电子式胰岛素笔的结构设计及实验研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.31MB 59 页 15积分

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摘要

自1921 年人类发现胰岛素以来，注射胰岛素一直是治疗糖尿病的有效手段之

一。胰岛素笔是一种将注射器和胰岛素集为一体的释药系统，使用时将胰岛素笔

芯制剂放入其中，省去了抽取胰岛素的过程，操作更简单，给药一步完成，携带

方便。

目前临床上使用的胰岛素笔为机械式结构，手动打药给手部功能不健全的患

者带来困扰。大多数胰岛素笔的最小设置剂量为 1U，不方便轻微糖尿病患者使用，

并且大都没有记忆功能，不方便查询打药记录，从而影响治疗效果。本课题的目

的是研制一款最小剂量为 0.1U、功能多样且操作简便的胰岛素笔。

本课题确定了电子式胰岛素笔的各项基本功能，完成胰岛素笔的整体设计。

为获得 0.1U 的打药精度以及实现打药过程的自动化，本课题采用直流电机作为驱

动元件，由中央处理器计算电机所需旋转的圈数，根据输注圈数控制电机的旋转，

驱动输注机构，完成输注过程，同时将打药记录到存储器中，供查询。液晶显示

屏和按键构成人机交互界面，方便患者进行打药选择或打药记录的查询。

在实验研究部分，本课题搭建出了实验平台，对整个系统进行了打药精度及

系统稳定性的测试。在不同的设定测试量中，均获得了较高的打药精度，实现了

预期的 0.1U 最小剂量设置，并且系统具有较高的稳定性，可以满足患者打药需求。

另外，本文对在测试过程中出现的电机过冲现象提出了修正补偿的方法，可进一

步完善本实验模型，从而使此药物输注系统可应用于更多药物的微量注射。

关键词：胰岛素笔药物输送药量控制直流电机减速齿轮

ABSTRACT

Since the discovery of insulin in 1921, insulin injection has been one of the most

effective treatments of diabetes mellitus. Insulin pen is a kind of medicine delivery

system that combines the insulin container with the syringe. While using a insulin pen,

the patient just needs to put the insulin container into the pen, which saves a patient

from drawing insulin off the container, makes insulin injection more easier and

convenient.

The structure of most insulin pens is mechanical, so the manual injection brings

disabled patients a lot of troubles. The minimum dose setting of comment insulin pens

is 1U, which is inconvenient for patients. Besides, the treatment might be affected the

lack of memory functions of most insulin pens, as patients or doctors can’t check the

injection history. The purpose of this research is to design a new multifunctional insulin

pen whose minimum dose setting is 0.1U.

The primary content of this research is to confirm each basic function of this

electronic insulin pen, finish the general designation. To get the injection precision of

0.1U and realize the automatic injection, this research takes the DC motor as a drive

component. CPU calculates the needed rotations and controls the rotation of the DC

motor, DC motor drives the delivery machine to finish the injection process, meanwhile

the memorizer will record the injection history for after-use checking. Patients can make

injection selection or check the injection record by LCD and buttons.

In the experimental research part, the experimental platform was assembled, the

injection precision and stability of the whole injection system were tested. In the

experiments with different testing doses, the expected minimum dose setting 0.1U was

realized, and the whole injection system got a quite high stability. Besides, this research

gives a compensatory method for the gear overswing phenomena that came up during

the experiments. So this experimental model can be improved in the future, and this

medicine delivery system can be used in the micro injection of other drugs.

Key Words：insulin pen, medicine delivery, dose control, DC motor,

reduction gear

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 研究背景 .................................................... 1

