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技术论坛  微机远程控制药剂自动灌装机
微机远程控制药剂自动灌装机2019-12-14

摘要:研制了基于工控机进行药剂自动灌装机与配制的远程控制产品,本产品尤其适合放射性药剂的自动灌装机自动灌装机利用气动装置进行工作,利用步进电机运行可精确控制的特点,驱动蠕动泵完成试剂的转移、稀释与分装,利用工控机可远程操作的特点克服了传统人工放射性药剂稀释与配制操作中对操作人员的辐射危害,自动灌装机采取整体标定和取液偏移量处理等方法,使计量准确。实际应用结果表明,自动灌装机具有低污染、高效率、高精度的特点,达到了实际应用的要求。

1、引言

随着社会的发展,医学影像、工业探伤、核子秤、料位计等射线装置、放射性核素等得以不断应用,辐射技术越来越广泛地运用于各行各业,放射工作人员相应增多,搞好放射防护,预防和控制职业病的危害,成为医疗设备研制的重要方向。

尽管放射性核素诊断和治疗技术已广泛应用于医学临床,但目前国内外放射性核素药源的稀释和配制仍然主要靠人工完成。这一方面会造成核素稀释和分装的精度不高,影响诊断或治疗效果,同时也可能对患者造成不必要的损害。另一方面,从事放射性核素稀释和分装的医护人员长期受到放射性照射,身体会造成极大伤害。因此,迫切需要一种能够进行远程放射性核素精确稀释和配制的自动灌装机。

2、系统硬件组成

为适应药剂稀释和配制的需要,我们研制了自动灌装机。自动灌装机硬件主要有机械执行机构和电气控制系统组成。

2.1机械执行机构包括气源、机械手、气缸、针组件、蠕动泵等

自动灌装机部分采用高压气源作为动力,驱动各个气缸完成移药源的动作。气缸运动是二位操作,其特点是运动操作简单,不易出现齿轮丝杆传动等的卡死危险,其磨损及运动误差小。

自动灌装机移药源过程主要分为取盖、插针、移液、归位几部分。当药源连同药源防护瓶放入工作平台后,机械手在气缸带动下抓取防护瓶盖,随后工作平台移到末位置,由于此过程是否到位对后续过程至关重要,所以设置位置传感器确认。自动灌装机当药源瓶到位后,针组件在气缸带动下下降,针头插入药源瓶内,针组件为特为本系统移药源专门设计的,分为高、低位双针头组件。用于稀释的溶剂从高位针孔由蠕动泵泵入,使药源瓶内压力增加,从而使药源压出,且随着转移药液过程的推移,瓶内的药液浓度逐渐降低起到了冲洗药源瓶的作用,保证了药源的全部转移。

自动灌装机取液执行机构为蠕动泵,其取液精度取决于压迫滚柱的步距行程及乳胶管的内径。步距行程又由步进电机的步距角和压迫滚柱的外缘直径决定,蠕动泵电机为二相四拍步进电机步距角为0.9°乳胶管为高耐磨乳胶管,内径为0.5mm步进电机的蠕动泵泵头压迫滚柱外缘直径为45mm,所以其精度约为0.278mm3,此精度远高于满足医疗口服放射性核素分药的应用精度要求。移药源过程自动灌装机根据所配浓度要求及药源信息录入,自动计算出所需溶剂的量,从而确定控制蠕动泵泵入相应的溶剂量。

自动灌装机有两组防辐射铅罐,分别用于高低浓度药液的配制和存储。高浓度液的配制由从药源瓶压入的药源和蠕动泵泵入的溶剂混合而成,低浓度液配制由原始数据和录入的配制要求,经工控机自动换算完成配制,低浓度液的配制由高浓度液作原液,求所需溶剂的量由系统计算,由蠕动泵泵入。每次泵入一定剂量后,由蠕动泵前端电磁阀切换通入空气,将部分管路及药源瓶中的余液全部泵出。

2.2电气控制部分

自动灌装机电气控制部分由工控机系统和驱动控制板组成。工控机和自动灌装机分别位于控制室和自动灌装机室,两者相距15米左右,使用排线、双绞线和同轴电缆进行信号传输。

自动灌装机工控机系统由工控机和各种控制卡组成,基于ISA总线的MPC01控制卡是步进电机的上位控制单元,自动灌装机与工控机构成主从式控制结构,工控机负责人机交互界面的管理和控制系统的各项操作,MPC01控制卡完成细节工作,每块MPC01控制卡可控制3轴步进电机并支持多卡共用,同时可外接位置、速度、限位等信号,自动灌装机以实现位置检测、保护等功能,各种开关信号由MPC01控制卡自动检测并作出反应。MPC01控制卡带有强大的运动函数库,用户使用C/C++或Visual Basic

编程语言能方便的进行2次开发。自动灌装机共使用了三台二相四拍步进电机,安装了一块MPC01控制卡。

自动灌装机采用PCL724数字I/O口卡有32位数字输出和32位数字量输入,本系统使用其数字输入输出端口经光电隔离控制继电器,自动灌装机采用增量式光电编码器对蠕动泵的运动形成速度反馈,检测步进电机的运动情况.

