CN103768679A - 精密注射器泵及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由丝杆泵驱动的精密注射器泵，其使用磁电阻传感器和MCU监测导螺杆的转动，并通过电机控制器控制反馈控制导螺杆的转向和速度，从而控制注射器的输液速度。本发明的精密注射器泵具有高灵敏度，高可靠性，低功耗，低成本和方便使用的特点。

Description

精密注射器泵及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种医疗器械，具体地说，涉及一种输液用注射器泵。
背景技术
输液泵在临床使用中，允许在一个相对较长的时间里自动地以一个设定的速度从静脉向病人输入液体药物或营养物，减小了医务人员的工作量，提高了输液的安全性。根据工作原理的不同，分为不同的输液泵，常用的有容量泵和注射器泵。容量泵可由蠕动泵驱动；注射器泵可由丝杆泵驱动。电机带动丝杆旋转，将旋转运动化为线性运动，通过与套筒相连的螺母推动套筒将注射器内的液体注入病人的静脉。注射器泵的输液速度的精确度较容量泵高，误差大约为±5%。但在一些临床应用中，像对新生婴儿的静脉注射和用于糖尿病人的胰岛素注射时，有必要进一步提高注射器泵的输液速度的精确度。在输液过程中，也有必要知道套筒在注射器中的位置。通常做法是使用步进式电机，也可以用线性或旋转电位计，或光学解码器来控制输液的速度，这些方法仍存在着精密度低和可靠性差和生产成本高的问题。
发明内容
针对现有注射器泵存在的精度较低、可靠性较差的问题，本发明采用如下的技术方案：
一种使用注射器的注射器泵，所述的注射器有一针筒和一套筒，注射器泵包括电机、导螺杆和与所述导螺杆相连的注射器驱动头，所述电机驱动所述导螺杆正时针或逆时针转动，带动所述注射器驱动头推动所述套筒在所述针筒内移动；还包括
至少一块永磁体，所述的至少一块永磁体位于所述导螺杆上，并随所述导螺杆转动；
能够感应所述至少一块永磁体产生的磁场的磁电阻传感器；
接收所述磁电阻传感器的信号并根据所述磁电阻传感器的信号反馈控制所述电机旋转所述导螺杆的转向和速度的MCU。
优选地，所述磁电阻传感器为双轴旋转磁传感器或者两个正交的单轴旋转传感器。
优选地，所述磁电阻传感器为单轴或双轴线性磁传感器。
优选地，所述磁电阻传感器是Hall，AMR，GMR，或TMR传感器。
优选地，所述至少一块永磁体和所述导螺杆的中心轴线穿过所述磁电阻传感器的中心。
优选地，所述磁电阻传感器的位于所述的至少一个永磁体的附近。
优选地，所述至少一块永磁体为一体式永磁体或分体式永磁体，呈圆盘形、环形或方形；所述一体式永磁体或分体式永磁体位于所述的导螺杆上与电机相同的一端或另一端。
优选地，所述至少一块永磁体为两块，每块所述永磁体有不同的多个磁极，两块所述永磁体分别位于导螺杆的两端或成串放置于所述导螺杆的同一端。
优选地，所述永磁体沿永磁体直径、对角线被磁化或沿垂直于导螺杆的长轴方向被磁化，所述永磁体的内部磁化方向与所述导螺杆的长轴方向垂直。
优选地，所述磁电阻传感器的在XY平面的表面面积小于所述永磁体在XY平面覆盖的面积。
优选地，所述的MCU包括将所述导螺杆的转动速度转换成所述注射器的输液速度的磁电阻传感器信息管理单元。
优选地，所述的磁电阻传感器信息管理单元包括电机旋转角度计数单元，导螺杆位置单元和/或套筒位置单元，溶液体积单元和流速单元。
优选地，所述MCU包括比较所述注射器的输液速度与设定的输液速度的比较器，所述MCU根据比较的结果调整所述导螺杆的转动速度。
优选地，包括电机控制器和警报器，所述MCU通过电机控制器控制所述电机的转向和转速，所述的警报器与所述的电机控制器相连。
优选地，包括至少一个平行于导螺杆的导向杆，所述注射器驱动头的一端滑动地连接在所述导向杆上，所述的导螺杆穿过位于注射器驱动头的另一端的带有与螺纹的洞，所述导向杆固定在基座上，所述导螺杆转动地的固定于所述的基座上。
