核酸提取仪用多轨道注射泵设计与研究

王春政 原 远

（韶关学院,广东 韶关 512005）

核酸提取仪是应用配套的提取试剂自动完成样本核酸提取工作的仪器。在临床上，注射泵又被称为注射输液泵[1]，主要用于注射给药。相比于普通的输液泵，注射泵在小剂量给药方面具有较大的优势，如给药的精度高，配药较为灵活，处理过程简单，流速波动小等[2]。注射泵可以使药物进入患者体内的速度更加均匀准确，从而更高效地发挥药物本身的作用，提高给药的效率和灵活性，同时还可以减少医护人员的工作强度。

1 研究现状

国外对注射泵的研制比较早，并且应用范围广。德国贝朗公司［B.Braun Medical (H.K.) Ltd］曾在1951年发明了第一台医用注射泵，到现在已经有半个多世纪的历史了[3]。国外注射泵型号多样，稳定可靠，但其价格昂贵，使得注射泵在国内医疗机构尤其是农村医院、诊所等中小型医疗机构难以推广[4]。

我国在20世纪90年代中期已经开始研制注射泵，到目前已经拥有了非常多的国产注射泵，例如WZS-50F6注射泵（由浙江大学研制，双通道，注射精度±2%）[4]。与国外注射泵产品相比，国内注射泵具有价格上的优势，但在注射精度控制和最小速率控制方面存在很大的差距。目前国内的研究多为单轨道注射泵，多轨道注射泵研究较少，与核酸提取仪配合使用的多轨道注射泵研究更少。

多轨道注射泵能够在满足单轨道注射泵的前提下，可以提高注射效率。因此，本文从使用效率上出发，利用多轨道注射泵的特点，以及结合核酸提取仪的需求，研究了一款适用于核酸提取仪的多轨道注射泵，以满足医疗机构的需求。

2 核酸提取仪用多轨注射泵总体方案设计

核酸提取仪用多轨注射泵的动力系统由动力源、减速传动机构、螺杆副和注射机构组成。

2.1 工作原理

多轨道注射泵的整体结构如图1所示，多轨道注射泵采取了螺旋进给的方式进行药液注射。多轨道注射泵电机的转动由控制器控制，输入的扭矩由减速机和螺杆机构转变为推力，以推动注射泵注射液体。通过控制电机的转速，可以有效地控制注射速率，使整个注射过程更加方便。

图1 多轨道注射泵结构原理图

2.2 总体方案

本文所设计的多轨道医用注射泵，拟采用泵体独立的结构形式，即每个泵单独有一个完整的控制系统。初步选用四泵组合的结构形式，采用4个独立的步进电机分别驱动4个丝杠结构，实现独立控制，如图2所示。

图2 多轨道注射泵三维图

多轨道医疗泵主要由电机、联轴器、丝杠轴、丝杠支架、注射泵支架、活塞杆、泵体、注射螺栓等组成，每个注射泵采用单独的驱动系统、独立的丝杠支架等，且同时采用单独的电机进行驱动，以实现独立注射。

电机输出轴通过联轴器与丝杆连接，当电机转动时带动丝杆进行旋转，并推动与丝杆连接的注射泵进行注射。通过外部的控制程序能够做到分别驱动4台电机独立运动，以实现单独注射或者实现同时注射。

2.3 泵体设计

2.3.1 泵体材料选取

由于核酸提取仪用多轨道注射泵注射的药液可能含有酸、碱和有机溶液等腐蚀液，所以本设计选取Acrylics（亚克力）做泵体的材料。

2.3.2 基座设计

选用铝合金作为基座底材料，基座的结构如图3所示。

图3 基座的结构图

基座用于安装各机械传动装置，以实现医疗注射泵的注射动作，因此在基座上铣削加工出长圆槽。

2.4 丝杠固定座设计

丝杠在运动过程中需要支撑，其支撑材料为铝合金，结构如图4所示。

图4 丝杠支撑单元

图4所示的丝杠支撑座上部螺纹孔为预留扩展孔，通过预留扩展孔可以增加注射泵的直径，实现多注射泵组合。中间大孔为轴承座孔，用于轴承的安装。底部铣削加工出长圆键及螺纹孔，用于定位及安装。

