CN103599578B - 一种便携式压电驱动胰岛素泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式压电驱动胰岛素泵，包括有药物输送单元和电控单元，电控单元集成设在胰岛素泵的泵体内，药物输送单元采用插拔结构设计插接在泵体的药物输送单元安装仓内，药物输送单元由电控单元控制工作，药物输送单元和电控单元由一电源提供电力，该电源设在胰岛素泵泵体内，电源为一七号高能电池，有益效果：输出精度高；整机质量轻、体积小、胰岛素注***度高，实现了集成化、小型化、轻量化，便于患者随身携带，安全、可靠与便捷，便于患者安全、快速操作。

Description

一种便携式压电驱动胰岛素泵

技术领域

本发明专利涉及一种胰岛素泵，特别涉及一种便携式压电驱动胰岛素泵。

背景技术

目前，在糖尿病的治疗过程中，连续皮下胰岛素注射(即胰岛素泵治疗)仍然是治疗糖尿病的最佳选择，这种治疗方式类似于为患者提供一个“人工胰腺”，模拟人的胰腺功能智能、定量地向人体精密注射胰岛素，从而调节人体内的血糖含量，较传统治疗方式显然具有更大的优势。

通过检索知，目前已公开的胰岛素泵绝大多数采用的是电机驱动和螺纹传动的方式进行推注，不但精度受到限制，而且体积大、笨重且成本较高。

专利号为03124182.4的《具有双向过压保护功能的微量薄膜泵及其应用》提供了一种非机械传动、非直通式排放，而是用制动器作为驱动源，带动设置于其下方的泵膜作上下往复运动，使泵腔内体积变化，进而达到从入口吸入液体，从出口排除液体的带压力互锁的微量薄膜泵，对于将微泵应用于药物输送进行了尝试，但其采用致动器驱动，受到输出压力和输出流量低的限制，至今未得到实际应用。

作为压电驱动器的代表产品之一，压电驱动式微泵(即：压电泵)近年来获得了快速的发展。相较于利用电机或电磁驱动的传统泵，压电泵以体积小、高性能、无电磁干扰、低能耗等诸多优点成为最有希望市场化和产品化的药物输送微泵。

在专利号200610016573.9的《集成式精密药物输送泵》中，专利申请人曾首次提出将压电微泵用于药物输送，并证明了压电微泵能够为药物输送提供足够的压力和流量，证明了压电微泵在药物精密输送方面的重要应用前景。但未从***的角度解决将压电泵真正用于胰岛素精密输送后整个***的集成化、小型化、微泵截止性及整机性能稳定性等大量关键技术问题。因此，将单纯的一种高性能压电泵真正用于胰岛素泵治疗***尚有大量的问题需要解决。

发明内容

本发明的主要目的是为了解决现有的采用电机驱动和螺纹传动的方式进行推注的胰岛素泵体积大、精度不高、笨重且成本较高的问题。

本发明的另一个目的是为了将现有的压电泵应用在胰岛素泵上，使胰岛素泵在保持整机可靠性和稳定性的基础上更好地实现集成化、小型化、轻量化。

本发明是为了达到上述目的、解决上述问题而提供的一种便携式压电驱动胰岛素泵。

本发明所述的便携式压电驱动胰岛素泵包括有药物输送单元和电控单元，电控单元集成设在胰岛素泵的泵体内，药物输送单元采用插拔结构设计插接在泵体的药物输送单元安装仓内，药物输送单元由电控单元控制工作，药物输送单元和电控单元由一电源提供电力，该电源设在胰岛素泵泵体内，电源为一七号高能电池。

药物输送单元由药仓和压电泵组成，药仓的内腔与压电泵之间由管道连通，压电泵的出药口连通有注药连接头，能够与带有针头的标配医用针管连接，药仓的一端设有出药口和注药口，出药口和注药口与药仓的内腔连通，药仓的出药口与压电泵的进药口连通，压电泵的进药口与压电泵的内腔连通，药仓的注药口与压电泵侧壁上的输药口连通，该输药口与压电泵另一侧壁上的注药口连通，压电泵另一侧壁上的注药口用一硅胶堵密封，注药时通过微针刺透硅胶向内注入胰岛素泵，药仓和压电泵组合在一个壳体内，壳体由上盖和底板两部分组成，底板设计有卡槽、定位倒角和电极槽。

