CN109779888A

CN109779888A - 一种驱动信号自动生成的间接式压电药物输送泵

Info

Publication number: CN109779888A
Application number: CN201910187258.XA
Authority: CN
Inventors: 陈松; 刘海东; 王成武; 罗罕频
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2019-03-03
Filing date: 2019-03-03
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明属于药物输送泵领域，具体涉及一种驱动信号自动生成的间接式压电药物输送泵。包括泵单元和电控单元，泵单元通过泵送液体介质挤压药物储存器排出药物，从而间接的实现药物的输送；泵单元由两个压电振子驱动，压电振子由压电陶瓷晶片和金属基板粘结而成，压电陶瓷晶片上的银电极层分割成驱动单元和传感单元；电控单元的驱动模块通过导线连接驱动单元与金属基板用于驱动；电控单元的感应模块通过导线连接感应单元与金属基板用于感应电压信号收集；电控单元微控制器单元通过感应电压信号实时分析压电振子的变形，可实现药物输出量的实时监测。特色与优势：药物利用率高、易维护；自适应能力和可靠性强；集成度高。

Description

一种驱动信号自动生成的间接式压电药物输送泵

技术领域

本发明属于药物输送泵领域，具体涉及一种驱动信号自动生成的间接式压电药物输送泵。

背景技术

压电泵具有结构简单、体积小、功耗低、控制精确以及无电磁干扰等优点，在药物输送领域具有广泛的应用前景，受到了国内外研究人员的持续关注。人们在提升压电药物输送泵的输出性能、稳定性以及适用性方面已经取得了显著的进展，如中国专利200610016573.9提出一种集成式精密药物输送泵，其采用多压电振子方式构成薄膜泵进行药物输送，提高了药物输送泵的输出压力和流量；中国专利201420698443.8提出一种谐振型压电隔膜泵，其采用压电共振效应进行药物输送，结构紧凑且输出能力强。但现有压电药物输送泵存在以下缺点：1、采用直接输药方式(药物直接经过泵腔)，药物会在泵腔内残留，药物的利用率低，且药物更换过程中，需对流道和泵腔进行清洁和消毒处理，维护难度大；2、在最佳工作频率下工作，工作环境的改变容易引起最佳工作频率的漂移，控制系统需搭配频率追踪模块，控制难度大；3、高精度输出时需依靠外部检测设备，这不仅提高了机械复杂程度，而且也增加了系统质量、整体成本以及外形尺寸。上述缺点严重地阻碍了压电药物输送泵的推广使用。

发明内容：

针对现有压电药物输送泵的问题，本发明提出一种驱动信号自动生成的间接式压电药物输送泵，以下简称药物输送泵。

本发明采取的技术方案是：包括泵壳，泵壳内部从左至右依次设置有柔性囊、上盖体、泵体、中间体和端盖；所述端盖通过螺钉与泵壳固定；所述柔性囊安装在上盖体上，柔性囊中装有流体介质；所述的泵体结合密封圈在朝向上盖体一端安装有第一压电振子、朝向中间体一端安装有第二压电振子，泵体设置有泵腔；所述上盖体和泵体设置有进口通道，进口通道与柔性囊连通；所述中间体与泵体设置有出口通道，出口通道分两分支，一分支与柔性隔膜相通，另一分支安装有截止阀用于控制其与进口通道的通断；所述柔性隔膜与中间体相连；泵体在泵腔的上下分别安装有出口阀和进口阀，进口通道与泵腔的通断由进口阀控制，出口通道与泵腔的通断由出口阀控制；药物储存器为整体可拆卸部件，包括柔性药物囊、基体，通过螺钉与中间体连接，柔性药物囊与基体相连，基体上设置有药物储存腔和药物出口，药物出口搭配导管适配器使用；所述柔性隔膜与柔性药物囊紧贴安装；所述第一压电振子、第二压电振子由压电陶瓷晶片和金属基板粘结而成，压电陶瓷晶片上表面设置有银电极层；所述银电极层分割成面积较大驱动单元和面积较小的传感单元；电控单元的第一驱动模块、第二驱动模块通过导线分别连接第一压电振子、第二压电振子的驱动单元与金属基板用于压电振子的驱动；电控单元的第一感应模块、第二感应模块通过导线分别连接第一压电振子、第二压电振子的感应单元与金属基板用于压电振子的感应电压信号收集。

