专利名称：医用自动注射仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电脑程控高低压注射仪。
在进行CT鉴别诊断时，由于各种造影剂粘度很大，人工手推注射很难达到定量、定时、定速的注射要求。如做肝脏增强扫描时，60～100mL的造影剂要在20秒～30秒内注完，否则就失去造影增强效果或效果不佳。我国只有少数大医院，耗资15～16万元进口高压注射器保证注射质量，绝大多数医院都是利用各种“土法加压”的办法应急维持，有时要失败5～6次才能成功一次。给患者带来很大痛苦，医疗风险上升，药剂浪费很大。为此，国内生产出一种高压注射器，但因其体积太大，操作使用十分不便没有得到普及。另外，对头颅CT影像增强时，又要求低压慢速定量、定时、定速注射，人工手推注射也很难达到要求。现有的高压注射器只适用于高速注射、不能慢速。慢速注射器国内尚无产品。日本、香港有漫速注射器，其价格每台都在1.2万元以上，我国医院很少进口。在进行放射线特殊造影时，如脑血管、四肢动静脉血管、椎管等各种X线特殊造影，除上述问题外，医生因为必需与患者在一起，还要被X线无味的刹伤。
本发明的目的是要创造出一种高低压兼容又能遥控的一机三用的智能化注射仪。彻底解决前述因缺少先进设备而出现的各种问题。
本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的非常规高、低压注射出现的困难，其根源是医院财力、人的体力、耐力、经验不够所致。为此，可用电脑加电动机械手等技术解决这一难题。用单片微电脑，电脑的专用键盘、显示器、报井器、固态继电器及电动机械手组成一台电脑程控高低压注射仪。电脑可存贮医生的最佳注射参数与造影参数，电脑可指挥电动机械手完成最佳参数的注射操作，电脑可通过固态继电器遥控X光机曝光拍片，医生通过专用键盘把最佳参数存入电脑并通过它随时调整控制电脑工作，电脑通过显示器、报井器及时地向医生报告仪器的工作情况。电动机械手电机功率、转数、减速比的选择，兼顾高压注射仪与低压注射仪的需要，至此，上述方案实现了一机三用，既可高压注射又可低压注射，还可遥控X光机。上述方案引入了电脑技术，使仪器智能化，成本大大降低，买一台只需一万元左右，是进口的1/16。医院买得起，易于普及。
由于采用上述技术方案，可带来如下九点好处①可以使非常规高压或低压注射一次成功。定时、定量、定速完全满足医生要求，提高了医疗质量；②最大限度的减轻了患者痛苦；③最大限度的减轻了患者经济负担，造影剂每照一次，患者要花600～700元；④可以遥控拍照，使医生免受X线照射；还可使患者两个投影面的拍照一次完成，节省药量50％减少一次注射痛苦；⑤既能高压注射又能低压注射还可遥控X光机，一机三用节省了设备投资，提高了设备利用率；⑥应用面广，除CT、X线外、磁共振、临床麻醉、高价营养物的静脉输液等也都可使用；⑦可取代进口一台高压注射仪可节省外汇近二万美元；⑧国产电脑程控高、低压注射仪，售价在一万元左右，是进口价的1/16，国内绝大多数医院都买得起，我国城乡可普遍受益；⑨本仪器采用电脑、电动机械手等先进技术，而且价格便宜，市场竞争力强，可望出口第三世界为国家创汇。
下面结合实施例及其附图对本发明做进一步说明图一是电脑程控高、低压医用自动注射仪的立体整机示意图及其机械手部分AA剖面结构示意图。图二是电脑主要硬件原理图。图3是电脑主要软件程序框图。电动机械手部分，主要结构已示于图一，其次要部分如螺订或螺纹连结等，为图面清楚突出主要结构皆省略没画。
图1-A5中1下壳体，2上壳体，3操作面板，4手掌，5注射器壳体，6握紧指，7夹紧指，8注射器柱塞，9抽推指，10电源开关，11蜗杆，12蜗轮，13轴承盖，14双向止推轴承，15电热器，16外导向套，17轴架，18电脑印刷电路板，19内导向套，20导向轴，21导向筒，22转动轴，23往复轴，24支架，25底盘框架。
