电磁式齿内急救系统的研究与设计

许晟鑫 宋淼杉

摘   要：现如今，心血管疾病已经成为人类生命健康安全的一大威胁，及时采取急救措施，提高救治率，刻不容缓。本文提出了一种以电磁控制的，用于患者发病时自动急救的微型急救系统，设计了微型急救系统中置于齿内的药物释放装置的结构，分析其功能，并对该装置的安全性和适应性进行了讨论。

关键词：电磁控制  微型机械  齿内  急救

中图分类号：TH12                                  文献标识码：A                       文章編号：1674-098X（2020）04（c）-0072-02

Abstract： Nowadays， cardiovascular disease has become a major threat to human life and health， and the gradual maturity of drug concentration technology provides the possibility for the design and development of micro emergency devices. In this paper， a micro emergency system is proposed， which consists of three parts： the hand ring for disease detection， the signal transmission system and the drug release device in the tooth. By detecting the heart rate and other parameters， the disease signal is sent to the device in the tooth， and the magnetic force is controlled by the current and coil to control the start of the device. The structure and function of the device are analyzed and designed， and the working mode， material， safety， tightness， strength and rigidity of the device are further analyzed and discussed.

Key Words： Electromagnetic control; Micromechanical; Internal tooth; First aid

随着现代化程度的加深和生活水平的逐渐提高，心血管疾病已成为当今社会最为常见的疾病之一。作为世界上人口最多、老龄化问题最为严重的国家之一，我国面临着严峻的考验。据估计，全国心血管疾病患者超过两亿，成年人患病率高达20%。全国每年因其死亡人数约350万人，平均每10s就有一人死亡，占死亡总数的41%。因此，及时采取急救措施，提高救治率，刻不容缓。

据医学观察，能否及时服用急救药物，将直接决定病人的安危。但大多数患者，尤其是老年患者，往往体质差，行动不便，且在发病状态下伴有肌肉痉挛等症状，致难以自主服用急救药物。这种情况下，设计一种能自动监测，自主释放的急救系统便尤为重要。本文在急救系统的整体上分析、设计了药物释放装置的结构，并进行了相关性讨论。

1  电磁式微型急救系统设计总述

微型急救系统主要有发病检测手环、信号传送系统和位于齿内的药物释放装置三部分组成。前两部分现今已有较为成熟的设计和产品本文主要讲述终端部分——   微型齿内药物释放装置的研究与设计。

本文所述的微型齿内急救药物释放装置具有体积小，反应快速，不需要正常活动能力，无需额外操作的特点。可在紧急情况下对老人实施急救，比常规便携性药盒更方便可靠，起效更快，防止老人错过最佳急救时间。

该装置将急救药物装入人工牙齿中，并将人工牙齿以牙科种牙的方式植入使用者的口腔，并在患者发病时自动释放，打破了常规药盒的思维，省去了服药过程，减少了各个环节的风险与不确定因素。

但该装置嵌于牙齿中，体积较小，属于小微型机构。且置于人体口腔中，环境复杂，对安全性和舒适度的要求较高，故加工、组装、调试较为困难。整个装置受到空间和加工工艺限制，具有一定的挑战性。

微型齿内急救药物释放装置可延伸出多种急救装置，如急救牙套等，在医用方面有很大发展空间。

2  微型齿内药物释放装置的设计

2.1 药物释放装置

由图1所示，微型齿内药物释放装置主要由外壳、挡板系统、内舱和密封装置组成。

2.2 外壳

外壳主要用于保持装置的整体形态和相对独立，使装置内部不暴露在口腔的复杂环境中。外壳底部应设置两个小空间以分别容纳微型电池和微型弹簧。外壳应与人工牙齿作为一体式结构，若考虑减少成本和更换方便，可与人工牙齿分离，但要保证两者为过盈配合或增加键、槽等。此外，外壳应设置小孔通道以穿过电线，使微型电池和挡板系统中的壁侧线圈相连接。外壳的紧缩处下表面应考虑装置启用后的密封。

