智能胰島素泵與動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)儀

作者 孫曉偉 泰銳菲克(天津)醫(yī)療科技有限公司(天津 300384)

摘要：胰島素泵針對(duì)胰島β細(xì)胞損害進(jìn)行基礎(chǔ)劑量及三餐劑量調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)胰島素泵需要每天定時(shí)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量值與實(shí)際值存在偏差，針對(duì)上述狀況加入動(dòng)態(tài)血糖分析儀，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值對(duì)血糖值進(jìn)行預(yù)判并針對(duì)測(cè)量值動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)基礎(chǔ)量?？梢蕴岣咛悄虿≈委煹尼槍?duì)性。

序言

　　胰島素泵采用體外固定安裝，只將給藥頭埋入皮下，由皮下給藥?？蛇B續(xù)給藥，采用基礎(chǔ)率與餐前量組合的輸注方式模擬正常胰腺的分泌，使胰島素釋放和吸收接近正常生理要求，為糖尿病患者進(jìn)行胰島素強(qiáng)化治療提供了更為安全有效的手段，但其也存在輸注量與血糖測(cè)量值的延遲偏差等問(wèn)題，往往輸注效果不如預(yù)期，所以加入動(dòng)態(tài)血糖分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血糖值并對(duì)血糖進(jìn)行預(yù)測(cè)，判斷輸注量，實(shí)時(shí)調(diào)整胰島素泵工作狀態(tài)。

1 胰島素泵結(jié)構(gòu)及工作原理

　　胰島素泵由微電腦、螺旋泵和管路三部分組成，其各部分組成如下：①微電腦：芯片，兩套獨(dú)立系統(tǒng)，每小時(shí)自檢125000次，可存儲(chǔ)90天的信息;②螺旋泵：獨(dú)立的螺旋馬達(dá)、傳動(dòng)螺桿、推進(jìn)器;③管路：儲(chǔ)液器、輸液管、快速分離器、針頭。

　　胰島素泵工作原理：根據(jù)患者的24小時(shí)血糖變化特點(diǎn)及對(duì)胰島素的敏感性，計(jì)算24小時(shí)胰島素需要量及其分布，將基礎(chǔ)率(可按每小時(shí)胰島素需求量做分段設(shè)定)及餐前大劑量設(shè)置于微電腦。在微電腦控制下，按照事先設(shè)置好的劑量，螺旋泵自動(dòng)推動(dòng)儲(chǔ)液器中的胰島素進(jìn)入輸液管，通過(guò)埋植在患者腹部或肢端皮下的輸注針頭輸入皮下。其中基礎(chǔ)率的設(shè)置可低至每小時(shí)0.1U，微電腦按照設(shè)置的每小時(shí)胰島素劑量平均每3～5min泵入一次;每餐前大劑量可預(yù)先設(shè)置定時(shí)自動(dòng)注入，也可預(yù)先設(shè)定后，餐前手動(dòng)按鍵注入，或在進(jìn)餐前根據(jù)預(yù)計(jì)進(jìn)餐量計(jì)算胰島素需要量臨時(shí)加入;根據(jù)血糖的變化，可隨時(shí)追加劑量或調(diào)整基礎(chǔ)率。

2 胰島素泵硬件組成

　　胰島素泵硬件電路主要由主控單元、快速充電電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路三部分組成。由于胰島素泵由鋰離子電池供電，故要求系統(tǒng)滿(mǎn)足低功耗要求，主控芯片選擇Nordic半導(dǎo)體提供的超低功耗nRF52832多協(xié)議系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該芯片滿(mǎn)足低功耗、高可靠性要求，該芯片通常應(yīng)用在需要電池供電的便攜式儀器儀表中。圖1為該主控芯片外圍電路。

　　nRF52832加入了很多新的功能。比如Cortex-M4F的內(nèi)核，它有更強(qiáng)大的運(yùn)算能力以及浮點(diǎn)運(yùn)算的技術(shù)。現(xiàn)在很多穿戴設(shè)備或工業(yè)化設(shè)備需要內(nèi)置非常復(fù)雜的算法，所以需要MCU有更快的運(yùn)行速度。這顆Cortex-M4F的內(nèi)核運(yùn)行期64MHz，SoC有512kB的Flash和64kB的RAM，基本可以滿(mǎn)足胰島素泵系統(tǒng)要求。

