应用于医疗精确给药的微型压电驱动系统的研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zuhai
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传统的内镜手术在治疗肿瘤和息肉等疾病时,如果病灶位于动脉血管等特殊位置附近,将导致无法采用手术切除的方法对患者进行治疗,而常规治疗方法(如化疗和放疗)又存在一定的局限性,不利于提高病患的生存率。近些年随着超声技术的发展,超声药物控释技术可以实现局部肿瘤靶向药物的释放,但是由于内窥镜的尺寸限制,目前缺乏微型超声探头驱动装置。因此,本文研制了一套基于压电精密驱动的微量注射系统,用来精确控制药量;设计了一款应用于内窥镜活检通道的双足式压电作动器来驱动超声换能器,用于内窥镜中精确给药装置的驱动控制。本文的主要研究工作如下:1.本文利用杆式直线超声电机作为驱动元件设计了一套微量注射系统,其中电机的整体尺寸为4 mm×4 mm×15 mm,通过调控电压和占空因数,可以精确地控制超声电机注射系统的流速;在无减速机构的情况下,系统的调速范围为0.01μL/s到61.87μL/s,精度高于传统医用注射泵的最低流速0.028μL/s。2.为了实现在内窥镜活检通道中对超声换能器或其他给药装置进行驱动,本文设计了一种双足式压电作动器,其整体尺寸仅为6 mm×2 mm×2 mm,重量为0.135 g,通过有限元仿真计算,分析了作动器基于二阶弯振的驱动原理,实现了在狭窄腔道中的直线精确运动;提出了通过磁场控制预压力的方法,可以有效提高作动器的驱动性能(速度和输出力)。实验结果表明其在200 Vp-p电压和113 kHz频率下,最大速度可以达到200 mm/s,最大输出力为10 mN,启动时间为6 ms,并且可以实现从0.15 mm/s到200 mm/s的大范围调速。3.为了进一步适应内窥镜狭小空间的要求,本文对双足式压电作动器进一步微型化,总体尺寸缩小为4.5 mm×1.5 mm×1.5 mm,重量为0.063 g,并提出了永磁体导轨为作动器提供预压力的驱动方法,实现了在内窥镜的活检通道(直径小于3 mm)内的安装与驱动控制。在200Vp-p电压和106 kHz频率下,作动器的最大速度为168 mm/s,满足内窥镜活检通道中的工作需求。
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