优选地，所述电机是DC电机或步进电机。
优选地，包括连接所述电机和所述导螺杆的机械传动装置；所述机械传动装置是至少一个齿轮和减速齿轮或滑轮和传动带。
一个制造所述的注射器泵的方法，所述注射泵包括电机，导螺杆和与所述导螺杆相连的注射器驱动头，所述电机驱动所述导螺杆正时针或逆时针转动，从而带动所述注射器驱动头推动所述套筒在所述针筒内移动，
将至少一块永磁体置于所述导螺杆上，令所述永磁体随所述导螺杆转动；
将磁电阻传感器置于所述注射器泵上可以接收所述至少一块永磁体产生的磁信号的位置；
在所述的注射器泵上安装根据所述磁信号反馈控制所述电机旋转所述导螺杆的转向和速度的MCU。
优选地，磁电阻传感器为Hall，AMR，GMR或TMR磁电阻传感器。
本发明的丝杆泵驱动的注射器泵，使用了磁电阻传感器和MicroControlUnit（MCU，微控制器）反馈控制输液速度并监视套筒在注射器中的位置，取代了用步进式电机控制输液速度的方式。步进电机的控制输液速度的精度取决于的相数和拍数，相数和拍数越多，其精度越高；步进电机在低速时易出现低频振动现象；启动频率过高或负载过大则易丢步或出现堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲现象。本发明可以使用其它电机取代步进式电机，也可以与步进式电机一起使用，提高了注射器泵输液速度的精度和可靠性。由于根据本发明，可以不使用昂贵的步进式电机，而使用普通DC电机，因此降低了注射器泵的成本。此外，低功耗的磁电阻传感器的应用也会降低注射器泵的功耗，减少充电的频率，这对通常是由电池供电的注射器泵来说是一个重要的改进，方便了使用。综上，本发明的精密注射器泵具有高灵敏度,高可靠性，低功耗，低成本和方便使用的特点。
上述说明仅是本发明技术方案的概述。为了能够更清楚地说明本发明的技术手段，并可依照说明书的内容实施本发明，以下结合实施例并配合附图对本发明进行了详细地说明。本发明的具体实施方式由以下实施例详细地给出。
附图说明
图1为注射器泵的俯视图；
图2为磁电阻传感器与永磁体的位置关系剖面示意图和永磁体的磁化方向示意图；
图3为MCU控制原理图；
图4为磁电阻传感器信息管理单元原理图；
图5为转化曲线。
具体实施方式
图1是注射器泵2的俯视图。一种能使用注射器4的注射器泵2，包括电机52，导螺杆22和注射器驱动头18。注射器4有一针筒6和一套筒8。电机52驱动导螺杆22正时针或逆时针转动，从而带动注射器驱动头18推动套筒8在针筒6内移动；注射器泵2还包括磁电阻传感器28，至少一块永磁体30和MCU50；永磁体30位于导螺杆22上，永磁体30随导螺杆22转动；磁电阻传感器28能够感应永磁体30产生的磁场；MCU50的输入端与磁电阻传感器28相连接，输出端与电机52相连接，其接收磁电阻传感器28的信号，并根据该信号反馈控制电机52旋转导螺杆22的转向和速度。
导螺杆22连接电机52的一端通过轴承21可转动地固定在前基座16A上，另一端穿过后基座16B上没有螺纹的洞20可转动地固定在后基座16B上。为了能带动注射器驱动头18，导螺杆22穿过注射器驱动头18上与导螺杆22的外螺纹相匹配的有内螺纹的洞7。电机52通过可以改变旋转速度的机械传动装置，如一个或多个减速齿轮13，齿轮31，带动导螺杆22正时针或反时针地在注射器驱动头18上的洞7中转动，从而导螺杆22带动注射器驱动头18呈直线反复运动。为了降低成本，也可以使用滑轮和传动带取代齿轮31和减速齿轮13。
起稳定和导向作用的导向杆26则穿过注射器驱动头18上的另一端的没有螺纹的洞5并平行于导螺杆22设置。启稳定作用的导向杆26可以是一个，也可以是多个，其两端分别固定于前基座16A和后基座16B上。
在不使用导向杆26的情况下，注射器驱动头18也可以沿滑道移动，该滑道与导螺杆22平行。