自动灌装机SDK-2000视频卡是基于PCI总线的高速视频采集单元,同时提供两路视频信号输入,并具有丰富的DLL动态库、OCX控件和函数库,使用VCVB等编程语言能很方便地进行二次开发。本系统在移药源过程中使用了摄像头进行监视,以确保移药源过程准确无误的进行,由于需要分源室全景监视,在外部安装了一个摄像头用于分装药监视和取服药监视。自动灌装机共使用了两个摄像头,由于各个板卡均需占用系统的地址和中断号,考虑到微机的自动灌装机资源和成本因素,只使用一块视频卡,图像显示通过PCI724卡数字输出控制相应的继电器进行显示转换。终端控制单元包括步进电机驱动器、位置开关、各种控制继电器和视频头等。步进电机驱动器对来自微机自动灌装机的脉冲进行细分和相序分配以及电流放大,以驱动步进电机。位置开关用于对运动部件进行限位,起保护作用。

3、系统的软件设计

自动灌装机的软件主要包括移药源、稀释、分装高、低浓度药液和数据库管理几部分,软件根据板卡生产商提供的DDl动态链接库和各类函数,使用Visual C++编程语言实现自动灌装机的设计。

配高浓度溶液过程中,自动灌装机程序控制机械手及各气缸依次运动,实现开盖、工作台平移、插针、并根据药源信息和操作人员输入的配制浓度要求,程序自动算出所需溶剂量并转换为控制信号控制蠕动泵泵入,自动灌装机直接将药液压入防辐射铅罐,配制出高浓度液以供治疗。配置过程同时显示浓药液铅罐内数据信息和当前所泵入的溶剂量。

稀释过程根据操作人员输入的所需放射性量和浓度,并考虑当前的浓度铅罐中所剩余的药量,自动灌装机计算所需高浓度液的体积和所需溶剂量,软件控制相应蠕动泵泵取。由于放射性核素的衰变,剩余药物量根据所选放射性核素的半衰期自动换算,显示值均为衰减后的当前值。

自动灌装机的数据库采用Excel数据库。数据库管理主要是病人资料的管理,包括病人基本信息的录入、修改、删除、查询等;用药信息管理,包括当前防辐射铅罐内药量信息、

衰变后的量,我们把数据库和常用操作紧密结合,对每个病人的用药情况进行记录,并在第一时间打印病人的用药单。另外,自动灌装机还对放射性核素药液的使用和转移过程进行详细记录,作为执法机关备查资料。

自动灌装机标定部分直接关系到分装、稀释的精度,是保证准确计量的重要部分,由于步进电机步距数正比与蠕动泵泵出药量,自动灌装机可采用每步距泵出量进行计量,但由于步距泵出量很难精确得出,加之上万控制脉冲的输出量会放大这种误差,所以本自动灌装机标定采用整体标定的方式,即根据大剂量输出算出其平均步距输出,可较精确的进行计量。同时本自动灌装机采用封闭管路输送药液或溶剂,只有当把管内一定的空气泵出后才会输出药液,所以存在一定的偏移量,管路长短及内径决定了偏移量的大小,标定过程采用大剂量测试和平均步距输出来确定,初步确定偏移量后,利用测试程序运行此偏移量并进行调整,以临界出药作为最终的偏移量值;误差处理是针对管路残留药量来采取措施保证其精度,采用反向打空管路来保证每次具有相同的偏移量,由于管内水膜的表面张力作用,打空后会再次汇聚成小段水柱,当采用多次重复打空后可极大的减少误差。通过以上措施经实际测试13ml小剂量取液误差在2%左右,大剂量取液误差在1%左右。

4、结束语

 本药剂自动稀释与自动灌装机采用工控机远程控制、精密蠕动泵取液控制、防辐射屏蔽等技术,解决了放射性核素分装的辐射污染、放射性照射、计量不准确等问题,采用气缸和蠕动泵装置极大的简化了机械结构,使自动灌装机运行更安全可靠,实现了以下功能:(1)药源的转移与分装,并将药源的产品信息录入数据库。(2)放射性药量的自动换算及余药信息显示。(3)配制与稀释,根据不同需要可同时配制和储存高、低浓度的药液,所配浓度可根据需要任意设定。(4)视频监视和对讲功能。(5) 安全防护与故障处理功能,自动灌装机的药液在3.5cm厚的防辐射铅罐内进行稀释和存储,防止了核素对环境的放射污染。并采用远程控制的方式使操作人员远离辐射源;对机械机构进行顺序锁定以减少误操作,并对运行过程中出现的可能事故做出判断并作相应的故障处理,故障处理也可在人工干预下进行。(6)自动灌装机清洗功能,系统能在两个防辐射罐内无药液的情况下进行清洗,对管路及器皿进行清洗,以减少不同溶液的交叉污染。

测试表明该自动灌装机安全防护性能好,自动化程度高、操作简单,分装精度高、功能完善,是一套适合实用要求的药剂稀释与自动灌装机。

 

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