全自動無耗材糖尿病輸注治療技術研究*

吳新社 鄧芳軼 王振洲 何 艷 姜樹勛

糖尿病是一種胰島素分泌相對不足或不能有效利用的慢性內分泌疾病。由于胰島素缺乏或活性不足造成的葡萄糖代謝障礙，使得體內血糖濃度明顯高于正常值。持續血糖異常會帶來不可逆的心腦血管、神經系統、眼睛和腎臟等器官功能損害，嚴重危害人類健康，因此血糖控制十分重要。據國際糖尿病聯盟(International Diabetes Federation，IDF)報道，目前全球受糖尿病影響的人已超過3億，2010年相關費用支出至少超過3760億美元，占世界醫療衛生費用總支出的11.6%。我國糖尿病總數約為4000萬(亦說9000萬)。被稱為“沉默殺手”的糖尿病已成為繼心腦血管疾病、惡性腫瘤之后病死率較高的世界第三大疾病。

1 糖尿病治療現狀

糖尿病治療包括對患者教育、合理飲食、適當運動、血糖監測和藥物治療5個方面，其中血糖監測和藥物治療最為重要。對于需要注射給藥的患者(占90%以上)，目前的治療方法是先用血糖儀檢測血糖、再根據血糖值人為估計胰島素量，最后用胰島素筆將胰島素定量注射到患者體內。這一方法帶來諸多問題[1]。

1.1 治療過程復雜

糖尿病患者的治療過程需要先用采血針扎破手指采血，然后取出血糖儀、插入血糖試紙，待儀器自動開機后吸入血樣，測得血糖值后根據血糖值選擇胰島素注射量，完成單次治療；治療次數由胰島素藥效長短而定，一般每天最少1次，多則3～4次。

1.2 檢測成本過高

目前，最準確的血糖檢測方法還是葡萄糖氧化酶法(電化學法)，但每次檢測需要一片價格5元左右的血糖試紙，按每天檢測3次(世界衛生組織建議4次/d)計算，一年的試紙費用約為5475元，費用數目較大，成本過高。

1.3 藥量估計誤差

受飲食、運動和身體內環境對胰島素敏感性等因素影響，藥量估計值不可能恰好等于所需要值，過多或過少都會影響身體健康。

1.4 存在重復創傷

血糖檢測過程的采血和治療過程的胰島素注射兩次穿刺皮膚，造成了重復創傷。

很多患者尤其是沒有醫療保險的患者因檢測成本、肌體損傷以及操作繁瑣等原因，沒有按要求進行血糖檢測，甚至有的患者血糖檢測平均每天不足1次，因而胰島素補充量極不精確，血糖控制效果大打折扣。全自動無耗材糖尿病輸注治療技術自動實施治療而無需人工操作，光電比色測量而無需材料消耗，綜合計算胰島素用量而非人工估計，既可斷續治療又可連續治療，是糖尿病患者自我治療的得力助手。

2 全自動無耗材糖尿病輸注治療技術原理

如圖1所示，全自動無耗材糖尿病輸注治療技術采用直線運動的音圈電機作為動力元件，電機定子即活塞腔，轉子即活塞，活塞腔下端連接中空密封底座，上端連接蠕動泵支撐架。以人體皮膚為底構成的傾斜圓柱形密閉腔體上端設置一個可直線運動的活塞，活塞中心固定一根注射針頭，旁邊安裝一個電磁氣閥，針頭通過軟管與胰島素筒相連，胰島素筒底部設有溫控組件，蠕動泵位于胰島素筒與活塞之間，氣閥受控制器控制，活塞腔下端連接中空密封底座，其內設置一個攝像頭，用于測量穿刺后皮膚滲出的血滴大小[2]。

圖1 全自動無耗材糖尿病輸注治療技術原理

全自動無耗材糖尿病輸注治療操作步驟如下：

⑴自動采血。氣閥在控制器控制下打開，活塞在直線電機驅動下向皮膚方向運動，帶動針頭進行快速穿刺，到達預定深度后氣閥關閉，活塞迅速復位產生負壓，皮膚末梢血在負壓作用下滲出形成血滴，攝像頭實時測量血滴大小，達到預定大小后活塞停止運動，自動采血過程結束。