本发明实施方案中，电控单元的输入模块设定某一时间段的药物输出流量，该设定药物输出流量导入微控制器模块，通过微控制器模块计算获得设定药物输出流量相对应的第一压电振子、第二压电振子的感应电压幅值和频率，流量与感应电压信号幅值和频率的关系为：其中η为系统标定系数，d₁为第一压电振子的变形直径，d₂为第二压电振子的变形直径，U_s1为第一压电振子感应电压信号幅值，U_s2为第二压电振子感应电压信号幅值，f′为感应电压信号频率，h₃₁为压电陶瓷的刚度系数；第一感应模块、第二感应模块实时获得第一压电振子、第二压电振子的感应电压信号，同时微控制器模块对感应电压信号进行实时分析，并通过第一驱动模块、第二驱动模块对第一压电振子、第二压电振子进行控制，输出参数在显示模块上显示。

工作过程中，工作状态可分为初始、第一、第二工作状态，初始工作状态：第一驱动模块、第二驱动模块不施加驱动电压，截止阀关闭，第一压电振子、第二压电振子均处于不变形状态，如图1所示；第一工作状态：第一驱动模块、第二驱动模块施加与压电陶瓷晶片极化方向相反的电压，第一压电振子、第二压电振子向泵腔外变形，泵腔容积开始增加，在压力作用下，进口阀打开，出口阀关闭，以此同时，第一感应模块、第二感应模块通过感应单元输出的感应电压实时监测压电振子的变形情况，当第一感应模块感应到第一压电振子变形达到预定值时(即感应电压值达到预设值)，固定第一驱动模块的当前驱动电压值，当第二感应模块172感应到第二压电振子变形达到预定值时，固定第二驱动模块的当前驱动电压值，柔性囊内液体介质进入泵腔，如图2所示；第二工作状态：第一驱动模块、第二驱动模块施加与压电陶瓷晶片极化方向相同的电压，第一压电振子、第二压电振子向泵腔内变形，泵腔容积开始减小，在压力作用下，进口阀关闭，出口阀打开，第一感应模块感应到第一压电振子变形达到预定值时，固定第一驱动模块的当前驱动电压值，当第二感应模块感应到第二压电振子变形达到预定值时，固定第二驱动模块的当前驱动电压值，液体介质由泵腔排出，挤压柔性隔膜和柔性药物囊，使药物输出一个微滴，如图3所示；在交变电压信号驱动下，第一、二工作状态反复转变可实现药物的连续输出；在药物储存器中药物用尽后，药物储存器整体更换，重新安装过程中，将截止阀打开，通过挤压使液体介质重回柔性囊中，安装完毕后，将截止阀关闭，药物输送泵重回初始工作状态。需要说明的是：第一驱动模块、第二驱动模块施加的电压信号是逐步增大的，但在第一感应模块或第二感应模块感知到压电振子的变形达到设定值的一瞬间，停止电压信号的增大，固定当前电压值。

本发明的特色及优势在于：1、药物利用率高、易维护：采用间接药物输送方式，药物不经过泵腔，不会出现药物在泵腔内滞留的情况，药物能得到充分的利用，同时在药物用尽后，配合截止阀(常闭)，可对药物储存器(一次性)整体进行更换，操作简便，使用者易于维护；2、自适应能力和可靠性强：根据压电振子的变形感应信号，驱动信号实时自动生成(自驱动)，控制简便，可有效可靠地保证每一脉冲驱动下药物输出量，对外部环境变化的自适应能力强；3、集成度高：采用双压电振子结合单泵腔的驱动模式，同步实现药物输送与流量测量，无需外部药物输出检测设备，集成度高。

附图说明：

图1是本发明一种较佳实施例中药物输送泵结构及其剖面示意图；

图2是本发明一种较佳实施例中药物输送泵第一工作状态示意图；

图3是本发明一种较佳实施例中药物输送泵第二工作状态示意图；

图4是本发明一种较佳实施例中压电振子的剖面图和俯视图；

图5是本发明一种较佳实施例中电控单元模块示意图。

图标：1-柔性囊；2-泵壳；3-第一压电振子；3’-第二压电振子；30-银电极层；300-驱动单元；301-感应单元；31-压电陶瓷晶片；32-金属基板；4-出口阀；5-出口通道；6-柔性隔膜；7-端盖；8-药物储存器；81-柔性药物囊；82-基体；820-药物储存腔；821-药物出口；9-中间体；10-截止阀；11、11’-密封圈；12-泵体；120-泵腔；13-进口阀；14-进口通道；15-上盖体；161-第一驱动模块；162-第二驱动模块；171-第一感应模块；172-第二感应模块；18-显示模块；19-微控制器模块；20-输入模块。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体化连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