　　快速充電電路可以連接USB接口，對(duì)胰島素泵進(jìn)行快速充電處理。具體電路如圖2所示。電池快充方案采用安森美公司的NCP1855，NCP1855是完全可編程的單節(jié)鋰離子開(kāi)關(guān)電池充電器，針對(duì)采用USB輸入電源及交流適配器電源進(jìn)行了優(yōu)化。此組件整合了同步PWM控制器、功率MOSFET及完整的充電周期監(jiān)測(cè)功能，包括以軟件監(jiān)測(cè)的安全功能。可選的電池FET可以置于系統(tǒng)與電池之間，從而將系統(tǒng)隔離及為系統(tǒng)供電。NCP1855在充電周期監(jiān)測(cè)結(jié)溫及電池溫度，且可藉I2C設(shè)定來(lái)修改電壓和電流。充電器活動(dòng)及狀態(tài)透過(guò)專(zhuān)用引腳匯報(bào)給系統(tǒng)。輸入引腳提供過(guò)壓保護(hù)。

　　由于胰島素泵需要用螺旋馬達(dá)、傳導(dǎo)螺桿和推進(jìn)器，故需要配置馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路，這里用到的馬達(dá)為MAXON公司RE8系列的直流馬達(dá)。驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用德州儀器公司的DRV10983，此芯片具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　①超靜音工作：180度純正弦無(wú)傳感器工作與高級(jí)啟動(dòng)算法相結(jié)合，產(chǎn)生噪聲比同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品低75% ，可實(shí)現(xiàn)超靜音工作，啟動(dòng)時(shí)沒(méi)有煩人的噪聲;

　　②無(wú)代碼可配置性：無(wú)需復(fù)雜微控制器編碼或?qū)I(yè)電機(jī)知識(shí)，可通過(guò)簡(jiǎn)單的寄存器設(shè)置調(diào)節(jié)各種電機(jī)，實(shí)現(xiàn)最佳性能和最可靠的啟動(dòng);

　?、廴娴谋Ｗo(hù)套件：高級(jí)片上保護(hù)包含抗電壓浪涌 (AVS) 過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫、擊穿、欠壓鎖定以及高級(jí)五級(jí)轉(zhuǎn)子鎖定保護(hù)等，不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)復(fù)雜性，而且還可提高系統(tǒng)的可靠性;

　?、苋婕尚徒鉀Q方案：集成功率FET、無(wú)傳感器控制邏輯和可選100mA、3.3V或5V步降轉(zhuǎn)換器的單芯片解決方案可縮小板級(jí)空間，降低系統(tǒng)成本并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

3 動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由感應(yīng)探頭、血糖記錄器、助針器、信息提取器和軟件組成。

　?、?感應(yīng)探頭：葡萄糖感應(yīng)探頭是細(xì)小、無(wú)菌、柔軟的探頭，分為半透膜、葡萄糖氧化酶、PT電極三層，插入皮膚，可連續(xù)3天測(cè)試細(xì)胞間液內(nèi)的葡萄糖;

　　② 血糖記錄器：血糖記錄器是一個(gè)重120g，類(lèi)似傳呼機(jī)大小的電子設(shè)備，能通過(guò)電纜不斷地自動(dòng)獲取來(lái)自探頭的信號(hào)，這些信號(hào)在下載時(shí)轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)變化的血糖值;

　　(1)每10s從探頭獲取1次信號(hào)，將每5min信號(hào)的平均值進(jìn)行存儲(chǔ);

