一种基于SMA丝的微型药物释放系统
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作者:刘洪延 周正权 洪博恩
摘 要：NiTi形状记忆合金是一种具有多种优良特性的金属，其特点是在不同的温度环境下，其形状和物理特性均会发生改变。根据这一特性，在航天，医疗，微型机器人制造等领域，形状记忆合金发挥了重要作用。NiTi形状记忆合金丝在不同温度下的长度不同，在高温下缩短，在低温下伸长，可以利用这一特性驱动微型机械结构。本文以基于SMA丝驱动的微型机械为基础，设计研究一种以SMA丝为动力源的微型药物释放系统。该机械系统可通过对加载于SMA丝的两端电压进行控制，从而达到对微型机械进行控制的目的，进而完成药物的释放。本文将以微型机械的工作原理为主要内容，研究该微型系统的可行性。
关键词：形状记忆合金丝（SMA） 微型機械 药物释放 助老机械
中图分类号：TH6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（a）-0100-02
1 系统介绍
1.1 系统设计的背景
近年来，我国的老龄化程度进一步加重，老年人的总体量以及其所占比例都增长。由于老年人免疫力较低，身体素质较差，大多患有心脑血管疾病，《心脏病学》的报告显示，心血管疾病已经成为全球头号死因，从心血管疾病的总体患病人数来看，由1990年的4060万上升到2016年的9380万，翻了一番。因而针对老年人的心血管疾病防治任务成为社会关注的重点之一。心脑血管疾病的特点是发病快，急救时间短，常伴有明显的身体不适，如心悸、胸痛，头痛，呕吐，半边肢体偏瘫。在该状态下，患者很难进行自主服药，从而加重病情，往往会错过最佳的救治时间。而急救药物多为颗粒剂，仅几毫克就能达到急救效果。因此，如何研究一种自主释放药物的微型可穿戴系统成为了解决该问题的办法之一。
1.2 系统主体概要
根据该系统根据不同部分的功能和用途分成了三个主要部分：（1）心率检测系统，其主体为安装在指尖的心率检测系统和手环中的信号处理部分，对心率信号进行处理分析;（2）信号控制系统，主体为手环中处理的脉冲数据发出端与穿戴设备中的信号接收端，负责接收和发出信号;（3）药物释放系统，穿戴设备（牙齿中）中的药物释放模块，以形状记忆合金丝为动力源，驱动药物释放结构。
1.3 控制模块概要
电路遥控操作模块由心率检测模块和电路控制模块构成，该模块采用了MAX30102集成模块，这是一个集成的血氧检测和脉搏检测传感器的模块。它安装有两个LED，分别发出红外光和红光、光电检测器、以及光电元件，和带有周围光照抑制作用的低噪声电子电路。MAX30102采用一个1.8V电源和一个独立的5V用于内部LED的电源，应用于可穿戴设备进行心率和血氧采集检测，佩戴于手指、耳垂和手腕等处。标准12C兼容的通信接收串口可以将采集到的心率数值传输给stm32单片机进行心脏跳动频率和血液含氧量计算。此外，该芯片还可通过软件关断模块，待机电流接近为0，实现电源始终维持供电状态，MAX30102心率模块采用光溶积法测量，利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同和血氧饱和度测量的，光源及采用对脉动血中氧含血红蛋白（HbO2）和血红蛋白（Hb）有选择性的特定波长的发光极管，然后动脉搏动充血积委化导致够束光的透光性发生改变，此时由光电变换接收经人体组织反射光线，转变为电信号并将其放大放出，其计算公式为
通过采集的脉冲信号，计算获得心率数值，进而达到监测心率的目的。
采集的脉冲信号输入到单片机中，单片机对脉冲信号进行处理，将脉冲波转化为数字信号，通过对数字信号的计数统计，分析出心率。
1.4 药物释放模块概要
