实现智能电离子透入疗法的MCU智能注射装置

作者：Jonathan Dillon, David Martin

欢迎访问e展厅 展厅 4 医疗设备/医疗器械展厅 B超诊断仪, 心电图仪, CT机, 眼科设备, 裂隙灯, ... 电离子透入疗法(Iontophoresis )是一种将药物通过皮肤渗入人体体内的治疗方法。经皮肤吸收的药物是一类由电流驱动流经皮肤的带电混合物。要注入适当的剂量药物，就必须有效地控制通过皮肤的电流。可以通过采用一个自动化系统来实现这一操作。 电离子透入疗法有很多好处。首先，可以对（人体）局部非常高剂量地用药，而非整体低剂量用药。其次，局部用药的副作用要少得多。通过高剂量用药，可大大提高药物的功效。要做到这一点，预先准备特殊配方的药物，这类药物与电子结合并通过流经皮肤的电流进行传送。在过去，这需要用到大量的电子元器件和一位训练有素的护士来监测电流，并且给药点滴装置需要具有必要的安全功能来保护病人。然而，随着近年来技术的进步、开关式电源设计和成本有效、高性能的微控制器 （MCU）的出现，使得低成本或一次性输液器成为可能。本文介绍了如何利用带混合信号功能的低成本8位PIC12F683微控制器和一些现货供应的元器件 来实现这一概念设计。 实现 要通过皮肤注入药物，注射装置必须生产生足够的电压来驱动电流，以便在要求的给药时间段内提供 特定的药剂注入速率。(设计)的目的在于控制通经皮肤的电流，但为了安全起见，应确保设备不会产生过高的电压。否则，注射装置可能会脱离患者，击穿电流通 道。在这种情况下，控制电路将尝试提高电压以维持当前的流速，(将注射装置)重新接上可能会使患者感觉到不适。 使用升压调节器将来自低电压电池的电压逐步提高至足够的水平，以便让达到要求的电流流经皮肤。选用间断性升压稳压器拓扑结构，因为它不要求处理器在特定时间提供脉冲，允许通过电感的电流下降至零。这样就可以简化软件的开发。 MCU 配置有一个外部异步复位引脚（主复位/ MCLR）。降低该引脚的电平将复位和唤醒处在低功耗关断状态（休眠）的微控制器。一旦完成对某次输液，该软件马上进入睡眠状态。与MCLR引脚相连的按 钮将线路置低电平，将其从休眠模式中唤醒。当设备从睡眠中醒来后，开始执行来自复位向量的代码（程序存储器中的0x0000），其它复位(包括上电)代码 也相同。需要管理的输液量被存储在内部EEPROM，这主要取决于执行情况和所管理的药物。该电路使用两节AA碱性电池为微控制器和开关稳压器供电。 软件采用微控制器的内置模拟-数字转换器（ADC）监控加到皮肤的电压，并将其与设定阈值进行对比。如果加到皮肤的电压超出了预定值，MCU将停止开关 MOSFET，避免将电压被升太高。这一功能将输出电压限制在安全水平，使该设备不至于从(被注射者的)皮肤脱落。预定义限值由软件设置，但因为加到皮肤 的电压有可能大于MCU输入引脚所能承受的电压或者大于其ADC可以转换的电压，所以要对这一数值按比例转换。外加电压由图2中所示的电阻R1和R2换算 至微控制器的电源轨范围---0~3V。 通常，电离子透入疗法所用的电流大小会随着药物的不同而变化，并且需要依据特定药方进行确认。电流由PIC12F683的一个外部电阻R3和一个内部比较器进行控制。通过定义期望电流，范围在0.5-4毫安，比较器的阈值被设定在了代码中。 软件通过测试比较器的输出来确定电流值。如果电流超出预期值，那么微控制器不会转换MOSFET。否则，MOSFET被转换成升压，驱动更多电流通过皮肤。输出电流等于输入引脚的功率乘以转换器的效率，再除以输出电压，如以下公式所示： 输液持续的时间由一个内置的16位硬件定时器和一个16位软件定时器来控制。当达到预期剂量时，微控制器停止转换MOSFET并进入睡眠状态，再等待下一次按钮来启动。为了增加患者的舒适度，在上电顺序期间的输出电压上升速度可以调节。 1、软件流程图详细说明了这一过程。 2、从电路原理图可见设计的简洁性 在电路原理图（图2）中，Q1是主要开关晶体管。MOSFET Vds击穿和D1的击穿电压应大于电路的最大预期输出电压。当微控制器检测到输出电流低于预期大小时，它会快速地连续四次对MOSFET加脉冲以提高电压 输出。这四个脉冲将产生更大电流和加速负荷下的上升时间。或者，可用PWM驱动MOSFET，这样允许来自升压电路的更高输出。R6/C6为电流检测网 络。 由于PIC12F683体积小、成本低、配置有内部ADC、固定基准电压、集成比较器、PWM、硬件定时器和内部EEPROM，所以它被本设计选定为MCU。使用固定参考电压可省去调节器或外部参考电压，使该设计可做成一个8引脚器件以便进一步降低成本。 该设计还包含两个用于用户界面的LED，一个连接至复位部件的启动按钮。 测试结果 在测试过程中，捕捉到了如图3和4所示的波形。 采用一个10K负载时的启动波形。 采用一个20k负荷时的启动波形。 用一个1μF的陶瓷电容器作为输出电容，电压纹波如图5所示。 采用一个20K负载时的调整输出波形。 结论： The electronics required for Iontophoresis can be implemented using a small, low-cost microcontroller to control a DC/DC boost converter to drive a controlled current through the skin. The software-based control can be easily modified for additional features and for changes in the dose and duration without requiring hardware changes. 参考文献： AN1114, Switch Mode Power Supply (SMPS) Topologies.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/17/2013)