低成本新生儿注射泵的简易螺杆机构设计与开发：提升资源匮乏地区新生儿精准给药的新方案

本刊推荐：本文针对全球新生儿高死亡率（NMR）问题，设计了一款开源（open-source）、低成本（low-cost）的螺杆驱动式注射泵（syringe pump）机构。该原型采用非保持式步进电机（non-captive stepper motor）和Tr6.35x2mm导螺杆，经测试平均流速误差仅0.38%±1.62%，符合UNICEF和NEST360目标产品规范（TPP）要求的±3%误差标准。研究为资源匮乏地区（LLMICs）提供了可本地化生产、适配多种注射器尺寸的精准给药解决方案，对实现可持续发展目标（SDG 3）具有重要实践意义。

　　

全球新生儿死亡率现状与挑战

全球每年约有230万新生儿死亡，其中低收入和中等收入国家（LLMICs）占比最高。撒哈拉以南非洲和南亚地区的新生儿死亡率（NMR）分别高达26‰和21‰，远高于可持续发展目标（SDG 3）设定的12‰标准。联合国儿童基金会（UNICEF）指出，通过实施高质量的新生儿专科护理，到2025年可将新生儿死亡率降低28%。注射泵作为优先医疗设备，在新生儿精准输液给药、营养支持方面具有不可替代的作用，但其高昂成本、操作复杂性及对特定耗材的依赖，严重限制了在资源匮乏地区的推广应用。

注射泵技术瓶颈与开源解决方案

传统注射泵在资源匮乏地区面临多重挑战：38%的捐赠设备因缺乏培训、基础设施不足而闲置；品牌专用鲁尔接头注射器和静脉管路可能因供应链中断导致设备停用；复杂功能（如药物库）增加了使用难度和维护成本。为应对这些问题，UNICEF与NEST360联盟发布了针对资源匮乏环境的注射泵目标产品规范（TPP），要求设备能适配多种注射器规格，输液速率范围0.1–60.0mL/hr，精度优于±3%。

开源设计与本地化生产成为突破技术壁垒的重要途径。现有开源注射泵设计中，Lake等通过压力传感器闭环反馈系统实现了<1%的误差，但零件数量多且需针对不同注射器尺寸定制；Kujawa等设计的误差为-1.53%，但仅支持20mL以下注射器；Abdelhamid等方案零件最少但误差达1.9%。这些设计在通用性、精度和简易性间尚未达到理想平衡。

创新螺杆机构的设计与实现

本研究提出一种基于非保持式步进电机的螺杆驱动机构，核心部件包括Tr6.35x2mm导螺杆、导向杆、推杆、电机外壳及辅助支撑件，仅需6个机械零件和8个螺栓。通过3D打印技术制造PLA材质结构件，采用三角形填充模式（5%填充率）平衡强度与材料消耗。电子控制系统采用Arduino Mega 2560微控制器和TMC2209电机驱动器，利用其UART模式实现双向通信，集成StealthChop2?静音技术、CoolStep?节能技术和StallGuard4?失速检测功能。

为提升精度，研发了特殊算法补偿微步控制中的舍入误差：当计算微步数含小数位0.3–0.7时，通过交替增减整数值实现平均微步数逼近理论值。该算法基于TMC2209的12MHz时钟频率和TSTEP地址寄存器，通过微秒级计时器动态调整步进脉冲。

实验验证与性能分析

采用称重法（ISO 286020:2020标准）测试原型机精度，以0.9%生理盐水为介质，在5mL、20mL、30mL和60mL注射器上测试3–60mL/hr速率范围，并模拟100mmHg背压（相当于1.36m液柱高度）模拟新生儿血压环境。

微步校准显示16微步设置精度最优（误差0.38%）。精度算法在多数测试中提升性能0.51%，但在60mL/5mL/hr长时间输注中因误差累积导致精度下降11.59%。总体测试结果表明：无背压时平均误差0.73%±1.71%，有背压时0.02%±1.44%，总平均误差0.38%±1.62%（Z值0.125），符合TPP要求。30mL注射器在5mL/hr速率下误差最大（-2.87%），可能与注射器自身摩擦力有关；60mL注射器在60mL/hr速率下表现最佳（误差0.01%）。

特朗普曲线分析显示，60mL/5mL/hr输注过程中流量稳定性良好，但末段出现正向误差波动，可能与实验环境干扰有关。

技术优势与创新价值

该设计具有显著优势：零件数量少于现有开源方案，支持5–60mL注射器无需改装；总重低于500g，便于运输和仓储；3D打印部件和标准件易于本地采购维护。相比Lake等需要压力传感器闭环控制的复杂方案，本设计在保持精度的同时大幅简化结构。

局限性与未来方向

当前研究局限包括：仅测试生理盐水，未验证高粘度营养液性能；最低测试速率3mL/hr未达TPP的0.1mL/hr要求；UART模式时序精度限制需探索SPI或STEP/DIR协议替代方案。未来需开展：不同粘度流体测试、扩展微步设置范围、增加闭环反馈（如滑动电位计或旋转编码器）、跌落测试评估机械耐久性，最终完成符合TPP全功能的临床级设备开发。

结论

本研究成功开发出一种结构简单、成本低廉的开源螺杆式注射泵机构，平均流速误差0.38%±1.62%符合国际标准。该技术为资源匮乏地区提供了可本地化生产、适配多种耗材的精准输液解决方案，对降低新生儿死亡率、实现可持续发展目标具有重要实践价值。后续需通过流体适应性测试、控制系统优化和临床验证推动成果转化。