基于Tessari法手動制備泡沫硬化劑的原理，通過分析用戶的需求，并結合機械領域設計原則，設計了一種代替手工操作的自動制備裝置，以克服手工制備泡沫硬化劑時推注速度和推注行程不易控制、可重復性差等不足。該泡沫硬化劑自動制備裝置具有推注速度可調、推注次數可調、推注行程可調且適用于多種不同規格注射器的功能，能為研究泡沫特性提供定量參數，也可用于標準化地制備臨床泡沫硬化劑。最后本文利用了該裝置進行“推注速度對泡沫穩定性影響”的實驗研究，實驗試用反應良好。
引用本文： 萬浩, 白逃萍, 蔣文濤, 黃學進, 趙武. 基于Tessari法泡沫硬化劑自動制備裝置的研制. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(6): 1191-1195. doi: 10.7507/1001-5515.20160188 復制
引言
泡沫硬化療法是治療靜脈曲張和血管畸形等疾病的方法之一[1]，它以其微創、操作簡單、全身炎癥反應低并且療效可觀等優點已逐漸被臨床接受和認可，成為靜脈相關疾病治療領域最重要的發展方向之一[2]。目前，規范化制備泡沫硬化劑最常用的是Tessari等[3]在2001年提出的方法：用兩個一次性注射器分別盛放液體硬化劑和相應比例氣體，分別與一個三通開關呈90°連接，來回推注10次之后將三通閥關小，然后再來回推注10次，利用高速推注氣液混合物通過三通閥狹窄通道形成的渦流產生均勻泡沫[4-5]，如圖 1所示。
圖1
Tessari法制備泡沫硬化劑示意圖
Figure1.
Schematic diagram of preparation for sclerosing foam with Tessari method
然而，根據薈萃分析和多元統計發現，泡沫硬化療法在術后會出現肺動脈栓塞和深部靜脈血栓(0.6%～3.2%)、靜脈炎(4.7%)、視覺障礙(1.5%)等副作用[6-7]。這些副作用的產生是由于泡沫液化后的液體硬化劑和氣體進入了人體其它部位，這與所制備泡沫的穩定性、均一性、致密性和濃度等密切相關。為此，許多學者分別圍繞氣體成分和藥物濃度對泡沫穩定性進行了研究[8-11]。但現有的研究、指南和規范在制備條件(如推注速度、推注次數和注射器大小等)方面并沒有給予足夠重視和詳細規定，缺乏專門儀器用于標準化地制備泡沫硬化劑，因而導致在臨床上手工制備泡沫硬化劑時精度低、可重復性差，難免存在質量上的差異。因此，本研究設計一種泡沫硬化劑自動制備裝置，可提供推注速度、次數和行程可調、適用不同規格注射器等功能，可為定量研究制備條件、氣體成分和藥物濃度等對泡沫穩定性的影響提供理論和實驗依據，對臨床進行泡沫硬化治療具有非常重要的指導意義與推廣價值。
1 泡沫硬化劑自動制備裝置設計思路
由于市場上缺乏泡沫硬化劑自動制備的專門裝置，并且相關文獻中也沒有提到該類裝置的設計，因此只能通過分析用戶需求，獲取相關的技術特征，從而確定裝置的技術設計要求。為了更清晰地了解顧客需求以及需求之間的特點，采用了七何分析法(what,why,when,where,who,how and how much,5W2H)來獲取用戶的需求信息，并對用戶需求進行整理和分類，如圖 2所示。
圖2
用戶需求分類
Figure2.
User requirement classification
結合工程特征和實踐經驗進行“需求-功能”轉換，發現速度穩定可調、循環次數可調與裝置的控制系統密切相關；針對操作簡單，可以采用人機交互的形式操作；夾具快速松開注射器、通用性好與夾具設計有關；推注精度高、震動噪聲低與動力、傳動系統有關等。因此該裝置的技術特征包括：自動控制、速度變化范圍、人機交互、驅動傳動方式、夾具結構、最大噪聲、可靠性、裝配精度、使用壽命和技術成本等。最后，在明確裝置的基本功能和技術特征后，對其進行概念設計，總體設計方案如圖 3所示。
圖3
總體設計方案
Figure3.
