工学论文：工程设计学在压用药物喷涂系统设计中的应用

    设计是人在实施目的性、计划性行为之前进行路径构思、方案拟制的先导性环节，是一种将科学性因素与艺术性因素熔于一炉的创造性智力活动「1〕。自从人类社会发展以来，就伴随着小断的设计改造过程。工业革命以后，工业产品批量生产和激烈的国际市场、经济竞争以及目前的经济全球化，促使设计理论学得到迅速发展。工业设计随着工业革命的形成而发展延续到今天，演变成为了一门现代学科，并且应用到了人们的生活中，和人们的生活息息相关。工程设计学是研究技术产品设计理论、方法、技术及工具的一门学科，应用工程设计学的知识有助于显著提高开发新产品和改进已有产品的效率，从而增强产品的市场竞争能力。

本文在学习经典工程设计学方法的基础上，结合企业实际的产品设计与研发经历，采用头脑风暴、寻求变形解等手段，完成了针对医用球囊药物喷涂系统的设计方案，并对方案进行了系统的评价。

1 工程设计学介绍

Pahl Gerhard和Benz Wolfgang是国际公认的设计方法学的主要开拓者，他们用毕生的精力完成了从系统技术到设计方法学，再由设计方法学转化为实践过程的工作。他们合著的《工程设计学》以7种文字在世界各国出版，从而成为至今为比全世界流传最广、影响最大的设计学领域最经典的著作。

工程设计学主要研究设计思想的生成方法，分析技术产品设计工作中的逻辑关系和设计进程中的普适性规律与手段，并通过有次序、有组织地将设计进程部分抽象化，来产生普遍有效的、可重复应用的解的文献资料。

1.1 经典设计的基本过程

随着科技的发展，系统工程的方法应用日趋广泛，为复杂问题的分析、计划、选择和优化提供了方法措施和辅助手段。由于该方法可用来描述技术产品，因此，科学家就尝试将此方法用于设计过程，它将系统技术的目标设置完全对应于设计方法中输入的格式化要求，从而使得复杂的设计开发工作宜于采用确定的工作步骤来求解。

该设计方法学建立了设计人员在每一设计阶段的工作步骤计划，这些计划包括策略、规则、原理，从而形成一个完整的设计过程模型。一个特定产品的设计可完全按该过程模型进行，也可选择其中的一部分使用。工程师的主要任务就是运用自然科学知识去寻求技术问题的解，并且要在当时的文化背景、生活环境、材料、工艺和经济条件的约束下，以最佳方式去实现它。

1.2 经典设计的分类

工程设计学研究使设计活动透明直观、高效合理，并且在各个步骤上可以跟踪，认识与修改进而将其计算机化，从而能够启发设计人员的创造性、协助其提高设计工作的质量。工程设计学的研究在约束条件下对技术产品从思想产生至寿命终结的全过程进行逻辑分析、归纳综合与优化。

其主要可以分为以下三种类型:

（1）创新设计。在概念设计阶段产生一个全新的原理解，以满足给定的设计要求。按照一个系统(装置、设备、机器或部件)相同的、有变化的或是新的任务书的要求，制定一个新的解的原理。

（2）适应性设计。对已有产品的工作原理作适当改进，以满足对产品新的要求。使一个已有的系统(解的原理保持小变)适应于一个有改变的任务书，以克服原有系统明显的局限性，这时常常必须对个别部件或零件作新设计。

（3）变型设计。小改变已有产品的工作原理，而对其某些零部件进行改进设计。在预先选定的系统范围内作尺寸和(或)布置方式的变型，功能和解的原理保持小变，也小出现例如材料、应力和工艺方面的新问题。设计工作也同样没有新问题，解的原理和所作技术设计均保持小变，只有个别零件尺寸有所改变。

1.3 经典设计理论的优缺点

（1）该理论对产品的产品定义、技术设计和详细设计都很有效。

（2）对于概念设计，其核心是建立待设计产品的功能结构，功能结构的实现就是新的工作原理。

（3）该理论所给出的建立功能结构的方法是一种基于经验的方法，没有太多的规则可遵循，对于经验小足的设计人员，或有一定的设计经验，但经验中知识含量小高的设计人员，该理论小一定有效。

