王春政 原 遠

（韶關(guān)學院,廣東 韶關(guān) 512005）

核酸提取儀是應(yīng)用配套的提取試劑自動完成樣本核酸提取工作的儀器。在臨床上，注射泵又被稱為注射輸液泵[1]，主要用于注射給藥。相比于普通的輸液泵，注射泵在小劑量給藥方面具有較大的優(yōu)勢，如給藥的精度高，配藥較為靈活，處理過程簡單，流速波動小等[2]。注射泵可以使藥物進入患者體內(nèi)的速度更加均勻準確，從而更高效地發(fā)揮藥物本身的作用，提高給藥的效率和靈活性，同時還可以減少醫(yī)護人員的工作強度。

1 研究現(xiàn)狀

國外對注射泵的研制比較早，并且應(yīng)用范圍廣。德國貝朗公司［B.Braun Medical (H.K.) Ltd］曾在1951年發(fā)明了第一臺醫(yī)用注射泵，到現(xiàn)在已經(jīng)有半個多世紀的歷史了[3]。國外注射泵型號多樣，穩(wěn)定可靠，但其價格昂貴，使得注射泵在國內(nèi)醫(yī)療機構(gòu)尤其是農(nóng)村醫(yī)院、診所等中小型醫(yī)療機構(gòu)難以推廣[4]。

我國在20世紀90年代中期已經(jīng)開始研制注射泵，到目前已經(jīng)擁有了非常多的國產(chǎn)注射泵，例如WZS-50F6注射泵（由浙江大學研制，雙通道，注射精度±2%）[4]。與國外注射泵產(chǎn)品相比，國內(nèi)注射泵具有價格上的優(yōu)勢，但在注射精度控制和最小速率控制方面存在很大的差距。目前國內(nèi)的研究多為單軌道注射泵，多軌道注射泵研究較少，與核酸提取儀配合使用的多軌道注射泵研究更少。

多軌道注射泵能夠在滿足單軌道注射泵的前提下，可以提高注射效率。因此，本文從使用效率上出發(fā)，利用多軌道注射泵的特點，以及結(jié)合核酸提取儀的需求，研究了一款適用于核酸提取儀的多軌道注射泵，以滿足醫(yī)療機構(gòu)的需求。

2 核酸提取儀用多軌注射泵總體方案設(shè)計

核酸提取儀用多軌注射泵的動力系統(tǒng)由動力源、減速傳動機構(gòu)、螺桿副和注射機構(gòu)組成。

2.1 工作原理

多軌道注射泵的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，多軌道注射泵采取了螺旋進給的方式進行藥液注射。多軌道注射泵電機的轉(zhuǎn)動由控制器控制，輸入的扭矩由減速機和螺桿機構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橥屏?，以推動注射泵注射液體。通過控制電機的轉(zhuǎn)速，可以有效地控制注射速率，使整個注射過程更加方便。

圖1 多軌道注射泵結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 總體方案

本文所設(shè)計的多軌道醫(yī)用注射泵，擬采用泵體獨立的結(jié)構(gòu)形式，即每個泵單獨有一個完整的控制系統(tǒng)。初步選用四泵組合的結(jié)構(gòu)形式，采用4個獨立的步進電機分別驅(qū)動4個絲杠結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)獨立控制，如圖2所示。

圖2 多軌道注射泵三維圖

多軌道醫(yī)療泵主要由電機、聯(lián)軸器、絲杠軸、絲杠支架、注射泵支架、活塞桿、泵體、注射螺栓等組成，每個注射泵采用單獨的驅(qū)動系統(tǒng)、獨立的絲杠支架等，且同時采用單獨的電機進行驅(qū)動，以實現(xiàn)獨立注射。

電機輸出軸通過聯(lián)軸器與絲桿連接，當電機轉(zhuǎn)動時帶動絲桿進行旋轉(zhuǎn)，并推動與絲桿連接的注射泵進行注射。通過外部的控制程序能夠做到分別驅(qū)動4臺電機獨立運動，以實現(xiàn)單獨注射或者實現(xiàn)同時注射。

2.3 泵體設(shè)計

2.3.1 泵體材料選取

由于核酸提取儀用多軌道注射泵注射的藥液可能含有酸、堿和有機溶液等腐蝕液，所以本設(shè)計選取Acrylics（亞克力）做泵體的材料。

2.3.2 基座設(shè)計

選用鋁合金作為基座底材料，基座的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基座的結(jié)構(gòu)圖

基座用于安裝各機械傳動裝置，以實現(xiàn)醫(yī)療注射泵的注射動作，因此在基座上銑削加工出長圓槽。

2.4 絲杠固定座設(shè)計

絲杠在運動過程中需要支撐，其支撐材料為鋁合金，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 絲杠支撐單元

圖4所示的絲杠支撐座上部螺紋孔為預(yù)留擴展孔，通過預(yù)留擴展孔可以增加注射泵的直徑，實現(xiàn)多注射泵組合。中間大孔為軸承座孔，用于軸承的安裝。底部銑削加工出長圓鍵及螺紋孔，用于定位及安裝。

