全自动无耗材糖尿病输注治疗技术研究*

吴新社 邓芳轶 王振洲 何 艳 姜树勋

糖尿病是一种胰岛素分泌相对不足或不能有效利用的慢性内分泌疾病。由于胰岛素缺乏或活性不足造成的葡萄糖代谢障碍，使得体内血糖浓度明显高于正常值。持续血糖异常会带来不可逆的心脑血管、神经系统、眼睛和肾脏等器官功能损害，严重危害人类健康，因此血糖控制十分重要。据国际糖尿病联盟(International Diabetes Federation，IDF)报道，目前全球受糖尿病影响的人已超过3亿，2010年相关费用支出至少超过3760亿美元，占世界医疗卫生费用总支出的11.6%。我国糖尿病总数约为4000万(亦说9000万)。被称为“沉默杀手”的糖尿病已成为继心脑血管疾病、恶性肿瘤之后病死率较高的世界第三大疾病。

1 糖尿病治疗现状

糖尿病治疗包括对患者教育、合理饮食、适当运动、血糖监测和药物治疗5个方面，其中血糖监测和药物治疗最为重要。对于需要注射给药的患者(占90%以上)，目前的治疗方法是先用血糖仪检测血糖、再根据血糖值人为估计胰岛素量，最后用胰岛素笔将胰岛素定量注射到患者体内。这一方法带来诸多问题[1]。

1.1 治疗过程复杂

糖尿病患者的治疗过程需要先用采血针扎破手指采血，然后取出血糖仪、插入血糖试纸，待仪器自动开机后吸入血样，测得血糖值后根据血糖值选择胰岛素注射量，完成单次治疗；治疗次数由胰岛素药效长短而定，一般每天最少1次，多则3～4次。

1.2 检测成本过高

目前，最准确的血糖检测方法还是葡萄糖氧化酶法(电化学法)，但每次检测需要一片价格5元左右的血糖试纸，按每天检测3次(世界卫生组织建议4次/d)计算，一年的试纸费用约为5475元，费用数目较大，成本过高。

1.3 药量估计误差

受饮食、运动和身体内环境对胰岛素敏感性等因素影响，药量估计值不可能恰好等于所需要值，过多或过少都会影响身体健康。

1.4 存在重复创伤

血糖检测过程的采血和治疗过程的胰岛素注射两次穿刺皮肤，造成了重复创伤。

很多患者尤其是没有医疗保险的患者因检测成本、肌体损伤以及操作繁琐等原因，没有按要求进行血糖检测，甚至有的患者血糖检测平均每天不足1次，因而胰岛素补充量极不精确，血糖控制效果大打折扣。全自动无耗材糖尿病输注治疗技术自动实施治疗而无需人工操作，光电比色测量而无需材料消耗，综合计算胰岛素用量而非人工估计，既可断续治疗又可连续治疗，是糖尿病患者自我治疗的得力助手。

2 全自动无耗材糖尿病输注治疗技术原理

如图1所示，全自动无耗材糖尿病输注治疗技术采用直线运动的音圈电机作为动力元件，电机定子即活塞腔，转子即活塞，活塞腔下端连接中空密封底座，上端连接蠕动泵支撑架。以人体皮肤为底构成的倾斜圆柱形密闭腔体上端设置一个可直线运动的活塞，活塞中心固定一根注射针头，旁边安装一个电磁气阀，针头通过软管与胰岛素筒相连，胰岛素筒底部设有温控组件，蠕动泵位于胰岛素筒与活塞之间，气阀受控制器控制，活塞腔下端连接中空密封底座，其内设置一个摄像头，用于测量穿刺后皮肤渗出的血滴大小[2]。

图1 全自动无耗材糖尿病输注治疗技术原理

全自动无耗材糖尿病输注治疗操作步骤如下：

⑴自动采血。气阀在控制器控制下打开，活塞在直线电机驱动下向皮肤方向运动，带动针头进行快速穿刺，到达预定深度后气阀关闭，活塞迅速复位产生负压，皮肤末梢血在负压作用下渗出形成血滴，摄像头实时测量血滴大小，达到预定大小后活塞停止运动，自动采血过程结束。

