CN115814206B - 一种注射笔剂量控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种注射笔剂量控制方法及系统，包括电机推动模块、电机驱动装置、第一监测装置、第二监测装置、第一处理器、第二处理器；通过第一处理器读取第一监测装置的数值，计算出电机的转速，以及电机的总旋转角度，根据电机的旋转速度与旋转角度计算实际的注射速度以及注射药液量。并在注射过程中根据以上数值实时对输出至电机驱动的信号进行调整，确保注射速度与注射剂量在设置的范围内。第二处理器读取第一监测装置的数值，对注射速度及注射精度进行二次确认，防止因第一处理器宕机而出现注射失控的情况。读取第二监测装置的数值，与第一监测装置的数据进行对比，防止监测装置失效而出现的注射过量的情况。

Description

一种注射笔剂量控制方法及系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体为一种注射笔剂量控制方法及系统。

背景技术

目前，对胰岛素、生长激素等药物的注射大多采用注射笔进行自我注射，电子式注射笔通过推杆机构推动卡式瓶的胶塞，从而利用针头向人体皮下肌肉注射药物，以达到治疗疾病的目的。

电子式注射笔往往只需病人独立操作即可自动完成注射的流程，多数注射场景位于病人家中，因此一般缺少专业医护人员在注射过程中进行监护以及指导，这也就要求注射笔能够精确控制注射的剂量，且在出现异常时，能够及时终止注射并进行提示，从而避免注射超量的情况出现。

在授权公告号为CN 104800932 B，授权公告日为2017.11.10的中国发明专利中，公开了一种药物信息监测装置和药物信息监测式注射装置，用于检测装有药物的注射笔的注射剂量，所述注射笔一端设有用于确定注射剂量的调节旋钮，其特征在于，所述药物信息监测装置包括的壳体、用于将所述调节旋钮的转动信息转换为药物注射剂量信息的旋转编码器以及控制组件，所述旋转编码器包括编码体以及与所述编码体转动连接的旋转块，所述编码体和所述控制组件电性连接并且均固定于所述调节旋钮，所述壳体罩设于所述编码体和所述控制组件外，所述壳体一端设有按钮，所述旋转块固定连接至所述按钮，所述编码体和所述控制组件固定于所述壳体内，所述壳体一端固定于所述调节旋钮，所述按钮转动连接于所述壳体另一端。其旋转编码器的编码体可随调节旋钮一起转动，在注射时记录转动圈数换算为药物信息并存储，数据采集误差小，使用和装配的精度要求低。

现有的注射笔，大多数都采用了闭环控制确保注射的精度，一但测量装置出现异常或处理器宕机，容易出现注射剂量不够或者超量的情况，若没有及时发现将会对患者生命健康造成危害。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种能够防止注射剂量不够或超量注射笔双闭环控制方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种注射笔剂量控制方法，包括以下步骤：

S1：获取药物注射参数，所述药物注射参数包括药液注射剂量与药液注射速度；

S2：系统将注射参数同步发送至第一处理器和第二处理器；

S3：由第一处理器、第二处理器向电机驱动装置输出信号，开始注射；第二处理器向电机驱动装置输出使能信号，第一处理器向电机驱动输出控制信号；电机驱动装置控制电机旋转，推动推杆开始注射；

S4：进行剂量监控，具体包括以下步骤；

S41：第一处理器监控第一监测装置，不断调整电机转速，保持注射速度在设定范围内；

S42：第二处理器监控第一监测装置，计算出实际注射速度和实际注射药液量，防止因第一处理器宕机而出现注射失控；

S43：第二处理器监控第二监测装置，并与第一监测装置的数值进行比对，判断第一、第二监测装置是否异常；若判定为监测装置异常，第二处理器停止向电机驱动装置输出使能信号，使电机停止旋转并进行报警提醒；

S5：当注射达到S1中的药物注射剂量，第一处理器、第二处理器停止向电机驱动装置输出信号，注射结束。

需要说明的是，步骤S3中所述的控制信号，可以是PWM信号、电压信号、电流信号、或者协议通讯(USB、UART、SPI、I2C、CAN等等)中的任意一种。

本发明进一步设置为：步骤S41中第一处理器监控第一监测装置，具体为第一处理器读取第一监测装置的数值，计算出电机的转速，以及电机的总旋转角度，根据电机的旋转速度与旋转角度计算实际的注射速度以及注射药液量；并在注射过程中根据以上数值实时对输出至电机驱动装置的信号进行调整，确保注射速度与注射剂量在设置的范围内。

