一种无针注射器最速位移曲线控制方法与流程

1.本发明涉及医疗器械领域，尤其是使用三部分最速位移曲线构成的动态规划曲线进行注射器注射深度和注射剂量控制的方法。


背景技术：

2.无针注射器采用高压射流原理，使药液汇聚成较细的液体流，瞬间穿透皮肤进入皮下组织的一种医疗注射器。无针注射器具有无痛、无交叉感染、药物吸收效率高、便携、低成本、易操作等优点，并能将药物穿透皮肤精确送达皮内、皮下或皮内等部位。
3.目前国内相关领域的专家已经开始重视无针注射技术，仅对以弹簧为动力源的无针注射器研究较为深入，但以弹簧、高压气体、弹药为动力源的无针注射器产品，普遍存在着驱动力可控性不强的缺陷。
4.对于新兴的基于电磁驱动的无针注射技术，国内还处于探索阶段，可持续的、稳定的、强大可控的动力源将成为竞争的核心领域。已出现的电机电磁驱动的无针注射器专利，对电机的位移控制与生物体的年龄、注射剂量间关联、电能的存储和释放方式的问题均没有提及。


技术实现要素：

5.本发明涉及一款最速位移曲线控制的无针注射器，基于生物体的年龄、注射剂量参数实现肌肉、皮下或皮内注射深度和剂量调节。本发明涉及的无针注射器利用直线电气传动机构作为动力源，例如直线传动机构可以采用音圈电机电磁力作为动力源，但该直线电气传动机构不仅限于采用音圈电机。本发明的描述中我们以音圈电机电磁力作为动力源，动力源通过力传递零件实现动力源与安瓿瓶活塞的连接。力传递零件可以采用圆柱推杆零件，但不仅仅限于圆柱推杆零件。动力装置和推杆零件与安瓿瓶可分离，也可以与安剖瓿瓶一体化。采用驱动控制器可设定音圈电机所注入电压幅值和持续时间，注入电机的瞬间高压，通过注射器主轴推动注射器活塞将药液经过一个微米级的喷孔，形成高压射流，使流速获得足以刺破人体皮肤的压力，并在皮肤上形成一个微小创口，让持续喷出的药液射入皮肤并扩散到皮下组织。
6.本发明涉及一种无针注射器的高速射流能量供给，采用充电电路、电源和电源储能释放电路的方式，为执行机构提供瞬间脉冲动能，例如：电源储能释放电路可以采用电容为储能元件，但该电源储能释放电路不仅仅限于电容。例如：充电电路可以采用电阻和电容构成的充电电路，但该充电电路不仅仅限于由电阻和电容构成。同时，无针注射器通过多状态反馈闭环控制，以实现对药液的电动吸取、安瓿瓶内空气的排出。为避免储能元件中存储能量的损失，或在药液吸取、空气排出过程中使用了电源储能元件中的电能，通过开关切换控制方式，可实现电源单独供电或者电源、储能元件同时供电。例如：可以采用场效应管作为释放开关，但该电源储能释放电路不仅仅限于场效应管开关控制的方式。采用储能元件的方式，用控制电路实现对电能的存储与触发释放，可实现采用较小体积的电池和较小重
量的电池为注射器提供高能量的瞬间脉冲触发注射。
7.本发明涉及无针注射器最速位移曲线控制方法，该无针注射器的注射深度和剂量，受控于电机动子所处的位置以及电机动子到达特定位置所需时间的精确规划控制，无针注射器电机动子或安瓿瓶内活塞的位移量按照动态规划曲线进行控制，该动态规划曲线由三个部分最速位移曲线组成，第一部分最速位移曲线的加速度数值为α1、作用时间为t1，第二部分最速位移曲线的加速度数值为α2、作用时间为t2，第三部分最速位移曲线的加速度数值为α3、作用时间为t3。第一部分最速位移曲线注射模式下，推杆推动安剖瓶活塞使注射头内的药物中产生瞬间高压脉冲，该高压脉冲使少量的注射药物以极高的高速射流从安瓿瓶喷嘴喷出，刺破皮肤产生注射孔，随后进入第二部分最速位移曲线注射模式下，推杆推动安剖瓶活塞使注射头内剩余药物中的压力迅速降低，然后大部分药剂量以一个中等速度从安剖瓶喷嘴口喷出，穿过注射孔扩散进人体或动物体内。进入第三部分最速位移曲线注射模式下，推杆推动安剖瓶活塞使注射头内剩余药物中的压力提升到三个模式中次高的水平，完成无针注射器安瓿瓶内剩余部分药液的注射。
