一种便携式多进样医用植入物体外模拟腐蚀降解系统

1.本实用新型涉及医用植入物体外试验技术领域，尤其是一种便携式多进样医用植入物体外模拟腐蚀降解系统。


背景技术：

2.镁元素和人体具有良好的生物相容性，并拥有和人体皮质骨接近的密度和力学性能，因此被视为最有前途的人工骨科替换材料。但在临床研究中发现镁合金在人体内的腐蚀速率过快而导致无法广泛应用，因此有必要对医用镁合金的腐蚀降解进行研究。
3.在腐蚀降解试验中，体外试验能更迅速、更直观地得到结论，因而被实验人员广泛采用。目前主要利用失重法、析氢测量以及电化学腐蚀测试进行腐蚀降解试验。但现有的腐蚀降解试验没有考虑多进样提高试验效率、也没有对体液进行动态的模拟流动，因此存在效率低下和环境模拟不到位的缺陷。此外也没有形成一体化便携设备，移动困难。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型提供一种便携式多进样医用植入物体外模拟腐蚀降解系统，包括液体循环模块、参数检测模块、气体收集模块和机械臂；
5.所述液体循环模块包括样品室、液体储存室、电磁阀和蠕动泵；所述样品室设有进液口和出液口；所述液体储存室设有第一出口和第二出口；所述进液口与所述第一出口连接，连接管道上装有蠕动泵；所述出液口与所述第二出口连接，连接管道上装有电磁阀；
6.所述参数检测模块包括若干个检测样品室温度、ph值、流速和气压等参数的传感器。
7.所述气体收集模块包括集气瓶和三通管，三通管的第一端连接样品室、第二端连接集气瓶、第三端连接所述参数检测模块的传感器；
8.所述机械臂包括抓头、夹持头和摄像头；所述摄像头安装于所述机械臂上。
9.进一步地，所述模拟腐蚀降解系统还包括：加热模块，所述加热模块包括加热元件，所述加热元件安装于所述进液口连接所述第一出口的管道上。
10.进一步地，所述模拟腐蚀降解系统还包括：取/放液模块；所述取/放液模块包括试管架和滴管。
11.进一步地，所述模拟腐蚀降解系统还包括：存储/显示模块；所述存储/显示模块包括led 灯、显示屏和存储卡。
12.进一步地，所述模拟腐蚀降解系统还包括：报警模块；所述报警模块包括led灯和蜂鸣器，所述报警模块与所述参数检测模块连接。
13.进一步地，所述模拟腐蚀降解系统还包括：按键模块；用于输入信号。
14.进一步地，所述模拟腐蚀降解系统还包括：主控模块；所述主控模块连接所述参数检测模块、电磁阀、蠕动泵、加热模块、取/放液模块、存储/显示模块、报警模块和按键模块。
15.进一步地，所述模拟腐蚀降解系统还设有接口，可通过所述接口与上位机建立通
信连接。
16.进一步地，所述集气瓶口结构为弹簧带阻塞。
17.进一步地，一个或多个所述模拟腐蚀降解系统可集成在一个主机上，并配有防尘罩对主机操作面进行防尘保护。
18.本实用新型的有益效果是：一种集多参数在线监测的多进样体外循环系统，能实现多进样同时试验、动态生理环境模拟和过程性能关键参数的在线检测；同时借助机械臂和主控模块，实现了全自动取液补液过程和全自动废气收集过程；集气瓶口结构采用弹簧和阻塞，能实现不需合盖即可达到密闭功能；整个系统采用一体化设计，便于研究人员进行携带、转移；可加速研究医用金属材料腐蚀降解行为与机理和其研发转化应用推广。
附图说明
19.图1为本实用新型技术产品结构示意图；
20.图2为本实用新型防尘罩图；
21.图3为本实用新型技术主机原理框图；
22.图4为本实用新型液体循环模块结构示意图；
23.图5为本实用新型取液模块结构图；
24.图6为本实用新型气体收集模块结构图；
25.图7为本实用新型取液补液滴管结构图；
26.图8为本实用新型温度检测模块电路图；
27.图9为本实用新型气压检测模块电路图；
28.图10为本实用新型ph值检测模块电路图
29.图11本实用新型主控程序流程图；