本发明进一步设置为：步骤S42中第二处理器负责监控第一处理器具体为，第二处理器读取第一监测装置计算出电机的转速，记录电机的旋转圈数，根据电机的旋转速度与旋转圈数计算实际的注射速度以及注射药液量，若注射过程中的实际注射速度与设定注射速度偏差超过10％，或者注射剂量超出设定值的5％时，判定为第一处理器异常，将停止向电机驱动输出使能信号，并进行报警提醒。

本发明进一步设置为：步骤S43第二处理器确认监测装置是否失效的方法为：注射过程中，第二处理器将记录到的第一监测装置的总编码个数带入下方公式：

其中X_1总为第一监测装置编码器的总输出个数，Z₁为第一监测装置编码器旋转一周时编码器的编码输出个数，Z₂为第一监测装置编码器旋转一周时编码器的编码输出个数。X_2总为第二监测装置编码器应输出的总编码个数；Y为电机减速箱的减速比；第二处理器将计算得到的数值与实际读取到的数值进行比较，若差值大于等于2时，判定为监测装置异常，第二处理器停止向电机驱动装置输出使能信号，使电机停止旋转并进行报警提醒。

本发明还提供了一种注射笔剂量控制系统，所述的注射笔剂量控制系统涉及的装置包括电机推动模块、电机驱动装置、第一监测装置、第二监测装置、第一处理器、第二处理器；

所述电机推动模块包括电机主体、减速箱、丝杆、推杆。

本发明进一步设置为：所述电机主体为直流有刷电机，所述减速箱两端分别连接至电机主体与丝杆，减速比为Y：1；所述丝杆通过外螺纹与推杆内螺纹连接，当丝杆旋转时，其螺纹带动推杆平行移动；所述推杆底部接触卡式瓶胶塞，通过推动胶塞完成注射的过程。

通过电机驱动装置调整输入电压的极性能够控制电机的正反转，通过电机驱动装置调整输入电压的占空比能够控制电机的旋转速度。即电机主体主轴旋转Y圈，丝杆旋转1圈，通过减速箱的设置，提高电机的控制精度以及旋转扭力。

本发明进一步设置为：所述第一监测装置为电机编码器，包括两个霍尔传感器和一个圆盘磁铁，霍尔传感器安装至电机主体的尾部，电机尾部伸出的旋转轴连接圆盘磁铁；所述的第一监测装置分别与所述的第一处理器和第二处理器电性连接。

本发明进一步设置为：所述第二监测装置为丝杆编码器，所述第二监测装置固定在注射笔主体结构上，其轴心随着丝杆转动，在轴心转动时，编码器输出两路脉冲信号；所述的第二监测装置分别与所述的第一处理器和第二处理器电性连接。

第二监测装置本体固定在注射笔主体结构上，不会随着丝杆运动，其轴心固定在丝杆上，随着丝杆转动而转动。

本发明进一步设置为：所述第一处理器和第二处理器与所述的电机驱动装置连接，所述的电机驱动装置与电机主体电性连接。

综上，本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1、本发明技术方案能够实现电机的闭环控制，从而精确控制注射剂量及注射速度。能够避免注射剂量不够或者超量的情况出现。

2、本申请使用两套监测装置，当其中一套监测装置失效或读数不准确时，能够及时发现并作出反应。

3、使用双处理器进行控制，当其中一个核心宕机时，能够及时接管电机驱动，并停下电机，避免电机失控的情况出现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一种注射笔剂量控制系统示意图；

图2为本申请实施例中第一监测装置和第二监测装置的信号输出示意图；

图3为本申请实施例所述一种注射笔剂量控制方法流程图；

图4为本申请实施例所述方法步骤S4的流程图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制发明创造。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。

下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，为本申请较佳实施例，一种注射笔剂量控制系统，所述的注射笔剂量控制系统涉及的装置包括电机推动模块、电机驱动装置、第一监测装置、第二监测装置、第一处理器、第二处理器；