8.无针注射器预先设定α1、α2、α3、t1、t2、t3的数值，并存储在无针注射器控制器的非易失存储器中，将实现无针注射器设置为肌肉、皮下和皮内注射。参数的设计可以采用按键方式、pc机串口配置或无线通讯配置，但不仅仅限于上述的三种方式。安剖瓶三个部分最速位移曲线各部分的位移数值、到达各位移的时间，以及安瓿瓶内腔的截面积保证了无针注射器的精确注射深度和剂量。
附图说明
9.图1为本发明专利无针注射器的结构示意图。
10.图2是本发明专利无针注射器的截面图。
11.图3为第一部分最速位移曲线控制下的射流压强随时间变化示例图。
12.图4为第一部分最速位移曲线和第二部分最速位移曲线控制下的射流压强随时间的最速控制示例图。
具体实施方式
13.无针注射器是采用高压射流原理，使药液汇聚成较细的液体流，瞬间穿透皮肤进入皮下组织的一种给药方式。无针注射器具有无痛、无交叉感染、药物吸收效率高、便携、低成本、易操作等优点。
14.本发明方法的实施方式可以通过直线传动装置为药液提供动能，将药液通过安剖瓶喷孔喷射高速射流，该射流实现对人体皮肤的穿刺、药液输送，能够精确实现药液深度控制，注射剂量的控制，将药物穿透皮肤送达肌肉、皮下或皮内等部位。
15.无针注射器6对音圈电机动子4轴向运动的支撑采用直线轴承12，直线轴承可以采用直线滚珠轴承、直线滑动轴承中的至少一种。音圈电机动子4的周向转动可以由旋转限位导杆11进行限制。无针注射器位移传感器采用磁栅尺19和读数头20，位移传感器也可以采用直线电位器、激光测距仪、红外测距仪、超声波测距仪中的一种。
16.可以通过药液吸入或药液气泡排出按钮来控制无针注射器对药液的吸取或气泡排出。
17.还可以包括防止电机动作超过最大位移，而无法进行音圈电机动子回复的限位机构14。
18.可以包括一个或多个以下特征。无针注射器可以采用无线操作方式，也可以采用有线缆操作方式。无线操作方式下，可以携带一种电池为其提供电源；同时为了提供无针注射器需求的瞬间功率，还需要具有携带储能元件及充放电电路。有线操作方式下，可以通过外部电源为无针注射器提供所需的能量。
19.为音圈电机提供瞬间功率的充放电电路，至少包括一路受控开关，开关可以为阻容电路的充电提供通路，通过控制开关的组合方式也可以避开充电回路，将外部电池或电源电压直接提供给音圈电机，用于对药液的吸取和气泡的排放，避免使用充电电容中的能量。
20.无针注射器还包括用于调试和检测用的调试接口，通过该调试接口可以与pc机或控制器进行通讯，直接通过配置界面对无针注射器进行配置或控制。
21.最速位移曲线控制的无针注射器，其音圈电机接收控制器发送的功率信号，该功率信号实现音圈电机动子的运动控制，功率信号的生成源于对电机力矩、速度和位移量的控制策略。音圈电机的响应取决于音圈电机的电气时间常数，该时间常数越小音圈电机脉冲推力建立过程越快。在无针注射器动态位移规划控制过程中，可以更好的对各阶段的控制进行平滑切换。无针注射器穿刺阶段的瞬间喷射速度来源于音圈电机动子的瞬态加速过程。
22.本发明涉及的注射器，为减小供电电源的功率，使用充放电电路触发注射方式，外部直流电源或电池的电能存储在电容中，当需要进行注射时，控制电容中存储的电能，对音圈电机进行激励，完成无针注射。