电控单元为集成有微控制器和微控电路的电路板，药物输送单元与该电路板连接，药物输送单元由微控制器控制工作，在胰岛素泵泵体的外壳上设有显示屏和操作面板，显示屏和操作面板与集成有微控制器和微控电路的电路板连接，操作面板上设有数个按键，用以控制药物输送单元和电控单元的相关操作，显示屏实时显示相关工作参数。

泵体内插设药物输送单元的安装仓底部内侧前端凹槽处有一弹出机构，该弹出机构固定在安装仓内，是由滑块、弹簧、连杆和限位弹片组成，其中滑块的形状与与药物输送单元壳体底板上的定位倒角的形状相对应，连杆一端固连在滑块的底端，另一端能够在弹出机构底板上的滑槽内滑动，且该滑槽内设有一锁死点，限位弹片与滑块固连在一起与滑块同步滑动，且其上有一凸起，该凸起的位置与药物输送单元壳体上的卡槽位置相对应，弹出机构底板上还设有金属弹片，其位置与药物输送单元壳体上电极槽的位置相对应。

压电泵是由压电泵是由第一压电振子、第二压电振子、上腔体、下腔体、第一阀片、第二阀片和第三阀片组成，其中第一压电振子设在上腔体的顶端，第一阀片设在上腔体的底部，上腔体的底部设有进口和出口，进口与进药口连通，出口与下腔体连通，第一阀片的一侧设有悬臂梁阀，该悬臂梁阀设在上腔体底部进口处，第一阀片的另一侧设有通口，该通口设在上腔体底部的出口处，第二压电振子设在下腔体的底部，下腔体的上端设有进口和出口，进口与上腔体连通，出口与出药口连通，第二阀片和第三阀片上下叠加设在下腔体的上端，第二阀片的一侧设有轮式阀，第二阀片的另一侧设有悬臂梁阀，轮式阀对应下腔体上端的进口，轮式阀下方的第三阀片对应处设有通口，第二阀片一侧的悬臂梁阀对应下腔体上端的出口，第二阀片上的悬臂梁阀下方的第三阀片对应处设有通口，压电泵的一端面上设有电极安装槽，电极安装槽内安装有电极，该电极安装槽的位置与药物输送单元壳体上的电极槽位置相对应，安放在压电泵端面上的电极透过药物输送单元壳体底板上的电极槽与药物输送单元安装仓端头的金属片相连接。

本发明的工作原理如下所述：

压电泵是利用压电振子的往复振动在泵腔内产生超压或负压，同时利用单向阀作为流体纠正器，最终实现泵腔内流体的单向流动。而且压电泵之所以适于药物的精密输送，一个突出的工作特性是当电压和工作频率一定时，其输出容积量同脉冲信号的数量呈较好的线性关系。利用压电泵这一工作性能，通过微控制器来调节输出脉冲的数量即可调节压电泵泵出的胰岛素量。同时结合糖尿病治疗的不同方案，根据人体的正常生理情况在电控单元中植入相应的控制算法和多种胰岛素输注程序，从而实现胰岛素的高精度输注和整机的智能式控制。

本发明的有益效果：

1、所用压电泵为两腔三阀式串联压电泵，其输出压力和流量较单腔泵大幅度增加，有效地抑制了由于输出端压力波动产生的干扰、输出精度高；相对于结构复杂的三腔及三腔以上的压电泵本发明提出的泵体结构在整机可靠性和稳定性方面具有明显优势。

2、压电泵的主体均采用具有良好生物相容性和稳定性的聚合物来制作，并且加工工艺简单，大大降低了生产成本，解决了传统胰岛素泵价格高，普通家庭经济上无法承担的弊端。

3、本发明将压电泵及药仓集成在一个壳体内构成一个药物输送单元，该药物输送单元通过PUSH-PUSH弹出机构与泵体内的安装仓相连接，电控单元集成在泵体内部，显示屏及编程操作按键为便于使用布置于泵体外侧的面板上，与传统胰岛素泵相比，整机质量轻、体积小、胰岛素注***度高，实现了集成化、小型化、轻量化，便于患者随身携带。

4、作为本发明的核心部分，药物输送单元与整机其他部分可实现快速插拔式安装，操作简单、快捷。同时，药物输送单元结构简单、制作成本低，已具备了一次性使用的条件，保证了在压电驱动胰岛素泵操作使用时的安全、可靠与便捷。