　　(2)每天存儲(chǔ)288個(gè)血糖數(shù)值，最多可存儲(chǔ)14天數(shù)據(jù);

　　(3)存儲(chǔ)由患者輸入的指血血糖值，范圍在2.2～22mmol/L;

　　(4)存儲(chǔ)由患者輸入的事件標(biāo)記;

　　(5)每天用4次以上的指血值加以校正。

　?、圩詣?dòng)注針器：用于將感應(yīng)探頭插入皮下，使用簡(jiǎn)便，入針快速，基本無(wú)不適;

　?、苄畔⑻崛∑鳎河糜谘怯涗浧髋c電腦之間的信息通訊，用它的紅外接口可將記錄儀的數(shù)據(jù)下載到電腦進(jìn)行分析;

　　⑤ 軟件：通過(guò)數(shù)據(jù)處理提交測(cè)試者的血糖報(bào)告，包括每日血糖圖、多日血糖圖、波動(dòng)趨勢(shì)分析，以及每日血糖數(shù)據(jù)小結(jié)，包括平均值、平均絕對(duì)值、相關(guān)系數(shù)、餅圖、血糖曲線(xiàn)下面積。

　　動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理：人體組織液內(nèi)的葡萄糖滲透過(guò)動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)感應(yīng)探頭的半透膜，與感應(yīng)探頭的葡萄糖氧化酶反應(yīng)，產(chǎn)生葡萄糖酸和過(guò)氧化氫，過(guò)氧化氫分解生成與葡萄糖相應(yīng)的電子2e-F，電子2e-F電信號(hào)通過(guò)Pt電極傳輸?shù)窖怯涗浧?，與此同時(shí)，每天給患者輸入4個(gè)以上的血糖值，輸入患者大事標(biāo)記，如進(jìn)餐、注射胰島素等，動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)血糖值與指血血糖值進(jìn)行校正，并存儲(chǔ)在血糖記錄器上。信號(hào)提取器通過(guò)紅外通訊口或RS232通用串口將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從血糖記錄儀上下載到電腦，通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件提交測(cè)試者的血糖報(bào)告。

4 雙C療法

　　雙C療法，即持續(xù)皮下胰島素輸注(CSII)和動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CGMS)聯(lián)合治療糖尿病的療法。目前，雙C療法已經(jīng)逐步成為糖尿病診療領(lǐng)域的臨床常規(guī)療法之一。動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)獲取的是糖尿病患者的連續(xù)血糖值，精確反映患者的全天血糖波動(dòng)情況。根據(jù)動(dòng)態(tài)血糖值來(lái)調(diào)節(jié)胰島素泵的輸注，是真正人工胰島的基礎(chǔ)，將幫助患者真正實(shí)現(xiàn)精細(xì)降糖。

　　雙C方案分三個(gè)步驟。首先，在應(yīng)用CSII前進(jìn)行連續(xù)24~72小時(shí)的監(jiān)測(cè)，找到血糖波動(dòng)的特點(diǎn)，制定個(gè)體化的基礎(chǔ)量和餐前量，即根據(jù)CGMS圖指導(dǎo)CSII初始劑量;其次，根據(jù)CGMS圖指導(dǎo)CSII劑量的進(jìn)一步調(diào)整，如CGMS反映患者黎明時(shí)血糖高，則可增加3：00～7：00這一時(shí)段的基礎(chǔ)率;最后，根據(jù)CGMS圖評(píng)估CSII治療效果。這樣能更快捷地將24小時(shí)血糖控制在接近正常水平。

5 結(jié)論

　　根據(jù)動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的血糖值進(jìn)行預(yù)判，調(diào)整胰島素泵的基礎(chǔ)量與餐前量可以對(duì)糖尿病患者達(dá)到精確治療，不會(huì)出現(xiàn)夜間低血糖與清晨高血糖的現(xiàn)象，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第33頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。