Overall design scheme
該裝置主要包括：傳動機構、動力裝置、控制系統、人機交互、夾具結構、注射器以及三通閥等。用戶將分別盛放有液體硬化劑和氣體的注射器與三通閥相連并放置在夾具上，控制系統在一定邏輯下驅動電機，通過傳動系統使推板對注射器進行來回推注，實現自動制備泡沫硬化劑。裝置的控制系統和人機交互界面封裝于電控箱內，其余部件固定在強度足夠的鋁板工作臺上。
2 泡沫硬化劑自動制備裝置研制
2.1 裝置主要模塊選型
2.1.1 傳動機構
本文采用的是滾珠絲桿導軌。通常將旋轉運動轉變為直線運動的方式有傳動帶、曲柄連桿、齒輪齒條、滾珠絲桿等方式，但為保證系統的穩定性、高速進給、降低震動噪聲以及進一步提高運動精度，課題組選擇高精度滾珠絲桿作為傳動方式。其主要參數為：滾珠絲桿型號1616，表示公稱直徑為16 mm，導程為16 mm；導軌有效行程120 mm； 支持最高500 mm/s的運行速度；定位誤差為0.05 mm；垂直承壓大于5 kg；法蘭尺寸與動力裝置相配合；啟動轉矩最大為0.25 N·m，并通過公式 T=PL/2πρ(其中P -注射器推力，L-滾珠絲桿導程，ρ-傳動效率)，計算出推注注射器產生的轉矩T小于0.15 N·m。
2.1.2 動力裝置
本文采用的是伺服電機。與步進電機或者氣缸驅動相比，伺服電機在控制精度、矩頻特性、過載能力以及速度響應等方面有不可比擬的優勢，更重要的是伺服電機能實時反饋電機速度，有利于對推注速度進行監控與設定。因此，選用臺達的交流伺服電機(ECMA-C20604rs，上海市浦東中達電通股份有限公司)，其主要參數為：額定功率400 W，額定扭矩1.27 N·m(遠大于0.40 N·m)，額定轉速3 000 r/min，額定電流2.60 A。
2.1.3 控制方式
本文采用的是可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)。PLC是建立在單片機之上的產品，控制開發較為簡單，并能滿足裝置的功能需求。因此，選擇臺達的小型運動控制型主機(DVP-12SA211T，上海市浦東中達電通股份有限公司)，其主要參數為：4點高速脈沖輸出，包括2點100 KHz和2點10 KHz。
2.1.4 人機交互
本文采用的是觸摸屏。根據裝置的使用環境，為滿足簡單、易操作等要求，采用了觸摸屏進行人機交互控制，同時觸摸屏應能簡單記錄相關數據。因此，選擇臺達的7寸觸摸屏(DOP-B07S411，上海市浦東中達電通股份有限公司)。
2.2 夾具設計
在Tessari法泡沫硬化劑的制備過程中，所使用的注射器并不一定都是同一規格，常見注射器如表 1所示。
表1
不同規格的注射器長度直徑對照表
Table1.
Comparison list of the length and diameter of the syringe with different specifications
為了使夾具適應不同規格注射器，提高使用的通用性，需要自行設計夾具。在機械設計中，V型塊非常適合軸類零件的檢測、劃線和定位，因此以V型塊作為設計基礎，設計了如圖 4所示的夾具，其通用性較好，材料為鋁合金6061。
圖4
注射器夾具
Figure4.
Fixture for syringe
泡沫硬化劑的半衰期是評定其質量好壞的重要指標，通常在20~100 s之間。由于半衰期較短，所以硬化劑制備完成后需要快速地從夾具中取出。課題組采用擋板結構設計了如圖 4所示的快拆夾具，圖中光桿和螺桿都與擋板之間采用間隙配合，拆裝注射器時只需要向上旋轉螺母，擋板脫離光桿后讓其繞螺桿旋轉，即可實現注射器的快速取出。
2.3 控制系統與人機界面設計
所選PLC主機與動力伺服系統的接線如圖 5所示，并在相應WPLsoft編譯環境下，采用梯形圖進行編程，進行邏輯控制設計。
圖5
PLC主機接線圖
Figure5.
PLC wiring diagram
人機交互界面的示意圖如圖 6所示，用戶將兩個裝好藥品的注射器放在夾具上后，在觸摸屏上手動設置X、Y方向(即兩個注射器推注方向)上推板運行距離、推注速度、循環推注次數后，點擊啟動，該裝置將自動完成泡沫硬化劑的制備。
圖6
人機交互界面示意圖
Figure6.
