基于动态血糖监测仪的闭环胰岛素泵的研究

穆爽 上海永历科贸有限公司 （上海 200000）

内容提要： 胰岛素泵由泵、小注射器以及与之相连的输液管构成，是一种持续输注胰岛素装置，既安全又方便携带，有助于控制血糖浓度。为了更好地监测血糖，根据人体血糖变化趋势，科学注射胰岛素，本文配合应用动态血糖监测仪（CGMS），从整体结构设计、系统硬件结构设计与系统软件设计三个方面着手，设计研究新型闭环胰岛素泵。

近年，社会迅速发展，人们生活水平不断提升，糖尿病发病率逐年升高，成为影响患者身心健康的重要疾病，降低患者生存质量。其中，胰岛素是糖尿病治疗的重要组成部分[1]。胰岛素泵中的小注射器最多可容纳3mL胰岛素，将注射器装入至泵中，借助注针器，扎入输液管前端的引导针至皮下（常规情况下选择腹壁），利用电池，驱动胰岛素泵的螺旋马达，推动小注射器活塞，向体内输注胰岛素[2]。胰岛素泵，通过模拟胰腺的分泌功能，根据所需剂量，持续推注胰岛素至患者皮下，稳定全天血糖，实现对血糖值的有效控制[3]。为了更好地监测血糖变化，掌握糖尿病患者的病情，有学者开始研究基于动态血糖监测仪的闭环胰岛素泵系统设计。在此，笔者将结合自己的临床经验，参考借鉴相关文献资料，探讨研究基于动态血糖监测仪的闭环胰岛素泵。

1.基于动态血糖监测仪的闭环胰岛素泵

1.1 整体结构

基于CGMS的闭环胰岛素泵由多个部分构成，如MSP430微处理器、蓝牙接口、无线接收模块nRF2401、微型泵等。这种胰岛素泵，通过无线接收模块接收来自于CGMS监测到的血糖值，并根据人体的正常血糖浓度值，借助微控制器对需注射胰岛素量进行实时计算，将此作为基础量，促使微型泵输出精准度高的值。根据医学规定，按照胰岛素用量标准计算公式对基础量准确值进行计算。具体公式如下：

其中，U表示胰岛素每日用量，单位取mg；P为空腹血糖值，单位取mg/dl；K表示体重，单位取kg。血糖正常值取100，血糖单位换算成mg/L用×10表示，×0.6表示的是人体体液量为体重的60%，将mg换成g用÷1000表示，÷2表示2g血糖需胰岛素1U。

1.2 系统软件

基于CGMS的闭环胰岛素泵，采用模块化方法完成软件部分设计，包括多个构成要素，如键盘子程序、主程序、胰岛素注射子程序等。主程序。设计闭环胰岛素泵主程序时，需考虑多方面的功能需求，主要包括以下几点：①整个系统初始化；②显示开机画面；③检测系统故障；④调整基础率；⑤根据实际情况，设置时间，包括基础量、餐前量以及加餐量。胰岛素泵注射子程序。系统初始化完成之后，自行判断注射胰岛素基础率的时间是否到了，如果是则按照事先预定的量进行注射，在此基础上，判断餐前量注射时间，最终，根据实际情况，决定有没有必要加减量。整个过程的局部程序设计如下所示：

#pragma vector =TIMERB0-VECTOR

--interrupt void Timer -B0(void)

…………

//若需注射胰岛素

If(Action -ing||Add-Temp-ing||Act-Before-ing)

{

//胰岛素量合成给定

Insulin-Value=InterFun-Target-Insulin();

Insulin'-Motor-Output-PID();

//所需注射量输送至电机，由驱动电机输出

InterFun-Motor-Output(Insulin-Value);

}}

1.3 系统硬件结构

系统硬件是闭环胰岛素泵的重要构成要素，是影响闭环胰岛素泵工作性能的一大因素，设计过程中需尤为重视。同时，系统硬件间的相互配合与协助，是提高闭环胰岛素泵工作效率的有效措施。本次研究的基于动态血糖监测仪的闭环胰岛素泵所涉及的硬件结构包括以下几类：①微处理器。选择由T1公司生产提供的MSP430F149微处理器，具有超低功耗的特点，设定于保持模式状态下，MCU消耗电流一般为0.1μA，6μs内便可从待机状态恢复至正常工作模式。MSP430F149单片机的片内外设十分丰富，UART、SPI、A/D、定时器等是常用的模块，极大地提升了系统的开发效率。②血糖监测。关于血糖监测模块，市面上常见的类型有2种。一是微创血糖监测，现如今，大部分血糖仪都采用微创血糖检测方法检测血糖，具体操作时，在血糖仪中先插入试纸，再在试纸上滴上患者的血液，血液中的葡萄糖成分和试纸上的化学物质发生化学反应，根据反应便可得出相应的血糖值。二是采用皮下植入传感器方式，无创测量血糖值。该方法的基本原理是借助聚合物传感器，通过其对酸度变化做出的反应，检测葡萄糖氧化酶的含量。顾名思义，这种检测方法无创性，避免因采血出现的伤口，患者更加愿意接受，可减少感染发生率。闭环胰岛素泵设计中，选择无创检测方法，即皮下植入传感器无创监测方法，利用检测仪配备的无线发射模块nRF2401，实现血糖浓度的实时发射。研究证实，CGMS应用在闭环胰岛素泵中，对糖尿病患者具有指导作用，有助于降低患者血糖值，缓解糖尿病病症，减少并发症与合并症，改善预后，促使患者早日康复。另外，CGMS属于微型化智能设备，操作十分简单，而且精度高，对血糖信号进行动态处理，并且能够无线传输，为掌握患者的血糖值变化创造有利条件。③闭环无线接收模块。利用由Nordic公司生产提供的单片射频发射器芯片nRF2401对闭环无线接收模块进行设计。其中，芯片内由多部分构成，包括晶体振荡器及调制器和功率放大器，发射功率与工作频率等参数配置主要依靠3线SPI完成。同时，nRF2401内置多个功能模块，包括时钟处理器、先入先出堆栈区、地址解码器、GFSK滤波器等，由于所需要的外围模块并不多，因此更方便使用。除此之外，nRF2401具有电流消耗低的特点，一般情况下，输出功率为-5dBm时，可能会消耗电流10.5mA，若是处于接收模式状态下，消耗电流18mA左右。另外，该模块还可以调整至掉电模式，降低功耗。

2.小结

基于动态血糖监测仪的闭环胰岛素泵系统，根据患者的实际需求，结合患者病情，调节胰岛素用量，并详细记录胰岛素输注情况，有助于临床医师掌握患者的情况，便于医师处理突发事件。目前，基于动态血糖监测仪的闭环胰岛素泵总功耗如何降低仍是研究的重点，旨在完善该系统。