基于压电驱动的胰岛素给药微泵研究

发布时间：2020-05-05 05:25

【摘要】：在糖尿病患病率逐年上升的大背景下,患者对佩戴便携式胰岛素泵维持体内正常胰岛素量的需求不断增加。面对传统柱塞式胰岛素泵价格居高不下等问题,基于压电驱动的胰岛素泵的研制可免除微型步进电机与精密传动装置的使用,从而降低胰岛素泵的成本,有利于产品的迅速普及。同时压电驱动的胰岛素泵在驱动原理上与传统柱塞式胰岛素泵有很大不同,利用的是压电材料在变化的正负电压驱动下所产生的形变配合阀门驱动液体单向流动,结构中没有传动部件,有进一步向微小型化发展的潜力,拥有巨大的市场价值。本文以用于便携式胰岛素泵的压电微泵作为研究重点。为了确定其重要组成部件压电振子及悬臂梁单向阀的结构参数,本文在理论计算的基础上,建立了压电振子及悬臂阀门的仿真模型,通过有限元仿真的手段分析了组件的运动特性,计算组件的固有频率、振动幅度等重要参数。最终通过优化设计分析确定了零部件原始参数。为进一步研究悬臂阀在工作过程中与液体的相互作用,以及进行微泵腔体流道设计,对压电泵所涉及的流体区域进行建模,通过仿真软件ANSYS Workbench与Fluent的联合分析,将双向固液耦合分析的手段引入有阀压电微泵的设计之中,细化了阀门形状设计、确定了阀门与泵体间的配合尺寸、安装间隙及出口流道形式。并结合上述分析分别对单腔体和双腔体微泵结构进行设计。为满足压电微泵设计前期测试的需要,设计了压电泵驱动电路。形成了前端由单片机控制输出频率,后端由互补放大电路进行幅度调节的方波输出形式的驱动电路的方案,制作了驱动电路板。对压电胰岛素泵的各组成部件进行了小批量加工试制,装配出实验样机,并对批量生产工艺进行了研究。对制作的样机进行性能测试,通过多次反复实验来调整胰岛素压电泵的各尺寸参数,确定最佳性能的制造及装配参数,寻找压电微泵的最佳工作点,测试出此时压电泵输出的流量、压力及流量的最小分辨量。并对便携式压电胰岛素泵整机的开发进行了宏观上的探索。
【图文】：

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检保证输入精度，每小时最小输入 0.01 U，输入精度达 2%，IPX8 防水标准，可记录前 500 次输入历史。罗氏ACCU-CHEK型胰岛素泵如图1-3 b)所示，其基本参数与前面提到的丹纳IIS型胰岛素泵相仿，不同之处在于罗氏ACCU-CHEK型胰岛素输注系统包括一个胰岛素泵和一个带血糖仪功能的智能控制器。胰岛素泵与控制器（血糖仪）之间可以依靠蓝牙无线连接技术实现双向连接。无需操作胰岛素泵，用户可以借助于ACCU-CHEK Performa Combo控制器，，对泵的功能进行远程控制。其最小基础率每小时0.05 U，每3分钟输注一次。有堵管预警功能，可检测管路是否通畅。a) 丹纳 IIS 胰岛素泵 b) 罗氏 ACCU-CHEK 型胰岛素泵图 1-3 柱塞式胰岛素泵产品国内也有类似的同类产品，参数与上面两款大致相仿，有些许落后于国际产品

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图 1-4 Jewel Pump 压电胰岛素泵样机图 1-5 吉林大学压电胰岛素泵样机该样机在 36 V 电压，频率 160 Hz 的驱动条件下，最大输出压力为 14.6小输出分辨量（200 Hz 条件下）达到 0.3 μl（相当于胰岛素在 100 U 浓度射 0.03 U）[18]。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH789

【参考文献】