无创超声透皮给药系统的压电控制方法研究

发布时间：2020-06-18 19:33

【摘要】：本文针对药物依赖的慢性病患者对精确给药方法的需求,以提高给药精度和给药效率为目标,研究了无创超声透皮给药系统的压电控制方法。通过有限元算法建立了体外超声透皮给药过程中的声-液-固-热的多场耦合模型,分析了低频超声无创透皮给药促渗机制,提出了直线超声电机与超声换能器结合的压强控制策略,试制了低频超声透皮给药装置样机,验证了压强参数控制方法的可行性,实现了低频超声透皮给药的精度控制。此外,设计了一款基于压电驱动的爬行作动器,与超声给药换能器构成了一套体外透皮给药定位装置,适用于实现体外定点超声给药操作。本文主要内容如下:1.建立了无创超声透皮给药系统中声-液-固-热耦合仿真计算模型。该模型通过计算系统中声场与流场的矢量云图,与热力学平衡方程相结合可有效预测系统中温度变化,保障超声给药过程中温升满足临床安全需求(≤43℃)。理论与实验结果表明在40 V_(0p)(21 kHz)的电压驱动下,通过占空比控制方法,可使系统中最大温度从54.0℃下降到43.0℃,同时90 min内渗透率保持在0.018μMol/min,实现了临床安全温度下药液渗透率优化的目标。2.分析了不同因素对药液渗透率的影响规律,理论和实验获得了压强对药液渗透率的敏感程度。基于此,提出了一种结合超声换能器和超声电机的新型超声透皮给药系统,通过调节超声电机的驱动电压幅值和占空比,实现了药液压强连续控制,满足了体外低频超声透皮给药渗透率的控制要求,控制分辨率达到了0.07μMol/min。3.设计了基于压电作动器的爬行作动器。其长宽高为35 mm×30 mm×9 mm,质量为9克,可实现直线和转弯运动,最大速度能到达330 mm/s,最小转弯半径为102 mm。并能在速度为20 mm/s时,负载达到55克,而实验用的超声给药换能器仅为1.8克。通过Labview程序设计,在类似“倒车入库”的运动精度控制实验中,定位误差小于0.5 cm,可初步实现了超声透皮给药精确定位的功能。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH77
【图文】：

图 1.1 低频超声透皮给药系统示意图的透皮给药特性主要是源于空化效应。超声作用下药液中空化气高温和大约 5×108Pa 的高压，并伴生强烈的冲击波和 400 km/h 成裂缝或裂纹，从而达到打开皮肤渗透通道[1, 2, 36-39]的目的。201

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本文编号：2719731