体内胶囊式药物释放微机电系统机构设计研究

　　一、前言

　　近年来,以色列吉文成像公司研制成功一种新型胃镜胶囊,它可进入人体内拍摄图像,其核心装置是一个胶囊大小的微型摄像镜头组,大小为11mm×27mm,由微型摄像镜头、发光管、电池和电脑微芯片组成。使用时,由病人吞下的微装置随着人体肠胃的自然蠕动不断前进,并通过发光管和微型摄像镜头的配合,拍摄肠道内部图像,同时把彩色图像信号发射出来,由绑在病人腰际的无线感应仪器接收,并录制到微型无线像机里,微装置最终被病人排出。医生对微型录像机里的资料进行数据分析,即可得到诊断结果。

　　二、设计模型

　　本研究基于以色列胃镜胶囊的基础,提出一种新型无创体内胶囊式微机电系统,主要用于精确实现药剂的定量、定时输送,可直接将药剂注入到病灶部位,既提高疗效,又节约药量,减轻药剂的副作用。鉴于国内还没有相关报道,所以一旦研制成功,并能应用于临床,将产生重大意义。本文提出的胶囊式给药微系统模型如图1所示。

　　图1所示的整个结构近似药用胶囊形状,体积比普通胶囊略大一些。当在体外按下胶囊末端的定时装置下压式开关,第一级延时装置启动。口服下胶囊,胶囊随着胃肠蠕动行进,当行进到病变部位,预先设置好的第二级定时装置自动顺序启动,电机接通,带动导向螺杆旋转,与之配合的活塞向前运动,推动送药仓中的药剂,从送药孔推出药剂至病变部位,定时结束,电机停转,送药过程结束。胶囊随肠道蠕动排出体外。整个胶囊在体内的行进不需要外部提供驱动动力源,而是靠胃肠自然蠕动前行,减少了控制运行的难度和该装置体积,更不会给患者带来痛苦。

　　三、胶囊式给药微机电系统的设计

　　1.机构设计

　　整个胶囊式微机电系统的结构主要包括两大部分:运动机构部分和电路部分。

　　运动机构主要是螺杆和活塞的配合传动(如图1所示),活塞中间加工出和螺杆相配合的内螺纹,类似螺母和螺杆配合。螺杆螺纹为普通细牙,公称直径M4,套接在电机轴内。通过特微直流电机(见图2)的旋转带动螺杆同速旋转,使活塞产生沿着轴向的一个向前的推进力,推动送药仓内的药剂向外运送。表1给出了该电机型号和参数。

　　整个机构全长35mm,直径11mm。外壳以硬质塑料(可用于机加工)制成,由前、后两部分构成。前一部分用来安放传动装置和电机,后一部分安放电池和定时电路,待定位、装配好所有组件后,将前、后两部分套接,并密封、紧固。结构见图3,图4。

　　2.电路设计

　　电路部分主要是定时电路的设计。由上述工作原理可知,要实现两段时间分别定时控制,需设计成二级顺序定时控制电路。采用常用的一种模拟电路和数字电路相结合的集成件———555/556定时器。以555定时器为例说明。