2.5 柱塞和柱塞套设计

图5为多轨道注射泵泵体柱塞和柱塞套，其中泵塞在泵体里面，注射泵通过注射泵固定块和连接座连接，通过前后运动可以达到注射液体的效果。滚珠丝杆正反旋转一周，每个柱塞则完成吸、压液体一次。

图5 注射泵组件

泵塞和泵体要求较高的精密度、低摩擦以及生物抗药性等，因此选用SiC陶瓷[4]。该材料具有优良的高抗弯强度、优异的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高耐磨性和低摩擦系数，以及高温力学性能（强度、抗蠕变性等）。

3 传动系统设计

3.1 传动方案选择

由核酸提取仪用多轨道注射泵总体方案设计分析可知，注射泵的运行是由电机通过传动装置来控制的，电机在整个注射泵控制系统中起着至关重要的作用。电机的控制精度是整个系统传动精度控制的关键。

步进电机具有价格低廉、控制精度好、安全稳定等特点，因此本文设计的多轨道注射泵采用步进电机传动形式实现传动控制。因注射泵需要控制传动精度，其传动过程需要平稳可靠，因此本设计采用丝杠传动控制，用于将旋转运动变为直线运动，同时传递动力。

3.2 电机选择

查阅同类产品的设计经验，本设计拟采用14W60KTYZ永磁同步电机，其转矩为15-600N·cm，转动惯量为38 g·cm2，空载启动转速为1～110r/min。该电机的优点表现为寿命长、尺寸小、力矩大、质量小（0.25 kg），非常适合作为便携设备的动力源。

3.3 丝杠选型

人体注射一般采用静脉注射，静脉压强正常值一般为0.49～1.18 kPa。一般注射泵针头的直径为0.45 mm，则多轨道注射泵的单轨道压力为

根据医学注射泵的速度要求，最大流速不超过600～900 mL/h，因此，根据注射管的直径，本文设计的注射泵丝杆的推进速度为4.82～7.23×10-5m/s。在满足注射推进速度的要求下，可选择丝杠的初始标定速度为0.02 m/s。当注射泵启动时，其加速时间为0.1 s，有效行程暂定为100 mm，精度要求较高的情况下丝杆选择0.1 mm[6]，则丝杠的计算如下：

（2）丝杠的最大轴向力

（3）丝杠形式选择

根据滚珠丝杠的轴向推力F轴=31.177 N，推荐将F轴乘以4～8之间的一个系数。由于注射泵速率低且使用频率较低，所以其可靠度要求不高的情况下，选择4倍系数，则轴向安全力为F=4F轴=124.708 N。根据上述压力，选择了BNK1002-3RRG0-C3的丝杠，其动负荷是1500 N，完全满足124.708 N的压力要求。该型号的丝杠公称直径为10mm，丝杠导程为4 mm/r，效率96%。

（4）移动速度计算

在普通螺旋传动中，螺杆（或螺母）的移动速度由导程决定，即

式中，L为移动速度，其单位为mm/min；n为转速，其单位为r/min；S为导程，其单位为mm。根据选择的丝杠，其导程为4 mm，注射泵用电机最低转速为1 r/min，将其代入式（3）可知移动速度L=4 mm/min=6.7×10-5m/s。该计算结果满足上述注射泵推进速度为4.82～7.23×10-5m/s的要求。

3.4 电机的选型校核

滚珠丝杠的驱动扭矩

上述选型的42BYG250A-SASSML-0151步进电机，其许用扭矩为230 N·mm，大于滚珠丝杠的驱动扭矩20.7 N·mm。因此电机选型合适。

通过上述的计算分析，选用42BYG250A-SASSML-0151式步进电机带动BNK1002-3RRG0-C3型号的滚珠丝杠，可以很好地实现注射泵的多轨道和单轨道的注射功能。

4 结语

本文根据核酸提取仪和多轨道注射泵的特点进行研究，设计了一款用于核酸提取仪的多轨道注射泵。通过结构介绍和选型设计得知，多轨道注射泵能够满足使用性能要求，可以提高注射效率，符合核酸提取仪对多轨道注射泵的需求。