基于LPC2478的嵌入式智能胰島素泵的設(shè)計

概述

當(dāng)前全球范圍內(nèi)，每10秒鐘就有一個糖尿病患者因并發(fā)癥死亡，在同一個10秒鐘內(nèi)，又會新增兩例糖尿病患者;受糖尿病影響的人口總數(shù)約為2.46億，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。

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。