由芯块，壳体，滑块，盖四部分组成。其中滑块上附带有限位销，限位销作用于盖上，可达到控制运动的目的。芯块上附带有装配孔，其为六边形成形孔，方便滑块的装配，其并不会影响结构的正常工作。该结构中，壳体为主体部分，其上的滑槽用于对滑块的限位，外表面与牙齿内面相接触，装配方式为过盈配合。盖负责密封，确保不会浸水导致药物失效，设计有锁紧机构。滑块起到限位控制作用，使得芯块和盖按一定顺序弹出，滑块左端连有平衡弹簧，右端连有形状记忆合金丝，在药物释放前两端力大小保持相等，确保滑块不会移动。芯块起到了弹出药物的作用，芯块上的斜面设计有助于药物的释放，使内容颗粒物成功放出。
2 工作流程
2.1 控制系统工作流程
心率监测计算系统对心率变化进行实时监测。分四种工作状态：（1）心率在45次/min以下或100次/min以上时发出报警，10s后接通信号发出端电路，药物释放系统电路接通，药物释放，开关接通10s后复位;（2）在报警后10s钟内，按下复位键停止报警，药物不进行释放运动，系统3min后恢复正常工作;（3）在心率为45～100次/min时，按下主动开关，信号发射端发出信号，药物释放系统电路接通，药物释放，10s后复位;（4）按下待机键按钮后（总开关）进入准备状态，仅展示心率计数。当穿戴设备接收端接收到信号时，接通药物释放系统电路。
2.2 药物释放系统工作流程
（1）药物释放系统中形状记忆合金丝被加热，合金丝收缩，拉力增加，大于平衡弹簧压力。（2）形状记忆合金丝牵引滑块，滑块右移1mm，盖中间卡销松开。（3）在底部弹簧力挤压力下，盖向上运动2mm，滑块将向右移0.5mm，芯块卡松开。（4）在弹簧力作用下，芯块向上移动4mm，容器中药物被挤出释放。10s后，电路断开，形状记忆合金丝冷却收缩，拉力变小，平衡弹簧拉力大于合金丝拉力。压下盖后，滑块复位，药物释放模块关闭。 3 系统分析
3.1 安全措施
（1）密封措施：由于遥控信号接收端和药物释放模块都在牙齿中，口腔环境为湿度大，盐度大，在喝水时，口腔中液体压强较大，药物释放模块中的滑块卡销有增大向下压力的作用，压紧盖下端的密封胶垫，达到密封的效果，设计防水等级为IPX7。
（2）结构强度：设计时考虑到盖端会受到冲击，磨损，对盖进行了加强处理，选用确保顶盖不会损坏。
（3）有害性;药物释放模块中药物与电路部分隔离，电路中有害金属不会进入口腔，药物释放模块选用食品级材料，主结构采用无毒塑料，避免产生毒性。
预期效果：当佩戴者心率正常时，系统仅显示心率，在心率异常时，系统发出警报并释放药物。当患者感觉到身体状态不佳时，可主动启动系统，释放药物。该系统可实现急救药物释放的完全自主化，做到自主服药，速度快，效率高。
3.2 系统弊端分析
（1）该系统体积较小，加工难度较高。对于加工设备的要求较高，加工精度为七级。
（2）该系统待机时间较短，芯片耗电量为0.5ma（3.7V），设计电池容量为100ma，待机状态下仅可工作200h。
（3）该系统制作成本较高，需要精密加工，并且选用了大量无毒的材料，可能会导致成本升高。
（4）該系统的设计寿命较低，由于在低盐度高湿度状态下工作，对内部电路及机械结构使用寿命影响较大，预计使用3个月需进行保养，一年达到使用寿命。
3.3 功能拓展
（1）本系统采用了形状记忆合金作为动力源，该思想可用于小型电控微型机的设计和制造，如微型肌肉替代品，微型浮游式机器人，可使用形状记忆合金进行低频周期性运动，其特点是空间小、可操纵性高。
（2）本系统作为可穿戴式设备，有较大的发展空间，对医疗，通讯等领域有较大意义。如内植式药物分泌系统，或内植式信号源等多种系统装置。
参考文献
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