創(chuàng)建一個(gè)集成且不顯眼的糖尿病管理系統(tǒng)

世界衛(wèi)生組織(WHO)指出，全球有4億多人患有糖尿病，自1980年以來(lái)，糖尿病人數(shù)幾乎翻了兩番。在這些數(shù)字的背后，真正的悲劇是糖尿病可能導(dǎo)致嚴(yán)重的健康并發(fā)癥，如失明、中風(fēng)、下肢麻木和截肢、心臟病發(fā)作甚至死亡。

測(cè)量和監(jiān)測(cè)是對(duì)1型糖尿病和2型糖尿病有效管理的關(guān)鍵。典型的和傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)都需要使用血糖儀(BGM)。市場(chǎng)為1型和2型糖尿病患者提供的另一種技術(shù)選擇是連續(xù)血糖儀(CGMS)。連續(xù)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)很多，比如使人們更多地了解人體，以及血糖如何在一段時(shí)間內(nèi)隨著進(jìn)行各種日?；顒?dòng)(如體力活動(dòng)、飲食甚至睡眠)而不斷變化。隨著持續(xù)而非離散地更多地了解人體的行為，可進(jìn)行相應(yīng)的治療和改善。

由于這些儀器通常在皮下測(cè)量間質(zhì)液，直到最近，還需要定期校準(zhǔn)血液，即需要老派的戳手指。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，一些CGM現(xiàn)在無(wú)需對(duì)全血進(jìn)行校準(zhǔn)。

連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的微電子性質(zhì)通常是相同的，僅有少數(shù)關(guān)鍵的例外。而且，這些設(shè)備通常是穿戴式的，因此尺寸問(wèn)題意味著需要更高的集成度和有效的電源管理，以提高所用半導(dǎo)體器件的最佳能效水平。

除了測(cè)量和監(jiān)測(cè)之外，用于胰島素輸送的技術(shù)也在推進(jìn)，閉環(huán)系統(tǒng)將連續(xù)監(jiān)測(cè)與通過(guò)所謂的人工胰腺輸送胰島素相結(jié)合。這為數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的糖尿病患者帶來(lái)了更好、更方便的醫(yī)療保健以及更樂(lè)觀的長(zhǎng)期前景。

測(cè)量血糖水平

傳統(tǒng)的BGM可以在藥房或任何藥店連鎖店購(gòu)買。使用附帶的刺血針裝置(非常小的細(xì)針)刺破手指，流出一小滴血，把這滴血接觸插入血糖儀的試紙條。

當(dāng)血液樣本與試紙條發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，通常會(huì)向血液樣本施加一些AC或DC激勵(lì)電壓或電流。結(jié)果由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器讀取。短暫等待微控制器完成計(jì)算后，最終的血糖水平將在屏幕上顯示。

圖1.簡(jiǎn)化的血糖儀(BGM)框圖

更先進(jìn)的血糖儀含藍(lán)牙低功耗聯(lián)接功能，用于將這些離散的血糖結(jié)果傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)，智能手機(jī)通常運(yùn)行支持云聯(lián)接的應(yīng)用程序。結(jié)果被存儲(chǔ)，并且家庭成員或護(hù)理人員可以立即查看或用于以后查看，以改善治療效果。

連續(xù)血糖測(cè)量

現(xiàn)在，連續(xù)血糖儀(CGM)的系統(tǒng)架構(gòu)通常將模/數(shù)(A/D)和數(shù)/模(D/A)以及輸入、輸出功能集成到單片硅中，通常是定制專用集成電路(ASIC)模擬前端(AFE)或?qū)Ｓ脴?biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)。在一個(gè)小的晶圓級(jí)芯片尺寸封裝(WLCSP)中結(jié)合1個(gè)藍(lán)牙低功耗(BLE)和微控制單元(MCU)，如RSL10，對(duì)用戶而言，這有助于解決挑戰(zhàn)，使長(zhǎng)期穿戴的設(shè)備變得盡可能不顯眼和實(shí)用。

