胰岛素泵供电系统设计 胰岛素泵原理图解析

胰岛素泵用于精确控制糖尿病患者的胰岛素注射量，病情比较严重的患者每天可能需要多次注射胰岛素以维持合理的血糖值。胰岛素泵能够改善患者的生活质量，通过合理控制血糖降低患者由于长期患病出现并发症的隐患。胰岛素泵固件设计允许调节注射器的注射速率，根据患者进食、睡眠和锻炼情况调节胰岛素的注射量。胰岛素放置在用户可更换的针管内，针管置于泵体内，这样就构成一个带活塞的专用注射器，活塞可以在胰岛素泵的控制下缓慢压下。针管出口连接到一个软管，胰岛素通过软管注入患者皮下(通常在腹部)。

血糖仪通过皮下传感器提供实时的血糖指标对糖尿病患者进行连续监测。每更换传感器一次可以使用若干天，这使得患者无需重复采集血样。未来的发展趋势是进一步完善血糖检测、响应机制以及自动调节胰岛素用药量整个环路的协同性。

胰岛素泵是一种便携式医疗设备，在美国，胰岛素泵的设计和生产受美国食品药品管理局(FDA)的监管。这意味着它的设计架构必须符合相关文件的要求，它们的性能必须满足pDA严格的条例规定以及开发测试、生产测试、现场维护等要求(图1)。

图1：胰岛素泵原理框图。

该设备还必须具备自测试和故障指示功能，这意味着需要额外的支持电路和元件来完成自检功能。

考虑到获得FDA批准所需要的时间和花费，胰岛素泵厂商需要选择一家以客户为导向、能够严格控制停产政策的芯片供应商，以确保若干年内维持系统厂商的供货。半导体厂商必须

认识到器件停产对医疗设备厂商造成的严重危害，坚持不懈地将一些旧的产品移植到新的产品线，建立晶圆库存，提供最后一次采购机会或开发出新的升级替代产品。Maxim极少在客户仍有需求的情况下停产某款器件。

胰岛素泵属于随身携带的设备，因而必须具备小尺寸、轻便(图2)等特点。典型的胰岛素泵尺寸约230.75英寸，重量只有2盎司或4盎司。这种小型化需求,使得设计人员在选择元器件时必须将尺寸、功耗作为优先考虑的因素。

为节省空间，系统设计人员需要高度集成、超小封装的器件。例如，芯片级封装(Maxim的UCSp封装)和晶片级封装(WLp)。为使用尺寸尽可能小的电池，设计人员必须尽量降低功耗、提高效率。如果可能的话，还需把任何没有使用的电路置于关断模式。

图2：典型的电池供电胰岛素泵系统(Medtronic生产的MiniMedparadigm522/722)。

系统的核心器件是高度集成的低待机功耗微控制器。例如：MAXQ2010或类似的MCU。MAXQ2010为16位的MCU，工作在1MHz，2.7V时仅消耗1mA的电流，待机模式下电流降至370nA。如此低的功耗能够有效延长胰岛素泵的电池使用寿命。与绝大多数MCU类似，MAXQ2010集成了USART、定时器、64字节闪存、2字节RAM以及通用的I/O功能和一路采样率为312.5ksps、内置基准的12位逐次逼近ADC、160段LCD控制器等资源。器件还具有快速唤醒功能，能够迅速从休眠和停机模式恢复到正常工作状态，从而使胰岛素泵能够快速响应患者的操作需求。

1.泵和检测方案

胰岛素按照单位计量，每cc(或mL)划分成100个单位，假设浓度为标准的U-100。在这种计量方式下，一个单位相当于10L。注射速率为1单位/小时，每次注射3到10分钟，一片胰岛素的剂量是几个单位，典型情况下针管可以装入200到300单位的胰岛素。

考虑到极慢的流速，电机逐级带动齿轮驱动泵带动针管的活塞非常缓慢地移动。通常只需要粗略地测量电机的角度。大多数胰岛素泵制造商使用光编码器和直流电机，也可以使用步进电机。为了缩小系统尺寸，还可以选择使用MEMS泵或压力泵，从而省去电机控制。

利用压力传感器检测系统的密封状况并确保正常工作。基于硅应力计，这些传感器的输出信号幅度在毫伏量级，而绑定线应力计的输出信号范围在微伏量级。应力计采用典型的桥结构，在共模电压的基础上产生差分信号，共模电压通常为电源电压的一半。

设计中可以采用带有差分输入可编程增益放大器(pGA)的模/数转换器(ADC)，或者是利用内置ADC的微控制器和外部差分放大器或仪表放大器(用于信号调理)。压力测量不需要很高

精度，因为压力读数只用于指示工作是否正常，并不用于注射药量计量。

2．供电子系统

胰岛素泵通常采用一个升压型稳压器，将单节碱性电池的低压(1.5V，标称值)输入提升到2V甚至更高。为了充分利用电池能量，该升压转换器应该能够在尽可能低的输入电压下工作。Maxim及其它电源厂商所提供的升压转换器能够工作在最低0.6V的电压，启动电压低至0.7V，可有效增长电池的使用寿命。

MAX1947升压型DC-DC转换器用于此类应用即为理想之选，输入电压范围为0.7V至3.6V。2MHz的开关频率和电流控制模式大大降低了外部元件尺寸，能够获得高于94%的转换效率并具有更快的响应时间。器件集成了所有开关转换电路(功率开关、同步整流、反向电流隔离器)，进一步减小了方案尺寸。真正的关断(TrueShutdown)电路能够在关断状态下完全断开电池与负载的连接，有助于进一步延长电池寿命。

如果设备要求严格稳定的电源电压，设计中可能需要对升压后的电源作进一步的稳压。在这种低压应用中，线性稳压器由于不存在开关损耗(开关电源的固有损耗)能够提供更高效率。

此外，低压差线性稳压器(LDO)能够获得更小的方案尺寸，这一点对于胰岛素泵尤为重要。LDO的效率非常接近VOUT/VIN比，当VIN与输出电压之差略高于LDO压差时可以获得较高效率

如果电机需要稳压源供电，可以选择开关模式转换器。为缩小尺寸、减轻重量，可以选择开关频率尽可能高的转换器。对于多电源供电系统，可以选择电源管理IC(pMIC)。