胰島素泵的實(shí)現(xiàn)原理

為模擬生理性胰島素分泌，早在20世紀(jì)60年代即嘗試持續(xù)胰島素皮下輸注方法，70年代末期機(jī)械性的胰島素輸注裝置即胰島素泵雛形開始使用，但由于體積大、操作復(fù)雜，難以在臨床推廣。至90年代，制造技術(shù)的進(jìn)步使胰島素泵體積縮小，便于攜帶，操作簡(jiǎn)便，易學(xué)易用，劑量調(diào)節(jié)更精確和穩(wěn)定，因而在臨床中得到越來(lái)越廣泛的使用，目前胰島素泵技術(shù)更趨完臻，可更精確地模擬生理性胰島素分泌模式。簡(jiǎn)而言之，胰島素泵通過(guò)人工智能控制，以可調(diào)節(jié)的脈沖式皮下輸注方式，模擬體內(nèi)基礎(chǔ)胰島素分泌；同時(shí)在進(jìn)餐時(shí)，根據(jù)食物種類和總量設(shè)定餐前胰島素及輸注模式以控制餐后血糖。

胰島素泵由4個(gè)部分構(gòu)成：含有微電子芯片的人工智能控制系統(tǒng)、電池驅(qū)動(dòng)的

機(jī)械泵系統(tǒng)、儲(chǔ)藥器、與之相連的輸液管和皮下輸注裝置。輸液管前端可埋入患者的皮下。在工作狀態(tài)下，泵機(jī)械系統(tǒng)接收控制系統(tǒng)的指令，驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)藥器內(nèi)的活塞，最終將胰島素通過(guò)輸液管輸入皮下。

工作原理

胰島素泵子系統(tǒng)

1）.泵和檢測(cè)方案

胰島素按照“單位”計(jì)量，每cc(或mL)劃分成100個(gè)單位，假設(shè)濃度為標(biāo)準(zhǔn)的U-100。在這種計(jì)量方式下，一個(gè)單位相當(dāng)于10μL。注射速率為1單位/小時(shí)，每次注射3到10分鐘，一片胰島素的劑量是幾個(gè)單位，典型情況下針管可以裝入200到300單位的胰島素。

考慮到極慢的流速，電機(jī)逐級(jí)帶動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)泵帶動(dòng)針管的活塞非常緩慢地移動(dòng)。通常只需要粗略地測(cè)量電機(jī)的角度。大多數(shù)胰島素泵制造商使用光編碼器和直流電機(jī)，也可以使用步進(jìn)電機(jī)。為了縮小系統(tǒng)尺寸，還可以選擇使用MEMS泵或壓力泵，從而省去電機(jī)控制。

利用壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的密封狀況并確保正常工作。基于硅應(yīng)力計(jì)，這些傳感器的輸出信號(hào)幅度在毫伏量級(jí)，而綁定線應(yīng)力計(jì)的輸出信號(hào)范圍在微伏量級(jí)。應(yīng)力計(jì)采用典型的橋結(jié)構(gòu)，在共模電壓的基礎(chǔ)上產(chǎn)生差分信號(hào)，共模電壓通常為電源電壓的一半。

設(shè)計(jì)中可以采用帶有差分輸入可編程增益放大器(PGA)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，或者是利用內(nèi)置ADC的微控制器和外部差分放大器或儀表放大器(用于信號(hào)調(diào)理)。壓力測(cè)量不需要很高精度，因?yàn)閴毫ψx數(shù)只用于指示工作是否正常，并不用于注射藥量計(jì)量。

2）．供電子系統(tǒng)

胰島素泵通常采用一個(gè)升壓型穩(wěn)壓器，將單節(jié)堿性電池的低壓(1.5V，標(biāo)稱值)輸入提升到2V甚至更高。為了充分利用電池能量，該升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)該能夠在盡可能低的輸入電壓下工作。Maxim及其它電源廠商所提供的升壓轉(zhuǎn)換器能夠工作在最低0.6V的電壓，啟動(dòng)電壓低至0.7V，可有效增長(zhǎng)電池的使用壽命。

升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器用于此類應(yīng)用即為理想之選，輸入電壓范圍為0.7V至3.6V。2MHz的開關(guān)頻率和電流控制模式大大降低了外部元件尺寸，能夠獲得高于94%的轉(zhuǎn)換效率并具有更快的響應(yīng)時(shí)間。器件集成了所有開關(guān)轉(zhuǎn)換電路(功率開關(guān)、同步整流、反向電流隔離器)，進(jìn)一步減小了方案尺寸。真正的關(guān)斷(TrueShutdown)電路能夠在關(guān)斷狀態(tài)下完全斷開電池與負(fù)載的連接，有助于進(jìn)一步延長(zhǎng)電池壽命。