电脑程控高低压医用自动注射仪，主要由电脑及电动机械手两部分组成。如图一所示单片机8031及其相关芯片8155、7107、4538、138、373、2164等，固态继电器、电源等都安装在电脑印刷电路板[18]上。微电脑的专用薄膜键盘，数码管显示器，键的对应指示灯，都安装在操作面拔[3]上，上壳体[2]、下壳体[1]将整个电脑印刷电路板[18]，电动机械手的电机及其两级减速装置都罩起来，机械手、注射器露在外边。图一中电动机械手由握紧指[6]、夹紧指[7]、抽推指[9]、手掌[4]及其动力设备所组成，握紧指的握紧力由弹簧产生，抽推指的直线抽推力是由动力设备中的电动机，通过图一AA剖面中的蜗轮[12]、蜗杆[11]组成的一级蜗轮蜗杆减速器及由带外螺纹的转动轴[22]，带内螺纹的往复轴[23]组成的第二级螺旋螺母减速器来提供。这种减速方案，可获得很大的水平推力或拉力。设电机为20w，往复轴移动速度为1厘米/秒，两级减速总传动效率为0.25，则往复轴[23]上推力或拉力有51kg，可胜任各种高压注射。实际传动效率大于0.25，故实际水平力大于50kg。上述减速方案体积小、结构紧凑为仪器的小型化、便携化提供了条件。AA剖面中，与蜗杆[11]相连的电机被剖除，故图上没有表示。转动轴[22]的前端，装有两只止推轴承，它们一方面与带有顶尖的导向轴[20]配合，共同把转动轴[22]定位；同时把水平方向的作用力与反作用力传到导向筒[21]上自相平衡。机械手通过支架[24]固定在底盘角钢框架[25]上，与蜗杆相连的电动机也是固定在底盘框架[25]上，电动机械手的推力、抽力及其反作用力、由支架、底部角钢框架自身平衡与仪器外壳无关，故外壳可用薄铁板或塑料制成。导向轴[20]不转动，它除像车床顶尖那样定位转动轴[22]外，还通过内导向套[19]为机械手的抽推指[9]导向。转动轴[23]是空心轴，其内孔一端车有与转动轴外螺纹相同的内螺纹，往复轴一端外圆直径上铣出两个方块，伸在导向筒[21]内筒壁上升的两条方槽内，由于此方槽的限制，转动轴[22]通过啮合的螺纹，不能使往复轴[23]转动而只能推动它做往复直线运动，给机械手的抽推指[9]以抽推力。往复轴[23]还通过外导向套[16]进一步导向定位，使抽推指[9]动作精确。手掌[4]内设有电热器[15]。当有恒温键按下时电热器便加热手掌，使注射器[5]内的药液温度与人体体温相近。有关温度控制电路，在后续电路说明中介绍。
图2是电脑主要硬件电路原理图，其中省略了通用的稳压电源部分。整个硬件电路，可划分为十个部分。下面分别加以说明①单片机电路，主要由U1(8031)、U2(373)、U3(2764)、U4(138)等所组成。它是电脑程控高低压注射仪的核心电路。完成执行程序、接收各种操作指令、输出各种控制信号、指挥电动机械手完成各种操作，产生译码信号及2MHZ的基准信号等。
②I/O扩展电路，由U5(8155)、U6(8155)组成。其中U5通过PA0、PA1输出电机控制信号，通过PA5、PA6输出X光机控制信号，通过PB0～PB7输出指示灯信号，通过PA4输出声、光报井信号，通过PA7输出开放或封锁加热信号。U5的定时器通过对2MHZ基频信号的分频产生1KHZ的方波作为脉宽调制的基频信号。抽、推药极限到位报井信号由PC1、PC2输入电脑，K2、K3是极限位检测的微动开关或无触点开关。抽推力失常，无专用检测传感器，其报井是根据软件对速度，抽推力的异常的识别而判定的。图2上用K1代表抽推力失常检测开关。这是为了形象说明问题，实际并无此开关。正常抽推药到位的提示，也是由程序完成的，无专用传感器。有极限报井情况出现时，通过中断信号使8031执行报井程序发报井信号。U6用于键盘与显示器的接口，其中A口为字形控制，B口为字号控制，同时B、C口还作键盘扫描口。U6的定时器用于把2MHZ的信号分频为10kHz信，此信号作为电机恒速调节用的记数比较信号。
③专用键盘与数码管显示电路。单片微电脑的专用键盘用于输入操作指令等工作参数。键是薄膜按键。键盘没有复位、停止、常规、造影、抽药、推药、规格、参数、升速、降速、恒温11个功能键。除复位键外其余键有10个子程序对应支持。主程序的主要工作是扫描键盘，发现有键按下，CPU便停止执行主程序并转向执行按下键对应的子程序，子程序执行完毕，键功能得到实现，然后再返回主程序继续扫描键盘，监视其它键，重复上述过程，直到完成整个注射或造影工作才自动转向停机程序。