Sketch of human-computer interaction interface
2.4 泡沫硬化劑自動制備裝置技術指標
該裝置的功能主要用于定量分析不同制備條件、不同藥物等對泡沫質量的影響，為臨床進行泡沫硬化治療提供理論和實驗依據，經測試獲得其技術指標如表 2所示。
表2
泡沫硬化劑自動制備裝置技術指標
Table2.
Technical index of automatic preparation device for sclerosing foam
3 裝置性能評估
為了評估裝置的性能，本文利用該裝置研究了推注速度對泡沫穩定性的影響。實驗方案和過程如下：選用兩個5 mL注射器(成都市新津事豐醫療器械有限公司)，液體硬化劑藥品為1 mL魚肝油酸鈉注射液(2 mL；0.1 g)，氣體采用二氧化碳，液氣比為1∶4，實驗壞境20 ℃，分別選取100、150、200、225、250、275、300、325和350 mm/s共9組推注速度，推注10次后關小三通閥繼續推注10次，每組實驗重復5次，結果如表 3所示。
表3
不同推注速度情況下的泡沫半衰期
Table3.
Foam half-life time under different pushing speed conditions
結果顯示，275 mm/s推注速度時所得泡沫硬化劑的半衰期最長，與100 mm/s時所得泡沫硬化劑相比增加了1.18倍，表明推注速度對泡沫硬化劑穩定性的影響十分明顯。這一結果說明除硬化劑種類 和液氣比外，制備條件也是影響泡沫穩定性的重要因素，也進一步說明研制參數可控的自動制備裝置、標準化地制備泡沫硬化劑，不僅關系到患者的就診安全，也關系到泡沫硬化療法能否繼續得到更好的發展。
4 結論
隨著泡沫硬化療法在治療靜脈曲張等疾病方面的應用越來越廣泛，泡沫性能的深入研究和規范化制備越來越得到重視。本文基于Tessari法研制了一種泡沫硬化劑自動制備裝置，經測試該裝置性能穩定可靠，符合Tessari法制備泡沫硬化劑的要求，能為研究藥物成份和制備條件(包括推注速度、推注次數和注射器規格等參數)對泡沫性能的影響提供幫助，也能為臨床硬化治療提供標準化、穩定、高質量的泡沫，因此具有廣闊的應用前景。另外，若能通過定量化研究，獲得針對不同臨床疾病的泡沫所需的最佳制備條件，則該裝置操作和人機交互界面將更加簡便快捷，同時該裝置還可以向低成本、輕量化發展。
引言
泡沫硬化療法是治療靜脈曲張和血管畸形等疾病的方法之一[1]，它以其微創、操作簡單、全身炎癥反應低并且療效可觀等優點已逐漸被臨床接受和認可，成為靜脈相關疾病治療領域最重要的發展方向之一[2]。目前，規范化制備泡沫硬化劑最常用的是Tessari等[3]在2001年提出的方法：用兩個一次性注射器分別盛放液體硬化劑和相應比例氣體，分別與一個三通開關呈90°連接，來回推注10次之后將三通閥關小，然后再來回推注10次，利用高速推注氣液混合物通過三通閥狹窄通道形成的渦流產生均勻泡沫[4-5]，如圖 1所示。
圖1
Tessari法制備泡沫硬化劑示意圖
Figure1.
Schematic diagram of preparation for sclerosing foam with Tessari method
然而，根據薈萃分析和多元統計發現，泡沫硬化療法在術后會出現肺動脈栓塞和深部靜脈血栓(0.6%～3.2%)、靜脈炎(4.7%)、視覺障礙(1.5%)等副作用[6-7]。這些副作用的產生是由于泡沫液化后的液體硬化劑和氣體進入了人體其它部位，這與所制備泡沫的穩定性、均一性、致密性和濃度等密切相關。為此，許多學者分別圍繞氣體成分和藥物濃度對泡沫穩定性進行了研究[8-11]。但現有的研究、指南和規范在制備條件(如推注速度、推注次數和注射器大小等)方面并沒有給予足夠重視和詳細規定，缺乏專門儀器用于標準化地制備泡沫硬化劑，因而導致在臨床上手工制備泡沫硬化劑時精度低、可重復性差，難免存在質量上的差異。因此，本研究設計一種泡沫硬化劑自動制備裝置，可提供推注速度、次數和行程可調、適用不同規格注射器等功能，可為定量研究制備條件、氣體成分和藥物濃度等對泡沫穩定性的影響提供理論和實驗依據，對臨床進行泡沫硬化治療具有非常重要的指導意義與推廣價值。
1 泡沫硬化劑自動制備裝置設計思路
由于市場上缺乏泡沫硬化劑自動制備的專門裝置，并且相關文獻中也沒有提到該類裝置的設計，因此只能通過分析用戶需求，獲取相關的技術特征，從而確定裝置的技術設計要求。為了更清晰地了解顧客需求以及需求之間的特點，采用了七何分析法(what,why,when,where,who,how and how much,5W2H)來獲取用戶的需求信息，并對用戶需求進行整理和分類，如圖 2所示。
圖2
用戶需求分類
Figure2.
