智能胰岛素泵与动态血糖监测仪

作者孙晓伟 泰锐菲克(天津)医疗科技有限公司(天津 300384)

摘要：胰岛素泵针对胰岛β细胞损害进行基础剂量及三餐剂量调节，传统胰岛素泵需要每天定时进行测量，测量值与实际值存在偏差，针对上述状况加入动态血糖分析仪，根据实时监测值对血糖值进行预判并针对测量值动态调节基础量。可以提高糖尿病治疗的针对性。

序言

　　胰岛素泵采用体外固定安装，只将给药头埋入皮下，由皮下给药。可连续给药，采用基础率与餐前量组合的输注方式模拟正常胰腺的分泌，使胰岛素释放和吸收接近正常生理要求，为糖尿病患者进行胰岛素强化治疗提供了更为安全有效的手段，但其也存在输注量与血糖测量值的延迟偏差等问题，往往输注效果不如预期，所以加入动态血糖分析仪实时监测血糖值并对血糖进行预测，判断输注量，实时调整胰岛素泵工作状态。

1 胰岛素泵结构及工作原理

　　胰岛素泵由微电脑、螺旋泵和管路三部分组成，其各部分组成如下：①微电脑：芯片，两套独立系统，每小时自检125000次，可存储90天的信息;②螺旋泵：独立的螺旋马达、传动螺杆、推进器;③管路：储液器、输液管、快速分离器、针头。

　　胰岛素泵工作原理：根据患者的24小时血糖变化特点及对胰岛素的敏感性，计算24小时胰岛素需要量及其分布，将基础率(可按每小时胰岛素需求量做分段设定)及餐前大剂量设置于微电脑。在微电脑控制下，按照事先设置好的剂量，螺旋泵自动推动储液器中的胰岛素进入输液管，通过埋植在患者腹部或肢端皮下的输注针头输入皮下。其中基础率的设置可低至每小时0.1U，微电脑按照设置的每小时胰岛素剂量平均每3～5min泵入一次;每餐前大剂量可预先设置定时自动注入，也可预先设定后，餐前手动按键注入，或在进餐前根据预计进餐量计算胰岛素需要量临时加入;根据血糖的变化，可随时追加剂量或调整基础率。

2 胰岛素泵硬件组成

　　胰岛素泵硬件电路主要由主控单元、快速充电电路、电机驱动电路三部分组成。由于胰岛素泵由锂离子电池供电，故要求系统满足低功耗要求，主控芯片选择Nordic半导体提供的超低功耗nRF52832多协议系统级芯片(SoC)来实现，该芯片满足低功耗、高可靠性要求，该芯片通常应用在需要电池供电的便携式仪器仪表中。图1为该主控芯片外围电路。

　　nRF52832加入了很多新的功能。比如Cortex-M4F的内核，它有更强大的运算能力以及浮点运算的技术。现在很多穿戴设备或工业化设备需要内置非常复杂的算法，所以需要MCU有更快的运行速度。这颗Cortex-M4F的内核运行期64MHz，SoC有512kB的Flash和64kB的RAM，基本可以满足胰岛素泵系统要求。

　　快速充电电路可以连接USB接口，对胰岛素泵进行快速充电处理。具体电路如图2所示。电池快充方案采用安森美公司的NCP1855，NCP1855是完全可编程的单节锂离子开关电池充电器，针对采用USB输入电源及交流适配器电源进行了优化。此组件整合了同步PWM控制器、功率MOSFET及完整的充电周期监测功能，包括以软件监测的安全功能。可选的电池FET可以置于系统与电池之间，从而将系统隔离及为系统供电。NCP1855在充电周期监测结温及电池温度，且可藉I2C设定来修改电压和电流。充电器活动及状态透过专用引脚汇报给系统。输入引脚提供过压保护。

　　由于胰岛素泵需要用螺旋马达、传导螺杆和推进器，故需要配置马达驱动电路，这里用到的马达为MAXON公司RE8系列的直流马达。驱动电路如图3所示。

　　电机驱动电路采用德州仪器公司的DRV10983，此芯片具有如下优点：

　　①超静音工作：180度纯正弦无传感器工作与高级启动算法相结合，产生噪声比同类竞争产品低75% ，可实现超静音工作，启动时没有烦人的噪声;