5、以处理器STM32作为主控制器的电控单元通过控制不同的脉冲数量来精确控制胰岛素的输注量，且含有友好的操作界面和智能的编程***，便于患者安全、快速操作。

附图说明

图1为本发明压电驱动胰岛素泵的药物输送单元安装示意图。

图2为本发明压电驱动胰岛素泵分解结构示意图。

图3为本发明所述的药物输送单元分解结构示意图。

图4为本发明所述的药物输送单元安装仓结构示意图。

图5为本发明所述压电泵的分解结构示意图。

图6为本发明所述压电泵的工作原理示意图。

图7为本发明微控制器和微控电路设计框图。

1、药物输送单元  2、翻盖    3、胰岛素泵泵体  4、操作面板

5、显示屏  6、泵体上壳  7、电控单元  8、上盖

9、注药连接头  10、压电泵  11、底板    12、弹出机构

13、电池盖    14、电池    15、泵体下壳  16、电池安装仓

17、药物输送单元安装仓  18、药仓    19、连接销轴    20、注药口

21、出药口   22、导引槽  23、卡槽  24、定位倒角  25、电极槽

26、出药口   27、连杆  28、滑块  29、弹簧  30、金属弹片

31、限位弹片  32、第一压电振子  33、第一阀片  33A、悬臂梁阀

33B、通口 34、泵体  35、进药口 36、输药口 37、第二压电振子

38、第三阀片  38A、通口 38B、通口   39、第二阀片  39A、轮式阀

39B、悬臂梁阀  40、硅胶堵  41、注药口  42、电极安装槽

43、电极  44、进口  45、下腔体  46、进口  47、上腔体

48、上下腔体连通通道  49、出口   50、出口。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示：

本发明所述的便携式压电驱动胰岛素泵包括有药物输送单元1和电控单元7，电控单元7是集成设在胰岛素泵泵体3内，药物输送单元1能够插接在胰岛素泵的泵体3内的药物输送单元安装仓17内，药物输送单元1由电控单元7控制工作，药物输送单元1和电控单元7由一电源提供电力，该电源设在胰岛素泵的泵体下壳15内，电源为七号高能电池14，将电池14安装在电池安装仓16后，旋入电池盖13后即可为胰岛素泵提供电力。药物输送单元1能够快速插拔式安装替换，使用时采取一台整机多个药物输送单元1的方式，当一个药物输送单元1内的胰岛素药液用完时，通过快速插拔式安装换上另一个新的药物输送单元1，操作方便快捷。翻盖2通过连接销轴19与胰岛素泵的泵体上壳6相连接，连接销轴19设在胰岛素泵的泵体上壳6上，翻盖2制有长条形孔，从而保证翻盖2在一定角度内可以翻转和滑动；当将药物输送单元1推入药物输送单元安装仓17后，合上翻盖2，然后向上推动翻盖2使翻盖2底部内侧预留的两个凸台***胰岛素泵的泵体下壳15上预留的两个锁孔内，从而将翻盖2合死。

药物输送单元1由药仓18和压电泵10组成，药仓18的内腔与压电泵10之间由管道连通，压电泵10上的出药口26连通有注药连接头9，注药连接头9能够与带有针头的标配医用针管连接，药仓18的一端设有出药口21和注药口20，出药口21和注药口20与药仓18的内腔连通，药仓18的出药口21与压电泵10的进药口35连通，压电泵10的进药口35与压电泵10的内腔连通，药仓18的注药口20与压电泵10侧壁上的输药口36连通，该输药口36与压电泵10另一侧壁上的注药口41连通，压电泵10另一侧壁上的注药口41用一硅胶堵40密封，注药时通过微针刺透硅胶向内注入胰岛素泵，药仓18和压电泵10组合在一个壳体内，该壳体由上盖8和底板11两部分组成，底板11上设有导引槽22、卡槽23、定位倒角24和电极槽25。

电控单元7为集成有微控制器和微控电路的电路板，药物输送单元1与该电路板连接，药物输送单元1由微控制器控制工作，在泵体上壳6上设有显示屏5和操作面板4，显示屏5和操作面板4与集成有微控制器和微控电路的电路板连接，操作面板4上设有数个按键，用以控制药物输送单元1和电控单元2的相关操作，显示屏实时显示相关工作参数，采用ARM系列处理器STM32作为微控制器，通过控制压电泵10的电压和频率精确控制输注流量。胰岛素泵使用时，根据人体特定生理情况，设定平均每分钟分泌一次的基础输注率(此工作由内分泌科医生根据临床检测的血糖值预先设定，用于控制夜间、空腹及餐前血糖浓度)；同时，在三餐时根据进餐量和食物种类，在餐前注入大剂量胰岛素，控制餐后血糖。用户可通过按键进行必要的操作，操作信息将通过OLED显示屏5显示，界面友好操作简便，具有蜂鸣器提示及报警功能，正常工作时***处于休眠状态，最大限度的节省电量，同时具有掉电保存的功能。