⑵血糖检测。血滴平面尺寸大小符合要求后，控制器启动血糖浓度检测程序，检测组件开始工作，测得值送到控制器中进行处理，处理完毕送入存贮器。

⑶药量计算。控制器根据测得的血糖浓度、进食量、运动量和胰岛素敏感度等，按照有关算法公式进行计算，计算结果送入存贮器。

⑷药物注射。药量计算出来后控制器控制直线电机向皮肤方向运动，针头按原来位置和方向再次穿刺，到达预定深度后蠕动泵开启，胰岛素在蠕动泵作用下按给定流量和容量实施注射，注射完毕后针头在活塞驱动下回到原位。药物注射过程气阀始终打开。

3 全自动无耗材糖尿病输注治疗仪主要结构分析计算

全自动无耗材糖尿病输注治疗仪主要结构涉及自动采血与自动注射、血糖检测、智能控制等，下面对主要结构进行分析计算。

3.1 自动采血部分

自动采血原理如图2所示，气阀打开后活塞连同针头在直线电机驱动下从图示位置开始向皮肤穿刺，达到预定深度(台阶位置)后气阀关闭并立即往回运动，活塞腔内的压强因体积增大而减小形成负压，血液在血管内正压和活塞腔内负压共同作用下渗出[3]。摄像头实时测量血滴大小，达到设定大小后活塞逐渐停止抽吸，超过设定大小后进行正压止血。

图2 自动采血原理

假设圆形缸内气体为质量与温度皆不变的理想气体，穿刺到位时气体体积为V1，压强为P1，往回抽吸运动时体积为(V1＋△V)，压强为P，根据波-马定律，得公式1：

对于圆形活塞腔，由图2可知公式2、公式3：

将式(2)、(3)代入式(1)，得活塞直径D与活塞腔小腔直径及长度之间的关系(公式4)：

为提高血糖检测灵敏度，血滴平面尺寸不能太小也不能太大，太小影响检测灵敏度，太大浪费血液。令d≥d0(人为选定值)；成人舒张压约65 mm Hg，因此活塞腔内压强不需要太小，再令ξ＝P1/P(真空度参数)；△l为选定的穿刺深度；将其代入式(4)得到活塞直径活塞腔小腔长度之间关系(公式5)：

式(5)表明活塞腔小腔长度越长，活塞直径就应越大；反之亦然。为减小体积、降低功耗，在满足摄像头测量要求前提下应尽量缩短活塞腔小腔部分体积[4]。

考虑到皮肤较薄，针头倾斜穿刺时采血效果更好，故将活塞腔倾斜放置。倾斜测量原理如图3所示，α为光轴与皮肤夹角，A'B'为血滴AD在摄像头中的像，由对称性可知A'B'＝AB，经推导可得物像对应关系(公式6)：

图3 血滴大小测量原理

这样就建立了摄像头中图像大小与血滴实际大小的对应关系，从而得到了检测光路上的距离。理论上任意方向上的距离皆可测量，通常只需测量光电元件光轴方向的程长。

自动采血时采血(注射)点由患者自由选择。如果不巧碰上血管，血液无需负压自动渗出，且很有可能止不住，血滴大小超过设定值后控制系统会自动关闭气阀，控制活塞穿刺，进行正压止血。

3.2 血糖检测部分

考虑到检测成本与检测速度等因素，血糖检测选用生化检验中常用的光电比色技术。检测原理为朗伯-比耳定律(Lambert-Beer Law)，其数学表达式为(公式7)：

式(7)中：A为吸光度，a为相应波长吸光系数，c为样品平均浓度，l为光程，n为样品溶液中物质成分个数。由此可知样品吸光度A与样品浓度c具有线相关性，被测样品成分浓度变化会引起吸光度变化。血液其它成份基本不变，对吸光度A值的影响不大[5]。