所述电机推动模块包括电机主体、减速箱、丝杆、推杆。所述电机主体为直流有刷电机，所述减速箱两端分别连接至电机主体与丝杆，减速比为Y：1；所述丝杆通过外螺纹与推杆内螺纹连接，当丝杆旋转时，其螺纹带动推杆平行移动；所述推杆底部接触卡式瓶胶塞，通过推动胶塞完成注射的过程。

通过电机驱动装置调整输入电压的极性能够控制电机的正反转，通过电机驱动装置调整输入电压的占空比能够控制电机的旋转速度。即电机主体主轴旋转Y圈，丝杆旋转1圈，通过减速箱的设置，提高电机的控制精度以及旋转扭力。

所述第一监测装置为电机编码器，包括两个霍尔传感器和一个圆盘磁铁，霍尔传感器安装至电机主体的尾部，电机尾部伸出的旋转轴连接圆盘磁铁；所述的第一监测装置分别与所述的第一处理器和第二处理器电性连接。

所述第二监测装置为丝杆编码器，固定在注射笔主体结构上，其轴心随着丝杆转动，在轴心转动时，编码器输出两路脉冲信号；所述的第二监测装置分别与所述的第一处理器和第二处理器电性连接。

第二监测装置本体固定在注射笔主体结构上，不会随着丝杆运动，其轴心固定在丝杆上，随着丝杆转动而转动。

所述第一处理器和第二处理器与所述的电机驱动装置连接，所述的电机驱动装置与电机主体电性连接。

所述电机驱动装置的控制信号由第一处理器提供，通过判断第一处理器发送的控制信号即可控制电机的启停、旋转速度与旋转方向，使能信号由第二处理器提供，用于控制电机驱动的工作状态，当使能信号为低时，电机驱动将会断电，第一处理器提供的控制信号将被忽视，电机此时停转。

所述第一监测装置为电机编码器，包括两个霍尔传感器和一个圆盘磁铁，霍尔传感器安装至电机主体的尾部，电机尾部伸出的旋转轴连接圆盘磁铁，在电机转动时同步带动圆盘磁铁转动，霍尔传感器能够检测圆盘磁铁极性变化，并输出两路高低电平。

输出的波形如图2所示，电机旋转过程中编码器AB两相一共可以排列出4种状态，按照高电平为1分别为AB相输出：10、11、01、00，当电机正转时，编码器的编码顺序为10→11→01→00循环，当电机反转时，编码器的编码顺序为00→01→11→10循环，处理器根据编码的输出顺序即可判断电机当前为正转或反转。电机每转一圈时，编码器共输出Z₁个编码。

所述第一处理器的作用为读取第一监测装置的数值，计算出电机的转速，以及电机的总旋转角度，根据电机的旋转速度与旋转角度计算实际的注射速度以及注射药液量。并在注射过程中根据以上数值实时对输出至电机驱动的信号进行调整，确保注射速度与注射剂量在设置的范围内。

所述电机转速的计算方法为：第一处理器按周期记录编码器的编码个数，根据公式：

即可得出电机的转速。

其中：n为电机当前转速，X₁为记录周期内的第一监测装置编码器输出编码个数，Z₁为第一监测装置编码器旋转一周时编码器的编码输出个数，T为采样周期。

所述电机旋转角度的计算方法为：开始注射后第一处理器记录第一监测装置的编码输出总个数，根据公式：

即可得出电机的总角度；

其中：Q为电机的旋转总角度，X_1总为第一监测装置编码器的总输出个数，Z₁为第一监测装置编码器旋转一周时编码器的编码输出个数。

所述实际注射速度的计算公式为：

其中W为注射速度，n为电机的转速，M为丝杆的牙距，d为注射药瓶的内径，Y为电机减速箱的减速比。

所述实际注射药液量的计算公式为：

其中V为实际注射药液的体积，Q为电机的旋转总角度，M为丝杆的牙距，d为注射药瓶的内径，Y为电机减速箱的减速比。

所述第二处理器的作用为：读取第一监测装置的数值，对注射速度及注射精度进行二次确认，防止因第一处理器宕机而出现注射失控的情况。读取第二监测装置的数值，与第一监测装置的数据进行对比，防止监测装置失效而出现的注射过量的情况。