药物输送单元安装仓17的底部内侧前端凹槽处有一弹出机构12，该弹出机构12固定在药物输送单元安装仓17内，是由滑块28、弹簧29、连杆27和限位弹片31组成的，其中滑块28的形状与与药物输送单元1的壳体底板11上的定位倒角24的形状是相对应的，连杆27一端固连在滑块28的底端，另一端能够在弹出机构12的底板滑槽内滑动，且该滑槽内有一锁死点，限位弹片31与滑块28固连在一起能够随滑块28同步滑动，且其上有一凸起，该凸起的位置与药物输送单元1的壳体上的卡槽23位置相对应。另外，弹出机构12的底板上还设有金属弹片30，其位置与药物输送单元1的壳体上电极槽25的位置相对应，在弹出机构12和药物输送单元1的外壳结构的配合下实现了药物输送单元1的快速插拔式安装，具体工作原理为：当第一次将药物输送单元1向药物输送单元安装仓17推入时，药物输送单元1在导引槽22的作用下顺利进入药物输送单元安装仓17内，当推动到定位倒角24与滑块28相接触时继续向前推入，使弹簧29压缩并拉动连杆27和限位弹片31，直至限位弹片31上的凸起进入到药物输送单元外壳上的卡槽23进行定位，此时连杆27根部也恰好被拉到滑槽内的一锁死点被机械性锁死，药物输送单元1完成快速安装且其底部的电极与安装在弹出机构12底板上的金属弹片30接触压紧连接，药物输送单元1与电控单元7接通；当再次向前推动药物输送单元1，连杆27的滑动端从锁死点滑出，在弹簧29的作用下恢复到初始位置，同时带动与其相连的滑块28向外运动，并给药物输送单元1一推力，从而将药物输送单元1从药物输送单元安装仓17内弹出。

压电泵10是由第一压电振子32、第二压电振子37、上腔体47、下腔体45、第一阀片33、第二阀片39和第三阀片38组成，其中第一压电振子32设在上腔体47的顶端，第一阀片33设在上腔体47的底部，上腔体47的底部设有进口46，该进口46与进药口35连通，上腔体47的底部设有出口49，该出口49通过上下腔体连通通道48与下腔体45连通，第一阀片33的一侧设有悬臂梁阀33A，该悬臂梁阀33A设在上腔体47底部进口46处，第一阀片33的另一侧设有通口33B，该通口33B设在上腔体47底部的出口49处，第二压电振子37设在下腔体45的底部，下腔体45的上端设有进口44，该进口44通过上下腔体连通通道48与上腔体47连通，下腔体45的上端还设有出口50，该出口50与出药口26连通，第二阀片39和第三阀片38上下叠加设在下腔体45的上端，第二阀片39的一侧设有轮式阀39A，第二阀片39的另一侧设有悬臂梁阀39B，轮式阀39A对应下腔体45上端的进口44处，轮式阀39A下方的第三阀片38对应处设有通口38A，第二阀片39一侧的悬臂梁阀39B对应下腔体45上端的出口50处设置，第二阀片39上的悬臂梁阀39B下方的第三阀片38对应处设有通口38B，压电泵的泵体34的一端面上设有电极安装槽42，电极安装槽42内安装有电极43，该电极43的位置与药物输送单元1的壳体上电极槽25位置相对应，安放在压电泵10端面上的电极43透过药物输送单元1壳体的底板11上的电极槽25与药物输送单元安装仓17端头的金属弹片30相连接。

压电泵10的具体工作原理为：当第一压电振子32向上弯曲变形时，上腔体47容积变大，导致上腔体47内产生负压，当其绝对值大于第一阀片33的临界开启压力值时，第一阀片33开启，第二阀片39一边的轮式阀39A保持关闭状态，胰岛素药液经进药口35从药仓18内流入压电泵10的上腔体47；当第一压电振子32向上弯曲变形的同时第二压电振子37也向上弯曲变形，造成下腔体45内的容积减小，产生正压，当下腔体45内的正压绝对值超过第二阀片39另一边的悬臂梁阀39B的临界开启压力值时，第二阀片39另一边的悬臂梁阀39B开启，第二阀片39一边的轮式阀39A保持关闭，胰岛素药液由压电泵10泵出经针管注入人体内；在后半个周期内，第一压电振子32向下弯曲变形，上腔体47的容积变小，产生正压，第一阀片33关闭，第二阀片39一边的轮式阀39A开启，同时第二压电振子37也向下弯曲变形，下腔体45容积变大，产生负压，作为其入口阀的第二阀片39一边的轮式阀39A开启，作为其出口阀的第二阀片39另一边的悬臂梁阀39B关闭，此时胰岛素药液就由上腔体47输送到下腔体45。通过第一压电振子32和第二压电振子37往复的上、下弯曲振动，上腔体47和下腔体45的容积不断地增大和减小，从而完成胰岛素药液不断地从压电泵10的进药口35被吸入，从出药口26被泵出的连续工作过程。

