CN111888634A - 一种自动给药系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动给药系统及方法，所述系统包括：载药设备，包括用于储藏、释放药物的药物储藏室，药物储藏室底部设药物释放孔，内部设可移动被驱动磁块；载药设备有给药模式和停药模式，给药模式药物释放孔开放供药物流出，停药模式被驱动磁块位于药物释放孔上方封堵药物释放孔；磁力驱动模块，包括用于驱动被驱动磁块沿药物储藏室底面移动的永磁体；运动抓取模块，包括带有夹爪的机械臂，用于抓取、移动高斯计探头和永磁体；体外位姿传感模块，包括用于采集载药设备周围磁场分布的高斯计、根据机械臂位姿和高斯计采集的数据计算并输出载药设备位置的计算机及用于将机械臂位姿和高斯计采集的数据传输给计算机的数据线。

Description

一种自动给药系统及方法

技术领域

本发明涉及植入式给药技术领域，具体涉及一种自动给药系统及方法。

背景技术

植入给药系统是指药物与辅助材料一起组成的给药系统。植入给药通常在需要将药物植入的区域手术将药物植入，或用定制的注射器导入，是在动脉介入治疗的基础上发展出来的新型给药方式。

药物可在体内可持续释放实现局部给药，从而消除因间歇给药和药量不均匀而产生的给药不均匀现象，能够在植入部位以恒定的速率持续释药，使给药浓度基本维持不变。这样，较小的剂量便可以达到疗效，从而减轻病人痛苦和降低副作用。

然而，现有的载药设备基本是在设备内部集成电源和传感器，这样的设备植入到体内后由于电源难以长时间持续供电、硅和金属容易产生毒性，对人体有很大伤害。

公开号为CN 101797322A的专利说明书公开了纳米磁性导向性给药外治神经性皮炎，利用纳米硒、锌元素中药微粒吸附在麦饭石纳米粒的孔穴中，在外磁场的作用下，通过麦饭石纳米孔穴中元素中药纳米磁性粒子的磁性导向性的作用，使其纳米药物元素分子销定在病变部位范围内，从而达到高特效的治疗目的。该专利技术无法实现自动给药、定时定量给药等，且药物中需要混入杂质磁性粒子。

公开号为WO2015131644A1的专利说明书公开了一种抗肿瘤磁性纳米粒子药物的靶向给药装置，包括用于盛装有抗肿瘤磁性纳米粒子药物的输液容器及与输液容器相连接的输送抗肿瘤磁性纳米粒子药物的药液输送装置。在对应于肿瘤区域的体表外设有能将抗肿瘤磁性纳米粒子药物产生磁吸附作用的磁场发生装置和感应肿瘤区域活体组织对磁力刺激反应的生物电感应器。靶向给药装置设有接受和分析生物电感应器信号以及依据生物电感应器信号总控所需磁场强度、输液速度和液体流量的控制单元。磁场发生装置上连接有控制磁场强度的磁场控制装置。药液输送装置上连接有控制其流速的流速控制器。所述控制单元分别与生物电感应器、磁场控制装置和流速控制器对应连接。该专利技术体内传感模块不能长时间供电，且金属元器件容易产生毒性，生物兼容性不好。

发明内容

针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种自动给药系统。该系统通过结构设计、载药设备的体外位姿传感及机械臂抓取永磁体驱动实现自动控制给药，且载药设备不含有任何电子元器件、制作材料为水凝胶材料，具有良好的生物兼容性，为植入式设备自动给药、按需定量给药提供了解决方案。

一种自动给药系统，包括：

载药设备，包括用于储藏、释放药物的药物储藏室，所述药物储藏室底部设有药物释放孔，内部设有可移动的被驱动磁块；所述载药设备具有给药模式和停药模式，在所述给药模式下，所述药物释放孔开放供所述药物流出，在所述停药模式下，所述被驱动磁块位于所述药物释放孔上方并封堵所述药物释放孔；

磁力驱动模块，包括用于驱动所述被驱动磁块沿所述药物储藏室底面移动的永磁体；

运动抓取模块，包括带有夹爪的机械臂，用于抓取、移动高斯计的探头和所述永磁体；

体外位姿传感模块，包括用于采集所述载药设备周围磁场分布的高斯计、根据所述机械臂位姿和所述高斯计采集的数据计算并输出所述载药设备位置的计算机以及用于将所述机械臂位姿和所述高斯计采集的数据传输给所述计算机的数据线。

作为优选，所述药物储藏室内还固设有位置传感装置，所述高斯计通过扫描所述位置传感装置对所述载药设备进行定位。

进一步优选，所述位置传感装置内设有至少三个不共线的磁定位点，用于确定所述载药设备的位置。

再进一步优选，所述载药设备采用光固化3D打印机制作，材料为水凝胶；所述被驱动磁块和磁定位点是将磁性氧化铁纳米粒子分散到水凝胶，再将其利用光固化3D打印机制作得到。所述水凝胶可以是GelMA(甲基丙烯酸酐化明胶)、PEGDA(聚乙二醇二丙烯酸酯)、HAMA(透明质酸)、PVAMA(聚乙烯醇马来酸酐)等水凝胶材料。