请参阅图1、图2、图3、图4、图5，下面将结合附图对本发明实施的药物输送泵作详细说明。

本发明实施例提供了一种驱动信号自动生成的间接式压电药物输送泵，包括泵壳2，泵壳2内部从左至右依次设置有柔性囊1、上盖体15、泵体12、中间体9和端盖7；所述端盖7通过螺钉与泵壳2固定；所述柔性囊1安装在上盖体15上，柔性囊1中装有流体介质；所述的泵体12结合密封圈11’在朝向上盖体一端安装有第一压电振子3，结合密封圈11在朝向中间体9一端安装有第二压电振子3’；所述泵体12设置有泵腔120；所述上盖体15和泵体12设置有进口通道14，进口通道14与柔性囊1连通；所述中间体9与泵体12设置有出口通道5，出口通道5分两分支，一分支与柔性隔膜7相通，另一分支安装有截止阀10，截止阀10用于控制出口通道5与进口通道14的通断；所述柔性隔膜6与中间体9相连；泵体12在泵腔120的上下分别安装有出口阀4和进口阀13；所述进口通道5.2与泵腔5.3的通断由进口阀13控制；所述出口通道5.1与泵腔5.3的通断由出口阀4控制；药物储存器8为整体可拆卸部件，包括柔性药物囊81、基体82，药物储存器8与中间体9连接，柔性药物囊81与基体82相连，基体82上设置有药物储存腔820和药物出口821，药物出口821搭配导管适配器使用；所述柔性隔膜6与柔性药物囊81紧密贴合；所述第一压电振子3、第二压电振子3’由压电陶瓷晶片31和金属基板32粘结而成，压电陶瓷晶片31直径小于金属基板32直径，压电陶瓷晶片31上表面设置有银电极层30；所述银电极层30分割成面积较大的驱动单元300和面积较小的传感单元301；电控单元的第一驱动模块161、第二驱动模块162通过导线分别连接第一压电振子3、第二压电振子3’的驱动单元300与金属基板32用于压电振子的驱动；电控单元的第一感应模块171、第二感应模块172通过导线分别连接第一压电振子3、第二压电振子3’的感应单元301与金属基板32用于压电振子的感应电压信号收集。需要说明的是：第一驱动模块161、第二驱动模块162施加一定的电压信号，压电陶瓷晶片31在逆压电效应作用下产生径向变形，由于压电陶瓷晶片31与金属基板32同心硬性粘合，金属基板32以及感应单元301所对应压电陶瓷晶片31的区域都将产生弯曲变形，在正压电效应的作用下，感应单元301和金属基板32之间将产生感应电压信号。

本实施例中，电控单元的输入模块20设定某一时间段的药物输出流量，该设定流量导入微控制器模块19，通过微控制器模块19计算获得设定药物流量相对应的第一压电振子3、第二压电振子3’的感应电压幅值和频率，流量与感应电压信号幅值和频率的关系为：其中η为系统标定系数，d₁为第一压电振子3的变形直径，d₂为第二压电振子3’的变形直径，U_s1为第一压电振子3感应电压信号幅值，U_s2为第二压电振子3’感应电压信号幅值，f′为感应电压信号频率，h₃₁为压电陶瓷的刚度系数；第一感应模块171、第二感应模块172实时获得第一压电振子3、第二压电振子3’的感应电压信号，同时微控制器模块19对感应电压信号进行实时分析，并通过第一驱动模块161、第二驱动模块162对第一压电振子3、第二压电振子3’进行控制，输出参数在显示模块18上显示。

