胰島素泵的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　胰島素泵是一種便攜式醫(yī)療設(shè)備，在美國(guó)，其設(shè)計(jì)和制造由美國(guó)食品與藥物管理局(FDA)監(jiān)管。這意味著：其設(shè)計(jì)和建造必須遵循準(zhǔn)確規(guī)定的流程;其性能必須滿(mǎn)足嚴(yán)格的文檔化管理、開(kāi)發(fā)測(cè)試、生產(chǎn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)等要求。如圖1中設(shè)備，還必須包含全面的自檢和故障顯示功能，從而需要額外電路以及使用具有自檢功能的器件。

　　圖1：胰島素泵系統(tǒng)功能框圖;美信可提供藍(lán)色部分的解決方案。

　　便攜性

　　胰島素泵是可佩戴的設(shè)備，因此，必須非常小而輕(圖2)。其體積通常約2×3×0.75英寸(5.7×7.6×1.9厘米)，重量為2和4盎司(57克和113克)。這些外形要求，使設(shè)計(jì)師在選擇器件時(shí)，會(huì)優(yōu)先考慮其大小和功耗。

　　圖2：典型的電池供電的胰島素泵。

　　為節(jié)省空間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要高度集成的方案和非常小的封裝，如：芯片級(jí)封裝(如美信的UCSP封裝)和晶圓級(jí)封裝(WLP)。為使電池體積盡可能小，設(shè)計(jì)師必須盡可能降低能耗、提高效率。如果可能的話(huà)，關(guān)閉那些在任何特定時(shí)間內(nèi)不使用的電路，工作時(shí)再給其供電。

　　該系統(tǒng)的核心是一款高度集成的低待機(jī)功耗微控制器——如美信的MAXQ2010、或其它制造商的類(lèi)似微控制器。16位微控制器MAXQ2010 ，當(dāng)工作在1MHz和2.7V時(shí)，功耗僅為1mA，停機(jī)模式的功耗僅為370nA。這種低功耗特性對(duì)延長(zhǎng)胰島素泵內(nèi)電池的工作壽命至關(guān)重要。與大多數(shù)微控制器一樣，MAX2010包括USART、定時(shí)器、64kB基于閃存的程序存儲(chǔ)器、2kBRAM、一些通用I/O引腳、帶參考電壓的312.5k采樣/秒12位逐次逼近ADC、160段LCD控制器及其它資源。它還可快速?gòu)乃吆屯Ｖ鼓Ｊ絾拘?，使胰島素泵能更好、更快地服務(wù)用戶(hù)需求。

　　胰島素泵子系統(tǒng)

　　胰島素以“單位”計(jì)量，每cc(也即mL，毫升)有100個(gè)單位(假定采用標(biāo)準(zhǔn)U-100濃度方法)。這意味著，一個(gè)單位是10μL(微升)?；A(chǔ)代謝率的數(shù)量級(jí)在單位/小時(shí)水平，每3到10分鐘要對(duì)其進(jìn)行管控調(diào)適，而單次劑量是幾個(gè)單位。典型的裝載胰島素容器的容量為200至300個(gè)單位。

　　由于其超低流速，驅(qū)動(dòng)齒輪泵的電機(jī)是減速型的，通常采用一個(gè)絲桿來(lái)非常緩慢地推動(dòng)容器活塞，為此電機(jī)要轉(zhuǎn)動(dòng)很多轉(zhuǎn)。因此，只需對(duì)電機(jī)進(jìn)行大致的角測(cè)量。大多數(shù)主要的胰島素泵制造商使用光學(xué)編碼器和直流馬達(dá)，雖然步進(jìn)馬達(dá)也可用。其它可能的方法包括采用基于MEMS的泵以使系統(tǒng)體積盡可能小，或采用壓力泵以拿掉電機(jī)和去掉基于活塞的儲(chǔ)液槽。

　　壓力傳感器用來(lái)確保正常運(yùn)行及檢測(cè)堵塞?；诠钁?yīng)變計(jì)，這些傳感器可提供毫伏級(jí)信號(hào)，而不是綁定線(xiàn)應(yīng)變計(jì)提供的微伏級(jí)信號(hào)。應(yīng)變計(jì)采用典型的橋配置，在大約電源電壓一半的共模電壓下，提供差分信號(hào)。