⑵血糖檢測。血滴平面尺寸大小符合要求后，控制器啟動血糖濃度檢測程序，檢測組件開始工作，測得值送到控制器中進行處理，處理完畢送入存貯器。

⑶藥量計算。控制器根據測得的血糖濃度、進食量、運動量和胰島素敏感度等，按照有關算法公式進行計算，計算結果送入存貯器。

⑷藥物注射。藥量計算出來后控制器控制直線電機向皮膚方向運動，針頭按原來位置和方向再次穿刺，到達預定深度后蠕動泵開啟，胰島素在蠕動泵作用下按給定流量和容量實施注射，注射完畢后針頭在活塞驅動下回到原位。藥物注射過程氣閥始終打開。

3 全自動無耗材糖尿病輸注治療儀主要結構分析計算

全自動無耗材糖尿病輸注治療儀主要結構涉及自動采血與自動注射、血糖檢測、智能控制等，下面對主要結構進行分析計算。

3.1 自動采血部分

自動采血原理如圖2所示，氣閥打開后活塞連同針頭在直線電機驅動下從圖示位置開始向皮膚穿刺，達到預定深度(臺階位置)后氣閥關閉并立即往回運動，活塞腔內的壓強因體積增大而減小形成負壓，血液在血管內正壓和活塞腔內負壓共同作用下滲出[3]。攝像頭實時測量血滴大小，達到設定大小后活塞逐漸停止抽吸，超過設定大小后進行正壓止血。

圖2 自動采血原理

假設圓形缸內氣體為質量與溫度皆不變的理想氣體，穿刺到位時氣體體積為V1，壓強為P1，往回抽吸運動時體積為(V1＋△V)，壓強為P，根據波-馬定律，得公式1：

對于圓形活塞腔，由圖2可知公式2、公式3：

將式(2)、(3)代入式(1)，得活塞直徑D與活塞腔小腔直徑及長度之間的關系(公式4)：

為提高血糖檢測靈敏度，血滴平面尺寸不能太小也不能太大，太小影響檢測靈敏度，太大浪費血液。令d≥d0(人為選定值)；成人舒張壓約65 mm Hg，因此活塞腔內壓強不需要太小，再令ξ＝P1/P(真空度參數)；△l為選定的穿刺深度；將其代入式(4)得到活塞直徑活塞腔小腔長度之間關系(公式5)：

式(5)表明活塞腔小腔長度越長，活塞直徑就應越大；反之亦然。為減小體積、降低功耗，在滿足攝像頭測量要求前提下應盡量縮短活塞腔小腔部分體積[4]。

考慮到皮膚較薄，針頭傾斜穿刺時采血效果更好，故將活塞腔傾斜放置。傾斜測量原理如圖3所示，α為光軸與皮膚夾角，A'B'為血滴AD在攝像頭中的像，由對稱性可知A'B'＝AB，經推導可得物像對應關系(公式6)：

圖3 血滴大小測量原理

這樣就建立了攝像頭中圖像大小與血滴實際大小的對應關系，從而得到了檢測光路上的距離。理論上任意方向上的距離皆可測量，通常只需測量光電元件光軸方向的程長。

自動采血時采血(注射)點由患者自由選擇。如果不巧碰上血管，血液無需負壓自動滲出，且很有可能止不住，血滴大小超過設定值后控制系統會自動關閉氣閥，控制活塞穿刺，進行正壓止血。

3.2 血糖檢測部分

考慮到檢測成本與檢測速度等因素，血糖檢測選用生化檢驗中常用的光電比色技術。檢測原理為朗伯-比耳定律(Lambert-Beer Law)，其數學表達式為(公式7)：

式(7)中：A為吸光度，a為相應波長吸光系數，c為樣品平均濃度，l為光程，n為樣品溶液中物質成分個數。由此可知樣品吸光度A與樣品濃度c具有線相關性，被測樣品成分濃度變化會引起吸光度變化。血液其它成份基本不變，對吸光度A值的影響不大[5]。

