另外，在极微小量的药物输送应用方面还存在风险，输注极微小量的药物时，电机只需转动几十圈甚至几圈，在电机还没有达到其额定转速时就已经完成了预设量的输注，此时断电所引起的过冲量又是一个不同的值。该系统需要进一步的完善，确保其实际应用的安全性。

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

［2］王恩刚.人体便携式自动输液器的研制［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2006.

［3］黄丹飞.医用微量注射仪的研究［D］.长春:长春理工大学，2004.

［4］藏 庆，王琪民.胰岛素泵的研究及其对人工胰腺发展的展望［J］.国外医学:生物医学工程分册，2005，28（2）:98 －102.

［5］杨 燕.各种光电传感器的不同应用方式［J］.可编程控制器与工厂自动化，2009，2（6）:44 －48.

［6］朱立圣.直流电机闭环控制技术研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2010.

［7］朱孝录.齿轮传动设计手册［M］.北京:化学工业出版社，2010:325－330.