劉洪延 周正權(quán) 洪博恩

摘 ? 要：NiTi形狀記憶合金是一種具有多種優(yōu)良特性的金屬，其特點(diǎn)是在不同的溫度環(huán)境下，其形狀和物理特性均會(huì)發(fā)生改變。根據(jù)這一特性，在航天，醫(yī)療，微型機(jī)器人制造等領(lǐng)域，形狀記憶合金發(fā)揮了重要作用。NiTi形狀記憶合金絲在不同溫度下的長(zhǎng)度不同，在高溫下縮短，在低溫下伸長(zhǎng)，可以利用這一特性驅(qū)動(dòng)微型機(jī)械結(jié)構(gòu)。本文以基于SMA絲驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)械為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)研究一種以SMA絲為動(dòng)力源的微型藥物釋放系統(tǒng)。該機(jī)械系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)加載于SMA絲的兩端電壓進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)微型機(jī)械進(jìn)行控制的目的，進(jìn)而完成藥物的釋放。本文將以微型機(jī)械的工作原理為主要內(nèi)容，研究該微型系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：形狀記憶合金絲（SMA） ?微型機(jī)械 ?藥物釋放 ?助老機(jī)械

中圖分類(lèi)號(hào)：TH6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）01（a）-0100-02

1 ?系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景

近年來(lái)，我國(guó)的老齡化程度進(jìn)一步加重，老年人的總體量以及其所占比例都增長(zhǎng)。由于老年人免疫力較低，身體素質(zhì)較差，大多患有心腦血管疾病，《心臟病學(xué)》的報(bào)告顯示，心血管疾病已經(jīng)成為全球頭號(hào)死因，從心血管疾病的總體患病人數(shù)來(lái)看，由1990年的4060萬(wàn)上升到2016年的9380萬(wàn)，翻了一番。因而針對(duì)老年人的心血管疾病防治任務(wù)成為社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)之一。心腦血管疾病的特點(diǎn)是發(fā)病快，急救時(shí)間短，常伴有明顯的身體不適，如心悸、胸痛，頭痛，嘔吐，半邊肢體偏癱。在該狀態(tài)下，患者很難進(jìn)行自主服藥，從而加重病情，往往會(huì)錯(cuò)過(guò)最佳的救治時(shí)間。而急救藥物多為顆粒劑，僅幾毫克就能達(dá)到急救效果。因此，如何研究一種自主釋放藥物的微型可穿戴系統(tǒng)成為了解決該問(wèn)題的辦法之一。

1.2 系統(tǒng)主體概要

根據(jù)該系統(tǒng)根據(jù)不同部分的功能和用途分成了三個(gè)主要部分：（1）心率檢測(cè)系統(tǒng)，其主體為安裝在指尖的心率檢測(cè)系統(tǒng)和手環(huán)中的信號(hào)處理部分，對(duì)心率信號(hào)進(jìn)行處理分析;（2）信號(hào)控制系統(tǒng)，主體為手環(huán)中處理的脈沖數(shù)據(jù)發(fā)出端與穿戴設(shè)備中的信號(hào)接收端，負(fù)責(zé)接收和發(fā)出信號(hào);（3）藥物釋放系統(tǒng)，穿戴設(shè)備（牙齒中）中的藥物釋放模塊，以形狀記憶合金絲為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)藥物釋放結(jié)構(gòu)。