　　設(shè)計(jì)將采用帶差分可編程增益放大器(PGA)輸入的ADC，或集成在微控制器內(nèi)帶用于信號(hào)調(diào)制的外部差分或儀表放大器的ADC。因?yàn)閴毫ψx數(shù)僅用于顯示正常運(yùn)行狀況、并不用于計(jì)算給藥，所以不需要精密壓力測(cè)量。

　　子系統(tǒng)供電

　　胰島素泵通常使用升壓穩(wěn)壓器將單節(jié)堿性電池的較低電壓(標(biāo)稱(chēng)1.5V)升高至2V或更高。為達(dá)到最長(zhǎng)電池壽命，這些升壓穩(wěn)壓器應(yīng)盡可能工作在允許的最低輸入電壓。美信和其它廠(chǎng)家的穩(wěn)壓器的工作電壓可低至0.6V，啟動(dòng)電壓最低可達(dá)0.7V，從而最大限度地延長(zhǎng)了電池壽命。

　　MAX1947就是這樣一款升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍為0.7V至3.6V。其2MHz的開(kāi)關(guān)頻率及采用的電流模式控制方式減小了元件尺寸、可達(dá)到94%以上的效率、并具有快速瞬態(tài)響應(yīng)。它集成了所有必需的開(kāi)關(guān)(電源開(kāi)關(guān)、同步整流器、反向電流阻斷器)以盡量減少方案的尺寸。在關(guān)機(jī)期間，True Shutdown?電路允許將負(fù)載與電池隔斷以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。

　　對(duì)需要對(duì)供電電壓進(jìn)行嚴(yán)格穩(wěn)壓的器件來(lái)說(shuō)，有可能需要對(duì)以上討論過(guò)的升壓后的電壓進(jìn)行降壓。對(duì)超低功耗應(yīng)用來(lái)說(shuō)，線(xiàn)性穩(wěn)壓器可能效率更高，因?yàn)樗鼈儧](méi)有開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)損耗。帶有跳周期模式(skip mode)的降壓穩(wěn)壓器具有良好的輕載效率;但低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器(LDO)方案的體積更小，對(duì)胰島素泵來(lái)說(shuō)，這是非常重要的。LDO的效率非常接近于VOUT/VIN之比，所以，若輸入電壓是略高于LDO壓差規(guī)范的固定電壓，其效率可以很高。

　　若電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要穩(wěn)壓，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者會(huì)使用開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器。為減小尺寸和重量，這些轉(zhuǎn)換器的工作頻率應(yīng)盡可能地高。當(dāng)需要多個(gè)電源輸出時(shí)，可采用電源管理IC(PMIC)以節(jié)省空間。

　　電池供電的胰島素泵制造商在降低功耗、延長(zhǎng)電池壽命方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。對(duì)當(dāng)今的胰島素泵來(lái)說(shuō)，電池的壽命或充電續(xù)航時(shí)間可達(dá)到3至10周。市場(chǎng)上的許多胰島素泵，采用單節(jié)AA或AAA堿性或鋰電池。一次性(不可充電)電池很常見(jiàn)，但可充電電池可用來(lái)降低病人的長(zhǎng)期費(fèi)用。由于可充電電池的電量比一次性電池少，所以其兩次充電間的續(xù)航時(shí)間較短。

　　鑒于尺寸限制以及一次性電池的廣泛使用，胰島素泵不包括電池充電器。由于一次性電池沒(méi)有燃料計(jì)，所以電池壽命指示一般依靠簡(jiǎn)單的電池電壓測(cè)量、有時(shí)也借助溫度測(cè)量實(shí)現(xiàn)。這些電壓和溫度讀數(shù)被發(fā)送到ADC進(jìn)行數(shù)字化處理。微控制器會(huì)處理這些數(shù)據(jù)，并利用一個(gè)查找表來(lái)確定剩余電量在三、四格以?xún)?nèi)的情況。然后它會(huì)驅(qū)動(dòng)一個(gè)顯示器，通常是帶剩余電量指示格的一個(gè)電池符號(hào)。當(dāng)剩下最后一格時(shí)，胰島素泵將發(fā)出低電量警告。