电机52可以是直流电机式，交流电机式，步进电机式，伺服式电机等。
注射器驱动头18上有一对可固定不同直径的注射器4的套筒8的套筒夹子14，用以把住套筒8，所以，当导螺杆22在注射器驱动头18的洞7中转动时，注射器驱动头18沿导向杆26的方向呈直线运动，从而推动或拉动套筒8在针筒6中移动。后基座16B上安装有一对针筒夹子12，可固定不同直径的注射器4的针筒6。
图2为磁电阻传感器与永磁体的位置关系剖面示意图和永磁体的磁化方向示意图。永磁体30随着导螺杆22沿旋转方向17旋转，磁电阻传感器28静止不动。磁电阻传感器28是双轴旋转磁传感器或者两个正交的单轴旋转传感器，也可以是一个单轴线性传感器或双轴线性传感器。现有的磁电阻传感元件包括霍尔（Hall）元件，各向异性磁电（Anisotropic Magneto Resistance，AMR）元件或巨磁电阻（Giant Magneto Resistance，GMR，和TMR（Tunnel Magneto Resistance）元件。TMR技术最先进，也是本发明的优选技术，但是其它磁电阻感应元件也可用于磁电阻传感器28。
永磁体30为一体式或分体式永磁体，形状为圆盘形、环形、方形；永磁体30也可以是两块，每块有不同个数的多个磁极。图2B，2C，2D显示永磁体30的形状为圆盘形，方形，分体式和它们分别的一些可能的磁化方向，但并没有显示所有可能的形状和磁化方向。前述的永磁体30有一满足适当应用条件的厚度。磁电阻传感器28的在XY平面表面面积小于所述永磁体30在XY平面覆盖的面积。导螺杆22有一长轴15，其方向为Z轴方向，垂直于XY平面，穿过永磁体30的中心，并与永磁体30共轴。永磁体30和导螺杆22的中心轴线穿过磁电阻传感器28的中心。永磁体30被沿直径或对角线方向磁化，并且其磁化方向垂直于Z轴方向或导螺杆22的长轴方向。圆盘形、环形永磁体被沿直径方向磁化，方形永磁体被沿对角线方向磁化。永磁体也可沿垂直于导螺杆长轴方向磁化。永磁体30可以位于导螺杆22上远离电机52一端，也可以与其在同一端。如果永磁体30是两块，则两块永磁体分别位于导螺杆22的两端或成串放置于导螺杆22的同一端。磁电阻传感器28位于永磁体30的附近，也可以远离。如果两块永磁体30成串放置于导螺杆22的同一端，磁电阻传感器28可以位于导螺杆22附近也可以远离。
永磁体30在旋转过程中有旋转相位角a。磁电阻传感器28工作时形成正余弦输出永磁体30的检测磁场分量及磁阻传感器28敏感轴之间形成的旋转磁场相位角f。只有当a和f之间形成线性关系，满足在0~360°范围内一一对应时，才可以将磁电阻传感器28所探测的旋转磁场相位角f和永磁体30旋转相位角a位置关系对应起来。磁电阻传感器28应置于能满足前述的要求的永磁体30的探测区域内。
图4是MCU50控制原理图。注射器泵2包括MCU50，从磁电阻传感器28接收信号，并通过电机控制器48控制电机52的转向和速度。此外，MCU50与操作键盘56，显示器60和电池64相连。
电机控制器48监控磁电阻传感器28的输出信号，其与报警器48相连。如果发现预先设定的位置和流速，电机控制器48就会激发警报器54。
MCU50将需要注射器泵使用者知道的信息显示在显示屏60上。使用者也能通过与MCU50相连的键盘56与注射器泵2交流。MCU50也可以与力传感器51相连，力传感器51可以检测施加于注射器4上的力，检测可能的堵塞，保证输液的正常，当该力超过设定值时，力传感器51通过电机控制器48就会激发警报器54。
电池64提供电器元件和电机所需的电力，但注射器泵2也可以使用交流电源。
MCU包括将导螺杆22的转动速度转换成注射器的输液速度的磁电阻传感器信息管理单元49。图5显示了MCU50中的磁电阻传感器信息管理单元49的功能。磁电阻传感器信息管理单49包括电机旋转角度计数单元66，导螺杆位置单元70，套筒位置单元74，溶液体积单元68，流速单元72和比较单元47，并预置了不同直径的注射器4的输液体积和其套筒8在针筒6内的位置的转换表、不同直径的注射器4的套筒8在针筒6中的位置与导螺杆22位置的转换表、导螺杆22旋转角度与导螺杆22位置的计算程序。
