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如何創(chuàng)建一個(gè)集成且不顯眼的糖尿病管理系統(tǒng)?

發(fā)布時(shí)間:2020-02-19 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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。
    
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)行各種日常活動(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(mǎi)。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。
 
如何創(chuàng)建一個(gè)集成且不顯眼的糖尿病管理系統(tǒng)?
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(zhuān)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(hù)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。現(xiàn)在有很多種胰島素已經(jīng)上市銷(xiāo)售。快速、短、中、長(zhǎng)效類(lèi)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。
 
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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ǎ瑒?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。
 
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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
 
如何創(chuàng)建一個(gè)集成且不顯眼的糖尿病管理系統(tǒng)?
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(lèi)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(lèi)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(chēng)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(hù)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(lèi)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(hù)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。
 
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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(mǎn)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(lèi)
 
糖尿病有兩種主要分類(lèi):1型糖尿病和2型糖尿病。1型糖尿病是由于人類(lèi)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。
 
關(guān)于作者
 
 如何創(chuàng)建一個(gè)集成且不顯眼的糖尿病管理系統(tǒng)?
 
Steven Dean在半導(dǎo)體和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域擁有超過(guò)25年的經(jīng)驗(yàn),目前主管安森美半導(dǎo)體醫(yī)療和無(wú)線分部業(yè)務(wù)營(yíng)銷(xiāo)。曾出任美敦力(Medtronic Corporation)業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)、德州儀器(Texas Instruments)營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)以及飛思卡爾半導(dǎo)體(Freescale Semiconductor)區(qū)域營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)。
 
Steven擁有普渡大學(xué)(Purdue University)電氣工程學(xué)位及商業(yè)研究生學(xué)位。Steve閑暇時(shí)與妻子Kathy和現(xiàn)在的三個(gè)成年子女一起在熱帶航海、釀造啤酒和擺弄他的古典車(chē)。
 
關(guān)于安森美半導(dǎo)體
安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor,美國(guó)納斯達(dá)克上市代號(hào):ON)致力于推動(dòng)高能效電子的創(chuàng)新,使客戶(hù)能夠減少全球的能源使用。安森美半導(dǎo)體領(lǐng)先于供應(yīng)基于半導(dǎo)體的方案,提供全面的高能效電源管理、模擬、傳感器、邏輯、時(shí)序、互通互聯(lián)、分立、系統(tǒng)單芯片(SoC)及定制器件陣容。公司的產(chǎn)品幫助工程師解決他們?cè)谄?chē)、通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、工業(yè)、醫(yī)療、航空及國(guó)防應(yīng)用的獨(dú)特設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。公司運(yùn)營(yíng)敏銳、可靠、世界一流的供應(yīng)鏈及品質(zhì)項(xiàng)目,一套強(qiáng)有力的守法和道德規(guī)范計(jì)劃,及在北美、歐洲和亞太地區(qū)之關(guān)鍵市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)包括制造廠、銷(xiāo)售辦事處及設(shè)計(jì)中心在內(nèi)的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。
(來(lái)源:安森美半導(dǎo)體,作者:安森美半導(dǎo)體無(wú)線及醫(yī)療分部信號(hào)處理業(yè)務(wù)營(yíng)銷(xiāo)Steven Dean)
 
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