一種基于SMA絲的微型藥物釋放系統

劉洪延 周正權 洪博恩

摘 ? 要：NiTi形狀記憶合金是一種具有多種優良特性的金屬，其特點是在不同的溫度環境下，其形狀和物理特性均會發生改變。根據這一特性，在航天，醫療，微型機器人制造等領域，形狀記憶合金發揮了重要作用。NiTi形狀記憶合金絲在不同溫度下的長度不同，在高溫下縮短，在低溫下伸長，可以利用這一特性驅動微型機械結構。本文以基于SMA絲驅動的微型機械為基礎，設計研究一種以SMA絲為動力源的微型藥物釋放系統。該機械系統可通過對加載于SMA絲的兩端電壓進行控制，從而達到對微型機械進行控制的目的，進而完成藥物的釋放。本文將以微型機械的工作原理為主要內容，研究該微型系統的可行性。

關鍵詞：形狀記憶合金絲（SMA） ?微型機械 ?藥物釋放 ?助老機械

中圖分類號：TH6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（a）-0100-02

1 ?系統介紹

1.1 系統設計的背景

近年來，我國的老齡化程度進一步加重，老年人的總體量以及其所占比例都增長。由于老年人免疫力較低，身體素質較差，大多患有心腦血管疾病，《心臟病學》的報告顯示，心血管疾病已經成為全球頭號死因，從心血管疾病的總體患病人數來看，由1990年的4060萬上升到2016年的9380萬，翻了一番。因而針對老年人的心血管疾病防治任務成為社會關注的重點之一。心腦血管疾病的特點是發病快，急救時間短，常伴有明顯的身體不適，如心悸、胸痛，頭痛，嘔吐，半邊肢體偏癱。在該狀態下，患者很難進行自主服藥，從而加重病情，往往會錯過最佳的救治時間。而急救藥物多為顆粒劑，僅幾毫克就能達到急救效果。因此，如何研究一種自主釋放藥物的微型可穿戴系統成為了解決該問題的辦法之一。

1.2 系統主體概要

根據該系統根據不同部分的功能和用途分成了三個主要部分：（1）心率檢測系統，其主體為安裝在指尖的心率檢測系統和手環中的信號處理部分，對心率信號進行處理分析;（2）信號控制系統，主體為手環中處理的脈沖數據發出端與穿戴設備中的信號接收端，負責接收和發出信號;（3）藥物釋放系統，穿戴設備（牙齒中）中的藥物釋放模塊，以形狀記憶合金絲為動力源，驅動藥物釋放結構。

1.3 控制模塊概要

電路遙控操作模塊由心率檢測模塊和電路控制模塊構成，該模塊采用了MAX30102集成模塊，這是一個集成的血氧檢測和脈搏檢測傳感器的模塊。它安裝有兩個LED，分別發出紅外光和紅光、光電檢測器、以及光電元件，和帶有周圍光照抑制作用的低噪聲電子電路。MAX30102采用一個1.8V電源和一個獨立的5V用于內部LED的電源，應用于可穿戴設備進行心率和血氧采集檢測，佩戴于手指、耳垂和手腕等處。標準12C兼容的通信接收串口可以將采集到的心率數值傳輸給stm32單片機進行心臟跳動頻率和血液含氧量計算。此外，該芯片還可通過軟件關斷模塊，待機電流接近為0，實現電源始終維持供電狀態，MAX30102心率模塊采用光溶積法測量，利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同和血氧飽和度測量的，光源及采用對脈動血中氧含血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）有選擇性的特定波長的發光極管，然后動脈搏動充血積委化導致夠束光的透光性發生改變，此時由光電變換接收經人體組織反射光線，轉變為電信號并將其放大放出，其計算公式為