第二处理器将利用第一监测装置计算出电机的转速，记录电机的旋转圈数，根据电机的旋转速度与旋转圈数计算实际的注射速度以及注射药液量，若注射过程中的实际注射速度与设定注射速度偏差超过10％，或者注射剂量超出设定值的5％时，判定为第一处理器异常，将停止向电机驱动输出使能信号，并进行报警提醒。

第二处理器确认监测装置是否失效的方法为：注射过程中，第二处理器将记录到的第一监测装置的总编码个数带入下方公式：

其中X_1总为第一监测装置编码器的总输出个数，Z₁为第一监测装置编码器旋转一周时编码器的编码输出个数，Z₂为第一监测装置编码器旋转一周时编码器的编码输出个数。X_2总为第二监测装置编码器应输出的总编码个数。第二处理器将计算得到的数值与实际读取到的数值进行比较，若差值大于等于2时，判定为监测装置异常，将停止向电机驱动输出使能信号，并进行报警提醒。

实施例2：

如图3所示，为本申请较佳实施例所述方法的流程图，一种注射笔剂量控制方法，所述的控制方法适用于上述的一种注射笔剂量控制系统，包括以下步骤：

S1：获取药物注射参数，所述药物注射参数包括药液注射剂量与药液注射速度；

S2：系统将注射参数同步发送至第一处理器和第二处理器；

S3：由第一处理器、第二处理器向电机驱动装置输出信号，开始注射；第二处理器向电机驱动装置输出使能信号，第一处理器向电机驱动输出控制信号；电机驱动装置控制电机旋转，推动推杆开始注射；

S4：进行剂量监控，具体包括以下步骤；

S41：第一处理器监控第一监测装置，不断调整电机转速，保持注射速度在设定范围内；

S42：第二处理器监控第一监测装置，计算出实际注射速度和实际注射药液量，防止因第一处理器宕机而出现注射失控；

S43：第二处理器监控第二监测装置，并与第一监测装置的数值进行比对，判断第一、第二监测装置是否异常；若判定为监测装置异常，第二处理器停止向电机驱动装置输出使能信号，使电机停止旋转并进行报警提醒；

S5：当注射达到S1中的药物注射剂量，第一处理器、第二处理器停止向电机驱动装置输出信号，注射结束。

步骤S41中第一处理器监控第一监测装置，具体为第一处理器读取第一监测装置的数值，计算出电机的转速，以及电机的总旋转角度，根据电机的旋转速度与旋转角度计算实际的注射速度以及注射药液量；并在注射过程中根据以上数值实时对输出至电机驱动装置的信号进行调整，确保注射速度与注射剂量在设置的范围内。

步骤S42中第二处理器负责监控第一处理器具体为，第二处理器读取第一监测装置计算出电机的转速，记录电机的旋转圈数，根据电机的旋转速度与旋转圈数计算实际的注射速度以及注射药液量，若注射过程中的实际注射速度与设定注射速度偏差超过10％，或者注射剂量超出设定值的5％时，判定为第一处理器异常，将停止向电机驱动输出使能信号，并进行报警提醒。

步骤S43中第二处理器确认监测装置是否失效的方法为：注射过程中，第二处理器将记录到的第一监测装置的总编码个数带入下方公式：

其中X_1总为第一监测装置编码器的总输出个数，Z₁为第一监测装置编码器旋转一周时编码器的编码输出个数，Z₂为第一监测装置编码器旋转一周时编码器的编码输出个数。X_2总为第二监测装置编码器应输出的总编码个数；Y为电机减速箱的减速比；第二处理器将计算得到的数值与实际读取到的数值进行比较，若差值大于等于2时，判定为监测装置异常，第二处理器停止向电机驱动装置输出使能信号，使电机停止旋转并进行报警提醒。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种注射笔剂量控制系统，其特征在于，所述的注射笔剂量控制系统涉及的装置包括电机推动模块、电机驱动装置、第一监测装置、第二监测装置、第一处理器、第二处理器；

