基于MCU智能注射裝置實現智能電離子透入療法

電離子透入療法(Iontophoresis )是一種將藥物通過皮膚滲入人體體內的治療方法。經皮膚吸收的藥物是一類由電流驅動流經皮膚的帶電混合物。要注入適當的劑量藥物，就必須有效地控制通過皮膚的電流?？梢酝ㄟ^采用一個自動化系統(tǒng)來實現這一操作。

電離子透入療法有很多好處。首先，可以對（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。通過高劑量用藥，可大大提高藥物的功效。要做到這一點，預先準備特殊配方的藥物，這類藥物與電子結合并通過流經皮膚的電流進行傳送。在過去，這需要用到大量的電子元器件和一位訓練有素的護士來監(jiān)測電流，并且給藥點滴裝置需要具有必要的安全功能來保護病人。然而，隨著近年來技術的進步、開關式電源設計和成本有效、高性能的微控制器（MCU）的出現，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功能的低成本8位PIC12F683微控制器和一些現貨供應的元器件來實現這一概念設計。

實現

要通過皮膚注入藥物，注射裝置必須生產生足夠的電壓來驅動電流，以便在要求的給藥時間段內提供特定的藥劑注入速率。(設計)的目的在于控制通經皮膚的電流，但為了安全起見，應確保設備不會產生過高的電壓。否則，注射裝置可能會脫離患者，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前的流速，(將注射裝置)重新接上可能會使患者感覺到不適。

使用升壓調節(jié)器將來自低電壓電池的電壓逐步提高至足夠的水平，以便讓達到要求的電流流經皮膚。選用間斷性升壓穩(wěn)壓器拓撲結構，因為它不要求處理器在特定時間提供脈沖，允許通過電感的電流下降至零。這樣就可以簡化軟件的開發(fā)。

MCU 配置有一個外部異步復位引腳（主復位/ MCLR）。降低該引腳的電平將復位和喚醒處在低功耗關斷狀態(tài)（休眠）的微控制器。一旦完成對某次輸液，該軟件馬上進入睡眠狀態(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。當設備從睡眠中醒來后，開始執(zhí)行來自復位向量的代碼（程序存儲器中的0x0000），其它復位(包括上電)代碼也相同。需要管理的輸液量被存儲在內部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關穩(wěn)壓器供電。

軟件采用微控制器的內置模擬-數字轉換器（ADC）監(jiān)控加到皮膚的電壓，并將其與設定閾值進行對比。如果加到皮膚的電壓超出了預定值，MCU將停止開關 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，使該設備不至于從(被注射者的)皮膚脫落。預定義限值由軟件設置，但因為加到皮膚的電壓有可能大于MCU輸入引腳所能承受的電壓或者大于其ADC可以轉換的電壓，所以要對這一數值按比例轉換。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隨著藥物的不同而變化，并且需要依據特定藥方進行確認。電流由PIC12F683的一個外部電阻R3和一個內部比較器進行控制。通過定義期望電流，范圍在0.5?4毫安，比較器的閾值被設定在了代碼中。

軟件通過測試比較器的輸出來確定電流值。如果電流超出預期值，那么微控制器不會轉換MOSFET。否則，MOSFET被轉換成升壓，驅動更多電流通過皮膚。輸出電流等于輸入引腳的功率乘以轉換器的效率，再除以輸出電壓，如以下公式所示：

輸液持續(xù)的時間由一個內置的16位硬件定時器和一個16位軟件定時器來控制。當達到預期劑量時，微控制器停止轉換MOSFET并進入睡眠狀態(tài)，再等待下一次按鈕來啟動。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節(jié)。

2、從電路原理圖可見設計的簡潔性

在電路原理圖（圖2）中，Q1是主要開關晶體管。MOSFET Vds擊穿和D1的擊穿電壓應大于電路的最大預期輸出電壓。當微控制器檢測到輸出電流低于預期大小時，它會快速地連續(xù)四次對MOSFET加脈沖以提高電壓輸出。這四個脈沖將產生更大電流和加速負荷下的上升時間。或者，可用PWM驅動MOSFET，這樣允許來自升壓電路的更高輸出。R6/C6為電流檢測網絡。

由于PIC12F683體積小、成本低、配置有內部ADC、固定基準電壓、集成比較器、PWM、硬件定時器和內部EEPROM，所以它被本設計選定為MCU。使用固定參考電壓可省去調節(jié)器或外部參考電壓，使該設計可做成一個8引腳器件以便進一步降低成本。

該設計還包含兩個用于用戶界面的LED，一個連接至復位部件的啟動按鈕。

測試結果

在測試過程中，捕捉到了如圖3和4所示的波形。

采用一個10K負載時的啟動波形。

采用一個20k負荷時的啟動波形。

用一個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20K負載時的調整輸出波形。