一种压电堆驱动的注射系统   0    0

[0001] 本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种压电堆驱动的注射系统。

[0002] 现有注射给药主要有静脉注射、肌肉注射和皮下注射等。静脉注射也称输液给药，现有输液装置大都由输液瓶、输液管及输液架构成，输液瓶吊挂在输液架上、依靠药液自重流动并经输液管注入到人的血管中。这种输液模式在实际使用中会带来许多问题：通过手动方法调节流量，流量控制精度不够；病人走动、如厕等情况下需他人高举输液瓶，活动不方便且输液瓶高度不够时还会使血液回流；需要病人或护理人员长时间看守，如未及时发现输液完成还可能造成事故；药液与空气接触，环境空气不洁时还有被污染的可能性。除了上述直接问题外，有时还会通过减少溶液量、加快输液速度等方法缩短输液时间，这不仅加重了心脏负担，还影响了治疗效果：肌肉注射和皮下注射在相对较短的时间内将药物注射到肌肉或皮下，其最大弊端是一个注射周期内血药浓度差异较大，不利于药物的有效吸收与利用，因为：大多数药物在人体内都有较佳浓度范围，药物浓度过高时具有毒副作用、过低时将不具治疗效果。因此，可延长药品注射时间、保持合理药品浓度的微小型便携式药品控释装置或系统是目前医疗领域所急需的。

[0003] 本发明提出一种压电堆驱动的注射系统，本发明的实施方案是：主体经螺钉安装在底座上，注射器的针筒经螺纹装在主体顶部的筒腔端部，活塞置于针筒内并与针筒构成药腔，针筒与筒腔的侧壁间设有密封垫；活塞的推杆置于筒腔内，针筒上装有带流量阀和针头的输液管；主体底部设有至少两个由导孔构成的导孔组以及与筒腔连通的出孔，从左到右各导孔组中所含导孔的数量依次减少；底座顶部设有入孔、出口腔及与导孔组及其所含导孔数量分别相等的体腔组和体腔，体腔与导孔的直径相等；各体腔组中仅一个体腔上设有进口腔和出气孔，其它体腔上仅设有通气孔；最左侧体腔组中的进口腔与入孔连通，最右侧体腔组中的出气孔与出口腔连通；同一体腔组中的出气孔经连通孔与通气孔连通，两左右相邻体腔组中的进口腔和出气孔连通；进出口腔与其内所安装的阀片分别构成进出口阀，阀片为悬臂梁阀或碟形阀；主体和底座间设隔膜，导孔和体腔对称配置在隔膜两侧，出口腔经隔膜上的通孔与出孔连通；隔膜与底座间设有密封圈，隔膜与体腔及进口阀构成压缩腔，同一体腔组内的压缩腔并联成压缩腔组，各压缩腔组串联；导孔中的压电堆将活塞压接在隔膜上，活塞为T型结构且其小端与隔膜接触、大端侧壁与导孔内壁接触；工作中，同一压缩腔组中隔膜的变形方向相同、即同一导孔组中压电堆均伸长或缩短，两相邻压缩腔组中隔膜的变形方向相反。

[0004] 以具有三个压缩腔组的注射系统为例，从右到左，导孔组依次定义为导孔组一、二和三，体腔组依次定义为体腔组一、二和三，进口阀依次定义为进口阀一、二和三，压缩腔组依次定义为压缩腔组一、二和三，则具体工作过程为：上半周内，导孔组一和三内的压电堆缩短、导孔组二中的压电堆伸长，压缩腔组一和三的容积增加、压缩腔组二容积减小，进口阀一和三开启、进口阀二和出口阀关闭，压缩腔组一和三吸入气体、压缩腔组二排出气体，此为吸入过程；下半周内，导孔组一和三内的压电堆伸长、导孔组二中压电堆缩短，压缩腔组一和三容积减小、压缩腔组二容积增加，进口阀一和三关闭、进口阀二和出口阀开启，压缩腔组一和三排出气体、压缩腔组二吸入气体，此为排出过程；上述吸入和排出过程中，气体经历了压缩腔组三、二和一的逐级累积压缩，输出压力逐级提高；逐级压缩后的气体经出孔进入筒腔并推动活塞迫使药腔内的药液输出，药液的输出速度通过压电堆的驱动电压或输液管上的流量阀控制：药液输出结束后更换新的注射器。

[0005] 本发明中，筒腔内的最大储气压力为Pmax＝P0ηp{(1+α)/(1-α)[β+(1+α)/(1-α)]n-1-1}，其中：P0为标准大气压，ηp为效率系数，α＞0为压缩比、即压电堆伸缩变形所引起的压缩腔的容积变化量与压缩腔的容积之比，β＞1为各相邻压缩腔组中所含压缩腔数量比的最小值，n≥2为压缩腔组数量；为获得最大压缩比，隔膜为0.1、0.2和0.3mm厚的铍青铜时最佳的活塞小端与大端半径比分别为0.79、0.65和0.55，压缩腔高度为压电堆受电压作用的伸长量；两相邻压缩腔组相互连通、即其间的阀片开启时，含压缩腔数量较多的压缩腔组的容积变化量不小于含压缩腔数量较少的压缩腔组的容积变化量。

[0006] 优势与特色：利用累积压缩的方法可大幅度提高气体压力；利用气体驱动药液，易于通过驱动电压精确地控制输液速度，无需吊挂装置、方便移动和携带；药液不与空气接触，不会发生药液被污染、气体进入血管及血液倒流等现象，无需实时看守、安全可靠。