显示电路由8个数码管及12个发光二极管组成；数码管当中2个显示手掌加热药液的温度，2个显示速度设定值及速度的动态值，四个显示药量设定值及动态推药值；十二个发光二极管分别显示造影参数、规格参数、停止、造影、常规、推药、抽药及电源指示，各显示器除电源指示外皆由电脑软件控制显示内容。
④电机控制电路，主要由J1、J2两个正反转继电器及LMCS放大电路组成。电机的恒速调节电动机械手中的电动机D，其正反转是由电脑通过U5的PA1、PA2控制继电器J1或J2来切换，继电器并有相应的发光二极管作切换指示也就是抽药、推药指示。电动机是否工作由8031的P1.0直接控制VMOS开关来总控。电动机接为他激，以便获得与负荷大小成比例变化的输出转矩。电动机的无级调速是通过从U1之P1.0发出的经软件处理后的脉宽调制信号，去控制电机的VMOS开关通断占空比，使加到转子上的直流平均电压连续变化来实现的，没有专设的硬件电路。电动机的恒速，是通过电机轴上的红外光电码盘P发出的与电机转数成比例的光电脉冲宽度与医生设定的恒速比较，按偏差值大小改变脉宽调制的占空比，进行自动恒速调节。红外电脉冲经过单稳态U7整形向U1的INTO发中断请求令CPU进行恒速调节，在速度自动调节期间，如果恒速值需要改变，还可随时用升降速键进行修改，使电机稳定在满意的恒速值上。电机无级变速用的脉宽调制的1KHZ基频信号，是利用8031的地址锁存信号与读写信号相复合成2MHZ信号，再经U5(8155)的定时器分频而成，电机恒速的记数比较10KHZ信号，是用U6(8155)的定时器，把2MHZ信号分频而得。
⑤X光机控制电路，主要有由4只固态继电器SSR1～SSR4组成。它们可同时控制两台X光机，同时对两个投影面进行拍照。SSR1、SSR2控制两台机的旋转阳极加电，SSR3、SSR4控制两台机高压曝光加电。在造影准备工作就绪后，只要按一下推药键或通过遥控开关接通一下推药键，从推药开始直到拍完片自动停机，整个过程全部由电脑监控自动完成。医生可以离开患者免受X线照射。
⑥温度监控电路，主要由2只数码管，U8(7107)温度传感器T、比较器741、固态继电器SSR5、电热器R组成。按下恒温键，参阅图2可知，电脑便通过U5之PA7发出允许固态继电器SSR5工作的信号；当无恒温键按下时，电脑通过PA7发出低电电平信号封住固态继电器SSR5，使电热器[11]图2上的R不工作。手掌的实际温度由传感器T检测出来，一路送U8经7107A/D转换后送两位数码管把温度值显示出来；另一路送比较器741的反相端与同相端的设定值比较，如偏差越限，741翻转按双位调节原则控制固态继电器SSR5给电热器[15]加电或不加电，保持手掌[4]温度恒定，使注射器[5]内的药液温度与人体主温相近。
当开关K4合向置数侧时，温度设定值由W2输入U8并在两位数码管上显示，同时保存在W2内做为比较器同相端的比较电压。温度设定后，K4合向正常侧，机械手手掌温度便由传感器T来监测。
⑦电源电路，由±5V稳压电源与24V电源组成。电源电路图2没有画出。24V为电机、继电器电源，±5V为电脑电路、比较器电源。
图3是电脑程控高低压注射仪的主要软件框图，其主要结构原理已在说明键盘功能键时讲过了，这里不再重述。主程序与各子程序的运行过程、完成的任务，框内已说明清楚，这里也不再重述。
电脑程控高低压注射仪的使用方法如下接通电源，在机械手上安装注射器并按规格键，使指示注射器对应规格的指示灯点亮。如室温低，则按恒温键通过机械手给药液升温。按抽药键抽药，按推药键排气。如是常规注射，则按常规键。然后按参数键与升、降速键，预置注射速度与注射药量值。予设值在相应的数码管上显示。按停止键将预设值存于电脑(停止键此时软件定义为存贮键)。接着按推药键便开始注射。注射过程中，如发现速度不太合适，还可按升、降速键人工调速。当达到预设值注射量时，便自动停机。如机器有故障走到极限位置或抽推力异常，也自动停机。医生发现患者异常，还可随时按停止键停止注射。在前述抽药排气后，如是造影，则应同前述预置并存贮注射速度。注射药量不用预置，因造影软件中已有确定值。接着需按参数键选择造影参数。参数分三档，第1档为2、6、7mL，第2档为3、7、8mL，第3档为4、8、9ML。每组参数的第1位是曝光时的药量，第三位是造影过程中的总用药量。参数设定后，选定组的指示灯点亮。然后按推药键或遥控器上的推药键开始注射，医生则可撤离X线照射现场，X光机自动拍照后自动停机。如有异常，同常规注射一样，也能自动停机。