30.附图标记：1——机械臂、2——操作面板、3——显示屏、4——试管架、5——滴管、6 ——散热窗、7——集气瓶、8——废液收纳箱、9——sd卡槽、10——样品室、11——液体储存室、12——防尘罩；
31.1-1——抓头、1-2——夹持头、1-3——摄像头；
32.2-1——“检测”键、2-2——“取液”键、2-3——“确定”键、2-4——“开关”键、2-5 ——开关机指示灯、2-6——ph值状态灯、2-7——
“↑”
键、2-8——“存储”键、2-9——
“↓”
键、2-10——温度状态灯、2-11——流速状态灯、2-12——气压状态灯、2-13——报警灯、2-14——蜂鸣器口、2-15——数字键1、2-16——数字键2、2-17——数字键3、2-18——数字键4、2-19——样品室1工作指示灯、2-20——样品室2工作指示灯、2-21——样品室3 工作指示灯、2-22——样品室4工作指示灯；
33.5-1——挤压头、5-2——刻度线、5-3——类针头圆管；
34.7-1——集气空间、7-2——阻塞、7-3——弹簧；
35.10-1——电磁阀、10-2——集气口、10-3——样品、10-4——流速传感器、10-5——废液放出口、10-6——加热元件、10-7——蠕动泵、10-8——循环液加液口、10-9——ph值传感器、10-10——温度传感器、10-11——取液孔、10-12——集气瓶、10-13——气压传感器。
具体实施方式
36.对于本实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
37.参照图1，本实施例提供一种集多参数在线监测的多进样体外循环系统主要包括实现生理模拟环境参数和过程性能指标实时在线监测的主机和防尘罩12。主机包括10个功能电路模块：主控模块、电源模块、加热模块、液体循环模块、参数检测模块、报警模块、取/放液模块、气体收集模块、按键模块、存储/显示模块。其中存储/显示模块可同位替换为实现上位机显示/存储的串口通讯模块。本实用新型核心的液体循环模块如图4所示，每个样品室10上盖分别打有排气口和取液补液孔，有放置温度传感器导线和ph电极导线孔。流量传感器导线孔开在储存室与样品室10连接管处，外侧用硅胶密封，流量传感器放置于循环液储存室连接管口附近。
38.所述主控模块采用stm32f103rct6芯片作为微处理器。根据按键信号启动和断开加热模块、液体循环模块、参数检测模块、报警模块、取/放液模块、存储/显示模块。接收参数检测模块数据并发送到存储/显示模块或上位机进行显示，根据程序设定间隔时间，存储参数检测模块数据至sd卡。其中，接收温度检测模块反馈的温度值与设定值进行比较计算，发出pwm 信号断开和接通加热模块实现样品室10温度控制在37℃左右，若超出预设定温度0.5℃发出预警信号给声光报警模块led，若超过预设温度1℃表示加热故障，发出报警信号给报警模块实现声光报警，并10s后未实现正常则断开加热模块；接收气压检测电路反馈的集气瓶7中气压值，与设定值比较若达到报警，则发出报警信号给报警模块声光报警；接收流速检测电路反馈的流速，与设定值进行比较计算，发出pwm信号控制液体循环模块中蠕动泵调节流速恒定在人体骨骼肌组织内体液的正常生理流率2ml/100ml.min。
39.所述电源模块经电源适配器将220v市电转为12v直流电压给液体循环模块(蠕动泵)、流速检测模块、取液补液模块供电；通过稳压芯片l7809转为9v直流电压给加热模块供电；通过l7805转为5v给报警模块供电；通过l7905转为-5v与l7805转成的+5v直流电压给温度检测模块、气压检测模块、ph值检测模块供电，通过asm111-3.3v转为3.3v直流电压给主控模块供电。
40.所述加热模块由大功率mos场效应管ado4148、硅胶加热元件和电阻构成。硅胶加热元件包裹在液体循环模块蠕动泵连接样品室10入口的管道外。由主控模块发生pwm控制信号导通或截止大功率mos场效应管ado4148实现是否加热。