[0014] 主体a经螺钉安装在底座c上，注射器z的针筒z1经螺纹装在主体a顶部的筒腔a1端部，活塞z2置于针筒z1内并与针筒z1构成药腔z3，针筒z1与筒腔a1的侧壁间设有密封垫x；活塞z2的推杆置于筒腔a1内，针筒z1上安装有带流量阀m和针头的输液管q；主体a的底部设有至少两个由导孔a2构成的导孔组Ai以及与筒腔a1连通的出孔a3，从左到右各导孔组Ai中所含导孔a2的数量依次减少；底座c的顶部设有入孔c1、出口腔c6及与导孔组Ai及其所含导孔a2数量分别相等的体腔组Ci和体腔c2，体腔c2与导孔a2的直径相等，各体腔组Ci中仅一个体腔c2上设有进口腔c4和出气孔c5，其它体腔c2上仅设有通气孔c8；最左侧体腔组Ci中的进口腔c4与入孔c1连通，最右侧体腔组Ci中的出气孔c5与出口腔c6连通；同一体腔组Ci中的出气孔c5经连通孔c9与通气孔c8连通，两左右相邻体腔组Ci中的进口腔c4和出气孔c5连通；进口腔c4和出口腔c6与其内所安装的阀片t分别构成进口阀vi和出口阀v，阀片t为悬臂梁阀或碟形阀；主体a和底座c间设隔膜g，导孔a2和体腔c2对称配置在隔膜g的上下两侧，出口腔c6经隔膜g上的通孔与出孔a3连通；隔膜g与底座c间设有密封圈，隔膜g与体腔c2及进口阀vi构成压缩腔Y；同一体腔组Ci内的压缩腔Y并联成压缩腔组Yi，各压缩腔组Yi串联；
导孔a2中的压电堆d将活塞e压接在隔膜g上，活塞e为T型结构且其小端与隔膜g接触、大端侧壁与导孔a2的内壁接触；工作中，同一压缩腔组Yi中隔膜g的变形方向相同、即同一导孔组Ai中压电堆d均伸长或缩短，两相邻压缩腔组Yi中隔膜g的变形方向相反。

[0015] 本发明中，导孔组Ai、体腔组Ci、进口阀vi、压缩腔组Yi中的i代表从右到左的序号，i＝1，2，3，...；以具有三个压缩腔组Yi的注射系统为例，从右到左，导孔组Ai依次定义为导孔组一A1、二A2和三A3，体腔组Ci依次定义为体腔组一C1、二C2和三C3，进口阀vi依次定义为进口阀一v1、二v2和三v3，压缩腔组Yi依次定义为压缩腔组一Y1、二Y2和三Y3，则具体工作过程为：上半周内，导孔组一A1和三A3内的压电堆d缩短、导孔组二A2中的压电堆伸长，压缩腔组一Y1和三Y3的容积增加、压缩腔组二Y2容积减小，进口阀一v1和三v3开启、进口阀二v2和出口阀v关闭，压缩腔组一Y1和三Y3吸入气体、压缩腔组二Y2排出气体，此为吸入过程；下半周内，导孔组一A1和三A3内的压电堆d伸长、导孔组二A2中的压电堆缩短，压缩腔组一Y1和三Y3的容积减小、压缩腔组二Y2容积增加，进口阀一v1和三v3关闭、进口阀二v2和出口阀v开启，压缩腔组一Y1和三Y3排出气体、压缩腔组二Y2吸入气体，此为排出过程；上述吸入和排出过程中，气体经历了压缩腔组三Y3、二Y2和一Y1的逐级累积压缩，输出压力逐级提高；逐级压缩后的气体经出孔a3进入筒腔a1并推动活塞z2迫使药腔z3内的药液输出，药液的输出速度通过压电堆d的驱动电压或输液管q上的流量阀m控制；药液输出结束后更换新的注射器z。

[0016] 本发明中，筒腔a1内的最大储气压力为Pmax＝P0ηp{(1+α)/(1-α)[β+(1+α)/(1-α)]n-1-1}，其中：P0为标准大气压，ηp为效率系数，α＞0为压缩比、即压电堆d伸缩变形所引起的压缩腔Y的容积变化量与压缩腔Y的容积之比，β＞1为各相邻压缩腔组Yi中所含压缩腔Y数量比的最小值，n≥2为压缩腔组Yi的数量；为获得最大压缩比，隔膜g为0.1、0.2和0.3mm厚的铍青铜时最佳的活塞e小端与大端半径比分别为0.79、0.65和0.55，压缩腔高度为压电堆d受电压作用的伸长量；两相邻压缩腔组Yi相互连通、即其间的阀片t开启时，含压缩腔Y数量较多的压缩腔组Yi的容积变化量不小于含压缩腔Y数量较少的压缩腔组Yi的容积变化量。

[0007] 图1是本发明一个较佳实施例中注射系统的结构示意图；

[0008] 图2是图1的A-A剖视图；

[0009] 图3是本发明一个较佳实施例中注射系统工作状态下的结构示意图；

[0010] 图4是本发明一个较佳实施例中主体的结构示意图；

[0011] 图5是图4的仰视图；

[0012] 图6是本发明一个较佳实施例中底座的结构示意图；

[0013] 图7是图6的俯视图。