权利要求
1.一种由注射器及其驱动装置所组成的医用自动注射仪，其特征是它是由单片微电脑，电脑的专用键盘、显示器、报井器、固态继电器及电动机械手所组成；电脑存贮医生的最佳注射参数与造影参数，电脑指挥电动机械手完成最佳参数的注射操作，电脑通过固态继电器遥控X光机曝光拍片，医生通过专用键盘把最佳参数存入电脑并通过它随时调整控制电脑工作，电脑通过显示器、报井器及时地向医生报告仪器的工作情况。
2.根据权利要求1所述的医用自动注射仪，其特征是①单片微电脑可由8031等各种单片机及其相关芯片如373、138、2764、8155、7107等所组成；②单片微电脑的输入设备专用键盘，设有复位、停止、常规、造影、抽药、推药、规格、参数、升速、降速、恒温11个薄膜按键及其对应动作指示灯，这11个功能键除复位键外有10个子程序对应支持，主程序的主要工作是扫描键盘，发现有键按下，CPU便停止执行主程序并转向执行按下键对应的子程序，子程序执行完毕，键功能得到实现，然后再返回主程序继续扫描键盘，监视其它键，重复上述过程，直到完成整个注射或造影工作后才自动转向停机程序；③单片微电脑的输出设备显示器，由8个数码管及12个发光二极管组成；数码管当中2个显示手掌加热药液的温度，2个显示速度设定值及速度的动态值，4个显示药量设定值及动态推药值；12个发光二极管分别显示造影参数、规格参数、停止、造影、常规、推药、抽药及电源指示，各显示器除电源指示外皆由电脑软件控制显示内容。④单片微电脑的报井器的报井信号检测，其中抽、推药极限位置的检测，由微动开关或无触点开关来承担，抽、推力失常，无专用检测传感器，其报井是根据软件对速度、抽推力的异常的识别而判定的，正常抽、推药到位提示，也是由程序完成的，无专用传感器。
3.根据权利要求1所述的医用自动注射仪， 其特征是电动机械手由电动设备及机械手组成，机械手由握紧指、夹紧指、抽推指、手掌组成，握紧指的握紧力由弹簧产生，抽推指的抽推力由电动设备提供，电动设备由电动机带动的一级蜗轮蜗杆减速器及由蜗轮带动的第二级螺旋螺母减速器所组成。
4.根据权利要求3所述的医用自动注射仪，其特征是电动设备中的电动机的无级变速，是用软件产生的脉宽调制信号，去控制电机的VMOS开关通断占空比，使电机电压平均值连续变化而得；电动机的恒速是由电脑读取电机轴上的红外光电码盘发出的脉冲宽度与医生设定恒速值比较，由软件按其偏差值大小改变脉宽调制信号的占空比进行自动恒速调节，在自动恒速期间内，还可用升降键随时人工调整。
5.根据权利要求3所述的医用自动注射，其特征是机械手手掌内设有电热器，电热器的工作由电脑直接控制，手掌的恒温，按双位控制原则由比较器，固态继电器控制加热器的电源，手掌温度显示，由传感器T、A/D片7107两位数码管来实现。其报井是根据软件对速度、推抽力异常值的识别而判定的，正常抽推药到位指示，也是软件执行，没有专用传感器。
6.根据权利要求4所述的医用自动注射仪，其特征是无级变速用的脉冲调制1KHZ基频信号，是利用8031地址锁存信号与读写信合复合成2MHZ信号，再经一只8155的定时器分频而成；电机恒速调节用的记数比较10KHZ信号，是用另外一只8155的定时器把2MHZ信号分频而成。
7.根据权利要求1所述的医用自动注射仪，其特征是造影参数分3档，第一档为2、6、7mL，第二档为3、7、8mL，第三档为4、8、9mL，每组第一位数三阳极启动药量，第二位之曝光时药量，第三位是造影过程总药量。
全文摘要
一种电脑程控高低压医用自动注射仪，它是由电脑与电动机械手所组成。它可用于非常规的高压或低压注射还可遥控X光机增强造影，一机三用在CT鉴别诊断、X线造影、磁共振、临床麻醉、高价营养物的静脉输液方面均有应用。
文档编号A61M5/20GK1145812SQ96107719
公开日1997年3月26日 申请日期1996年6月6日 优先权日1995年6月8日
发明者刘殿祥, 刘建伟 申请人:中国人民解放军二一三医院