41.所述液体循环模块由蠕动泵、内表面光滑的聚乙烯pe样品室10及液体储存室11和软导管、软硅胶加热片组成。其结构示意图如图4所示。样品室10两端分别为循环液体的进出口。蠕动泵将循环液体从储存室一端泵入，样品室10陈液从另一端流出回到储存室，在样品室 10入口与蠕动泵连接的pe软管外包裹硅胶加热片实现循环体液的加热。
42.所述参数检测模块包括温度检测模块、流速检测模块、气压检测模块、ph值检测模块。
43.所述温度检测模块由1个k型热电偶(铁氟龙引线)和电阻构成，如图8所示。热电偶置入样品室10液体中检测温度，反馈给主控模块进行计算以调整加热控制信号和是否输出预警和报警信号。温度检测电路的工作流程为，k型热电偶冷端先经过四桥臂(由r9-r12组
成) 和桥路稳压电源(可调电阻r7与+5v构成)组成的自动补偿电路(r9为随温度变化，r10-r12 不随温度变化)，再经过2个精密仪表运算放大器op-07组成的差分放大器结合电阻和1个精密仪表运算放大器op-07结合电阻组成的输出放大电路，然后进入主控芯片stm32f103rct6 的pa1口进行ad转换。
44.所述流速检测模块由检测器和放大器组成的lugb应力式涡街流量传感器，其输出的与流量成正比的脉冲信号输入到主控芯片stm32f103rct6的pa4口。
45.所述气压检测模块如图9所示，由气压传感器、放大器及电阻等组成。气压检测电路采用us9112-015-s压力传感器，其电源由r2和r7分压后经跟随器提供，传感器输出经过放大倍数为r1/r4的差分放大器后入主控芯片stm32f103rct6的pa2口进行ad转换。
46.所述ph值检测模块如图10所示，由ph探头，温度补偿和放大电路组成。ph值检测电路由标准ag/agcl ph探头,温度补偿电阻r7，放大器lmc6001放大输入信号，然后采用lmc6041和r1、c2、r3构成第二级反向和偏置放大电路对信号进行放大后输入到 stm32f103rct6的pa3口进行ad转换。
47.所述报警模块由1个pnp三极管s8550、1个蜂鸣器、1个led和2个限流电阻等组成。当参数检测模块的参数达到预警值时，led红灯，达到报警值时灯红闪烁并伴蜂鸣器鸣音报警，提示研究人员及时处理。
48.所述取液模块包括舵机、放/取液机械臂1、摄像头和取液补液滴管5。所述气体收集模块包括气体出口、气体管道和储气罐，并与气压检测模块连接。主控模块接收按键模块信号驱动控制其它模块的启动和停止。
49.所述取/放液模块由舵机、机械臂1、夹持器、2个试管架4、摄像头组成。其结构图如图 8所示。舵机设置在机械臂1下方，与机械臂1一端连接，同时机械臂1的另一端连接有夹持器和抓手。机械臂1及舵机设置在四个样品室10的中间。为了方便摄像头拍摄到准确的取液补液滴管5位置，摄像头设置在机械臂1上，摄像头高度与取液补液滴管5高度基本持平。其中机械臂1的构造包括底座，关节舵机，连杆，运动关节，具有六个自由度。而夹持头上方设有挤压头，可以控制张开角度，在夹持取液补液滴管5后的橡胶乳头位置通过控制张开角度来控制滴管5液体的吸取和释放。主控模块通过发出pwm波形对机械臂1及舵机进行操作，摄像头用于拍摄试管架4和取液补液滴管5(结构如图7所示)图片，并交给主控模块对图片进行分析，判断满液取液补液滴管5和空取液补液滴管5及试管架4位置，实现自动取液和补液功能。
50.所述气体收集模块由集气口、气体管道、三通管、气阀和带活塞的金属气瓶组成。其结构如图6所示。三通管的一端连接集气口，一端连接150ml金属瓶，中间端口连接放置气压传感器的连接管连接气压检测模块。
51.所述按键模块由“开/关”、“检测”、
“↑”
、
“↓”
、“确定”、“取液”、“存储”、 1-4数字键11个按键组成。“开/关”键用于主机的开机和关机，“检测”键用于启动参数检测模块开始检测，
