基于MCU智能注射裝置實(shí)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(guò)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(lèi)由電流驅(qū)動(dòng)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(guò)皮膚的電流?？梢酝ㄟ^(guò)采用一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一操作。

電離子透入療法有很多好處。首先，可以對(duì)（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(guò)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(lèi)藥物與電子結(jié)合并通過(guò)流經(jīng)皮膚的電流進(jìn)行傳送。在過(guò)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(lái)監(jiān)測(cè)電流，并且給藥點(diǎn)滴裝置需要具有必要的安全功能來(lái)保護(hù)病人。然而，隨著近年來(lái)技術(shù)的進(jìn)步、開(kāi)關(guān)式電源設(shè)計(jì)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(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)這一概念設(shè)計(jì)。

實(shí)現(xiàn)

要通過(guò)皮膚注入藥物，注射裝置必須生產(chǎn)生足夠的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電流，以便在要求的給藥時(shí)間段內(nèi)提供特定的藥劑注入速率。(設(shè)計(jì))的目的在于控制通經(jīng)皮膚的電流，但為了安全起見(jiàn)，應(yīng)確保設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的電壓。否則，注射裝置可能會(huì)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(huì)使患者感覺(jué)到不適。

使用升壓調(diào)節(jié)器將來(lái)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?yàn)樗灰?a target="_blank">處理器在特定時(shí)間提供脈沖，允許通過(guò)電感的電流下降至零。這樣就可以簡(jiǎn)化軟件的開(kāi)發(fā)。

MCU 配置有一個(gè)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(duì)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(lái)后，開(kāi)始執(zhí)行來(lái)自復(fù)位向量的代碼（程序存儲(chǔ)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(chǔ)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(kāi)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(duì)比。如果加到皮膚的電壓超出了預(yù)定值，MCU將停止開(kāi)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?yàn)榧拥狡つw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(duì)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(huì)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(gè)外部電阻R3和一個(gè)內(nèi)部比較器進(jìn)行控制。通過(guò)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(guò)測(cè)試比較器的輸出來(lái)確定電流值。如果電流超出預(yù)期值，那么微控制器不會(huì)轉(zhuǎn)換MOSFET。否則，MOSFET被轉(zhuǎn)換成升壓，驅(qū)動(dòng)更多電流通過(guò)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(shí)間由一個(gè)內(nèi)置的16位硬件定時(shí)器和一個(gè)16位軟件定時(shí)器來(lái)控制。當(dāng)達(dá)到預(yù)期劑量時(shí)，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(lái)啟動(dòng)。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)。

2、從電路原理圖可見(jiàn)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔性

在電路原理圖（圖2）中，Q1是主要開(kāi)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(cè)到輸出電流低于預(yù)期大小時(shí)，它會(huì)快速地連續(xù)四次對(duì)MOSFET加脈沖以提高電壓輸出。這四個(gè)脈沖將產(chǎn)生更大電流和加速負(fù)荷下的上升時(shí)間?；蛘?，可用PWM驅(qū)動(dòng)MOSFET，這樣允許來(lái)自升壓電路的更高輸出。R6/C6為電流檢測(cè)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(shí)器和內(nèi)部EEPROM，所以它被本設(shè)計(jì)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(jì)可做成一個(gè)8引腳器件以便進(jìn)一步降低成本。

該設(shè)計(jì)還包含兩個(gè)用于用戶界面的LED，一個(gè)連接至復(fù)位部件的啟動(dòng)按鈕。

測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試過(guò)程中，捕捉到了如圖3和4所示的波形。

采用一個(gè)10K負(fù)載時(shí)的啟動(dòng)波形。

采用一個(gè)20k負(fù)荷時(shí)的啟動(dòng)波形。

用一個(gè)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(gè)20K負(fù)載時(shí)的調(diào)整輸出波形。