LPC2478設(shè)計的嵌入式智能胰島素泵技術(shù)
預(yù)計在未來20年內(nèi)糖尿病患者的數(shù)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(dāng),會導(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,而缺乏對患者體內(nèi)血糖的監(jiān)測能力,是一個“半開環(huán)”系統(tǒng)。隨著國民經(jīng)濟和人們生活水平的提高,患者對醫(yī)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(shè)計一種基于嵌入式系統(tǒng)的智能胰島素泵,具有注射和監(jiān)測兩種功能,實現(xiàn)真正的“閉環(huán)”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(yīng)用及市場前景。
系統(tǒng)實現(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(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用來傳輸數(shù)據(jù),ADC用來采集血糖信號,PWM功能用于驅(qū)動泵的工作,LCD接口提供人機交互顯示部分,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,不能自動感知使用者體內(nèi)血糖濃度,也不能自動將血糖控制到正常。因此本次設(shè)計在胰島素泵原有功能基礎(chǔ)上,加入血糖監(jiān)測功能,間隔一定時間對血糖值進行采集,通過比對即時調(diào)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(wǎng)可以與PC機進行數(shù)據(jù)交換并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給醫(yī)生。醫(yī)生通過血糖圖來制定相應(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(tǒng)在胰島素泵原有功能基礎(chǔ)上,加入血糖監(jiān)測功能,真正起到人工胰的功能。將存儲的數(shù)據(jù)繪制成血糖圖,通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給醫(yī)生,以便醫(yī)生制定相應(yīng)的治療方案,最終實現(xiàn)個人—儀器—醫(yī)療機構(gòu)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(qū)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(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。其運行電壓范圍是3.3V~3.5V ,具有512kB片內(nèi)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(wǎng)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(nèi)資源。
LCD顯示模塊
由于LCD控制器集成在LPC2478微控制器,所以簡化了系統(tǒng)設(shè)計,降低了開發(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。
電機驅(qū)動模塊
微型泵驅(qū)動電路采用ROHM的H橋式驅(qū)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(tǒng)提供了高效率和低功耗的解決方案。電路如圖4所示。信號采集放大電路
因為檢測電路產(chǎn)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(wǎng)接口模塊
可進行后續(xù)擴展開發(fā)。
軟件系統(tǒng)設(shè)計
本系統(tǒng)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(qū)動模塊(PWM生成模塊)、Real-Time實時模塊(RTC時鐘)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)計針對LPC2478進行了mC/OS-II實時操作系統(tǒng)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(qū)動支持(BSP)和設(shè)計獨立的LCD驅(qū)動(LCD_Driver)三部分。其中OS_CPU是操作系統(tǒng)的核心部分,BSP用來提供目標(biāo)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(shù)接口。
人機交互模塊
本系統(tǒng)設(shè)計采用帶觸摸功能的LCD顯示屏,來實現(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交互界面。提供了一些底層GUI函數(shù)接口,如清屏、畫點、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模塊主要用來采集經(jīng)放大電路放大后的由血糖監(jiān)測電路產(chǎn)生的電信號。每連續(xù)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(shù)據(jù)為參考,可方便系統(tǒng)對胰島素基礎(chǔ)量注射進行查詢。
泵驅(qū)動模塊
結(jié)合LPC2478內(nèi)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(chǎn)生相應(yīng)的PWM波來控制微型泵。
系統(tǒng)使用指南
本嵌入式智能胰島素泵分為三部分:主機、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(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。血糖探測頭通過與測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,經(jīng)微控制器處理后,判斷是否要即時調(diào)整臨時注射量。
LCD和觸摸屏的設(shè)計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、臨時調(diào)整量、儲液罐內(nèi)剩余胰島素劑量等參數(shù);觸摸屏則使操作變得更加簡單。
本裝置有蜂鳴和振動兩種報警裝置,當(dāng)儲液罐內(nèi)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(wǎng)接口連接互聯(lián)網(wǎng),使醫(yī)生即時了解患者信息。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)實現(xiàn)了板級驅(qū)動的整合,GUI的改寫和應(yīng)用以及mC/OS-II的成功移植,實現(xiàn)了胰島素泵的基本功能。圖7為系統(tǒng)實際運行圖。
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