LPC2478設(shè)計(jì)的嵌入式智能胰島素泵技術(shù)

預(yù)計(jì)在未來(lái)20年內(nèi)糖尿病患者的數(shù)量會(huì)上升至3.8億。糖尿病是一種終身代謝性疾病，若能得到有效控制，患者可以終生帶病而不影響工作和生活;若控制不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致心血管疾病、血脂異常、失明、腎功能衰竭及截肢等嚴(yán)重并發(fā)癥。

　　現(xiàn)有的胰島素泵往往只可以注入胰島素，而缺乏對(duì)患者體內(nèi)血糖的監(jiān)測(cè)能力，是一個(gè)“半開(kāi)環(huán)”系統(tǒng)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人們生活水平的提高，患者對(duì)醫(yī)療儀器的需求正不斷增長(zhǎng)，對(duì)其性能需求也不斷提高。因此，我們有必要設(shè)計(jì)一種基于嵌入式系統(tǒng)的智能胰島素泵，具有注射和監(jiān)測(cè)兩種功能，實(shí)現(xiàn)真正的“閉環(huán)”控制，把糖尿病對(duì)患者生活帶來(lái)的不便降到最低。并且其體積小巧、價(jià)格低廉、能滿足廣大糖尿病患者的健康需要，因此智能胰島素泵的研制具有廣闊的應(yīng)用及市場(chǎng)前景。

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　嵌入式智能胰島素泵主要包含主處理器、電源及復(fù)位、LCD觸摸屏、泵驅(qū)動(dòng)模塊和信號(hào)采集模塊。借助了高度集成的LPC2478微控制器，芯片內(nèi)部集成了USB控制器、以太網(wǎng)接口、PWM、ADC以及方便的LCD顯示接口。其中USB用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，ADC用來(lái)采集血糖信號(hào)，PWM功能用于驅(qū)動(dòng)泵的工作，LCD接口提供人機(jī)交互顯示部分，以太網(wǎng)接口將提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能。

　　由于目前的胰島素泵僅僅作為輸入胰島素的裝置，不能自動(dòng)感知使用者體內(nèi)血糖濃度，也不能自動(dòng)將血糖控制到正常。因此本次設(shè)計(jì)在胰島素泵原有功能基礎(chǔ)上，加入血糖監(jiān)測(cè)功能，間隔一定時(shí)間對(duì)血糖值進(jìn)行采集，通過(guò)比對(duì)即時(shí)調(diào)整臨時(shí)注射量。通過(guò)LCD觸摸屏可以方便查詢血糖值和歷史注射記錄。USB和以太網(wǎng)可以與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給醫(yī)生。醫(yī)生通過(guò)血糖圖來(lái)制定相應(yīng)的治療方案，并依據(jù)治療方案可重新設(shè)定胰島素的注入量。采用友好的人機(jī)交互界面，為糖尿病患者帶來(lái)極大方便，幫助患者擺脫生活不便的苦惱。

　　本系統(tǒng)在胰島素泵原有功能基礎(chǔ)上，加入血糖監(jiān)測(cè)功能，真正起到人工胰的功能。將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)繪制成血糖圖，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給醫(yī)生，以便醫(yī)生制定相應(yīng)的治療方案，最終實(shí)現(xiàn)個(gè)人—儀器—醫(yī)療機(jī)構(gòu)一體化的治療。

　　硬件平臺(tái)采用自己繪制的PCB板，包括微控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、LCD顯示模塊、信號(hào)采集放大電路、USB接口模塊和以太網(wǎng)接口模塊六部分，硬件原理圖如圖1所示。

　　微處理模塊

　　微處理模塊采用以ARM7 TDMI-S為內(nèi)核的LPC2478芯片。其運(yùn)行電壓范圍是3.3V~3.5V ，具有512kB片內(nèi)高速Flash存儲(chǔ)器、1個(gè)外部存儲(chǔ)器控制器(EMC)、1個(gè)LCD控制器、1個(gè)10/100的以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器(MAC)、1個(gè)USB全速Device/Host/OTG控制器、1個(gè)10位的ADC和1個(gè)PWM單元等片內(nèi)資源。

　　LCD顯示模塊

　　由于LCD控制器集成在LPC2478微控制器，所以簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了開(kāi)發(fā)難度，提供了低成本、低功耗和高效的LCD顯示的解決方案。LCD接口電路如圖2所示，基于ADS7843的4線觸摸屏接口電路如圖3所示。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　微型泵驅(qū)動(dòng)電路采用ROHM的H橋式驅(qū)動(dòng)器，其低壓、方便的PWM信號(hào)(20kHz~100kHz)輸入對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度控制，為系統(tǒng)提供了高效率和低功耗的解決方案。電路如圖4所示。信號(hào)采集放大電路