血糖檢測部分主要由光源、樣品室、探測器及數據處理電路構成。如圖4所示，樣品室受采血方式限制略去，取而代之是皮膚上形狀不定的血滴，其余部分不變。略去樣品室后檢測方向上的光程可以通過攝像頭測量得到。如圖5所示，傾斜放置后圓柱形活塞腔的底部變成橢圓形，檢測組件安裝在橢圓周圍。在活塞腔小腔周圍等間距設置2組檢測模塊，每組模塊由激光器作光源，波長分別為1319 nm和1550 nm，激光經光纖耦合后從貼近皮膚表面的方向進入血滴，經過幾次全反射后投射到探測器上進行光電轉換[6-8]。得到的電信號通過信號處理電路濾波、放大和模數轉換送到控制器，供此后的胰島素用量計算以及報警、顯示等部分應用。由于空氣對激光能量的吸收率很小，光源與探測器之間的空氣間距不等而引起的測量誤差可以忽略。另外血糖檢測在人體皮膚上進行，血液溫度基本穩定，因此溫度對血糖檢測的影響可以通過最初的定標消除。整個系統的定標需要標準檢測液。

圖4 血糖檢測原理

3.3 智能控制部分

圖5 血糖檢測結構

智能控制部分主要包括控制鍵盤、顯示與報警、溫度測控、血滴測量、氣閥驅動、活塞驅動、血糖檢測、蠕動泵驅動、控制器等8大模塊[9-12]。如圖6所示，控制鍵盤模塊用于儀器參數設置。顯示與報警模塊用于數據和狀態顯示以及報警提示等。溫度測控模塊包括胰島素溫度測控和患者注射點皮膚溫度測量，胰島素要求低溫存貯，血滴溫度影響血糖濃度測量。血滴測量模塊的任務是實時測量血滴在血糖測量方向(激光方向)的長度，供控制模塊和血糖測量使用，達到設定值后活塞抽吸運動自動停止。氣閥驅動模塊即氣路開關，氣路開關在3種情況下使用：①在采血穿刺時打開氣閥，復位時關閉氣閥；②扎破血管后血滴尺寸過大時關閉氣閥，活塞穿刺運動進行正壓止血；③胰島素注射時打開氣閥。活塞驅動模塊實為直線運動的直線電機，電機的運動部分(轉子)即為帶線圈繞組的活塞，靜止部分(定子)即儀器活塞腔，活塞與活塞腔之間有密封圈，改變線圈電流方向即可改變運動方向；活塞中心固定一根空心針頭，針頭與來自蠕動泵滾輪的軟管相連，用來進行穿刺和注射藥物；此外活塞上還固定一個電子氣閥[13]。血糖檢測模塊用來測量患者皮膚上血滴中的葡萄糖濃度，檢測結果作為胰島素用量計算的依據。蠕動泵驅動模塊用來定量注射胰島素。控制器模塊是系統的控制中心，擔負著胰島素用量計算和各個模塊控制任務，作用十分重要。

圖6 控制部分原理框圖

圖7 控制流程圖

標準控制過程如圖7所示，開機后控制部分首先初始化，使活塞、氣閥、蠕動泵、血糖檢測組件等復位，然后按照圖示程序逐步運動，直到整個任務完成。需要說明的是不同情況的針頭穿刺深度不同，其中采血穿刺時的深度小于注射穿刺時的深度，而正壓止血時活塞在平衡位置往復運動，氣閥配合活塞及時開啟與關閉，不斷給活塞腔加壓直到血滴不再擴大，此時穿刺深度最小。藥量計算涉及到患者進食量、運動量、當前測得的血糖濃度、胰島素敏感度、提前注射時間等因素，計算方法存入控制器中。血滴測量依靠照明光源、微型攝像頭、信號處理電路和計算方法，如果兩組血糖檢測組件的光軸方向分別與攝像頭探測器探測元行列方向一致，算法則比較簡單[14]。實際情況攝像頭光軸可能與患者皮膚不垂直，傾斜后按圖3所示算法進行修正。胰島素注射時藥量由蠕動泵總轉數確定，壓力由泵的轉速控制，轉速高則壓力大，達到極限后就不再升高，輸注速度也一樣。如果將短時間的注射變成長時間的輸液，蠕動泵的旋轉速度要大大降低，這對泵上電機和控制模塊提出了更高要求[15]。

4 結語

全自動無耗材糖尿病輸注治療技術應用自動采血、光電檢測和定量輸注等單元技術，通過血糖檢測方法創新和結構集成創新，有效解決現有糖尿病治療技術治療過程復雜、檢測成本過高、藥量估計不準等諸多難題，具有十分重要的臨床意義和經濟價值。

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