除了電路之外，另一個(gè)影響尺寸的主要因素是所需的電池。例如，在手持式BGM中，通常使用一個(gè)或兩個(gè)AA、AAA或AAAA電池。這些對(duì)于CGM而言太重且太大，因此，電池的尺寸和化學(xué)性質(zhì)通常決定了紐扣電池的外形尺寸。為了切實(shí)可用，必須審慎管理系統(tǒng)電源。峰值電流和總電流必須最小化，因?yàn)閺募~扣電池獲得的最大電流遠(yuǎn)低于AA電池可提供的最大電流。另一個(gè)考慮因素是放電曲線。例如，如果使用氧化銀化學(xué)電池，它們通常會(huì)產(chǎn)生最大1.55V的電壓，使用壽命降至1.2V。如果使用二氧化錳化學(xué)電池，則額定電壓為1.5V，使用壽命降至1.0V。

胰島素輸送：注射器

胰島素以往是在需要時(shí)使用臨床級(jí)注射器和針頭自行注射，就像在醫(yī)生辦公室接受注射一樣?，F(xiàn)在有很多種胰島素已經(jīng)上市銷售。快速、短、中、長(zhǎng)效類型的胰島素可以單獨(dú)注射或根據(jù)需要混合使用。

最近，皮下注射的替代品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)。一種替代方法是噴射式注射器，其以細(xì)流將胰島素輸送并進(jìn)入皮膚。另一種是注射器筆，它通過(guò)一根超細(xì)針頭更自動(dòng)地分配胰島素。便利性和舒適性大大提高，同時(shí)還能減少注射恐懼感。

圖2.智能注射器筆圖

這些替代設(shè)備實(shí)際上更趨于機(jī)電化和“智能”，就像傳統(tǒng)的血糖儀一樣。筆的設(shè)計(jì)采用微控制器和藍(lán)牙低功耗無(wú)線電，目的是捕捉和報(bào)告離散的注射時(shí)間、注射量等等。

胰島素輸送：泵

胰島素泵可精確控制1型和某些2型糖尿病患者的胰島素輸送，但更常見(jiàn)的應(yīng)用是針對(duì)1型糖尿病患者。這些泵是方案的關(guān)鍵部分，最終在“閉環(huán)”系統(tǒng)即人造胰腺中發(fā)揮作用。連續(xù)測(cè)量血糖，采用胰島素泵接收這數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，再加上適當(dāng)?shù)妮斔涂刂坪退惴?，?chuàng)建出人造胰腺，這是糖尿病管理的圣杯。

使用CGM代替多次刺手指，這是一種利用連續(xù)數(shù)據(jù)而不是幾個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的更好的測(cè)量方法。同樣，能消除一整天低血糖和高血糖是一種改進(jìn)。所謂的人造胰腺意味著患者不再需要擔(dān)心夜間低血糖、睡眠期間低血糖水平或測(cè)量、注射的頻率。這可以極大地改善他們的健康、生活質(zhì)量，還可能延長(zhǎng)壽命。

圖3.簡(jiǎn)化的胰島素泵系統(tǒng)圖

可以想象，采用自動(dòng)輸送胰島素需要系統(tǒng)的安全性、可靠性和準(zhǔn)確性，所以設(shè)備制造商對(duì)技術(shù)、系統(tǒng)和元器件供應(yīng)商的選擇至關(guān)重要。

構(gòu)建人造胰腺

圖4.人造胰腺圖

雖然人造胰腺都是被戴在身上或附著在使用者的皮帶上，但是它們的物理設(shè)計(jì)有很大不同，所示架構(gòu)描述了最常見(jiàn)方案利用高度集成的定制ASIC，含所有模擬前端(AFE)模塊、電源管理、MCU或控制模塊以及一個(gè)集成的藍(lán)牙低功耗無(wú)線電以幫助通信。所有系統(tǒng)都包括某種類型的胰島素儲(chǔ)存器，提供適當(dāng)驅(qū)動(dòng)器機(jī)制的泵或致動(dòng)器系統(tǒng)，通過(guò)皮下針頭輸送胰島素的導(dǎo)管或套管系統(tǒng)，以及各種類型的傳感器(運(yùn)動(dòng)、壓力、溫度、血糖)。離散或未聯(lián)接的測(cè)量系統(tǒng)的主要區(qū)別在于連續(xù)和閉環(huán)反饋。