§1.2 胰岛素输注的常见方法 ........................................ 1

§1.3 国内外研究现状分析 .......................................... 3

§1.3.1 国外胰岛素笔发展历程 ..................................... 3

§1.3.2 国内胰岛素的发展 ......................................... 7

§1.4 胰岛素笔的发展趋势 .......................................... 8

§1.5 胰岛素笔驱动结构 ........................................... 10

§1.6 本课题研究内容 ............................................. 11

第二章胰岛素笔的结构设计 .......................................... 13

§2.1 基本功能设置及实现方案 ..................................... 13

§2.2 总体设计思路 ............................................... 14

§2.3 胰岛素笔外观及界面设计 ...................................... 14

§2.3.1 外观设计 ................................................ 15

§2.3.2 使用说明及界面设计 ...................................... 15

§2.4 驱动机构 ................................................... 17

§2.5 打药精度的实现 ............................................. 18

§2.6 直流减速电机 ............................................... 19

§2.7 齿轮参数选择 ............................................... 20

§2.7.1 精密齿轮传动 ............................................ 20

§2.7.2 齿轮箱传动比 ............................................ 22

§2.7.3 齿轮的齿数、模数以及几何尺寸 ............................ 24

§2.7.4 齿轮系统支承的选择 ...................................... 25

§2.8 相关部件设计 ............................................... 27

§2.8.1 传动齿轮 ................................................ 28

§2.8.2 齿轮箱夹板 .............................................. 30

§2.8.3 丝杆 .................................................... 31

§2.8.4 限位装置 ................................................ 31

§2.8.5 驱动机构的整体模型 ...................................... 33

§2.9 本章小结 .................................................... 33

第三章系统稳定性及打药精度测试 .................................... 34

§3.1 实验平台 ................................................... 34

§3.1.1 直流稳压电源 ............................................ 34

§3.1.2 精密天平 ................................................ 35

§ 3.1.3 光电传感器 ............................................. 35

§3.1.4 系统控制及按键显示屏 .................................... 36

§3.1.5 实验模型零件的加工 ...................................... 37

§3.2 测试方法 .................................................... 38

§3.2.1 测试步骤 ................................................ 39

§3.2.2 影响测试结果的关键技术 .................................. 40

§3.3 测试结果及分析 ............................................. 41

§3.4 电机过冲量测试 ............................................. 46

§3.4.1 实验改进方法 ............................................ 46

§3.4.2 过冲量测试 ............................................. 47

§3.5 本章小结 ................................................... 48

第四章总结与展望 .................................................. 50

§4.1 工作总结 ................................................... 50