血糖检测部分主要由光源、样品室、探测器及数据处理电路构成。如图4所示，样品室受采血方式限制略去，取而代之是皮肤上形状不定的血滴，其余部分不变。略去样品室后检测方向上的光程可以通过摄像头测量得到。如图5所示，倾斜放置后圆柱形活塞腔的底部变成椭圆形，检测组件安装在椭圆周围。在活塞腔小腔周围等间距设置2组检测模块，每组模块由激光器作光源，波长分别为1319 nm和1550 nm，激光经光纤耦合后从贴近皮肤表面的方向进入血滴，经过几次全反射后投射到探测器上进行光电转换[6-8]。得到的电信号通过信号处理电路滤波、放大和模数转换送到控制器，供此后的胰岛素用量计算以及报警、显示等部分应用。由于空气对激光能量的吸收率很小，光源与探测器之间的空气间距不等而引起的测量误差可以忽略。另外血糖检测在人体皮肤上进行，血液温度基本稳定，因此温度对血糖检测的影响可以通过最初的定标消除。整个系统的定标需要标准检测液。

图4 血糖检测原理

3.3 智能控制部分

图5 血糖检测结构

智能控制部分主要包括控制键盘、显示与报警、温度测控、血滴测量、气阀驱动、活塞驱动、血糖检测、蠕动泵驱动、控制器等8大模块[9-12]。如图6所示，控制键盘模块用于仪器参数设置。显示与报警模块用于数据和状态显示以及报警提示等。温度测控模块包括胰岛素温度测控和患者注射点皮肤温度测量，胰岛素要求低温存贮，血滴温度影响血糖浓度测量。血滴测量模块的任务是实时测量血滴在血糖测量方向(激光方向)的长度，供控制模块和血糖测量使用，达到设定值后活塞抽吸运动自动停止。气阀驱动模块即气路开关，气路开关在3种情况下使用：①在采血穿刺时打开气阀，复位时关闭气阀；②扎破血管后血滴尺寸过大时关闭气阀，活塞穿刺运动进行正压止血；③胰岛素注射时打开气阀。活塞驱动模块实为直线运动的直线电机，电机的运动部分(转子)即为带线圈绕组的活塞，静止部分(定子)即仪器活塞腔，活塞与活塞腔之间有密封圈，改变线圈电流方向即可改变运动方向；活塞中心固定一根空心针头，针头与来自蠕动泵滚轮的软管相连，用来进行穿刺和注射药物；此外活塞上还固定一个电子气阀[13]。血糖检测模块用来测量患者皮肤上血滴中的葡萄糖浓度，检测结果作为胰岛素用量计算的依据。蠕动泵驱动模块用来定量注射胰岛素。控制器模块是系统的控制中心，担负着胰岛素用量计算和各个模块控制任务，作用十分重要。

图6 控制部分原理框图

图7 控制流程图

标准控制过程如图7所示，开机后控制部分首先初始化，使活塞、气阀、蠕动泵、血糖检测组件等复位，然后按照图示程序逐步运动，直到整个任务完成。需要说明的是不同情况的针头穿刺深度不同，其中采血穿刺时的深度小于注射穿刺时的深度，而正压止血时活塞在平衡位置往复运动，气阀配合活塞及时开启与关闭，不断给活塞腔加压直到血滴不再扩大，此时穿刺深度最小。药量计算涉及到患者进食量、运动量、当前测得的血糖浓度、胰岛素敏感度、提前注射时间等因素，计算方法存入控制器中。血滴测量依靠照明光源、微型摄像头、信号处理电路和计算方法，如果两组血糖检测组件的光轴方向分别与摄像头探测器探测元行列方向一致，算法则比较简单[14]。实际情况摄像头光轴可能与患者皮肤不垂直，倾斜后按图3所示算法进行修正。胰岛素注射时药量由蠕动泵总转数确定，压力由泵的转速控制，转速高则压力大，达到极限后就不再升高，输注速度也一样。如果将短时间的注射变成长时间的输液，蠕动泵的旋转速度要大大降低，这对泵上电机和控制模块提出了更高要求[15]。

4 结语

全自动无耗材糖尿病输注治疗技术应用自动采血、光电检测和定量输注等单元技术，通过血糖检测方法创新和结构集成创新，有效解决现有糖尿病治疗技术治疗过程复杂、检测成本过高、药量估计不准等诸多难题，具有十分重要的临床意义和经济价值。

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