基于MCU智能注射裝置 可實現(xiàn)智能電離子透入療法
電離子透入療法(Iontophoresis )是一種將藥物通過皮膚滲入人體體內(nèi)的治療方法。經(jīng)皮膚吸收的藥物是一類由電流驅(qū)動流經(jīng)皮膚的帶電混合物。要注入適當(dāng)?shù)膭┝克幬?,就必須有效地控制通過皮膚的電流。可以通過采用一個自動化系統(tǒng)來實現(xiàn)這一操作。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/199033.htm電離子透入療法有很多好處。首先,可以對(人體)局部非常高劑量地用藥,而非整體低劑量用藥。其次,局部用藥的副作用要少得多。通過高劑量用藥,可大大提高藥物的功效。要做到這一點(diǎn),預(yù)先準(zhǔn)備特殊配方的藥物,這類藥物與電子結(jié)合并通過流經(jīng)皮膚的電流進(jìn)行傳送。在過去,這需要用到大量的電子元器件和一位訓(xùn)練有素的護(hù)士來監(jiān)測電流,并且給藥點(diǎn)滴裝置需要具有必要的安全功能來保護(hù)病人。然而,隨著近年來技術(shù)的進(jìn)步、開關(guān)式電源設(shè)計和成本有效、高性能的微控制器 (MCU)的出現(xiàn),使得低成本或一次性輸液器成為可能。本文介紹了如何利用帶混合信號功能的低成本8位PIC12F683微控制器和一些現(xiàn)貨供應(yīng)的元器件 來實現(xiàn)這一概念設(shè)計。
實現(xiàn)
要通過皮膚注入藥物,注射裝置必須生產(chǎn)生足夠的電壓來驅(qū)動電流,以便在要求的給藥時間段內(nèi)提供 特定的藥劑注入速率。(設(shè)計)的目的在于控制通經(jīng)皮膚的電流,但為了安全起見,應(yīng)確保設(shè)備不會產(chǎn)生過高的電壓。否則,注射裝置可能會脫離患者,擊穿電流通 道。在這種情況下,控制電路將嘗試提高電壓以維持當(dāng)前的流速,(將注射裝置)重新接上可能會使患者感覺到不適。
使用升壓調(diào)節(jié)器將來自低電壓電池的電壓逐步提高至足夠的水平,以便讓達(dá)到要求的電流流經(jīng)皮膚。選用間斷性升壓穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),因為它不要求處理器在特定時間提供脈沖,允許通過電感的電流下降至零。這樣就可以簡化軟件的開發(fā)。
MCU 配置有一個外部異步復(fù)位引腳(主復(fù)位/ MCLR)。降低該引腳的電平將復(fù)位和喚醒處在低功耗關(guān)斷狀態(tài)(休眠)的微控制器。一旦完成對某次輸液,該軟件馬上進(jìn)入睡眠狀態(tài)。與MCLR引腳相連的按 鈕將線路置低電平,將其從休眠模式中喚醒。當(dāng)設(shè)備從睡眠中醒來后,開始執(zhí)行來自復(fù)位向量的代碼(程序存儲器中的0x0000),其它復(fù)位(包括上電)代碼 也相同。需要管理的輸液量被存儲在內(nèi)部EEPROM,這主要取決于執(zhí)行情況和所管理的藥物。該電路使用兩節(jié)AA堿性電池為微控制器和開關(guān)穩(wěn)壓器供電。
軟件采用微控制器的內(nèi)置模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)監(jiān)控加到皮膚的電壓,并將其與設(shè)定閾值進(jìn)行對比。如果加到皮膚的電壓超出了預(yù)定值,MCU將停止開關(guān) MOSFET,避免將電壓被升太高。這一功能將輸出電壓限制在安全水平,使該設(shè)備不至于從(被注射者的)皮膚脫落。預(yù)定義限值由軟件設(shè)置,但因為加到皮膚 的電壓有可能大于MCU輸入引腳所能承受的電壓或者大于其ADC可以轉(zhuǎn)換的電壓,所以要對這一數(shù)值按比例轉(zhuǎn)換。外加電壓由圖2中所示的電阻R1和R2換算 至微控制器的電源軌范圍---0~3V。
通常,電離子透入療法所用的電流大小會隨著藥物的不同而變化,并且需要依據(jù)特定藥方進(jìn)行確認(rèn)。電流由PIC12F683的一個外部電阻R3和一個內(nèi)部比較器進(jìn)行控制。通過定義期望電流,范圍在0.5?4毫安,比較器的閾值被設(shè)定在了代碼中。
軟件通過測試比較器的輸出來確定電流值。如果電流超出預(yù)期值,那么微控制器不會轉(zhuǎn)換MOSFET。否則,MOSFET被轉(zhuǎn)換成升壓,驅(qū)動更多電流通過皮膚。輸出電流等于輸入引腳的功率乘以轉(zhuǎn)換器的效率,再除以輸出電壓,如以下公式所示:
輸液持續(xù)的時間由一個內(nèi)置的16位硬件定時器和一個16位軟件定時器來控制。當(dāng)達(dá)到預(yù)期劑量時,微控制器停止轉(zhuǎn)換MOSFET并進(jìn)入睡眠狀態(tài),再等待下一次按鈕來啟動。為了增加患者的舒適度,在上電順序期間的輸出電壓上升速度可以調(diào)節(jié)。
1、軟件流程圖詳細(xì)說明了這一過程。
2、從電路原理圖可見設(shè)計的簡潔性
在電路原理圖(圖2)中,Q1是主要開關(guān)晶體管。MOSFET Vds擊穿和D1的擊穿電壓應(yīng)大于電路的最大預(yù)期輸出電壓。當(dāng)微控制器檢測到輸出電流低于預(yù)期大小時,它會快速地連續(xù)四次對MOSFET加脈沖以提高電壓 輸出。這四個脈沖將產(chǎn)生更大電流和加速負(fù)荷下的上升時間。或者,可用PWM驅(qū)動MOSFET,這樣允許來自升壓電路的更高輸出。R6/C6為電流檢測網(wǎng) 絡(luò)。
由于PIC12F683體積小、成本低、配置有內(nèi)部ADC、固定基準(zhǔn)電壓、集成比較器、PWM、硬件定時器和內(nèi)部EEPROM,所以它被本設(shè)計選定為MCU。使用固定參考電壓可省去調(diào)節(jié)器或外部參考電壓,使該設(shè)計可做成一個8引腳器件以便進(jìn)一步降低成本。
該設(shè)計還包含兩個用于用戶界面的LED,一個連接至復(fù)位部件的啟動按鈕。
測試結(jié)果
在測試過程中,捕捉到了如圖3和4所示的波形。
采用一個10K負(fù)載時的啟動波形。
采用一個20k負(fù)荷時的啟動波形。
用一個1μF的陶瓷電容器作為輸出電容,電壓紋波如圖5所示。
采用一個20K負(fù)載時的調(diào)整輸出波形。
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