§4.2 展望 ....................................................... 51

参考文献 ........................................................... 53

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 56

致谢 ............................................................ 57

第一章绪论

§1.1 研究背景

糖尿病，世界卫生组织和国际糖尿病联盟在 1999 年给出了这样的定义：糖尿

病一词是描述一种多病因的代谢疾病，特点是慢性高血糖，伴随因胰岛素分泌及/

或作用缺陷引起的糖、脂肪和蛋白质代谢紊乱[1]。胰岛素是人体内降血糖的唯一激

素，由胰腺 B细胞合成并分泌。当胰岛素分泌量少、不分泌，或者胰岛素分泌正

常，但人体对自身分泌的胰岛素产生拮抗效应等，这些情况都会导致人体无法合

理分解利用食物中的能量，血糖浓度升高，使人体内分泌紊乱，进而引起各种临

床并发症[2]。

根据世界卫生组织的统计数据，截至 2011 年9月，全世界共有 3.46 亿糖尿病

患。超过 80%的糖尿病死亡发生在低收入和中等收入国家。2004 年，全世界约有

340 万人死于糖尿病等相关疾病。而据世界卫生组织预测，2005 到2030 年期间，

糖尿病死亡数将增加一倍[3]。2010 年4月在杭州召开的第十一届国际糖尿病预防

研究学术研讨会公布了一项全国性的调查结果，目前中国的糖尿病患者已达到了

9200 万。这一数字使中国超越印度成为全球糖尿病人数最多的国家。此外，我国

还有 1.48 亿糖尿病前期患者。继心血管疾病和肿瘤之后，糖尿病成为第三大非传

染性疾病[4]。

自1921 年人类发现胰岛素以来，注射胰岛素一直是治疗糖尿病的有效手段[5]。

§1.2 胰岛素输注的常见方法

临床上，I型糖尿病患者和 50%的II 型糖尿病患者，都需要通过注射胰岛素来

调节体内血糖水平[6]。采用胰岛素治疗的原则是要尽可能的模拟人体正常胰腺分泌

胰岛素的模式。人体正常胰腺有两种分泌胰岛素的模式：1.基本分泌模式，胰岛 B

细胞 24 小时内，连续的分泌微量的胰岛素，这种模式可以维持基础血糖水平在正

常范围内；2.进餐或大量糖分摄入后，胰岛 B细胞会在短时间内大量分泌胰岛素，

以防血糖迅速升高[7]。

胰岛素的成分是蛋白质，口服会被人体的胃液消化分解，有研究提出将胰岛

素制成脂质体、液体乳剂、毫微胶囊、前体药等，与抑制剂结合的共聚物，或结

电子式胰岛素笔的结构设计及实验研究

肠靶向制剂等，但目前，尚未大量应用于临床[8]。目前，胰岛素治疗主要采用输注

方式，主要有粘膜吸收、腹腔内灌注、静脉注射以及皮下注射等几种。粘膜吸收，

主要有罐式雾化吸入胰岛素仪和鼻喷式胰岛素制剂。但经由这种方法吸入到人体

内的胰岛素不稳定，而且消耗胰岛素的量也很大，从长远来看，治疗效果不够明

显，不适于临床应用的广泛推广[9]；静脉注射胰岛素，多用于患者需要静脉补充含

糖制剂的情况，也常用于急性糖尿病合并症，如酮症酸中毒、高渗性昏迷、感染

等紧急情况的救治[10]；腹腔内灌注的方法主要用于需要进行腹膜透析治疗的肾功

能不健全的患者[11]。

皮下注射是胰岛素治疗的最常用方法，有持续皮下输注和普通注射两种方法。

持续皮下输注，即是胰岛素泵输注。胰岛素泵可以最大程度的模拟人体胰岛素的

分泌，使血糖浓度维持在一个稳定的范围内，是所有胰岛素治疗方式中效果最好

的一种[12]。但是，由于胰岛素泵操作相对复杂，耗材部分需要频繁更换，最主要

的是，价格昂贵，目前尚未被大多数患者采用。

普通注射，是在医生的指导下，根据患者的病情及每天的血糖变化情况，定

时的采用注射器或者胰岛素笔进行皮下胰岛素注射，以维持患者血糖水平的稳

定[13]。采用普通注射器输注胰岛素，因为注射器针头较粗、注射时疼痛感较强烈，

并且针头的注射死腔会引测量及药物混合等问题，从而导致注射误差，进而干扰

胰岛素的治疗效果，这种胰岛素的输注方式目前已逐步被胰岛素笔输注所代替[14]。

胰岛素笔是集注射器集与胰岛素为一体的注射装置，因最初外形类似于钢笔

而得名胰岛素笔[15]。患者在使用时需将胰岛素笔芯制剂放入其中，不仅省去了抽

取胰岛素的过程，操作简单、使用方便，而且在注射时少有疼痛感、一步完成给

药，携带方便。按照使用的是否可重复性，可分为一次性使用的胰岛素笔及可重

复使用的胰岛素笔。一次性使用胰岛素笔，在使用完自带剂量胰岛素后，即弃用。

而可重复使用的胰岛素笔，可通过更换胰岛素笔芯重复使用。

目前临床上使用的胰岛素笔的主要缺点有：一、最小设置剂量为 1单位，不

利于精确打药，不方便轻微糖尿病患者使用；二、设计不够人性化，目前市场上

的胰岛素笔大都没有记忆功能，不方便查询打药记录，并且大多数胰岛素笔输注

过程为一次性将既定剂量的胰岛素注射到患者体内后，针头需停留数秒（6秒），

等待药物吸收后才能拔出，即便如此，在拔出针头时，仍可能带出少量胰岛素，

造成精度误差，从而影响治疗效果。因此，迫切需要研制出一种能设置更小剂量、

方便操作且成本低廉的胰岛素笔[16]。

本课题受到胰岛素泵技术的启发，以泵为原型，将目前胰岛素泵所具有的精

确打药、自动打药及便于人机对话的菜单界面等功能应用于胰岛素笔上，设计一

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摘要：

摘要自1921年人类发现胰岛素以来，注射胰岛素一直是治疗糖尿病的有效手段之一。胰岛素笔是一种将注射器和胰岛素集为一体的释药系统，使用时将胰岛素笔芯制剂放入其中，省去了抽取胰岛素的过程，操作更简单，给药一步完成，携带方便。目前临床上使用的胰岛素笔为机械式结构，手动打药给手部功能不健全的患者带来困扰。大多数胰岛素笔的最小设置剂量为1U，不方便轻微糖尿病患者使用，并且大都没有记忆功能，不方便查询打药记录，从而影响治疗效果。本课题的目的是研制一款最小剂量为0.1U、功能多样且操作简便的胰岛素笔。本课题确定了电子式胰岛素笔的各项基本功能，完成胰岛素笔的整体设计。为获得0.1U的打药精度以及实现打药过程的...

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