　　因?yàn)?a target="_blank">檢測(cè)電路產(chǎn)生的是微弱電信號(hào)，必須進(jìn)行放大，才能送入LPC控制器A/D采樣端口。放大電路如圖5所示。

　　USB接口模塊和以太網(wǎng)接口模塊

　　可進(jìn)行后續(xù)擴(kuò)展開(kāi)發(fā)。

　　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)軟件主要由人機(jī)交互模塊(帶觸摸功能的LCD顯示屏)、血糖采集模塊(A/D模塊)、泵驅(qū)動(dòng)模塊(PWM生成模塊)、Real-Time實(shí)時(shí)模塊(RTC時(shí)鐘)和以太網(wǎng)通信模塊五部分組成。

　　mC/OS-II操作系統(tǒng)移植

　　本次設(shè)計(jì)針對(duì)LPC2478進(jìn)行了mC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植，并對(duì)ZLG/GUI庫(kù)進(jìn)行了修改，來(lái)提供圖形化人機(jī)交互界面。

　　LPC2478的mC/OS-II的移植，主要包括移植CPU部分的mC-CPU，編寫板級(jí)驅(qū)動(dòng)支持(BSP)和設(shè)計(jì)獨(dú)立的LCD驅(qū)動(dòng)(LCD_Driver)三部分。其中OS_CPU是操作系統(tǒng)的核心部分，BSP用來(lái)提供目標(biāo)板和幾個(gè)模塊的初始化，LCD_Driver則提供了LPC2478的LCD控制器配置、初始化和一些簡(jiǎn)單的GUI函數(shù)接口。

　　人機(jī)交互模塊

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用帶觸摸功能的LCD顯示屏，來(lái)實(shí)現(xiàn)菜單選擇、劑量注射、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定及歷史注射狀態(tài)回看，為用戶提供便捷的操作和友好的人機(jī)交互界面。提供了一些底層GUI函數(shù)接口，如清屏、畫點(diǎn)、畫橫線和畫豎線。

　　血糖采集模塊

　　LPC2478內(nèi)部自帶10位A/D轉(zhuǎn)換器，該A/D模塊主要用來(lái)采集經(jīng)放大電路放大后的由血糖監(jiān)測(cè)電路產(chǎn)生的電信號(hào)。每連續(xù)采集30次后，對(duì)采得的信號(hào)求平均值，此平均值即作為此刻的血糖值進(jìn)行儲(chǔ)存。以所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為參考，可方便系統(tǒng)對(duì)胰島素基礎(chǔ)量注射進(jìn)行查詢。

　　泵驅(qū)動(dòng)模塊

　　結(jié)合LPC2478內(nèi)部RTC控制器提供的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，針對(duì)用戶各個(gè)時(shí)間段的血糖值及這個(gè)時(shí)間段所需注射的胰島素的劑量、三餐時(shí)間的大劑量或臨時(shí)劑量，通過(guò)查表，來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波來(lái)控制微型泵。

　　系統(tǒng)使用指南

　　本嵌入式智能胰島素泵分為三部分：主機(jī)、儲(chǔ)液罐及輸注軟管和血糖探頭。

　　首先將輸注軟管和血糖探測(cè)頭分別插入患者腹部皮下，開(kāi)啟本裝置。依據(jù)醫(yī)生建議或佩帶者糖尿病病史設(shè)定的輸注程序控制微型泵持續(xù)輸注胰島素。血糖探測(cè)頭通過(guò)與測(cè)試者皮下血液中的葡萄糖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成電信號(hào)，經(jīng)微控制器處理后，判斷是否要即時(shí)調(diào)整臨時(shí)注射量。

　　LCD和觸摸屏的設(shè)計(jì)提供了人性化的操作。LCD顯示屏顯示當(dāng)前胰島素注入速率、血液中葡萄糖濃度、臨時(shí)調(diào)整量、儲(chǔ)液罐內(nèi)剩余胰島素劑量等參數(shù);觸摸屏則使操作變得更加簡(jiǎn)單。

　　本裝置有蜂鳴和振動(dòng)兩種報(bào)警裝置，當(dāng)儲(chǔ)液罐內(nèi)藥液不足、電池電量過(guò)低或其它異常情況下，會(huì)自動(dòng)報(bào)警。還可以通過(guò)以太網(wǎng)接口連接互聯(lián)網(wǎng)，使醫(yī)生即時(shí)了解患者信息。此設(shè)備十分適合1型糖尿病患者，尤其是那些病情“難以控制”、“易變”、“脆性”的1型糖尿病病人。

　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了板級(jí)驅(qū)動(dòng)的整合，GUI的改寫和應(yīng)用以及mC/OS-II的成功移植，實(shí)現(xiàn)了胰島素泵的基本功能。圖7為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行圖。