在使用注射器泵2时，有必要对其进行校准。MCU50能够根据设定的程序校准注射器泵2，包括前述的所有的转换表，并可计算输液的体积和速度。导螺杆22转动，套筒8随之移动，根据磁电阻传感器28的信号，电机旋转角度计数单元66记录导螺杆22转动的角度和时间。由导螺杆22旋转的角度和预置在MCU50里的导螺杆22旋转角度与导螺杆22平动位置的计算程序（algorithm），
导螺杆直线移动的距离=（旋转角度）*（纵向丝杠螺距）
导螺杆位置单元70就可以计算导螺杆22的位置或其在Z-轴方向移动的直线距离；同时，由导螺杆22的位置和不同直径的注射器4的套筒8在针筒中的位置的转换表，套筒位置单元74可以知道套筒8在针筒6中的位置；进一步，溶液体积单元68，可以由不同直径的注射器4的体积和其套筒8在针筒6内的位置的转换表知道输液的体积；流速单元72根据前述的输液的体积和时间，即可计算输液的速度。如果预置了导螺杆22旋转角度和不同直径的注射器4的输液体积的转换表，流速单元72就可以根据此转换表和电机旋转角度计数单元66记录导螺杆22转动的角度和时间，更快地计算输液的速度。MCU还包括比较器47，比较器47把测得的输液速度和预设的输液速度相比较，当测得的输液速度过高或过低地偏离预设的输液速度时，MCU50会指示电机控制器48调整电机52的转向和速度。根据套筒位置单元74提供的套筒8在针筒6中的位置，或根据溶液体积单元68的输液的体积的数据，MCU50会指示电机控制器48调整电机52的转向和速度
注射器泵2的校准过程：将空的注射器4置于注射器泵2上，由磁电阻传感器信息管理单元49记录磁电阻传感器28测得的套筒8在针筒6中的位置，然后，在注射器4中加入已知体积的液体，并将该体积数值输入到MCU50中，磁电阻传感器信息管理单元49就可以得到液体体积和套筒8在针筒6中的位置关系及与导螺杆22位置的关系，计算校准参数。
在使用步进电机时，除了电机52自身有调节电机转速的功能，MCU50可以进一步通过电机控制器48根据磁电阻传感器28的信号反馈调控电机52的速度，由此可使输液的速度更精确。
图5为转换曲线。当永磁体30随着导螺杆22沿旋转方向17旋转时，磁电阻传感器28所检测到的X轴和Y轴磁场分量随旋转角度的变化曲线分别如图4中的曲线41和42所示。磁电阻传感器28将永磁体30所产生的磁场幅度转化为模拟电压信号，所得到的模拟电压信号可以直接输出，也可以通过用模拟数字转换电路（ADC）转换成数字信号后输出。根据输出的信号便可以得知永磁体30的旋转角度，也即导螺杆22的旋转角度。
一个制造注射器泵2的方法，注射器泵2包括电机52，导螺杆22和与导螺杆22相连的注射器驱动头18，电机52驱动导螺杆22正时针或逆时针转动，从而带动注射器驱动头18推动套筒8在所述针筒6内移动。将永磁体30置于导螺杆22上，令永磁体30随导螺杆22转动；将磁电阻传感器28置于注射器泵2上可以接收永磁体30产生的磁信号的位置；在注射器泵2上安装根据所述磁信号反馈控制所述电机旋转所述导螺杆22的转向和速度的MCU50。磁电阻传感器28为Hall，AMR，GMR或TMR磁电阻传感器。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，本发明中的实施也可以进行不同组合变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种使用注射器的注射器泵，所述的注射器有一针筒和一套筒，包括电机、导螺杆和与所述导螺杆相连的注射器驱动头，所述电机驱动所述导螺杆正时针或逆时针转动，带动所述注射器驱动头推动所述套筒在所述针筒内移动；其特征在于，包括