“↑”
、
“↓”
键用于协助设定取样时间间隔和选择取液补液样品室10，“确定”键用于确定设置，“取液”键启动取液补液模块，“存储”键用于启动开始存储数据，数字键1-4，分别为样品室10开启开关。
52.所述存储/显示模块由5个led灯、16个双色led灯，1个lcd显示屏3和1个sd存储卡实现。其中，5个红色led灯与电源相连，指示总电源和各样品室10工作状态；16个双色led灯
分别指示4个样品室10的温度、ph值、流速和气压参数值状态，正常时为绿色，超出阈值时为红色。lcd显示屏3用于显示当前时间、样品室10环境参数和过程性能参数(温度，ph值，气压，流速)，sd存储卡用于存储设定时间间隔点时间、样品室10环境和过程性能参数(温度，ph值，气压，流速)。
53.作为本实施例的进一步改进，将其中多进样结构设计为单进样结构，将取液补液滴管5 替换为滴管5或注射器等，将控制机械臂1的舵机替换为步进电机或机械臂1夹持头和挤压头合二为一，将存储/显示模块改为上位机显示和存储，将加热元件替换为ptc等，或根据实施具体情况，将加热元件形状改成螺旋状。同样属于本实用新型的内容。
54.所述上位机的实现采用gh340g芯片实现主控芯片stm32f103rct6和计算机的串口通讯在matlab2019b软件编写的界面上进行数据显示并存储在计算机硬盘。
55.如图11所示，本实用新型实施例的工作方法如下：
56.1、实验前准备
57.打开样品室10盖，在样品室10加入约能淹没样品1cm左右的sbf模拟体液，盖好样品室10盖；从液体储存室11入口加入约500ml准备好的sbf模拟体液，采用液位计检测液位约为20cm，盖上液体储存室11盖；在集气口抽真空，然后关闭气阀，装上抽空后的集气瓶 7，打开气阀门；将2个试管架4放入指定位置，用于过程中放取液补液滴管5，安放好机械臂1，准备工作完毕。
58.2、主机开机工作
59.打开主机电源“开/关”键，按“检测”键后，打开需要使用的样品室10开关(数字键“1”、“2”、“3”、“4”分别代表4个样品室10开关)，主控模块会发出信号控制使用的样品室10的液体循环模块、加热模块、参数检测模块和存储/显示模块的启动，主机开始工作。在显示屏3上可看到启用的样品室10的当前时间、温度、ph值、气压、流速值；待温度显示为37℃，流速恒定在设定流速值时，打开启用的样品室10盖放入准备好的镁合金样品，放好盖上后按下“存储”键，通过
“↑”
键、
“↓”
键设置存储间隔时间，确定后按“确定”键，会记录当下样品开始体外试验的时间，环境参数(温度、ph值、气压、流速)，此后会每隔设定间隔时间存储当时时间和环境参数。过程中，试验人员到自定的间隔时间取样检测离子浓度，试验人员准备好补充液体放在试管架4上，打开取液补液口帽，然后按“取液”键，再通过
“↑”
键、
“↓”
键选择取样室，确定后按“确定”键，取液模块将启动，机械臂1自动完成选择取样室的一次取液和补液，需要取补几次，可按“取液”键设定几次。待补充完毕同等液体，盖上取液补液口帽。过程中如出现设定异常，主控模块会发出预警和声光报警。如声光报警，需要及时处理；报警1min后还未正常会程序产生中断，断开液体循环模块、加热模块。发现异常，研究人员可观看显示屏3上错误警报参数，如果是气压达到预警值100kpa时，及时关闭气阀换抽空气瓶，如其它错误及时关机后维修相应部分。正常试验完毕后，取出样品和sd存储卡，打开废液阀放出废液，倒入纯水洗净主机样品室10和液体储存室11后关机，收拾取液补液滴管 5、集气瓶7等，盖上防尘罩12。
60.以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不限于所述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。