LPC2478設計的嵌入式智能胰島素泵技術

預計在未來20年內糖尿病患者的數量會上升至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，會導致心血管疾病、血脂異常、失明、腎功能衰竭及截肢等嚴重并發癥。

　　現有的胰島素泵往往只可以注入胰島素，而缺乏對患者體內血糖的監測能力，是一個“半開環”系統。隨著國民經濟和人們生活水平的提高，患者對醫療儀器的需求正不斷增長，對其性能需求也不斷提高。因此，我們有必要設計一種基于嵌入式系統的智能胰島素泵，具有注射和監測兩種功能，實現真正的“閉環”控制，把糖尿病對患者生活帶來的不便降到最低。并且其體積小巧、價格低廉、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用及市場前景。

　　系統實現

　　嵌入式智能胰島素泵主要包含主處理器、電源及復位、LCD觸摸屏、泵驅動模塊和信號采集模塊。借助了高度集成的LPC2478微控制器，芯片內部集成了USB控制器、以太網接口、PWM、ADC以及方便的LCD顯示接口。其中USB用來傳輸數據，ADC用來采集血糖信號，PWM功能用于驅動泵的工作，LCD接口提供人機交互顯示部分，以太網接口將提供網絡服務功能。

　　由于目前的胰島素泵僅僅作為輸入胰島素的裝置，不能自動感知使用者體內血糖濃度，也不能自動將血糖控制到正常。因此本次設計在胰島素泵原有功能基礎上，加入血糖監測功能，間隔一定時間對血糖值進行采集，通過比對即時調整臨時注射量。通過LCD觸摸屏可以方便查詢血糖值和歷史注射記錄。USB和以太網可以與PC機進行數據交換并通過網絡發送給醫生。醫生通過血糖圖來制定相應的治療方案，并依據治療方案可重新設定胰島素的注入量。采用友好的人機交互界面，為糖尿病患者帶來極大方便，幫助患者擺脫生活不便的苦惱。

　　本系統在胰島素泵原有功能基礎上，加入血糖監測功能，真正起到人工胰的功能。將存儲的數據繪制成血糖圖，通過網絡傳輸給醫生，以便醫生制定相應的治療方案，最終實現個人—儀器—醫療機構一體化的治療。

　　硬件平臺采用自己繪制的PCB板，包括微控制器模塊、電機驅動模塊、LCD顯示模塊、信號采集放大電路、USB接口模塊和以太網接口模塊六部分，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為內核的LPC2478芯片。其運行電壓范圍是3.3V~3.5V ，具有512kB片內高速Flash存儲器、1個外部存儲器控制器(EMC)、1個LCD控制器、1個10/100的以太網媒體訪問控制器(MAC)、1個USB全速Device/Host/OTG控制器、1個10位的ADC和1個PWM單元等片內資源。

　　LCD顯示模塊

　　由于LCD控制器集成在LPC2478微控制器，所以簡化了系統設計，降低了開發難度，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。

　　電機驅動模塊

　　微型泵驅動電路采用ROHM的H橋式驅動器，其低壓、方便的PWM信號(20kHz~100kHz)輸入對電機進行速度控制，為系統提供了高效率和低功耗的解決方案。電路如圖4所示。信號采集放大電路

　　因為檢測電路產生的是微弱電信號，必須進行放大，才能送入LPC控制器A/D采樣端口。放大電路如圖5所示。

　　USB接口模塊和以太網接口模塊

　　可進行后續擴展開發。

　　軟件系統設計

　　本系統軟件主要由人機交互模塊(帶觸摸功能的LCD顯示屏)、血糖采集模塊(A/D模塊)、泵驅動模塊(PWM生成模塊)、Real-Time實時模塊(RTC時鐘)和以太網通信模塊五部分組成。

　　mC/OS-II操作系統移植

　　本次設計針對LPC2478進行了mC/OS-II實時操作系統的移植，并對ZLG/GUI庫進行了修改，來提供圖形化人機交互界面。

　　LPC2478的mC/OS-II的移植，主要包括移植CPU部分的mC-CPU，編寫板級驅動支持(BSP)和設計獨立的LCD驅動(LCD_Driver)三部分。其中OS_CPU是操作系統的核心部分，BSP用來提供目標板和幾個模塊的初始化，LCD_Driver則提供了LPC2478的LCD控制器配置、初始化和一些簡單的GUI函數接口。

　　人機交互模塊

　　本系統設計采用帶觸摸功能的LCD顯示屏，來實現菜單選擇、劑量注射、系統參數設定及歷史注射狀態回看，為用戶提供便捷的操作和友好的人機交互界面。提供了一些底層GUI函數接口，如清屏、畫點、畫橫線和畫豎線。

　　血糖采集模塊

　　LPC2478內部自帶10位A/D轉換器，該A/D模塊主要用來采集經放大電路放大后的由血糖監測電路產生的電信號。每連續采集30次后，對采得的信號求平均值，此平均值即作為此刻的血糖值進行儲存。以所存儲的數據為參考，可方便系統對胰島素基礎量注射進行查詢。

　　泵驅動模塊

　　結合LPC2478內部RTC控制器提供的實時時鐘，針對用戶各個時間段的血糖值及這個時間段所需注射的胰島素的劑量、三餐時間的大劑量或臨時劑量，通過查表，來產生相應的PWM波來控制微型泵。

　　系統使用指南

　　本嵌入式智能胰島素泵分為三部分：主機、儲液罐及輸注軟管和血糖探頭。

　　首先將輸注軟管和血糖探測頭分別插入患者腹部皮下，開啟本裝置。依據醫生建議或佩帶者糖尿病病史設定的輸注程序控制微型泵持續輸注胰島素。血糖探測頭通過與測試者皮下血液中的葡萄糖發生化學反應，生成電信號，經微控制器處理后，判斷是否要即時調整臨時注射量。

　　LCD和觸摸屏的設計提供了人性化的操作。LCD顯示屏顯示當前胰島素注入速率、血液中葡萄糖濃度、臨時調整量、儲液罐內剩余胰島素劑量等參數;觸摸屏則使操作變得更加簡單。

　　本裝置有蜂鳴和振動兩種報警裝置，當儲液罐內藥液不足、電池電量過低或其它異常情況下，會自動報警。還可以通過以太網接口連接互聯網，使醫生即時了解患者信息。此設備十分適合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。

　　本系統實現了板級驅動的整合，GUI的改寫和應用以及mC/OS-II的成功移植，實現了胰島素泵的基本功能。圖7為系統實際運行圖。