User requirement classification
結合工程特征和實踐經驗進行“需求-功能”轉換，發現速度穩定可調、循環次數可調與裝置的控制系統密切相關；針對操作簡單，可以采用人機交互的形式操作；夾具快速松開注射器、通用性好與夾具設計有關；推注精度高、震動噪聲低與動力、傳動系統有關等。因此該裝置的技術特征包括：自動控制、速度變化范圍、人機交互、驅動傳動方式、夾具結構、最大噪聲、可靠性、裝配精度、使用壽命和技術成本等。最后，在明確裝置的基本功能和技術特征后，對其進行概念設計，總體設計方案如圖 3所示。
圖3
總體設計方案
Figure3.
Overall design scheme
該裝置主要包括：傳動機構、動力裝置、控制系統、人機交互、夾具結構、注射器以及三通閥等。用戶將分別盛放有液體硬化劑和氣體的注射器與三通閥相連并放置在夾具上，控制系統在一定邏輯下驅動電機，通過傳動系統使推板對注射器進行來回推注，實現自動制備泡沫硬化劑。裝置的控制系統和人機交互界面封裝于電控箱內，其余部件固定在強度足夠的鋁板工作臺上。
2 泡沫硬化劑自動制備裝置研制
2.1 裝置主要模塊選型
2.1.1 傳動機構
本文采用的是滾珠絲桿導軌。通常將旋轉運動轉變為直線運動的方式有傳動帶、曲柄連桿、齒輪齒條、滾珠絲桿等方式，但為保證系統的穩定性、高速進給、降低震動噪聲以及進一步提高運動精度，課題組選擇高精度滾珠絲桿作為傳動方式。其主要參數為：滾珠絲桿型號1616，表示公稱直徑為16 mm，導程為16 mm；導軌有效行程120 mm； 支持最高500 mm/s的運行速度；定位誤差為0.05 mm；垂直承壓大于5 kg；法蘭尺寸與動力裝置相配合；啟動轉矩最大為0.25 N·m，并通過公式 T=PL/2πρ(其中P -注射器推力，L-滾珠絲桿導程，ρ-傳動效率)，計算出推注注射器產生的轉矩T小于0.15 N·m。
2.1.2 動力裝置
本文采用的是伺服電機。與步進電機或者氣缸驅動相比，伺服電機在控制精度、矩頻特性、過載能力以及速度響應等方面有不可比擬的優勢，更重要的是伺服電機能實時反饋電機速度，有利于對推注速度進行監控與設定。因此，選用臺達的交流伺服電機(ECMA-C20604rs，上海市浦東中達電通股份有限公司)，其主要參數為：額定功率400 W，額定扭矩1.27 N·m(遠大于0.40 N·m)，額定轉速3 000 r/min，額定電流2.60 A。
2.1.3 控制方式
本文采用的是可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)。PLC是建立在單片機之上的產品，控制開發較為簡單，并能滿足裝置的功能需求。因此，選擇臺達的小型運動控制型主機(DVP-12SA211T，上海市浦東中達電通股份有限公司)，其主要參數為：4點高速脈沖輸出，包括2點100 KHz和2點10 KHz。
2.1.4 人機交互
本文采用的是觸摸屏。根據裝置的使用環境，為滿足簡單、易操作等要求，采用了觸摸屏進行人機交互控制，同時觸摸屏應能簡單記錄相關數據。因此，選擇臺達的7寸觸摸屏(DOP-B07S411，上海市浦東中達電通股份有限公司)。
2.2 夾具設計
在Tessari法泡沫硬化劑的制備過程中，所使用的注射器并不一定都是同一規格，常見注射器如表 1所示。
表1
不同規格的注射器長度直徑對照表
Table1.
