胰岛素泵的系统设计方案

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  •   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。

      

    胰岛素泵的系统设计方案


     

      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。

      

    胰岛素泵的系统设计方案

     

      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。

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