本实施例的具体工作过程，叙述如下：

工作状态可分为初始、第一、第二工作状态，初始工作状态：第一驱动模块161、第二驱动模块162不施加驱动电压，截止阀10关闭，第一压电振子3、第二压电振子3’均处于不变形状态，如图1所示；第一工作状态：第一驱动模块161、第二驱动模块162施加与压电陶瓷晶片31极化方向相反的电压，第一压电振子3、第二压电振子3’向泵腔外变形，泵腔120容积开始增加，在压力作用下，进口阀13打开，出口阀4关闭，以此同时，第一感应模块171、第二感应模块172通过感应单元301输出的感应电压实时监测压电振子的变形情况，当第一感应模块171感应到第一压电振子3变形达到预定值时(即感应电压值达到预设值)，固定第一驱动模块161的当前驱动电压值，当第二感应模块172感应到第二压电振子3’变形达到预定值时，固定第二驱动模块162的当前驱动电压值，柔性囊1内液体介质进入泵腔13，如图2所示；第二工作状态：第一驱动模块161、第二驱动模块162施加与压电陶瓷晶片31极化方向相同的电压，第一压电振子3、第二压电振子3’向泵腔内变形，泵腔120容积开始减小，在压力作用下，进口阀13关闭，出口阀4打开，第一感应模块171感应到第一压电振子3变形达到预定值时，固定第一驱动模块161的当前驱动电压值，当第二感应模块172感应到第二压电振子3’变形达到预定值时，固定第二驱动模块162的当前驱动电压值，液体介质由泵腔5.3排出，挤压柔性隔膜6和柔性药物囊81，使药物输出一个微滴，如图3所示；在交变电压信号驱动下，第一、二工作状态反复转变可实现药物的连续输出；在药物储存器8中药物用尽后，药物储存器8整体更换，重新安装过程中，将截止阀10打开，通过挤压使液体介质重回柔性囊1中，安装完毕后，将截止阀10关闭，药物输送泵重回初始工作状态。需要说明的是：第一驱动模块161、第二驱动模块162施加的电压信号是逐步增大的，但在第一感应模块171或第二感应模块172感知到压电振子的变形达到设定值的一瞬间，停止电压信号的增大，固定当前电压值。

Claims

1.一种驱动信号自动生成的间接式压电药物输送泵，其特征在于：包括泵壳，泵壳内部从左至右依次设置有柔性囊、上盖体、泵体、中间体和端盖；所述端盖通过螺钉与泵壳固定；所述柔性囊安装在上盖体上，柔性囊中装有流体介质；所述的泵体结合密封圈在朝向上盖体一端安装有第一压电振子，结合密封圈在朝向中间体一端安装有第二压电振子；所述泵体设置有泵腔；所述上盖体和泵体设置有进口通道；所述进口通道与柔性囊连通；所述中间体与泵体设置有出口通道；所述出口通道分两分支，一分支与柔性隔膜相通，另一分支安装有截止阀；所述柔性隔膜与中间体相连；泵体在泵腔的上下分别安装有出口阀和进口阀；药物储存器为整体可拆卸部件，包括柔性药物囊、基体；所述药物储存器与中间体连接；所述柔性药物囊与基体相连，基体上设置有药物储存腔和药物出口；所述柔性隔膜与柔性药物囊紧贴安装；所述第一压电振子、第二压电振子由压电陶瓷晶片和金属基板粘结而成，压电陶瓷晶片上表面设置有银电极层；所述银电极层分割出面积较大驱动单元和面积较小的传感单元；电控单元的第一驱动模块、第二驱动模块通过导线分别连接第一压电振子、第二压电振子的驱动单元与金属基板用于压电振子的驱动；电控单元的第一感应模块、第二感应模块通过导线分别连接第一压电振子、第二压电振子的感应单元与金属基板用于压电振子的感应电压信号收集。

2.根据权利要求1所述驱动信号自动生成的间接式压电药物输送泵，其特征在于：电控单元的输入模块设定某一时间段的药物输出流量，该设定流量导入微控制器模块，通过微控制器模块计算获得设定药物流量相对应的第一压电振子、第二压电振子的感应电压幅值和频率，流量与感应电压信号幅值和频率的关系为：其中η为系统标定系数，d₁为第一压电振子的变形直径，d₂为第二压电振子的变形直径，U_s1为第一压电振子感应电压信号幅值，U_s2为第二压电振子感应电压信号幅值，f′为感应电压信号频率，h₃₁为压电陶瓷的刚度系数；第一感应模块、第二感应模块实时获得第一压电振子、第二压电振子的感应电压信号，同时微控制器模块对感应电压信号进行实时分析，并通过第一驱动模块、第二驱动模块对第一压电振子、第二压电振子进行控制，输出参数在显示模块上显示。