23.本无针注射器通过多状态反馈闭环控制，以实现对药液的电动吸取、安瓿瓶内空气的排出。为避免存储能量的损失，或在药液吸取、空气排出过程中使用了电容中的电能，通过开关切换控制方式，实现电源单独供电、电源和储能元件同时供电。例如：可以采用场效应管作为释放开关，但该电源储能释放电路不仅仅限于场效应管的方式。采用储能元件的方式，用控制电路实现对电能的存储与触发释放，可实现采用较小体积和较小重量的电池为注射器提供高能量的瞬间脉冲触发注射。
24.由于无针注射器的注射效果受到多种变量因素的影响，如：人体不同区域皮肤组织、人体皮肤组织的差异性、喷嘴口与皮肤的距离、药液剂量、射流速度等。因此，本发明的无针注射器对人体年龄参数和注射剂量参数进行预先设定控制。
25.本发明涉及的无针注射器最速位移曲线控制方法，首先根据不同年龄段进行注射人群分类，可将人群参数设定为四种：老人、中年、青年和儿童；根据不同注射剂量，将剂量分为微小剂量（0.1ml以内）、小剂量（约0.2ml）、中等剂量（约0,5ml）、大剂量（约1ml）、特大剂量（约2ml）五段，根据该20种组合情况分别进行注射器参数调整。首先20种组合确定出20种允许的注射器最大射流压强和最大喷射速度，该数值对应于20组音圈电机加速因子、音圈电机电流幅值、各阶段作用时间。
26.电机所储备力的极限，是为了提供注射过程中刺穿皮肤的射流压强。影响射流压强的主要因素有音圈电机的直流驱动电压、注射剂量、喷口直径，当安瓿瓶喷口直径在0.1mm～0.5mm时，穿刺人体皮肤时的射流压强阈值为15mpa，附图3为本发明所述的一型产
品采用动态规划曲线方法，在第一部分最速位移曲线注射模式下，从0时刻开始至22ms时，注射器射流压强突破阈值达到15.2mpa。
27.无针注射器最速位移曲线控制方法中，无针注射器的注射深度和剂量，受控于电机动子所处的位置以及电机动子到达特定位置的时间的精确规划控制，无针注射器电机动子或安瓿瓶内活塞的位移量按照动态规划曲线进行控制，该动态规划曲线由三个部分最速位移曲线组成。第一部分最速位移曲线注射模式下，推杆推动安剖瓶活塞使瓶内的药物中产生瞬间高压脉冲，该高压脉冲使少量的注射药物以极高的高速射流从安瓿瓶喷嘴喷出，刺破皮肤产生注射孔，随后进入第二部分最速位移曲线注射模式下，推杆推动安剖瓶活塞使瓶内剩余药物中的压力迅速降低，然后大部分药剂量以一个中等速度从安剖瓶喷嘴口喷出，穿过注射孔扩散进体内。进入第三部分最速位移曲线注射模式下，推杆推动安剖瓶活塞使瓶内剩余药物中的压力提升到三个模式中次高的水平，完成无针注射器安瓿瓶内剩余部分药液的注射。附图3为本发明所述的一型产品采用动态规划曲线方法，包含第一部分最速位移曲线和第二部分最速位移曲线的控制效果，从0时刻开始至22ms时，注射器射流压强达到20mpa，22ms后注射器位移按照第二部分最速位移曲线进行控制，射流压强迅速降低。
28.这种基于人体年龄、注射剂量和注射器精确位置控制的的方法，使得注射过程实现的注射深度、有效注射剂量的重复性可以得到保证。
29.相比传统电磁注射器，本注射方式在产生高度可预测的高速、高压脉冲射流时，考虑运动物体（活塞和推杆等）的惯性性质，使得产生的高速、高压脉冲更加具备可控可预测的特点，同时避免了突然激励导致的注射器推杆形变或注射器活塞杆弯曲断裂，以及活塞的振动等。
30.药液在动态位移规划控制中用小剂量药液完成刺入皮肤、大剂量药液平滑过渡注射、注射器后段小剂量药液高能注射。
31.按照人体不同年龄、不同注射剂量参数决定注射药物的刺穿表皮能量。在注射之前，可以通过触击注射器上按钮或通过通讯电缆连接的pc配置界面设定注射模式。注射器喷射速度的控制来源于对音圈电机动子的动态位移规划控制。无针注射器需要通过音圈电机动子的位移及其到达时间来实时控制电机动子的加速度数值。无针注射器通过三个部分最速位移曲线来规划音圈电机动子的运动，以构成一次完整注射过程。