第一阀片33是由悬臂梁阀33A和通口33B复合于同一基板上构成，结构简单且便于装配对中。

第二阀片39是由轮式阀39A和悬臂梁阀39B复合于同一基板上构成的复合阀，第二阀片39与带有两个孔的第三阀片38层叠配合实现中间阀及出口阀的功能，同时，使用该复合阀结构，压电泵10的截止性、性能稳定性均得到大幅度提高。

第一阀片33、第二阀片39和第三阀片38的材料选用SU-8制作；压电泵10的泵体选用医用级PMMA制作完成。

Claims (2)

1.一种便携式压电驱动胰岛素泵，包括有药物输送单元和电控单元，电控单元集成设在胰岛素泵泵体内，药物输送单元采用插拔式结构设计插接在泵体的药物输送单元安装仓内，药物输送单元由电控单元控制工作，药物输送单元和电控单元由一电源提供电力，所述的药物输送单元由药仓和压电泵组成，药仓的内腔与压电泵之间由管道连通，压电泵的出药口连通有注药连接头，能够与带有针头的标配医用针管连接，药仓的一端设有出药口和注药口，出药口和注药口与药仓的内腔连通，药仓的出药口与压电泵的进药口连通，压电泵的进药口与压电泵的内腔连通，药仓的注药口与压电泵侧壁上的输药口连通，该输药口与压电泵另一侧壁上的注药口连通，压电泵另一侧壁上的注药口用一硅胶堵密封，注药时通过微针刺透硅胶向内注入胰岛素泵，药仓和压电泵组合在一个壳体内，壳体由上盖和底板两部分组成，在底板上设计有导引槽、卡槽、定位倒角和电极槽，其特征在于：所述的药物输送单元安装仓的底部内侧前端凹槽处有一弹出机构，该弹出机构固定在安装仓内，主要是由滑块、弹簧、连杆和限位弹片组成的，其中滑块的形状与药物输送单元壳体底板上的定位倒角的形状相对应，连杆一端固连在滑块的底端，另一端能够在弹出机构底板上的滑槽内滑动，且该滑槽内有一锁死点，限位弹片与滑块固连在一起与滑块同步滑动，且其上有一凸起，该凸起的位置与药物输送单元壳体上的卡槽位置相对应，弹出机构底板上还设有金属弹片，其位置与药物输送单元壳体上电极槽的位置相对应。

2.根据权利要求1所述的一种便携式压电驱动胰岛素泵，其特征在于：所述的压电泵是由第一压电振子、第二压电振子、上腔体、下腔体、第一阀片、第二阀片和第三阀片组成，其中第一压电振子设在上腔体的顶端，第一阀片设在上腔体的底部，上腔体的底部设有进口和出口，进口与进药口连通，出口与下腔体连通，第一阀片的一侧设有悬臂梁阀，该悬臂梁阀设在上腔体底部进口处，第一阀片的另一侧设有通口，该通口设在上腔体底部的出口处，第二压电振子设在下腔体的底部，下腔体的上端设有进口和出口，进口与上腔体连通，出口与出药口连通，第二阀片和第三阀片上下叠加设在下腔体的上端，第二阀片的一侧设有轮式阀，第二阀片的另一侧设有悬臂梁阀，轮式阀对应下腔体上端的进口，轮式阀下方的第三阀片对应处设有通口，第二阀片一侧的悬臂梁阀对应下腔体上端的出口，第二阀片上的悬臂梁阀下方的第三阀片对应处设有通口，压电泵的一端面上设有电极安装槽，电极安装槽内安装有电极，该电极安装槽的位置与药物输送单元壳体上的电极槽位置相对应，安放在压电泵端面上的电极透过药物输送单元壳体底板上的电极槽与药物输送单元安装仓端头的金属片相连接。