1.3 控制模塊概要

電路遙控操作模塊由心率檢測(cè)模塊和電路控制模塊構(gòu)成，該模塊采用了MAX30102集成模塊，這是一個(gè)集成的血氧檢測(cè)和脈搏檢測(cè)傳感器的模塊。它安裝有兩個(gè)LED，分別發(fā)出紅外光和紅光、光電檢測(cè)器、以及光電元件，和帶有周?chē)庹找种谱饔玫牡驮肼曤娮与娐?。MAX30102采用一個(gè)1.8V電源和一個(gè)獨(dú)立的5V用于內(nèi)部LED的電源，應(yīng)用于可穿戴設(shè)備進(jìn)行心率和血氧采集檢測(cè)，佩戴于手指、耳垂和手腕等處。標(biāo)準(zhǔn)12C兼容的通信接收串口可以將采集到的心率數(shù)值傳輸給stm32單片機(jī)進(jìn)行心臟跳動(dòng)頻率和血液含氧量計(jì)算。此外，該芯片還可通過(guò)軟件關(guān)斷模塊，待機(jī)電流接近為0，實(shí)現(xiàn)電源始終維持供電狀態(tài)，MAX30102心率模塊采用光溶積法測(cè)量，利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率不同和血氧飽和度測(cè)量的，光源及采用對(duì)脈動(dòng)血中氧含血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）有選擇性的特定波長(zhǎng)的發(fā)光極管，然后動(dòng)脈搏動(dòng)充血積委化導(dǎo)致夠束光的透光性發(fā)生改變，此時(shí)由光電變換接收經(jīng)人體組織反射光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其放大放出，其計(jì)算公式為

通過(guò)采集的脈沖信號(hào)，計(jì)算獲得心率數(shù)值，進(jìn)而達(dá)到監(jiān)測(cè)心率的目的。

采集的脈沖信號(hào)輸入到單片機(jī)中，單片機(jī)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，將脈沖波轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，分析出心率。

1.4 藥物釋放模塊概要

由芯塊，殼體，滑塊，蓋四部分組成。其中滑塊上附帶有限位銷(xiāo)，限位銷(xiāo)作用于蓋上，可達(dá)到控制運(yùn)動(dòng)的目的。芯塊上附帶有裝配孔，其為六邊形成形孔，方便滑塊的裝配，其并不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常工作。該結(jié)構(gòu)中，殼體為主體部分，其上的滑槽用于對(duì)滑塊的限位，外表面與牙齒內(nèi)面相接觸，裝配方式為過(guò)盈配合。蓋負(fù)責(zé)密封，確保不會(huì)浸水導(dǎo)致藥物失效，設(shè)計(jì)有鎖緊機(jī)構(gòu)。滑塊起到限位控制作用，使得芯塊和蓋按一定順序彈出，滑塊左端連有平衡彈簧，右端連有形狀記憶合金絲，在藥物釋放前兩端力大小保持相等，確保滑塊不會(huì)移動(dòng)。芯塊起到了彈出藥物的作用，芯塊上的斜面設(shè)計(jì)有助于藥物的釋放，使內(nèi)容顆粒物成功放出。

2 ?工作流程

2.1 控制系統(tǒng)工作流程

心率監(jiān)測(cè)計(jì)算系統(tǒng)對(duì)心率變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。分四種工作狀態(tài)：（1）心率在45次/min以下或100次/min以上時(shí)發(fā)出報(bào)警，10s后接通信號(hào)發(fā)出端電路，藥物釋放系統(tǒng)電路接通，藥物釋放，開(kāi)關(guān)接通10s后復(fù)位;（2）在報(bào)警后10s鐘內(nèi)，按下復(fù)位鍵停止報(bào)警，藥物不進(jìn)行釋放運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)3min后恢復(fù)正常工作;（3）在心率為45～100次/min時(shí)，按下主動(dòng)開(kāi)關(guān)，信號(hào)發(fā)射端發(fā)出信號(hào)，藥物釋放系統(tǒng)電路接通，藥物釋放，10s后復(fù)位;（4）按下待機(jī)鍵按鈕后（總開(kāi)關(guān)）進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，僅展示心率計(jì)數(shù)。當(dāng)穿戴設(shè)備接收端接收到信號(hào)時(shí)，接通藥物釋放系統(tǒng)電路。

2.2 藥物釋放系統(tǒng)工作流程

（1）藥物釋放系統(tǒng)中形狀記憶合金絲被加熱，合金絲收縮，拉力增加，大于平衡彈簧壓力。（2）形狀記憶合金絲牽引滑塊，滑塊右移1mm，蓋中間卡銷(xiāo)松開(kāi)。（3）在底部彈簧力擠壓力下，蓋向上運(yùn)動(dòng)2mm，滑塊將向右移0.5mm，芯塊卡松開(kāi)。（4）在彈簧力作用下，芯塊向上移動(dòng)4mm，容器中藥物被擠出釋放。10s后，電路斷開(kāi)，形狀記憶合金絲冷卻收縮，拉力變小，平衡彈簧拉力大于合金絲拉力。壓下蓋后，滑塊復(fù)位，藥物釋放模塊關(guān)閉。