所述第一监测装置为电机编码器，所述第二监测装置为丝杆编码器；

所述电机推动模块包括电机主体、减速箱、丝杆、推杆；

所述注射笔剂量控制系统的控制方法包括以下步骤：

S1：获取药物注射参数，所述药物注射参数包括药液注射剂量与药液注射速度；

S2：系统将注射参数同步发送至第一处理器和第二处理器；

S3：由第一处理器、第二处理器向电机驱动装置输出信号，开始注射；第二处理器向电机驱动装置输出使能信号，第一处理器向电机驱动输出控制信号；电机驱动装置控制电机旋转，推动推杆开始注射；

S4：进行剂量监控，具体包括以下步骤；

S41：第一处理器监控第一监测装置，不断调整电机转速，保持注射速度在设定范围内；

S42：第二处理器监控第一监测装置，计算出实际注射速度和实际注射药液量，防止因第一处理器宕机而出现注射失控；

S43：第二处理器监控第二监测装置，并与第一监测装置的数值进行比对，判断第一、第二监测装置是否异常；若判定为监测装置异常，第二处理器停止向电机驱动装置输出使能信号，使电机停止旋转并进行报警提醒；

S5：当注射达到预设剂量，第一处理器、第二处理器停止向电机驱动装置输出信号，注射结束。

2.根据权利要求1所述的一种注射笔剂量控制系统，其特征在于，所述电机主体为直流有刷电机，所述减速箱两端分别连接至电机主体与丝杆，所述丝杆通过外螺纹与推杆内螺纹连接，当丝杆旋转时，其螺纹带动推杆平行移动。

3.根据权利要求1所述的一种注射笔剂量控制系统，其特征在于，所述电机编码器包括两个霍尔传感器和一个圆盘磁铁，霍尔传感器安装至电机主体的尾部，电机尾部伸出的旋转轴连接圆盘磁铁。

4.根据权利要求1所述的一种注射笔剂量控制系统，其特征在于，所述的第一监测装置分别与所述的第一处理器和第二处理器电性连接。

5.根据权利要求1所述的一种注射笔剂量控制系统，其特征在于，所述第二监测装置固定在注射笔主体结构上，其轴心随着丝杆转动，在轴心转动时，第二监测装置输出两路脉冲信号；所述的第二监测装置分别与所述的第一处理器和第二处理器电性连接。

6.根据权利要求1所述的一种注射笔剂量控制系统，其特征在于，所述第一处理器和第二处理器与所述的电机驱动装置连接，所述的电机驱动装置与电机主体电性连接。

7.根据权利要求1所述的一种注射笔剂量控制系统，其特征在于，步骤S41中第一处理器监控第一监测装置，具体为第一处理器读取第一监测装置的数值，计算出电机的转速，以及电机的总旋转角度，根据电机的旋转速度与旋转角度计算实际的注射速度以及注射药液量；并在注射过程中根据以上数值实时对输出至电机驱动装置的信号进行调整，确保注射速度与注射剂量在设置的范围内。

8.根据权利要求1所述的一种注射笔剂量控制系统，其特征在于，步骤S42中第二处理器负责监控第一处理器具体为，第二处理器读取第一监测装置计算出电机的转速，记录电机的旋转圈数，根据电机的旋转速度与旋转圈数计算实际的注射速度以及注射药液量，若注射过程中的实际注射速度与设定注射速度偏差超过10%，或者注射剂量超出设定值的5%时，判定为第一处理器异常，将停止向电机驱动输出使能信号，并进行报警提醒。

9.根据权利要求1所述的一种注射笔剂量控制系统，其特征在于，步骤S43中第二处理器判断监测装置是否异常的方法为：注射过程中，第二处理器将记录到的第一监测装置的总编码个数带入下方公式：

其中X_1总为第一监测装置编码器的总输出个数，Z₁为第一监测装置编码器旋转一周时编码器的编码输出个数，Z₂为第一监测装置编码器旋转一周时编码器的编码输出个数；X_2总为第二监测装置编码器应输出的总编码个数；Y为电机减速箱的减速比；第二处理器将计算得到的数值与实际读取到的数值进行比较，若差值大于等于2时，判定为监测装置异常，第二处理器停止向电机驱动装置输出使能信号，使电机停止旋转并进行报警提醒。

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