胰岛素泵的实现原理

为模拟生理性胰岛素分泌，早在20世纪60年代即尝试持续胰岛素皮下输注方法，70年代末期机械性的胰岛素输注装置即胰岛素泵雏形开始使用，但由于体积大、 *** 作复杂，难以在临床推广。至90年代，制造技术的进步使胰岛素泵体积缩小，便于携带， *** 作简便，易学易用，剂量调节更精确和稳定，因而在临床中得到越来越广泛的使用，目前胰岛素泵技术更趋完臻，可更精确地模拟生理性胰岛素分泌模式。简而言之，胰岛素泵通过人工智能控制，以可调节的脉冲式皮下输注方式，模拟体内基础胰岛素分泌；同时在进餐时，根据食物种类和总量设定餐前胰岛素及输注模式以控制餐后血糖。

胰岛素泵由4个部分构成：含有微电子芯片的人工智能控制系统、电池驱动的

机械泵系统、储药器、与之相连的输液管和皮下输注装置。输液管前端可埋入患者的皮下。在工作状态下，泵机械系统接收控制系统的指令，驱动储药器内的活塞，最终将胰岛素通过输液管输入皮下。

工作原理

胰岛素泵子系统

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10μL。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。

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)。

3）．电池管理

胰岛素泵制造商已经在降低功耗、延长电池使用寿命方面取得了很大进展。目前市场上使用的胰岛素泵每更换一次电池或充一次电可以工作3到10周，大多数胰岛素泵使用AA或AAA碱性电池，或者是锂电池。原电池(非充电电池)的使用非常普及，但使用可充电电池有助于节省长期成本。由于可充电电池的容量相对较低，充电次数也相对频繁一些。

受尺寸制约，多数胰岛素泵为了省去充电器而采用碱性电池供电。由于缺乏电量计，电池电量指示计主要采用简单的电压测量法，有时还会结合温度测量。系统把电压、温度信号送入ADC进行量化，微控制器对这些数据进行处理并利用查找表确定电池的剩余电量。然后再将电量值送至显示器(通常是一个电池图标，在图标上分成几格显示剩余电量)，当电量跌落到最后一格时，胰岛素泵产生低电池电压报警。

4）．编程及控制单元

如上所述，患者需要根据具体需求调节药的剂量，这种调节要求通过一个相当简单的接口，例如，用户只需控制几个按键。用户还可以设置几种提示，帮助管理胰岛素的注射剂量。

大多数胰岛素泵采用单色、定制字符的液晶显示器(LCD)，少数胰岛素泵采用了彩色显示屏。显示器提供关于胰岛素注射剂量、注射速度、电池剩余电量、时间、日期、提示信息及系统报警条件(例如：闭锁或胰岛素储量过低)等。FDA要求显示器在上电时进行自检，设计中需要内置及测试功能。另外，用户还需要提供触摸屏输入的视听响应。

新型一代素泵包括连续监测显示功能，这些系统采用一个带有发送器的连续监测器，测量数据通过无线发送器传输，报告传感器检测的血糖值，以在适当的时候激活泵注射。胰岛素泵也会基于历史测量数据提供一个分析图形，指导胰岛素注射量的计算。

5）．自检功能

按照FDA条理，所有胰岛素泵上电时必须首先运行自测试(POST)程序，对关键的处理器、电路、指示器、报警功能进行检测。有些POST *** 作需要用户进行观测，附加的自检电路有助于降低潜在的失效风险。

例如，有些模块使用安全处理器监测主处理器的运行，一旦发现意外状况将立即发出报警信号；有些自检系统可能只是简单地监测电流，通过发光二极管(LED)的通、断指示。一旦电流跌落到所设置的门限以下，即可产生故障指示。比较常见的自检电路采用了看门狗定时器(WDT)，带有WDT功能的微处理器监控电路对程序的运行状况进行监控。医疗设备通常不允许把监控电路集成在微处理器IC自身内部，因为这种架构中监控电路可能与处理器同时发生故障。

监控电路是确保胰岛素泵在患者使用期间正常工作的关键，微控制器必须在所有电路达到容限范围并保持稳定之前处于复位状态。电压监控电路监测电源的过压和欠压条件，同时还需要检测电机的运行和停机状况，电机失效属于严重的系统故障，发出报警的优先级最高。ADC可以内置于微处理器内部，也可采用外置微处理器，用于量化传感器(温度、电机、加载、胰岛素泵压力和电池电压)的读数。