通過采集的脈沖信號，計算獲得心率數值，進而達到監測心率的目的。

采集的脈沖信號輸入到單片機中，單片機對脈沖信號進行處理，將脈沖波轉化為數字信號，通過對數字信號的計數統計，分析出心率。

1.4 藥物釋放模塊概要

由芯塊，殼體，滑塊，蓋四部分組成。其中滑塊上附帶有限位銷，限位銷作用于蓋上，可達到控制運動的目的。芯塊上附帶有裝配孔，其為六邊形成形孔，方便滑塊的裝配，其并不會影響結構的正常工作。該結構中，殼體為主體部分，其上的滑槽用于對滑塊的限位，外表面與牙齒內面相接觸，裝配方式為過盈配合。蓋負責密封，確保不會浸水導致藥物失效，設計有鎖緊機構。滑塊起到限位控制作用，使得芯塊和蓋按一定順序彈出，滑塊左端連有平衡彈簧，右端連有形狀記憶合金絲，在藥物釋放前兩端力大小保持相等，確保滑塊不會移動。芯塊起到了彈出藥物的作用，芯塊上的斜面設計有助于藥物的釋放，使內容顆粒物成功放出。

2 ?工作流程

2.1 控制系統工作流程

心率監測計算系統對心率變化進行實時監測。分四種工作狀態：（1）心率在45次/min以下或100次/min以上時發出報警，10s后接通信號發出端電路，藥物釋放系統電路接通，藥物釋放，開關接通10s后復位;（2）在報警后10s鐘內，按下復位鍵停止報警，藥物不進行釋放運動，系統3min后恢復正常工作;（3）在心率為45～100次/min時，按下主動開關，信號發射端發出信號，藥物釋放系統電路接通，藥物釋放，10s后復位;（4）按下待機鍵按鈕后（總開關）進入準備狀態，僅展示心率計數。當穿戴設備接收端接收到信號時，接通藥物釋放系統電路。

2.2 藥物釋放系統工作流程

（1）藥物釋放系統中形狀記憶合金絲被加熱，合金絲收縮，拉力增加，大于平衡彈簧壓力。（2）形狀記憶合金絲牽引滑塊，滑塊右移1mm，蓋中間卡銷松開。（3）在底部彈簧力擠壓力下，蓋向上運動2mm，滑塊將向右移0.5mm，芯塊卡松開。（4）在彈簧力作用下，芯塊向上移動4mm，容器中藥物被擠出釋放。10s后，電路斷開，形狀記憶合金絲冷卻收縮，拉力變小，平衡彈簧拉力大于合金絲拉力。壓下蓋后，滑塊復位，藥物釋放模塊關閉。

3 ?系統分析

3.1 安全措施

（1）密封措施：由于遙控信號接收端和藥物釋放模塊都在牙齒中，口腔環境為濕度大，鹽度大，在喝水時，口腔中液體壓強較大，藥物釋放模塊中的滑塊卡銷有增大向下壓力的作用，壓緊蓋下端的密封膠墊，達到密封的效果，設計防水等級為IPX7。

（2）結構強度：設計時考慮到蓋端會受到沖擊，磨損，對蓋進行了加強處理，選用確保頂蓋不會損壞。

（3）有害性;藥物釋放模塊中藥物與電路部分隔離，電路中有害金屬不會進入口腔，藥物釋放模塊選用食品級材料，主結構采用無毒塑料，避免產生毒性。

預期效果：當佩戴者心率正常時，系統僅顯示心率，在心率異常時，系統發出警報并釋放藥物。當患者感覺到身體狀態不佳時，可主動啟動系統，釋放藥物。該系統可實現急救藥物釋放的完全自主化，做到自主服藥，速度快，效率高。

3.2 系統弊端分析

（1）該系統體積較小，加工難度較高。對于加工設備的要求較高，加工精度為七級。

（2）該系統待機時間較短，芯片耗電量為0.5ma（3.7V），設計電池容量為100ma，待機狀態下僅可工作200h。

（3）該系統制作成本較高，需要精密加工，并且選用了大量無毒的材料，可能會導致成本升高。

（4）該系統的設計壽命較低，由于在低鹽度高濕度狀態下工作，對內部電路及機械結構使用壽命影響較大，預計使用3個月需進行保養，一年達到使用壽命。

3.3 功能拓展

（1）本系統采用了形狀記憶合金作為動力源，該思想可用于小型電控微型機的設計和制造，如微型肌肉替代品，微型浮游式機器人，可使用形狀記憶合金進行低頻周期性運動，其特點是空間小、可操縱性高。

（2）本系統作為可穿戴式設備，有較大的發展空間，對醫療，通訊等領域有較大意義。如內植式藥物分泌系統，或內植式信號源等多種系統裝置。

參考文獻

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