2.5 柱塞和柱塞套設(shè)計

圖5為多軌道注射泵泵體柱塞和柱塞套，其中泵塞在泵體里面，注射泵通過注射泵固定塊和連接座連接，通過前后運動可以達到注射液體的效果。滾珠絲桿正反旋轉(zhuǎn)一周，每個柱塞則完成吸、壓液體一次。

圖5 注射泵組件

泵塞和泵體要求較高的精密度、低摩擦以及生物抗藥性等，因此選用SiC陶瓷[4]。該材料具有優(yōu)良的高抗彎強度、優(yōu)異的抗氧化性、良好的耐腐蝕性、高耐磨性和低摩擦系數(shù)，以及高溫力學性能（強度、抗蠕變性等）。

3 傳動系統(tǒng)設(shè)計

3.1 傳動方案選擇

由核酸提取儀用多軌道注射泵總體方案設(shè)計分析可知，注射泵的運行是由電機通過傳動裝置來控制的，電機在整個注射泵控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。電機的控制精度是整個系統(tǒng)傳動精度控制的關(guān)鍵。

步進電機具有價格低廉、控制精度好、安全穩(wěn)定等特點，因此本文設(shè)計的多軌道注射泵采用步進電機傳動形式實現(xiàn)傳動控制。因注射泵需要控制傳動精度，其傳動過程需要平穩(wěn)可靠，因此本設(shè)計采用絲杠傳動控制，用于將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，同時傳遞動力。

3.2 電機選擇

查閱同類產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗，本設(shè)計擬采用14W60KTYZ永磁同步電機，其轉(zhuǎn)矩為15-600N·cm，轉(zhuǎn)動慣量為38 g·cm2，空載啟動轉(zhuǎn)速為1～110r/min。該電機的優(yōu)點表現(xiàn)為壽命長、尺寸小、力矩大、質(zhì)量?。?.25 kg），非常適合作為便攜設(shè)備的動力源。

3.3 絲杠選型

人體注射一般采用靜脈注射，靜脈壓強正常值一般為0.49～1.18 kPa。一般注射泵針頭的直徑為0.45 mm，則多軌道注射泵的單軌道壓力為

根據(jù)醫(yī)學注射泵的速度要求，最大流速不超過600～900 mL/h，因此，根據(jù)注射管的直徑，本文設(shè)計的注射泵絲桿的推進速度為4.82～7.23×10-5m/s。在滿足注射推進速度的要求下，可選擇絲杠的初始標定速度為0.02 m/s。當注射泵啟動時，其加速時間為0.1 s，有效行程暫定為100 mm，精度要求較高的情況下絲桿選擇0.1 mm[6]，則絲杠的計算如下：

（2）絲杠的最大軸向力

（3）絲杠形式選擇

根據(jù)滾珠絲杠的軸向推力F軸=31.177 N，推薦將F軸乘以4～8之間的一個系數(shù)。由于注射泵速率低且使用頻率較低，所以其可靠度要求不高的情況下，選擇4倍系數(shù)，則軸向安全力為F=4F軸=124.708 N。根據(jù)上述壓力，選擇了BNK1002-3RRG0-C3的絲杠，其動負荷是1500 N，完全滿足124.708 N的壓力要求。該型號的絲杠公稱直徑為10mm，絲杠導(dǎo)程為4 mm/r，效率96%。

（4）移動速度計算

在普通螺旋傳動中，螺桿（或螺母）的移動速度由導(dǎo)程決定，即

式中，L為移動速度，其單位為mm/min；n為轉(zhuǎn)速，其單位為r/min；S為導(dǎo)程，其單位為mm。根據(jù)選擇的絲杠，其導(dǎo)程為4 mm，注射泵用電機最低轉(zhuǎn)速為1 r/min，將其代入式（3）可知移動速度L=4 mm/min=6.7×10-5m/s。該計算結(jié)果滿足上述注射泵推進速度為4.82～7.23×10-5m/s的要求。

3.4 電機的選型校核

滾珠絲杠的驅(qū)動扭矩

上述選型的42BYG250A-SASSML-0151步進電機，其許用扭矩為230 N·mm，大于滾珠絲杠的驅(qū)動扭矩20.7 N·mm。因此電機選型合適。

通過上述的計算分析，選用42BYG250A-SASSML-0151式步進電機帶動BNK1002-3RRG0-C3型號的滾珠絲杠，可以很好地實現(xiàn)注射泵的多軌道和單軌道的注射功能。

4 結(jié)語

本文根據(jù)核酸提取儀和多軌道注射泵的特點進行研究，設(shè)計了一款用于核酸提取儀的多軌道注射泵。通過結(jié)構(gòu)介紹和選型設(shè)計得知，多軌道注射泵能夠滿足使用性能要求，可以提高注射效率，符合核酸提取儀對多軌道注射泵的需求。