6）．报警和I/O功能

胰岛素泵需要视听报警功能，以便在检测到故障、到达指定时间或触发某些预警条件时提醒用户。可以使用LED作为远端血糖监测和胰岛素泵的视觉指示器，绿光LED闪烁通常代表工作正常，红光LED信号则用来表示报警或预警状态。

蜂鸣器必须配备自检电路，自检电路可以间接监测扬声器的阻抗是否出于正常范围；也可以在靠近扬声器的位置安装一个麦克风，直接产生一个音频输出检测该电平是否处于正常范围。构建报警和自检功能的设计中通常会用到各种运算放大器、比较器、音频放大器、麦克风放大器等元件。音频数/模转换器(DAC)可以产生独特的报警输出信号。

新型胰岛素泵中还会使用偏心旋转块(ERM)电机，产生振动报警。ERM电机驱动并不严格，但需要使用一个放大器或稳压器。安装电池是产生一次简短的ERM自检。

所有胰岛素泵必须满足IEC61000-4-2静电放电(ESD)的保护要求，可以采用内置保护的器件实现，也可以在外部添加ESD线路保护器件。Maxim提供各种具有较高ESD保护功能的接口器件，同时也提供ESD保护二极管矩阵。

考虑到对胰岛素注射安全性的严格要求，系统需要记录事件并对记录数据和流程的更改打上时标。该功能需要一个实时时钟(RTC)的支持，当然，时钟还可以提供闹钟功能。

大多数胰岛素泵提供了数据端口，可以将数据送入计算机或下载升级固件。利用该功能，可以把历史数据输入到一个应用程序，传送到监护中心，以便获得有关糖尿病治疗的支持。USB口是最常见的数据接口，存储卡的数据端口应具备ESD保护、限流、逻辑电平转换等功能。

此外，RF接口为胰岛素泵提供了一条附加链路，用于支持葡萄糖连续监控仪，根据所传递的数据预测血糖的趋势；也可以将数据送至主机，计算机下载所记录的泵 *** 作数据、血糖的历史数据，必要时甚至可以向胰岛素泵发出上传指令。无线接口可以采用Bluetooth或者是ISM波段的收发器。

人体的肝脏能储存葡糖糖原，并全天释放少量葡萄糖进入血液，所以我们始终有充足的燃料提供能量。为了帮助葡萄糖转运到体细胞内（同时维持稳定的血糖水平），胰腺每隔几分钟就释放微量胰岛素入血，当我们摄入的食物含有碳水化合物时（糖或淀粉），血糖水平迅速升高，胰腺就释放大量胰岛素入血，防止血糖水平过高。 胰岛素泵模拟人体胰腺，每数分钟就自动释放微量短效胰岛素（ 1/10 或 1/100 单位），称基础量，使血糖在餐间及夜间睡眠期间保持平稳。进餐时，通过设置泵的程序（按动泵上按钮）使泵迅速输出较大剂量胰岛素，称大剂量，它能对付食物中所含碳水化合物量，因而能有效降低餐后高血糖状态。 胰岛素泵可以根据人体需要输注大量或少量胰岛素，而一日多次胰岛素注射不能模仿胰腺分泌机制，因为长效胰岛素（ NPH， Lente,Ultralente ）吸收入血不稳定，不能按机体需要持续稳定的输注。长效胰岛素有一个吸收高峰，因此必须规则进餐及添加点心，而使用胰岛素泵，胰岛素基础率能使血糖在餐间保持稳定，因此你可以自由安排吃饭、运动及睡觉。胰岛素泵是电子设备，无法回避电子设备的弊端。这就需要技术成熟、性能稳定。时常出现这样或那样的小问题(非 *** 作性的)，会影响治疗效果。其次是关于胰岛素泵附加功能方面。目前市场上销售的都是开环式胰岛素泵，各大厂家都在开发高端胰岛素泵(即增加附加功能)，目的是让患者灵活的、较好的应用胰岛素治疗糖尿病，其 *** 作较复杂。

胰岛素泵是治疗糖尿病的很好方法，如果使用不当，会造成一些不良反应，现根据临床工作中可能出现的情况，做一简要介绍：

一、胰岛素泵用泵前的准备：

1、了解患者病史：糖尿病史、胰岛素用量史、既往病史、年龄、性别、身高、体重、肥胖程度等。在18-72小时使用中长效胰岛素者，改用短效多次胰岛素注射，血糖不稳定者尽快用泵。

