胰島素泵的系統設計方案

　　胰島素泵是一種便攜式醫療設備，在美國，其設計和制造由美國食品與藥物管理局(FDA)監管。這意味著(zhù)：其設計和建造必須遵循準確規定的流程;其性能必須滿(mǎn)足嚴格的文檔化管理、開(kāi)發(fā)測試、生產(chǎn)測試和現場(chǎng)維護等要求。如圖1中設備，還必須包含全面的自檢和故障顯示功能，從而需要額外電路以及使用具有自檢功能的器件。

　　圖1：胰島素泵系統功能框圖;美信可提供藍色部分的解決方案。

　　便攜性

　　胰島素泵是可佩戴的設備，因此，必須非常小而輕(圖2)。其體積通常約2×3×0.75英寸(5.7×7.6×1.9厘米)，重量為2和4盎司(57克和113克)。這些外形要求，使設計師在選擇器件時(shí)，會(huì )優(yōu)先考慮其大小和功耗。

　　圖2：典型的電池供電的胰島素泵。

　　為節省空間，系統設計師需要高度集成的方案和非常小的封裝，如：芯片級封裝(如美信的UCSP封裝)和晶圓級封裝(WLP)。為使電池體積盡可能小，設計師必須盡可能降低能耗、提高效率。如果可能的話(huà)，關(guān)閉那些在任何特定時(shí)間內不使用的電路，工作時(shí)再給其供電。

　　該系統的核心是一款高度集成的低待機功耗微控制器——如美信的MAXQ2010、或其它制造商的類(lèi)似微控制器。16位微控制器MAXQ2010 ，當工作在1MHz和2.7V時(shí)，功耗僅為1mA，停機模式的功耗僅為370nA。這種低功耗特性對延長(cháng)胰島素泵內電池的工作壽命至關(guān)重要。與大多數微控制器一樣，MAX2010包括USART、定時(shí)器、64kB基于閃存的程序存儲器、2kBRAM、一些通用I/O引腳、帶參考電壓的312.5k采樣/秒12位逐次逼近ADC、160段LCD控制器及其它資源。它還可快速從睡眠和停止模式喚醒，使胰島素泵能更好、更快地服務(wù)用戶(hù)需求。

　　胰島素泵子系統

　　胰島素以“單位”計量，每cc(也即mL，毫升)有100個(gè)單位(假定采用標準U-100濃度方法)。這意味著(zhù)，一個(gè)單位是10μL(微升)?；A代謝率的數量級在單位/小時(shí)水平，每3到10分鐘要對其進(jìn)行管控調適，而單次劑量是幾個(gè)單位。典型的裝載胰島素容器的容量為200至300個(gè)單位。

　　由于其超低流速，驅動(dòng)齒輪泵的電機是減速型的，通常采用一個(gè)絲桿來(lái)非常緩慢地推動(dòng)容器活塞，為此電機要轉動(dòng)很多轉。因此，只需對電機進(jìn)行大致的角測量。大多數主要的胰島素泵制造商使用光學(xué)編碼器和直流馬達，雖然步進(jìn)馬達也可用。其它可能的方法包括采用基于MEMS的泵以使系統體積盡可能小，或采用壓力泵以拿掉電機和去掉基于活塞的儲液槽。

　　壓力傳感器用來(lái)確保正常運行及檢測堵塞?；诠钁冇?，這些傳感器可提供毫伏級信號，而不是綁定線(xiàn)應變計提供的微伏級信號。應變計采用典型的橋配置，在大約電源電壓一半的共模電壓下，提供差分信號。

　　設計將采用帶差分可編程增益放大器(PGA)輸入的ADC，或集成在微控制器內帶用于信號調制的外部差分或儀表放大器的ADC。因為壓力讀數僅用于顯示正常運行狀況、并不用于計算給藥，所以不需要精密壓力測量。

　　子系統供電

　　胰島素泵通常使用升壓穩壓器將單節堿性電池的較低電壓(標稱(chēng)1.5V)升高至2V或更高。為達到最長(cháng)電池壽命，這些升壓穩壓器應盡可能工作在允許的最低輸入電壓。美信和其它廠(chǎng)家的穩壓器的工作電壓可低至0.6V，啟動(dòng)電壓最低可達0.7V，從而最大限度地延長(cháng)了電池壽命。

　　MAX1947就是這樣一款升壓型DC-DC轉換器，其輸入電壓范圍為0.7V至3.6V。其2MHz的開(kāi)關(guān)頻率及采用的電流模式控制方式減小了元件尺寸、可達到94%以上的效率、并具有快速瞬態(tài)響應。它集成了所有必需的開(kāi)關(guān)(電源開(kāi)關(guān)、同步整流器、反向電流阻斷器)以盡量減少方案的尺寸。在關(guān)機期間，True Shutdown?電路允許將負載與電池隔斷以最大限度地延長(cháng)電池壽命。

　　對需要對供電電壓進(jìn)行嚴格穩壓的器件來(lái)說(shuō)，有可能需要對以上討論過(guò)的升壓后的電壓進(jìn)行降壓。對超低功耗應用來(lái)說(shuō)，線(xiàn)性穩壓器可能效率更高，因為它們沒(méi)有開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)損耗。帶有跳周期模式(skip mode)的降壓穩壓器具有良好的輕載效率;但低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)方案的體積更小，對胰島素泵來(lái)說(shuō)，這是非常重要的。LDO的效率非常接近于VOUT/VIN之比，所以，若輸入電壓是略高于LDO壓差規范的固定電壓，其效率可以很高。

　　若電機驅動(dòng)需要穩壓，系統設計者會(huì )使用開(kāi)關(guān)模式轉換器。為減小尺寸和重量，這些轉換器的工作頻率應盡可能地高。當需要多個(gè)電源輸出時(shí)，可采用電源管理IC(PMIC)以節省空間。

　　電池供電的胰島素泵制造商在降低功耗、延長(cháng)電池壽命方面取得了長(cháng)足進(jìn)展。對當今的胰島素泵來(lái)說(shuō)，電池的壽命或充電續航時(shí)間可達到3至10周。市場(chǎng)上的許多胰島素泵，采用單節AA或AAA堿性或鋰電池。一次性(不可充電)電池很常見(jiàn)，但可充電電池可用來(lái)降低病人的長(cháng)期費用。由于可充電電池的電量比一次性電池少，所以其兩次充電間的續航時(shí)間較短。

　　鑒于尺寸限制以及一次性電池的廣泛使用，胰島素泵不包括電池充電器。由于一次性電池沒(méi)有燃料計，所以電池壽命指示一般依靠簡(jiǎn)單的電池電壓測量、有時(shí)也借助溫度測量實(shí)現。這些電壓和溫度讀數被發(fā)送到ADC進(jìn)行數字化處理。微控制器會(huì )處理這些數據，并利用一個(gè)查找表來(lái)確定剩余電量在三、四格以?xún)鹊那闆r。然后它會(huì )驅動(dòng)一個(gè)顯示器，通常是帶剩余電量指示格的一個(gè)電池符號。當剩下最后一格時(shí)，胰島素泵將發(fā)出低電量警告。