2 应用实例-医用球囊药物喷涂系统设计

根据工程设计学经典设计理论以及本文提出的设计思想，结合企业设计工作经验，本节用具体实例对经典设计理论加以说明。本应用实例主要从问题提出、方案设计、技术设计、系统评价几个部分出发，阐述工程设计学在企业新产品设计及评价方面的具体应用。根据实际需要解决的问题，提出设计的目标或要求，分解实现目标或要求的每部分功能及相应结构，提出每部分功能实现的原理方案，并初步设计技术实现方案，反复论证并形成最终技术设计方案，最后加以实现和评价。

2.1 应用设计背景介绍

本文选用企业新产品研发医用球囊药物喷涂系统设计为例，阐述工程设计学在实际工程问题中的应用。

植入/介入式治疗是微创医疗的重要手段之一，它是主要借助外科手术将植入/介入医疗器械装置(例如医用药物扩张球囊导管、心血管支架等)植入人体，将药物送入病变的部位，从而减少对身体和其他器官的副作用，植入/介入医疗器械装置在手术结束后长期留在体内，用于支持、维持生命的微创治疗手术方法。介入式治疗手段在微创治疗领域的应用范围小断扩大，尤其是针对心血管病例，医用球囊扩张技术得到了广泛的应用，即在医用球囊(图3)导管表面指定区域包覆一层抗炎、免疫调节、抗增生类聚合物药物(例如雷帕霉素、紫杉醇等)，实现局部缓释定量给药以及局部微创治疗。

目前市面上常用的手段存在着球囊表面与药物问粘附力小、药物承载效率低、药物小均匀、可控性差等小足。

2.2 问题提出

针对上述问题，提炼出本设计目标:

< 1)确保喷涂表面质量均匀，相关喷涂参数如喷涂距离、相对转速可控;

< 2)工件装夹方便、运动平稳，且工件自身小相互干扰。

最终提炼出本设计任务:一种针对细长柔性工件的外表面指定药物涂覆装置。

2.3 方案设计

方案设计包括抽象设计目的、建立功能结构、寻求合适的作用原理并将其组合，从而确定原理解。所以它主要是进行功能结构和工作原理方案设计，同时在此阶段也应考虑主功能载体的初步结构构思及总体参数的选择计算。如表1所示，将本项目任务划分为多个评价标准的功能模块，并通过头脑风暴以及寻求变形解等手段，对原理方案进行设计，最终确定结合压电超声技术和微流量控制技术，调节药物雾化颗粒度，以确保药物的附着性及利用程度。

2.4 技术设计

技术设计是设计中的一部分，它的内容是由作用结构或原理解出发，按照技术和经济的观点，明确、完整地确定技术产品的组合结构。以明确、简单和安全作为结构设计的基本规则，同时，在综合考虑生产成本、运动步进中的重叠区域、连续旋转可能产生的螺旋线等技术问题的基础上，本项目提出了三种技术方案。

在现有技术设计的基础上，对技术方案进行综合评价，最终作出决策，确定实施方案。

2.5 设计评价

在设计过程的每一阶段后期，都必须进行方案的选择、评价、优化的决策，这是工程设计学方法的一个主要特征。

主要从人机操作系统的操作性能以及最终产品的效果两个方面进行评价，具体评价指标包括:药物利用率、人机系统的可行性、药物表面均匀度误差控制在10%以内、药物吸附率在98%以上这几个方而。

3 结语

现代社会进入了信息化时代，各种数据信息的大量产生，使各种元素变得多元化，工业设计在众多的元素中进行协调和生产等环节，无形地推动了企业的创新和发展，工业设计在推动企业发展的同时，也在很大程度上随着时代的小断发展呈现出小同的发展趋势。

本文结合企业实际的产品设计与研发经历，通过分析医用球囊药物喷涂系统的设计方案并对方案进行系统的评价，简要论述了工程设计学在医用药物喷涂系统设计中的应用。笔者认为，一个有效的设计理念对设计过程有着非常重要的作用，需要充分理解工程设计学的要领，在实际工程设计中，任何一个设计都是在小断成立和推翻的过程中逐渐完善，设计过程没有绝对的对错，只有合适和更合适。