بخشی از مقاله
چکیده -
در این طرح پژوهشی طراحی اجزای مکانیکی و سیستم کنترل دستگاه تزریق سرنگ با استفاده از میکروکنترلر AVR و سنسورهای فشار، تعیین موقعیت و تشخیص حباب انجام گرفته است. این دستگاه با استفاده از پتانسیومتر اندازه و نوع سرنگ را تشخیص داده و حجم تزریق را محاسبه می کند. دبی مورد نظر برای تزریق محلول سرنگ توسط کاربر از طریق کی پد انتخاب می شود و با زدن کلید استارت استپر با حرکت پیستون سرنگ عمل تزریق را انجام می دهد. بدین ترتیب این دستگاه می تواند با اندازه گیری حجم مایع تزریقی، طبق سرعت و برنامه مشخص محلول را به بدن بیمار تزریق کند و در صورت نزدیک شدن به خالی شدن سرنگ و اتمام کامل تزریق مقدار مایع مورد لزوم بطور خودکار ضمن هشدار دادن شلنگ را مسدود می نماید.
این دستگاه همچنین با استفاده از سنسور تشخیص حباب تا قبل از ورود هوا به بدن بیمار یا ایجاد هرگونه مشکلی از جمله انسداد در شلنگ تزریقی، بطور خودکار عمل تزریق را متوقف کرده و با تولید صدا و نمایش پیغام بروز مشکل را هشدار می دهد.
مقدمه
یکی از روشهای تجویز دارو، روش تزریقی است. در این روش داروی تزریق شده قابل برگشت نیست، بنابراین دقت و احتیاط در آماده سازی و تجویز دارو ضروری است. از آنجایی که تزریق کنترل نشده برخی از داروهای خاص به بدن باعث اوردوز - Overdose - می شود و خطرات جانبی را برای بیمار در بر خواهد داشت، نیاز به طراحی دستگاهی می باشد که به پرسنل بیمارستانی این امکان را بدهد که دارو مورد نظر را در زمان طولانی و دقت بسیار زیادی، با سرعت ثابت به بدن فرد بیمار تزریق کنند. پمپ تزریق سرم - infusion pump - و تزریق سرنگ - Syringe pump - از جمله دستگاه هایی می باشند که به کمک آن ها در بخش های ویژه بیمارستانی مایعات با حجم مشخص را با دقت بسیار زیاد به فرد بیمار تزریق می کنند.
معادلات سرعت و فشار پمپ تزریق سرنگ
در دستگاه پمپ سرنگ سرعت تزریق مایع به خارج سرنگ به فشار اعمالی به وسیله پیستون بستگی دارد. فشار اعمال شده بر روی سرنگ و سرعت تزریق مطابق با قانون پاسکال و برنولی محاسبه می شوند.
محاسبه سرعت سیال: با توجه به قانون بقای جرم - conservation of mass - ، جرم عبوری سیال در هر مکان لوله یکسان است - شکل . - 1 بنابراین با کاهش سطح مقطع طبق فرمول - 1 - سرعت جابجایی افزایش می یابد.
هدف این مقاله طراحی دستگاهی است که با استفاده از آن می توان با اندازه گیری حجم مایع تزریقی، طبق برنامه مشخص و در زمان خاص محلول را به بدن بیمار تزریق نمود.
شکل :1 قانون پاسکال در سطح مقطع با قطر متفاوت
Flow rate through A1 = Flow rate through A2 1 1 1 = 2 2 2 = const×× - 1 -
که در آن - چگالی مایع، - سطح مقطع لوله، - سرعت مایع است که معمولاً چگالی ثابت فرض می شود.
از این رابطه می توان برای تعیین سرعت سیال در نازل سرنگ که در آن -p فشار - Pa - ، – چگالی سیال - Kg/m3 - ، و -g طبق جدول 1 استفاده نمود. شتاب گرانشی - m/s2 - ، -h ارتفاع سیال - m - در لوله است.
جمله دوم در هر دو طرف بیانگر انرژی جنبشی و جمله سوم انرژی پتانسیل گرانشی است.
شکل :2 قانون پاسکال سرنگ
- 2, 1 مساحت پیستون سرنگ و مساحت خروجی سرنگ به ترتیب - mm2 - ،, 2, 1 سرعت پیستون سرنگ و سرعت مایع خروجی از سرنگ - mm/s - است. فرض کنید که سیال از یک سرنگ 10ml با قطر 14.5mm با سرعت 2 mm/s در حال جریان است. سرعت سیال را در سوزن مدل D21G x30L با قطر 0.51 mm برابر است با:
1 1 = 2 2 = const
2 = 1 1 = 1616.7mm/s 2
جدول -1 قطر سرنگ و سوزن براساس نوع آن
شکل :4 قانون برنولی
اغلب، تزریق مایع به داخل کانال کوچک با استفاده از پمپ سرنگ در حالت افقی می باشد. بنابراین ارتفاع جریان داخل و خروجی از سرنگ یکسان - ℎ1 = ℎ2 - بوده و قابل ساده سازی در معادله - 2 - می باشند.