　　②无代码可配置性：无需复杂微控制器编码或专业电机知识，可通过简单的寄存器设置调节各种电机，实现最佳性能和最可靠的启动;

　　③全面的保护套件：高级片上保护包含抗电压浪涌 (AVS) 过压、过流、过温、击穿、欠压锁定以及高级五级转子锁定保护等，不仅简化了设计复杂性，而且还可提高系统的可靠性;

　　④全面集成型解决方案：集成功率FET、无传感器控制逻辑和可选100mA、3.3V或5V步降转换器的单芯片解决方案可缩小板级空间，降低系统成本并缩短开发时间。

3 动态血糖监测系统结构及工作原理

　　动态血糖监测系统由感应探头、血糖记录器、助针器、信息提取器和软件组成。

　　① 感应探头：葡萄糖感应探头是细小、无菌、柔软的探头，分为半透膜、葡萄糖氧化酶、PT电极三层，插入皮肤，可连续3天测试细胞间液内的葡萄糖;

　　② 血糖记录器：血糖记录器是一个重120g，类似传呼机大小的电子设备，能通过电缆不断地自动获取来自探头的信号，这些信号在下载时转化为动态变化的血糖值;

　　(1)每10s从探头获取1次信号，将每5min信号的平均值进行存储;

　　(2)每天存储288个血糖数值，最多可存储14天数据;

　　(3)存储由患者输入的指血血糖值，范围在2.2～22mmol/L;

　　(4)存储由患者输入的事件标记;

　　(5)每天用4次以上的指血值加以校正。

　　③自动注针器：用于将感应探头插入皮下，使用简便，入针快速，基本无不适;

　　④信息提取器：用于血糖记录器与电脑之间的信息通讯，用它的红外接口可将记录仪的数据下载到电脑进行分析;

　　⑤ 软件：通过数据处理提交测试者的血糖报告，包括每日血糖图、多日血糖图、波动趋势分析，以及每日血糖数据小结，包括平均值、平均绝对值、相关系数、饼图、血糖曲线下面积。

　　动态血糖监测系统工作原理：人体组织液内的葡萄糖渗透过动态血糖监测系统感应探头的半透膜，与感应探头的葡萄糖氧化酶反应，产生葡萄糖酸和过氧化氢，过氧化氢分解生成与葡萄糖相应的电子2e-F，电子2e-F电信号通过Pt电极传输到血糖记录器，与此同时，每天给患者输入4个以上的血糖值，输入患者大事标记，如进餐、注射胰岛素等，动态血糖监测系统所测血糖值与指血血糖值进行校正，并存储在血糖记录器上。信号提取器通过红外通讯口或RS232通用串口将监测数据从血糖记录仪上下载到电脑，通过数据处理软件提交测试者的血糖报告。

4 双C疗法

　　双C疗法，即持续皮下胰岛素输注(CSII)和动态血糖监测系统(CGMS)联合治疗糖尿病的疗法。目前，双C疗法已经逐步成为糖尿病诊疗领域的临床常规疗法之一。动态血糖监测获取的是糖尿病患者的连续血糖值，精确反映患者的全天血糖波动情况。根据动态血糖值来调节胰岛素泵的输注，是真正人工胰岛的基础，将帮助患者真正实现精细降糖。

　　双C方案分三个步骤。首先，在应用CSII前进行连续24~72小时的监测，找到血糖波动的特点，制定个体化的基础量和餐前量，即根据CGMS图指导CSII初始剂量;其次，根据CGMS图指导CSII剂量的进一步调整，如CGMS反映患者黎明时血糖高，则可增加3：00～7：00这一时段的基础率;最后，根据CGMS图评估CSII治疗效果。这样能更快捷地将24小时血糖控制在接近正常水平。

5 结论

　　根据动态血糖监测系统实时采集的血糖值进行预判，调整胰岛素泵的基础量与餐前量可以对糖尿病患者达到精确治疗，不会出现夜间低血糖与清晨高血糖的现象，具有广泛的应用前景。

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本文来源于《电子产品世界》2017年第2期第33页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。