作为优选，所述药物释放孔为圆形，直径为0.1～2mm。

一种自动给药方法，使用所述的自动给药系统，所述自动给药方法包括步骤：

(1)机械臂抓取、移动高斯计的探头采集载药设备周围磁场分布，采集到的磁场强度数据和对应的机械臂位姿均传输给计算机处理，输出载药设备的场强分布，并得到载药设备中三个定位磁体以及被驱动磁块的位姿；

(2)机械臂放回高斯计的探头，抓取、移动永磁体驱动被驱动磁块沿药物储藏室底面移动，进行给药模式和停药模式的切换。

作为优选，步骤(1)中，所述采集载药设备周围磁场分布时，所述高斯计的探头位于所述载药设备上方0.5～2cm处，采集范围为所述载药设备尺寸的1.5～3倍。

作为优选，所述给药模式的频率为1～20次/min，每次持续时间为0.5～3s。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：本发明可实现植入式载药设备的自动给药；利用体外位姿传感可实现载药设备在体内的定位；可根据需要设定给药量和给药速率；载药设备采用生物兼容性。

附图说明

图1为实施例的自动给药系统的整体示意图，图中：1-高斯计探头，2-台式高斯计，3-数据传输线，4-机器人控制线，5-计算机，6-机械臂，7-永磁体，8-载药设备；

图2、3分别为实施例的载药设备在给药模式和停药模式下的俯视结构示意图，图中：9-外壳，10-药物储藏室，11-位置传感装置，12-被驱动磁块，13-药物释放孔，14-定位磁体；

图4为实施例的自动给药方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应当理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或者按照制造厂商所建议的条件。

如图1所示，本实施例的自动给药系统，包括载药设备8、磁力驱动模块、运动抓取模块、体外位姿传感模块。

磁力驱动模块包括用于驱动被驱动磁块12沿药物储藏室10底面移动的永磁体7。

运动抓取模块包括带有夹爪的机械臂6，用于抓取、移动台式高斯计2的探头1和永磁体7。

体外位姿传感模块包括用于采集载药设备8周围磁场分布的台式高斯计2、根据机械臂6位姿和高斯计探头1采集的数据计算并输出载药设备8位置的计算机5以及用于将机械臂6位姿和高斯计探头1采集的数据传输给计算机5的机器人控制线4和数据传输线3。

如图2、3所示，载药设备8包括外壳9，以及由外壳9包围而成的用于储藏、释放药物的药物储藏室10。药物储藏室10底部开设有药物释放孔13，内部设有可移动的被驱动磁块12。

载药设备8具有给药模式(如图2所示)和停药模式(如图3所示)，在所述给药模式下，药物释放孔13开放供药物储藏室10内的液体药物流出，在所述停药模式下，被驱动磁块12位于药物释放孔13上方并封堵药物释放孔13，阻止药物流出。

药物储藏室10内还固设有位置传感装置11，高斯计探头1通过扫描位置传感装置11对载药设备8进行定位。

位置传感装置11内设有三个不共线的定位磁体14(磁定位点)，用于确定载药设备8的位置。

本实施例的自动给药系统的工作流程如下：

1、机械臂、计算机系统、高斯计等均进行初始化操作。此时，机械臂处在工作坐标系的零点，夹爪为张开状态，高斯计探头和永磁体均在初始化位置。

2、机械臂运动到高斯计探头存放点，夹爪闭合，夹紧高斯计探头，然后机械臂带着高斯计探头运动到载药设备上方设定点准备进行磁场扫描。

3、机械臂携带高斯计探头在载药设备上方固定高度进行磁场扫描，运动的同时将采集到的磁场数据通过RS-232标准接口传输给计算机，同时自动记录下每个磁场强度所对应的机械臂位姿，然后机械臂返回到高斯计存放点。

4、通过对数据的处理，计算出载药设备的在工作坐标系下的具体位姿。

5、机械臂夹爪松开，将高斯计探头放置在存放点，然后机械臂运动到永磁体存放点，夹爪闭合，夹紧永磁体。

6、机械臂运动到载药设备被驱动位置，根据载药设备被驱动磁块的运动形式进行直线、圆周或其它形式的往复运动，驱动载药设备给药。

7、给药系统可提前设定好给药目标，调整运动频率和运动总次数，来调整给药量和给药梯度等给药参数。

本实施例中载药设备采用光固化3D打印机制作，材料为GelMA水凝胶，其中被驱动磁块和磁定位点制作方法是将磁性氧化铁纳米粒子分散到GelMA水凝胶，再将其利用光固化3D打印机制作。制作完成后，将液体药物放入到储药室，最后封装得到载药设备。