با استفاده از معادله پیوستگی - - 3، ملاحظه می شود که سرعت سیال در قسمت باریک افزایش، اما فشار آن کاهش می یابد، زیرا با تغییر انرژی جنبشی در یک سمت برای تعادل در معادله بایستی فشار کاهش یابد. در واقع این اختلاف فشار است که باعث می شود سیال در قسمت باریکتر سریعتر جریان پیدا کند. در شکل 5 بیشترین فشار در قسمت A، سپس در قسمت C و بعد در قسمت B است.
شکل :3 مشخصات سوزن سرنگ O. D. - مخفف قطر خارجی و. I. D مخفف قطر داخلی سوزن سرنگ -
محاسبه فشار سیال: براساس قانون برنولی - %HUQRXOOLʼV - equation یا قانون بقای جرم فشار، سرعت و ارتفاع سیال در دو نقطه - شکل - 4 با معادله زیر مرتبط می شوند:
شکل :5 اختلاف فشار در لوله با قطر متفاوت
همانطور که ملاحظه شد سیال - = 1000 kg/m3 - سرعت سیال در لوله سرنگ در هنگام خروج از 2mm/sec به 1616.7mm/s افزایش می یابد. اگر فشار بر مایع در هنگام خارج شدن 2 برابر فشار اتمسفر فرض شود، آنگاه فشار در لوله 1 برابر است با 1.0131 × 105 که از فرمول - 4 - بدست می آید.
در نتیجه برای تعیین نیروی اعمالی به پیستون کافیست فشار 1 در سطح مقطع پیستون A1 ضرب شود که در آن توان و 1 سرعت سیال است. درنتیجه با استفاده از معادله - 6 - موتور پله ای مطلوب برای تحریک کردن سرنگ را انتخاب نمود.
ساختار و اجزای اصلی پمپ تزریق سرنگ
دستگاه پمپ تزریق سرنگ به طور کلی از سرنگ، و بخش مکانیکی شامل یک مکانیزم پیچ، موتور استپر و سنسورها، و بخش الکترونیکی شامل میکروکنترلر و مدارات جانبی تشکیل شده است. در شکل 6 نمای کلی دستگاه نشان داده شده است.
شکل :6 نمای کلی دستگاه پمپ تزریق سرنگ
در این دستگاه تبدیل حرکت دورانی شفت موتور پله ای به حرکت خطی با یک مکانیزم پیچ - screw mechanism - صورت می گیرد. نمودار بلوکی اجزای دستگاه پمپ سرنگ در شکل 7 نشان داده شده است.
شکل :7 بلوک دیاگرام پمپ تزریق سرنگ
در ادامه برخی از اجزای اصلی دستگاه پمپ تزریق سرنگ را بررسی می کنیم:
میکرو کنترلر - وظیفه دریافت تنظیمات کاربر و مقادیر اندازه گیری شده توسط سنسورها، پردازش آنها و در نهایت کنترل و فرمان به درایور استپر بر عهده میکروکنترلر می باشد . در این دستگاه از atmega16 استفاده شده است که دارای 4 پورت ورودی / خروجی و امکانات مختلفی از جمله ADC، تایمر، PWM و غیره می باشد. همچنین برای برنامه نویسی میکروکنترلر از نرم افزار code vision AVR استفاده شده است که یکی از قویترین کامپایلرهای زبان C می باشد.
موتور پله ای - از موتورهای پله ای می توان برای جابجایی، حرکت، تعیین موقعیت و بسیاری از کارهای دیگر که در آنها کنترل دقیق موقعیت یک محور، اهرم و... مورد نیاز است استفاده کرد. یک موتور پله ای متداول دارای شش سیم می باشد که 4 سیم برای چهار سیم استاتور و دو سر مشترک برای سیم های سر وسط است، که در اکثر موتورها این دو سر وسط از داخل بهم وصل می شوند و در نتیجه موتور دارای 5 سیم می شود. با اعمال پالس هایی به هریک از سیم پیچ ها موتور شروع به حرکت می کند. در جدول 2 نحوه اعمال پالس ها جهت راه اندازی استپر موتور بصورت تمام پله نشان داده شده است.
جدول - 2 پالسهای اعمالی به هر یک از سیم پیچ ها
هنگامی که پالس به یکی از سیم پیچ ها اعمال شود، موتور به اندازه یک پله حرکت می کند. زاویه پله حداقل زاویه ای از چرخش مربوط به یک پله است که در موتورهای مختلف بین محدوده 0,72 درجه تا 9 درجه می باشد و متداول ترین زاویه پله 1,8 درجه است. تعداد پالس ها/ گام ها برای یک دوران کامل از رابطه - 7 - بدست می آید.