如果設(shè)備要求嚴(yán)格穩(wěn)定的電源電壓，設(shè)計(jì)中可能需要對(duì)升壓后的電源作進(jìn)一步的穩(wěn)壓。在這種低壓應(yīng)用中，線性穩(wěn)壓器由于不存在開關(guān)損耗(開關(guān)電源的固有損耗)能夠提供更高效率。

此外，低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)能夠獲得更小的方案尺寸，這一點(diǎn)對(duì)于胰島素泵尤為重要。LDO的效率非常接近VOUT/VIN比，當(dāng)VIN與輸出電壓之差略高于LDO壓差時(shí)可以獲得較高效率。

如果電機(jī)需要穩(wěn)壓源供電，可以選擇開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器。為縮小尺寸、減輕重量，可以選擇開關(guān)頻率盡可能高的轉(zhuǎn)換器。對(duì)于多電源供電系統(tǒng)，可以選擇電源管理IC(PMIC)。

3）．電池管理

胰島素泵制造商已經(jīng)在降低功耗、延長(zhǎng)電池使用壽命方面取得了很大進(jìn)展。目前市場(chǎng)上使用的胰島素泵每更換一次電池或充一次電可以工作3到10周，大多數(shù)胰島素泵使用AA或AAA堿性電池，或者是鋰電池。原電池(非充電電池)的使用非常普及，但使用可充電電池有助于節(jié)省長(zhǎng)期成本。由于可充電電池的容量相對(duì)較低，充電次數(shù)也相對(duì)頻繁一些。

受尺寸制約，多數(shù)胰島素泵為了省去充電器而采用堿性電池供電。由于缺乏電量計(jì)，電池電量指示計(jì)主要采用簡(jiǎn)單的電壓測(cè)量法，有時(shí)還會(huì)結(jié)合溫度測(cè)量。系統(tǒng)把電壓、溫度信號(hào)送入ADC進(jìn)行量化，微控制器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并利用查找表確定電池的剩余電量。然后再將電量值送至顯示器(通常是一個(gè)電池圖標(biāo)，在圖標(biāo)上分成幾格顯示剩余電量)，當(dāng)電量跌落到最后一格時(shí)，胰島素泵產(chǎn)生低電池電壓報(bào)警。

4）．編程及控制單元

如上所述，患者需要根據(jù)具體需求調(diào)節(jié)藥的劑量，這種調(diào)節(jié)要求通過(guò)一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的接口，例如，用戶只需控制幾個(gè)按鍵。用戶還可以設(shè)置幾種提示，幫助管理胰島素的注射劑量。

大多數(shù)胰島素泵采用單色、定制字符的液晶顯示器(LCD)，少數(shù)胰島素泵采用了彩色顯示屏。顯示器提供關(guān)于胰島素注射劑量、注射速度、電池剩余電量、時(shí)間、日期、提示信息及系統(tǒng)報(bào)警條件(例如：閉鎖或胰島素儲(chǔ)量過(guò)低)等。FDA要求顯示器在上電時(shí)進(jìn)行自檢，設(shè)計(jì)中需要內(nèi)置及測(cè)試功能。另外，用戶還需要提供觸摸屏輸入的視聽響應(yīng)。

新型一代素泵包括連續(xù)監(jiān)測(cè)顯示功能，這些系統(tǒng)采用一個(gè)帶有發(fā)送器的連續(xù)監(jiān)測(cè)器，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送器傳輸，報(bào)告?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)的血糖值，以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候激活泵注射。胰島素泵也會(huì)基于歷史測(cè)量數(shù)據(jù)提供一個(gè)分析圖形，指導(dǎo)胰島素注射量的計(jì)算。

5）．自檢功能

按照FDA條理，所有胰島素泵上電時(shí)必須首先運(yùn)行自測(cè)試(POST)程序，對(duì)關(guān)鍵的處理器、電路、指示器、報(bào)警功能進(jìn)行檢測(cè)。有些POST操作需要用戶進(jìn)行觀測(cè)，附加的自檢電路有助于降低潛在的失效風(fēng)險(xiǎn)。

