LPC2478设计的嵌入式智能胰岛素泵技术

LPC2478设计的嵌入式智能胰岛素泵技术

预计在未来20年内糖尿病患者的数量会上升至3.8亿。糖尿病是一种终身代谢性疾病，若能得到有效控制，患者可以终生带病而不影响工作和生活;若控制不当，会导致心血管疾病、血脂异常、失明、肾功能衰竭及截肢等严重并发症。

　　现有的胰岛素泵往往只可以注入胰岛素，而缺乏对患者体内血糖的监测能力，是一个“半开环”系统。随着国民经济和人们生活水平的提高，患者对医疗仪器的需求正不断增长，对其性能需求也不断提高。因此，我们有必要设计一种基于嵌入式系统的智能胰岛素泵，具有注射和监测两种功能，实现真正的“闭环”控制，把糖尿病对患者生活带来的不便降到最低。并且其体积小巧、价格低廉、能满足广大糖尿病患者的健康需要，因此智能胰岛素泵的研制具有广阔的应用及市场前景。

　　系统实现

　　嵌入式智能胰岛素泵主要包含主处理器、电源及复位、LCD触摸屏、泵驱动模块和信号采集模块。借助了高度集成的LPC2478微控制器，芯片内部集成了USB控制器、以太网接口、PWM、ADC以及方便的LCD显示接口。其中USB用来传输数据，ADC用来采集血糖信号，PWM功能用于驱动泵的工作，LCD接口提供人机交互显示部分，以太网接口将提供网络服务功能。

　　由于目前的胰岛素泵仅仅作为输入胰岛素的装置，不能自动感知使用者体内血糖浓度，也不能自动将血糖控制到正常。因此本次设计在胰岛素泵原有功能基础上，加入血糖监测功能，间隔一定时间对血糖值进行采集，通过比对即时调整临时注射量。通过LCD触摸屏可以方便查询血糖值和历史注射记录。USB和以太网可以与PC机进行数据交换并通过网络发送给医生。医生通过血糖图来制定相应的治疗方案，并依据治疗方案可重新设定胰岛素的注入量。采用友好的人机交互界面，为糖尿病患者带来极大方便，帮助患者摆脱生活不便的苦恼。

　　本系统在胰岛素泵原有功能基础上，加入血糖监测功能，真正起到人工胰的功能。将存储的数据绘制成血糖图，通过网络传输给医生，以便医生制定相应的治疗方案，最终实现个人—仪器—医疗机构一体化的治疗。

　　硬件平台采用自己绘制的PCB板，包括微控制器模块、电机驱动模块、LCD显示模块、信号采集放大电路、USB接口模块和以太网接口模块六部分，硬件原理图如图1所示。

　　微处理模块

　　微处理模块采用以ARM7 TDMI-S为内核的LPC2478芯片。其运行电压范围是3.3V~3.5V ，具有512kB片内高速Flash存储器、1个外部存储器控制器(EMC)、1个LCD控制器、1个10/100的以太网媒体访问控制器(MAC)、1个USB全速Device/Host/OTG控制器、1个10位的ADC和1个PWM单元等片内资源。

　　LCD显示模块

　　由于LCD控制器集成在LPC2478微控制器，所以简化了系统设计，降低了开发难度，提供了低成本、低功耗和高效的LCD显示的解决方案。LCD接口电路如图2所示，基于ADS7843的4线触摸屏接口电路如图3所示。

　　电机驱动模块

　　微型泵驱动电路采用ROHM的H桥式驱动器，其低压、方便的PWM信号(20kHz~100kHz)输入对电机进行速度控制，为系统提供了高效率和低功耗的解决方案。电路如图4所示。信号采集放大电路

　　因为检测电路产生的是微弱电信号，必须进行放大，才能送入LPC控制器A/D采样端口。放大电路如图5所示。

　　USB接口模块和以太网接口模块

　　可进行后续扩展开发。

　　软件系统设计

　　本系统软件主要由人机交互模块(带触摸功能的LCD显示屏)、血糖采集模块(A/D模块)、泵驱动模块(PWM生成模块)、Real-Time实时模块(RTC时钟)和以太网通信模块五部分组成。

　　mC/OS-II操作系统移植

　　本次设计针对LPC2478进行了mC/OS-II实时操作系统的移植，并对ZLG/GUI库进行了修改，来提供图形化人机交互界面。

　　LPC2478的mC/OS-II的移植，主要包括移植CPU部分的mC-CPU，编写板级驱动支持(BSP)和设计独立的LCD驱动(LCD_Driver)三部分。其中OS_CPU是操作系统的核心部分，BSP用来提供目标板和几个模块的初始化，LCD_Driver则提供了LPC2478的LCD控制器配置、初始化和一些简单的GUI函数接口。

　　人机交互模块

　　本系统设计采用带触摸功能的LCD显示屏，来实现菜单选择、剂量注射、系统参数设定及历史注射状态回看，为用户提供便捷的操作和友好的人机交互界面。提供了一些底层GUI函数接口，如清屏、画点、画横线和画竖线。

　　血糖采集模块

　　LPC2478内部自带10位A/D转换器，该A/D模块主要用来采集经放大电路放大后的由血糖监测电路产生的电信号。每连续采集30次后，对采得的信号求平均值，此平均值即作为此刻的血糖值进行储存。以所存储的数据为参考，可方便系统对胰岛素基础量注射进行查询。

　　泵驱动模块

　　结合LPC2478内部RTC控制器提供的实时时钟，针对用户各个时间段的血糖值及这个时间段所需注射的胰岛素的剂量、三餐时间的大剂量或临时剂量，通过查表，来产生相应的PWM波来控制微型泵。

　　系统使用指南

　　本嵌入式智能胰岛素泵分为三部分：主机、储液罐及输注软管和血糖探头。

　　首先将输注软管和血糖探测头分别插入患者腹部皮下，开启本装置。依据医生建议或佩带者糖尿病病史设定的输注程序控制微型泵持续输注胰岛素。血糖探测头通过与测试者皮下血液中的葡萄糖发生化学反应，生成电信号，经微控制器处理后，判断是否要即时调整临时注射量。

　　LCD和触摸屏的设计提供了人性化的操作。LCD显示屏显示当前胰岛素注入速率、血液中葡萄糖浓度、临时调整量、储液罐内剩余胰岛素剂量等参数;触摸屏则使操作变得更加简单。

　　本装置有蜂鸣和振动两种报警装置，当储液罐内药液不足、电池电量过低或其它异常情况下，会自动报警。还可以通过以太网接口连接互联网，使医生即时了解患者信息。此设备十分适合1型糖尿病患者，尤其是那些病情“难以控制”、“易变”、“脆性”的1型糖尿病病人。

　　本系统实现了板级驱动的整合，GUI的改写和应用以及mC/OS-II的成功移植，实现了胰岛素泵的基本功能。图7为系统实际运行图。