2.3 挡板系统

挡板系统由滑块、附于滑块上的磁铁、弹簧、附于外壳上的线圈及磁铁组成，非工作状态时，滑块下底面为工作面，主要用于与底部弹簧一起，轴向固定内舱。壁侧线圈中放置一磁铁，称之为壁侧磁铁。壁侧线圈与壁侧磁铁用人体硅胶定位、密封并贴合于外壳。附于滑块上的磁铁称之为滑块磁铁。弹簧连接滑块和壳体，但应注意避开两端磁铁。弹簧的弹簧常数k值不应太小，以免晃动时造成滑块移动，进而导致整个装置非正常启动。滑块的数量和联动性可根据具体要求适当调整。（见图2）。

2.4 内舱的设计

内舱主要用于贮存急救药物。内舱外部应设置有与挡板系统相配应的圆盘状凸起（内舱圆盘），内部应有用于刺破密封层的破封柱。当该急救装置启动时，内舱在底部弹簧力的作用下逐渐向上运动，直至破封柱突破密封层。破封柱可设计成锥形或尖角，以使其能顺利刺破密封层。（见图3）。

2.5 密封装置的设计

密封装置主要用于封闭整个装置，使装置内部与口腔环境相隔离，包括密封层和密封圈两部分。密封层位于装置开口处，用于装置未启动时的密封，且应保证从装置内部较易突破而从外部较难突破。可从密封层形状和结构（如设置沟槽）方面实现这一点。密封圈位于外壳阶梯处内壁上，装置启动后，内舱圆盘与之紧密接触，以达到密封的目的。

3  药物释放装置的相关讨论

3.1 安全性讨论

安全性是任何一款产品都必须要考虑的问题，尤其是本装置这种直接用于人体的、涉及电和磁的小微型装置。

本装置的安全性主要从三个方面考虑，一是装置材料本身的安全性，此处主要考虑外壳和密封圈。外壳的材料应选用无毒无害且能良好适应人体口腔环境的材料，可考虑与烤瓷牙等人工牙齿相同或相似的材料，亦可选用无毒害的塑料、树脂等材料。密封圈材料也应选择无毒无害且能良好适应人体口腔环境的材料。目前考虑的比较合适的材料为人体硅胶等。

二是装置整体及各部分密封性的考虑。装置未启动前，装置整体应当完全密封，装置内部的电源、电感、导线等也应完全固定并密封。装置启动后，密封层被破坏，原整体装置的密封即失效。当装置的启动过程结束后，内舱上升至极限位置，此时挡板与密封圈紧密贴合，形成新的密封结构，保证启动后的装置整体密封性。启动过程中和启动后装置内部的电源、电感、导线等部件的密封不变。

三是装置整体及各部分刚度强度等的考虑。此急救装置置于齿内，长期浸没在口腔液体环境内，应当有一定的抗腐蚀能力。此外，在咀嚼过程中，牙齿受反复作用的挤压力，因此要求较高的疲劳强度和抗挤压能力。

3.2 适应性讨论

本装置主要用于患有心血管疾病的中老年群体，该装置置于其牙齿中（主要是人工种牙）。考虑牙齿的形状、体积等因素，本装置应以单齿型为主。但在极特殊情况下，也可以考虑对该装置进行进一步设计与改造，使其适用于多齿，以达到增大内含药剂量或增大该装置壁厚以增强整体结构强度的目的。

4  结语

本装置是一种用于心血管疾病急救的微型机械结构，用于患者突然发病的急救。该装置主要由外壳、内舱、挡板系统、密封层四部分组成，以通讯信号进行触发，以磁力和弹簧力进行驱动，使治疗药物可以快速进入人体口腔，继而发挥效用。该装置还考虑了口腔复杂环境下的安全性和适应性，对于未来微型机械与医疗领域的交叉研究有一定参考价值。

参考文献

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