至少一块永磁体，所述的至少一块永磁体位于所述导螺杆上，并随所述导螺杆转动；
能够感应所述至少一块永磁体产生的磁场的磁电阻传感器；
接收所述磁电阻传感器的信号并根据所述磁电阻传感器的信号反馈控制所述电机旋转所述导螺杆的转向和速度的MCU。
2.根据权利要求1所述的注射器泵，其特征在于，所述磁电阻传感器为双轴旋转磁传感器或者两个正交的单轴旋转传感器。
3.根据权利要求1所述的注射器泵，其特征在于，所述磁电阻传感器为单轴或双轴线性磁传感器。
4.根据权利要求1所述的注射器泵，其特征在于，所述磁电阻传感器是Hall，AMR，GMR，或TMR传感器。
5.根据权利要求1所述的注射器泵，其特征在于，所述至少一块永磁体和所述导螺杆的中心轴线穿过所述磁电阻传感器的中心。
6.根据权利要求1所述的注射器泵，其特征在于，所述磁电阻传感器的位于所述的至少一个永磁体的附近。
7.根据权利要求1或5，或6的任一所述的注射器泵，其特征在于，所述至少一块永磁体为一体式永磁体或分体式永磁体，呈圆盘形、环形或方形；所述一体式永磁体或分体式永磁体位于所述的导螺杆上与电机相同的一端或另一端。
8.根据权利要求1或5任一所述的注射器泵，其特征在于，所述至少一块永磁体为两块，每块所述永磁体有不同的多个磁极，两块所述永磁体分别位于导螺杆的两端或成串放置于所述导螺杆的同一端。
9.根据权利要求7所述的注射器泵，其特征在于，所述永磁体沿永磁体直径、对角线被磁化或沿垂直于导螺杆的长轴方向被磁化，所述永磁体的内部磁化方向与所述导螺杆的长轴方向垂直。
10.根据权利要求1所述的注射器泵，其特征在于，所述磁电阻传感器的在XY平面的表面面积小于所述永磁体在XY平面覆盖的面积。
11.根据权利要求1所述的注射器泵，其特征在于，所述的MCU包括将所述导螺杆的转动速度转换成所述注射器的输液速度的磁电阻传感器信息管理单元。
12.根据权利要求11所述的注射器泵，其特征在于，所述的磁电阻传感器信息管理单元包括电机旋转角度计数单元，导螺杆位置单元和/或套筒位置单元，溶液体积单元和流速单元。
13.根据权利要求1或11所述的注射器泵，其特征在于，所述MCU包括比较所述注射器的输液速度与设定的输液速度的比较器，所述MCU根据比较的结果调整所述导螺杆的转动速度。
14.根据权利要求1所述的注射器泵，其特征在于，包括电机控制器和警报器，所述MCU通过电机控制器控制所述电机的转向和转速，所述的警报器与所述的电机控制器相连。
15.根据权利要求1所述的注射器泵，其特征在于，包括至少一个平行于导螺杆的导向杆，所述注射器驱动头的一端滑动地连接在所述导向杆上，所述的导螺杆穿过位于注射器驱动头的另一端的带有与螺纹的洞，所述导向杆固定在基座上，所述导螺杆转动地的固定于所述的基座上。
16.根据权利要求1所述的注射器泵，其特征在于，所述电机是DC电机或步进电机。
17.根据权利要求1所述的注射器泵，其特征在于，包括连接所述电机和所述导螺杆的机械传动装置；所述机械传动装置是至少一个齿轮和减速齿轮或滑轮和传动带。
18.一个制造权利要求1所述的注射器泵的方法，所述注射泵包括电机，导螺杆和与所述导螺杆相连的注射器驱动头，所述电机驱动所述导螺杆正时针或逆时针转动，从而带动所述注射器驱动头推动所述套筒在所述针筒内移动，其特征在于，
将至少一块永磁体置于所述导螺杆上，令所述永磁体随所述导螺杆转动；
将磁电阻传感器置于所述注射器泵上可以接收所述至少一块永磁体产生的磁信号的位置；
在所述的注射器泵上安装根据所述磁信号反馈控制所述电机旋转所述导螺杆的转向和速度的MCU。
19.根据权利要求18所述的注射器泵的制造方法，其特征在于，磁电阻传感器为Hall，AMR，GMR或TMR磁电阻传感器。
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