除了血糖傳感器以外，還可以使用幾種傳感器如用于人體穿戴設(shè)備的低重力加速度計(jì)和溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)活動(dòng)水平，以改進(jìn)劑量算法。這些傳感器持續(xù)提供有關(guān)身體運(yùn)動(dòng)和外部環(huán)境的信息，同時(shí)還提供有關(guān)血糖水平的連續(xù)信息。人工智能(AI)可用來(lái)預(yù)估所需的近期和中期胰島素治療。

大多數(shù)系統(tǒng)使用藍(lán)牙低功耗與聯(lián)接到云的智能手機(jī)進(jìn)行通信。但是，有些人使用無(wú)外設(shè)的隨身攜帶的Pod與單獨(dú)的控制系統(tǒng)或有時(shí)稱為“個(gè)人設(shè)備管理器”(PDM)的系統(tǒng)進(jìn)行通信。在這些情況下，PDM用于用戶交互，并可用作開(kāi)環(huán)(非閉環(huán))控制系統(tǒng)。PDM也是通常通過(guò)Wi-Fi或LTE提供云聯(lián)接的功能。

通過(guò)云聯(lián)接，護(hù)理人員可收到通知和關(guān)聯(lián)。此外，通過(guò)云計(jì)算，可從大數(shù)據(jù)分析和人口管理獲得更多的功能。

在某些情況下，除了IC集成以外，甚至無(wú)源器件也與高度集成的半導(dǎo)體ASIC集成在先進(jìn)的3D混合模塊中。這是尺寸、重量和性能優(yōu)勢(shì)的真正體現(xiàn)。

藍(lán)牙低功耗無(wú)線電選擇

回到對(duì)紐扣電池運(yùn)行和低功耗工作的需求，諸如安森美半導(dǎo)體的RSL10藍(lán)牙®5認(rèn)證的無(wú)線電系統(tǒng)單芯片(SoC)之類的器件可提供適當(dāng)?shù)倪x擇方案，實(shí)現(xiàn)與人造胰腺方案的通信。RSL10經(jīng)嵌入式微處理器基準(zhǔn)協(xié)會(huì)(EEMBC)驗(yàn)證，能夠提供業(yè)界最低的功耗，且最近獲得了用于植體/生命攸關(guān)的醫(yī)療應(yīng)用的認(rèn)證。它特別適用于超低功耗電池供電的設(shè)備。它使用Arm®Cortex®-M3處理器和安森美半導(dǎo)體的LPDSP32數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)提供所需的強(qiáng)固性以支持復(fù)雜設(shè)計(jì)。板載384KB閃存和160KB RAM為用戶提供靈活的編程選項(xiàng)。RSL10還為藍(lán)牙低功耗協(xié)議棧提供機(jī)會(huì)，并具有開(kāi)發(fā)固件空中升級(jí)(FOTA)應(yīng)用程序的能力。

圖5.RSL10系統(tǒng)框圖

RSL10的一個(gè)鮮為人知的好處是，安森美半導(dǎo)體的藍(lán)牙低功耗知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)可重用于超低功耗的定制ASIC，從而滿足涵蓋各種傳感器和傳感器接口的需求。由于測(cè)量系統(tǒng)和胰島素輸送系統(tǒng)中獨(dú)特的數(shù)/模(D/A)和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換很常見(jiàn)，因此幾乎總是需要定制。例如，在胰島素輸送系統(tǒng)中，可能僅需要藍(lán)牙低功耗傳輸，從而減少了基帶RF和控制器成本。許多應(yīng)用都是大體積或可能是一次性的，因此基于硅盡可能高能效以節(jié)省成本和尺寸是關(guān)鍵。

糖尿病分類

糖尿病有兩種主要分類：1型糖尿病和2型糖尿病。1型糖尿病是由于人類免疫系統(tǒng)無(wú)法在胰腺中產(chǎn)生足夠的胰島素而導(dǎo)致，可通過(guò)父母遺傳。產(chǎn)生胰島素不足的患者通常需要注射胰島素才能生存。2型糖尿病是其他因素導(dǎo)致的，例如肥胖、活動(dòng)/鍛煉水平低、膽固醇和血壓高。2型糖尿病是由于人體無(wú)法適當(dāng)使用天然產(chǎn)生的胰島素而導(dǎo)致。