2、胰岛素准备：提前6小时将胰岛素置于常温下。

3、设立程序：设置泵的基础量与餐前大剂量、时钟等相关数据。

4、盛装胰岛素：并确定能正常释放。

5、皮肤处理安装：腹部：避开脐部及腰带部位，胰岛素吸收最快，更具有可预测性，受活动的影响较少部位的更换：其它可选择的部位包括臀部、大腿外侧上部、上臂，距离前一个部位3-5cm)将导管前端的针刺入皮下并用黏胶膜固定。

二、胰岛素泵安装注意事项

1、安装前的血糖检测：血糖检测是为了在更换部位及更换耗材后确定是否应该适当的追加胰岛素的数量。

2、安装时储液器的排气及耗材管道的打通：因为胰岛素泵需使用储液器提前存储胰岛素，因此在安装前一定要作好储液器的排气工作，以避免气体的存留同时因为泵需要管道、针头与身体相连接，因此在换用新管道时均需通过储液器或胰岛素泵所提供的特殊功能打通管道，以避免因气体残留于管道内造成胰岛素不能正常注入皮下，产生不可避免的高血糖。

3、在安装新的耗材后，通常应该再检测一下血糖的情况：以确认胰岛素的注入是否正常。

4、使用期限：各种胰岛素泵说明书中虽均指出耗材的可使用时限为7-10天，但是通常的情况是6-7天即为一个极限天数，否则易产生皮下硬结，而同时胰岛素也会因皮下硬结而吸收不好，造成血糖未明原因的升高，因此建议更换耗材间隔最多为7天，同时在更换耗材的当天应更加注意血糖的波动情况，避免因为其他的外因造成血糖的升高。

三、设置泵的胰岛素用量

1、初始用泵的胰岛素使用量开始胰岛素泵治疗之前最重要的事就是确定患者全天需要多少剂量的胰岛素，即每日胰岛素总量。胰岛素泵最大限度的模拟了人体胰腺的生理分泌方式，它将人体胰腺的基础分泌与进食后的分泌的胰岛素分别设计到了泵当中。它们分别是基础量与餐前大剂量。

2、正常情况下住院安装胰岛素泵，每日需检测7-8次血糖：即三餐前，三餐后两小时，晚间临睡时及夜间2-3点而如果家庭更换耗材则需取决于你新换耗材的时间，一般安装前及安装后的血糖检测应该在这7-8点中的任意两点，如此一般即可确定安装的是否正常得当。

四、胰岛素泵使用注意事项

1、胰岛素泵所使用的胰岛素为短效或超短效(如果为诺和诺德公司产品即为诺和灵R或诺和锐)，而不可使用预混或长效、中效胰岛素，以避免伤损器械。诺和灵与诺和锐的使用区别在于诺和灵基础量较小，追加量较大而诺和锐则和其正好相反，但是因为目前诺和锐尚处于自费且价格较诺和灵贵，因此尚未得到全面普及，但是诺和锐是目前美国FDA批准用于妊娠期糖尿病的唯一胰岛素类似物。

2、因为胰岛素泵为长期、小剂量的连续皮下注射，因此和每日的两针、三针、四针的注射相比较所使用的胰岛素的剂量要较少，一般可确定全天所用针注射剂量的75％-85％作为胰岛素泵所使用的全天胰岛素使用量，其中的50％作为全天的连续小剂量注射使用(我们称基础量,下同)

而另50％作为每天三餐前的临时注射量(我们称其为追加量，或餐前大剂量，下同)。一般情况下在患者住院安装泵时，医生即为患者调整好了基础量的时段及相关用量，此量在患者出院后一般不要轻易调整，以避免发生酮症等意外而追加量则一般是早餐前〉晚餐前〉午餐前，此量患者可适当调整，但是大原则不可改变，否则也易产生低血糖等意外情况。

3、胰岛素泵在使用过程有可能出现堵管、漏夜等意外情况，因此要求患者在使用中应熟练掌握对于相关情况的排除，出现上述情况如果排除器械本身的故障外，其可能性有如下几点：

(1)如果针头扎入皮下时有血反流回管道

(2)如果针头扎入皮下时有空洞感

(3)如果针头扎入皮下的脂肪层较浅，则均有可能发生上述情况，在此情况下应及时更换耗材及注射部位，以避免高血糖的出现

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