胰岛素泵的系统设计方案

　　胰岛素泵是一种便携式医疗设备，在美国，其设计和制造由美国食品与药物管理局(FDA)监管。这意味着：其设计和建造必须遵循准确规定的流程;其性能必须满足严格的文档化管理、开发测试、生产测试和现场维护等要求。如图1中设备，还必须包含全面的自检和故障显示功能，从而需要额外电路以及使用具有自检功能的器件。

　　图1：胰岛素泵系统功能框图;美信可提供蓝色部分的解决方案。

　便携性

　　胰岛素泵是可佩戴的设备，因此，必须非常小而轻(图2)。其体积通常约2×3×0.75英寸(5.7×7.6×1.9厘米)，重量为2和4盎司(57克和113克)。这些外形要求，使设计师在选择器件时，会优先考虑其大小和功耗。

　　图2：典型的电池供电的胰岛素泵。

　　为节省空间，系统设计师需要高度集成的方案和非常小的封装，如：芯片级封装(如美信的UCSP封装)和晶圆级封装(WLP)。为使电池体积尽可能小，设计师必须尽可能降低能耗、提高效率。如果可能的话，关闭那些在任何特定时间内不使用的电路，工作时再给其供电。

　　该系统的核心是一款高度集成的低待机功耗微控制器——如美信的MAXQ2010、或其它制造商的类似微控制器。16位微控制器MAXQ2010 ，当工作在1MHz和2.7V时，功耗仅为1mA，停机模式的功耗仅为370nA。这种低功耗特性对延长胰岛素泵内电池的工作寿命至关重要。与大多数微控制器一样，MAX2010包括USART、定时器、64kB基于闪存的程序存储器、2kBRAM、一些通用I/O引脚、带参考电压的312.5k采样/秒12位逐次逼近ADC、160段LCD控制器及其它资源。它还可快速从睡眠和停止模式唤醒，使胰岛素泵能更好、更快地服务用户需求。

　胰岛素泵子系统

　　胰岛素以“单位”计量，每cc(也即mL，毫升)有100个单位(假定采用标准U-100浓度方法)。这意味着，一个单位是10μL(微升)。基础代谢率的数量级在单位/小时水平，每3到10分钟要对其进行管控调适，而单次剂量是几个单位。典型的装载胰岛素容器的容量为200至300个单位。

　　由于其超低流速，驱动齿轮泵的电机是减速型的，通常采用一个丝杆来非常缓慢地推动容器活塞，为此电机要转动很多转。因此，只需对电机进行大致的角测量。大多数主要的胰岛素泵制造商使用光学编码器和直流马达，虽然步进马达也可用。其它可能的方法包括采用基于MEMS的泵以使系统体积尽可能小，或采用压力泵以拿掉电机和去掉基于活塞的储液槽。

　　压力传感器用来确保正常运行及检测堵塞。基于硅应变计，这些传感器可提供毫伏级信号，而不是绑定线应变计提供的微伏级信号。应变计采用典型的桥配置，在大约电源电压一半的共模电压下，提供差分信号。

　　设计将采用带差分可编程增益放大器(PGA)输入的ADC，或集成在微控制器内带用于信号调制的外部差分或仪表放大器的ADC。因为压力读数仅用于显示正常运行状况、并不用于计算给药，所以不需要精密压力测量。

子系统供电

　　胰岛素泵通常使用升压稳压器将单节碱性电池的较低电压(标称1.5V)升高至2V或更高。为达到最长电池寿命，这些升压稳压器应尽可能工作在允许的最低输入电压。美信和其它厂家的稳压器的工作电压可低至0.6V，启动电压最低可达0.7V，从而最大限度地延长了电池寿命。

　　MAX1947就是这样一款升压型DC-DC转换器，其输入电压范围为0.7V至3.6V。其2MHz的开关频率及采用的电流模式控制方式减小了元件尺寸、可达到94%以上的效率、并具有快速瞬态响应。它集成了所有必需的开关(电源开关、同步整流器、反向电流阻断器)以尽量减少方案的尺寸。在关机期间，True Shutdown?电路允许将负载与电池隔断以最大限度地延长电池寿命。

　　对需要对供电电压进行严格稳压的器件来说，有可能需要对以上讨论过的升压后的电压进行降压。对超低功耗应用来说，线性稳压器可能效率更高，因为它们没有开关电源的开关损耗。带有跳周期模式(skip mode)的降压稳压器具有良好的轻载效率;但低压差线性稳压器(LDO)方案的体积更小，对胰岛素泵来说，这是非常重要的。LDO的效率非常接近于VOUT/VIN之比，所以，若输入电压是略高于LDO压差规范的固定电压，其效率可以很高。

　　若电机驱动需要稳压，系统设计者会使用开关模式转换器。为减小尺寸和重量，这些转换器的工作频率应尽可能地高。当需要多个电源输出时，可采用电源管理IC(PMIC)以节省空间。

　　电池供电的胰岛素泵制造商在降低功耗、延长电池寿命方面取得了长足进展。对当今的胰岛素泵来说，电池的寿命或充电续航时间可达到3至10周。市场上的许多胰岛素泵，采用单节AA或AAA碱性或锂电池。一次性(不可充电)电池很常见，但可充电电池可用来降低病人的长期费用。由于可充电电池的电量比一次性电池少，所以其两次充电间的续航时间较短。

　　鉴于尺寸限制以及一次性电池的广泛使用，胰岛素泵不包括电池充电器。由于一次性电池没有燃料计，所以电池寿命指示一般依靠简单的电池电压测量、有时也借助温度测量实现。这些电压和温度读数被发送到ADC进行数字化处理。微控制器会处理这些数据，并利用一个查找表来确定剩余电量在三、四格以内的情况。然后它会驱动一个显示器，通常是带剩余电量指示格的一个电池符号。当剩下最后一格时，胰岛素泵将发出低电量警告。