具体的，使用上述自动给药系统进行自动给药的方法流程如图4所示，包括步骤：

(1)将制得的载药设备植入到皮下。

(2)进行初始化01操作。将系统中的所有用电器上电，UR3机械臂归零，机械臂末端夹爪为张开状态，闭合度为60％，高斯计探头和永磁体均在初始化位置。TD8650台式高斯计、机械臂分别与计算机用数据线连接好，其中机械臂与计算机为UR机器人标准接口，高斯计与计算机为RS232串口通信。

(3)机械臂运动到高斯计探头存放点，夹爪闭合，闭合度为30％，完成集成高斯计02操作，然后机械臂带着高斯计运动到距离载药设备上方1cm高度的设定点准备进行磁场扫描。

(4)机械臂携带高斯计探头在距离载药设备上方1cm高度进行磁场扫描运动03操作，扫描的范围为载药设备本身尺寸的2倍，运动的同时将采集到的磁场强度数据通过RS-232标准接口传输给计算机，完成数据采集04操作。同时自动记录下每个磁场强度所对应的机械臂位姿，通过对场强和机械臂位姿数据的处理，计算出载药设备的场强分布，从而得到载药设备中定位点和被驱动模块在工作坐标系下的具体位姿，完成计算驱动点05操作。

(5)机械臂先返回到高斯计存放点，夹爪张开60％，将高斯计放下，再返回到初始位置，完成返回初始点06操作，然后机械臂运动到高斯计存放点，夹爪闭合40％，夹紧永磁体(四氧化三铁)，完成集成驱动装置07操作。

(6)机械臂运动到载药设备被驱动位置，根据载药设备的运动形式进行直线往复运动，驱动载药设备给药，完成驱动载药设备08操作，其中圆形药物释放孔直径为1mm。

给药系统设定给药目标：给药频率为10次/分钟，每次药物释放时间2s，完成驱动设置10操作。完成给药目标后，停止给药。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种自动给药系统，其特征在于，包括：

载药设备，包括用于储藏、释放药物的药物储藏室，所述药物储藏室底部设有药物释放孔，内部设有可移动的被驱动磁块；所述载药设备具有给药模式和停药模式，在所述给药模式下，所述药物释放孔开放供所述药物流出，在所述停药模式下，所述被驱动磁块位于所述药物释放孔上方并封堵所述药物释放孔；

磁力驱动模块，包括用于驱动所述被驱动磁块沿所述药物储藏室底面移动的永磁体；

运动抓取模块，包括带有夹爪的机械臂，用于抓取、移动高斯计的探头和所述永磁体；

体外位姿传感模块，包括用于采集所述载药设备周围磁场分布的高斯计、根据所述机械臂位姿和所述高斯计采集的数据计算并输出所述载药设备位置的计算机以及用于将所述机械臂位姿和所述高斯计采集的数据传输给所述计算机的数据线。

2.根据权利要求1所述的自动给药系统，其特征在于，所述药物储藏室内还固设有位置传感装置，所述高斯计通过扫描所述位置传感装置对所述载药设备进行定位。

3.根据权利要求2所述的自动给药系统，其特征在于，所述位置传感装置内设有至少三个不共线的磁定位点，用于确定所述载药设备的位置。

4.根据权利要求3所述的自动给药系统，其特征在于，所述载药设备采用光固化3D打印机制作，材料为水凝胶；所述被驱动磁块和磁定位点是将磁性氧化铁纳米粒子分散到水凝胶，再将其利用光固化3D打印机制作得到。

5.根据权利要求1所述的自动给药系统，其特征在于，所述药物释放孔为圆形，直径为0.1～2mm。

6.一种自动给药方法，其特征在于，使用权利要求2～5任一权利要求所述的自动给药系统，所述自动给药方法包括步骤：

(1)机械臂抓取、移动高斯计的探头采集载药设备周围磁场分布，采集到的磁场强度数据和对应的机械臂位姿均传输给计算机处理，输出载药设备的场强分布，并得到载药设备中三个磁定位点以及被驱动磁块的位姿；

(2)机械臂放回高斯计的探头，抓取、移动永磁体驱动被驱动磁块沿药物储藏室底面移动，进行给药模式和停药模式的切换。

7.根据权利要求6所述的自动给药方法，其特征在于，步骤(1)中，所述采集载药设备周围磁场分布时，所述高斯计的探头位于所述载药设备上方0.5～2cm处，采集范围为所述载药设备尺寸的1.5～3倍。

8.根据权利要求6所述的自动给药方法，其特征在于，所述给药模式的频率为1～20次/min，每次持续时间为0.5～3s。

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