3 ?系統(tǒng)分析

3.1 安全措施

（1）密封措施：由于遙控信號(hào)接收端和藥物釋放模塊都在牙齒中，口腔環(huán)境為濕度大，鹽度大，在喝水時(shí)，口腔中液體壓強(qiáng)較大，藥物釋放模塊中的滑塊卡銷(xiāo)有增大向下壓力的作用，壓緊蓋下端的密封膠墊，達(dá)到密封的效果，設(shè)計(jì)防水等級(jí)為IPX7。

（2）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度：設(shè)計(jì)時(shí)考慮到蓋端會(huì)受到?jīng)_擊，磨損，對(duì)蓋進(jìn)行了加強(qiáng)處理，選用確保頂蓋不會(huì)損壞。

（3）有害性;藥物釋放模塊中藥物與電路部分隔離，電路中有害金屬不會(huì)進(jìn)入口腔，藥物釋放模塊選用食品級(jí)材料，主結(jié)構(gòu)采用無(wú)毒塑料，避免產(chǎn)生毒性。

預(yù)期效果：當(dāng)佩戴者心率正常時(shí)，系統(tǒng)僅顯示心率，在心率異常時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)并釋放藥物。當(dāng)患者感覺(jué)到身體狀態(tài)不佳時(shí)，可主動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)，釋放藥物。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)急救藥物釋放的完全自主化，做到自主服藥，速度快，效率高。

3.2 系統(tǒng)弊端分析

（1）該系統(tǒng)體積較小，加工難度較高。對(duì)于加工設(shè)備的要求較高，加工精度為七級(jí)。

（2）該系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間較短，芯片耗電量為0.5ma（3.7V），設(shè)計(jì)電池容量為100ma，待機(jī)狀態(tài)下僅可工作200h。

（3）該系統(tǒng)制作成本較高，需要精密加工，并且選用了大量無(wú)毒的材料，可能會(huì)導(dǎo)致成本升高。

（4）該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命較低，由于在低鹽度高濕度狀態(tài)下工作，對(duì)內(nèi)部電路及機(jī)械結(jié)構(gòu)使用壽命影響較大，預(yù)計(jì)使用3個(gè)月需進(jìn)行保養(yǎng)，一年達(dá)到使用壽命。

3.3 功能拓展

（1）本系統(tǒng)采用了形狀記憶合金作為動(dòng)力源，該思想可用于小型電控微型機(jī)的設(shè)計(jì)和制造，如微型肌肉替代品，微型浮游式機(jī)器人，可使用形狀記憶合金進(jìn)行低頻周期性運(yùn)動(dòng)，其特點(diǎn)是空間小、可操縱性高。

（2）本系統(tǒng)作為可穿戴式設(shè)備，有較大的發(fā)展空間，對(duì)醫(yī)療，通訊等領(lǐng)域有較大意義。如內(nèi)植式藥物分泌系統(tǒng)，或內(nèi)植式信號(hào)源等多種系統(tǒng)裝置。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉震宇.微型及小型柔性機(jī)械結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法[D].大連理工大學(xué)，2000.

[2] 趙淳生，陳啟東.微型機(jī)械的特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀和應(yīng)用[J].振動(dòng).測(cè)試與診斷，1998（1）：11-18，73.

[3] 戴逸君，陳剛.美國(guó)心臟學(xué)會(huì)（AHA）2018年心臟病和卒中統(tǒng)計(jì)報(bào)告[J].福建醫(yī)藥雜志，2018，40（3）：1-5.

[4] 張永皞，孟玉堂，范啟超，等.“近單相”型NiTiNb形狀記憶合金研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2019，33（19）：3272-3276.

[5] Maxim MAX30102可穿戴血氧和心率生物傳感器解決方案[J].世界電子元器件，2018（4）：45-48.