例如，有些模塊使用安全處理器監(jiān)測(cè)主處理器的運(yùn)行，一旦發(fā)現(xiàn)意外狀況將立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)；有些自檢系統(tǒng)可能只是簡(jiǎn)單地監(jiān)測(cè)電流，通過(guò)發(fā)光二極管(LED)的通、斷指示。一旦電流跌落到所設(shè)置的門限以下，即可產(chǎn)生故障指示。比較常見的自檢電路采用了看門狗定時(shí)器(WDT)，帶有WDT功能的微處理器監(jiān)控電路對(duì)程序的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控。醫(yī)療設(shè)備通常不允許把監(jiān)控電路集成在微處理器IC自身內(nèi)部，因?yàn)檫@種架構(gòu)中監(jiān)控電路可能與處理器同時(shí)發(fā)生故障。

監(jiān)控電路是確保胰島素泵在患者使用期間正常工作的關(guān)鍵，微控制器必須在所有電路達(dá)到容限范圍并保持穩(wěn)定之前處于復(fù)位狀態(tài)。電壓監(jiān)控電路監(jiān)測(cè)電源的過(guò)壓和欠壓條件，同時(shí)還需要檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)行和停機(jī)狀況，電機(jī)失效屬于嚴(yán)重的系統(tǒng)故障，發(fā)出報(bào)警的優(yōu)先級(jí)最高。ADC可以內(nèi)置于微處理器內(nèi)部，也可采用外置微處理器，用于量化傳感器(溫度、電機(jī)、加載、胰島素泵壓力和電池電壓)的讀數(shù)。

6）．報(bào)警和I/O功能

胰島素泵需要視聽報(bào)警功能，以便在檢測(cè)到故障、到達(dá)指定時(shí)間或觸發(fā)某些預(yù)警條件時(shí)提醒用戶?？梢允褂肔ED作為遠(yuǎn)端血糖監(jiān)測(cè)和胰島素泵的視覺(jué)指示器，綠光LED閃爍通常代表工作正常，紅光LED信號(hào)則用來(lái)表示報(bào)警或預(yù)警狀態(tài)。

蜂鳴器必須配備自檢電路，自檢電路可以間接監(jiān)測(cè)揚(yáng)聲器的阻抗是否出于正常范圍；也可以在靠近揚(yáng)聲器的位置安裝一個(gè)麥克風(fēng)，直接產(chǎn)生一個(gè)音頻輸出檢測(cè)該電平是否處于正常范圍。構(gòu)建報(bào)警和自檢功能的設(shè)計(jì)中通常會(huì)用到各種運(yùn)算放大器、比較器、音頻放大器、麥克風(fēng)放大器等元件。音頻數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)可以產(chǎn)生獨(dú)特的報(bào)警輸出信號(hào)。

新型胰島素泵中還會(huì)使用偏心旋轉(zhuǎn)塊(ERM)電機(jī)，產(chǎn)生振動(dòng)報(bào)警。ERM電機(jī)驅(qū)動(dòng)并不嚴(yán)格，但需要使用一個(gè)放大器或穩(wěn)壓器。安裝電池是產(chǎn)生一次簡(jiǎn)短的ERM自檢。

所有胰島素泵必須滿足IEC61000-4-2靜電放電(ESD)的保護(hù)要求，可以采用內(nèi)置保護(hù)的器件實(shí)現(xiàn)，也可以在外部添加ESD線路保護(hù)器件。Maxim提供各種具有較高ESD保護(hù)功能的接口器件，同時(shí)也提供ESD保護(hù)二極管矩陣。

考慮到對(duì)胰島素注射安全性的嚴(yán)格要求，系統(tǒng)需要記錄事件并對(duì)記錄數(shù)據(jù)和流程的更改打上時(shí)標(biāo)。該功能需要一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)的支持，當(dāng)然，時(shí)鐘還可以提供鬧鐘功能。

大多數(shù)胰島素泵提供了數(shù)據(jù)端口，可以將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)或下載升級(jí)固件。利用該功能，可以把歷史數(shù)據(jù)輸入到一個(gè)應(yīng)用程序，傳送到監(jiān)護(hù)中心，以便獲得有關(guān)糖尿病治療的支持。USB口是最常見的數(shù)據(jù)接口，存儲(chǔ)卡的數(shù)據(jù)端口應(yīng)具備ESD保護(hù)、限流、邏輯電平轉(zhuǎn)換等功能。

此外，RF接口為胰島素泵提供了一條附加鏈路，用于支持葡萄糖連續(xù)監(jiān)控儀，根據(jù)所傳遞的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)血糖的趨勢(shì)；也可以將數(shù)據(jù)送至主機(jī)，計(jì)算機(jī)下載所記錄的泵操作數(shù)據(jù)、血糖的歷史數(shù)據(jù)，必要時(shí)甚至可以向胰島素泵發(fā)出上傳指令。無(wú)線接口可以采用Bluetooth或者是ISM波段的收發(fā)器。