Comparison list of the length and diameter of the syringe with different specifications
為了使夾具適應不同規格注射器，提高使用的通用性，需要自行設計夾具。在機械設計中，V型塊非常適合軸類零件的檢測、劃線和定位，因此以V型塊作為設計基礎，設計了如圖 4所示的夾具，其通用性較好，材料為鋁合金6061。
圖4
注射器夾具
Figure4.
Fixture for syringe
泡沫硬化劑的半衰期是評定其質量好壞的重要指標，通常在20~100 s之間。由于半衰期較短，所以硬化劑制備完成后需要快速地從夾具中取出。課題組采用擋板結構設計了如圖 4所示的快拆夾具，圖中光桿和螺桿都與擋板之間采用間隙配合，拆裝注射器時只需要向上旋轉螺母，擋板脫離光桿后讓其繞螺桿旋轉，即可實現注射器的快速取出。
2.3 控制系統與人機界面設計
所選PLC主機與動力伺服系統的接線如圖 5所示，并在相應WPLsoft編譯環境下，采用梯形圖進行編程，進行邏輯控制設計。
圖5
PLC主機接線圖
Figure5.
PLC wiring diagram
人機交互界面的示意圖如圖 6所示，用戶將兩個裝好藥品的注射器放在夾具上后，在觸摸屏上手動設置X、Y方向(即兩個注射器推注方向)上推板運行距離、推注速度、循環推注次數后，點擊啟動，該裝置將自動完成泡沫硬化劑的制備。
圖6
人機交互界面示意圖
Figure6.
Sketch of human-computer interaction interface
2.4 泡沫硬化劑自動制備裝置技術指標
該裝置的功能主要用于定量分析不同制備條件、不同藥物等對泡沫質量的影響，為臨床進行泡沫硬化治療提供理論和實驗依據，經測試獲得其技術指標如表 2所示。
表2
泡沫硬化劑自動制備裝置技術指標
Table2.
Technical index of automatic preparation device for sclerosing foam
3 裝置性能評估
為了評估裝置的性能，本文利用該裝置研究了推注速度對泡沫穩定性的影響。實驗方案和過程如下：選用兩個5 mL注射器(成都市新津事豐醫療器械有限公司)，液體硬化劑藥品為1 mL魚肝油酸鈉注射液(2 mL；0.1 g)，氣體采用二氧化碳，液氣比為1∶4，實驗壞境20 ℃，分別選取100、150、200、225、250、275、300、325和350 mm/s共9組推注速度，推注10次后關小三通閥繼續推注10次，每組實驗重復5次，結果如表 3所示。
表3
不同推注速度情況下的泡沫半衰期
Table3.
Foam half-life time under different pushing speed conditions
結果顯示，275 mm/s推注速度時所得泡沫硬化劑的半衰期最長，與100 mm/s時所得泡沫硬化劑相比增加了1.18倍，表明推注速度對泡沫硬化劑穩定性的影響十分明顯。這一結果說明除硬化劑種類 和液氣比外，制備條件也是影響泡沫穩定性的重要因素，也進一步說明研制參數可控的自動制備裝置、標準化地制備泡沫硬化劑，不僅關系到患者的就診安全，也關系到泡沫硬化療法能否繼續得到更好的發展。
4 結論
隨著泡沫硬化療法在治療靜脈曲張等疾病方面的應用越來越廣泛，泡沫性能的深入研究和規范化制備越來越得到重視。本文基于Tessari法研制了一種泡沫硬化劑自動制備裝置，經測試該裝置性能穩定可靠，符合Tessari法制備泡沫硬化劑的要求，能為研究藥物成份和制備條件(包括推注速度、推注次數和注射器規格等參數)對泡沫性能的影響提供幫助，也能為臨床硬化治療提供標準化、穩定、高質量的泡沫，因此具有廣闊的應用前景。另外，若能通過定量化研究，獲得針對不同臨床疾病的泡沫所需的最佳制備條件，則該裝置操作和人機交互界面將更加簡便快捷，同時該裝置還可以向低成本、輕量化發展。
