胰島素幫浦的設計
文章主要探討電子元件在胰島素幫浦設計中所扮演的角色，同時闡述胰島素幫浦的目的、整體運作方式、設計和實作方面等各項要求。
胰島素幫浦的目的：
胰島素是調整體內醣類與脂肪代謝的荷爾蒙，人體會定時分泌胰島素將攝取到體內的葡萄糖轉化為能量。當正常人體無法分泌足夠的胰島素時，血糖就會升高，進而引發許多健康問題。為解決這個問題，醫生會用藥物來刺激身體分泌更多胰島素，但這種方法並不適用於每個糖尿病患者，因此許多糖尿病患會定時注射胰島素，但是長期注射高劑量的胰島素將會導致無法持續地與血液混合，故無法發揮像人體分泌胰島素時一樣的正常功能。如今，有許多醫生開始建議使用胰島素幫浦，將這種攜帶式裝置固定連結至身體，透過事先打在皮下的導管，將固定劑量的胰島素注入體內。胰島素幫浦的運作模式與人體正常分泌胰島素的模式極為相近。
胰島素幫浦連結至人體
根據現今的統計，全球有3.66億人患有糖尿病，但其中只有約0.1%的患者裝有胰島素幫浦。
圖1:顯示胰島素幫浦如何連結至人體
胰島素劑量的測量單位：
l 胰島素是以「單位」計算，100單位的胰島素等於1 ml，換言之1單位就是10μl（微公升）。胰島素幫浦通常以兩種模式將胰島素輸注入體內，分別是追加劑量與基礎劑量。
l 追加劑量是為了應付攝取的食物糖份或高血糖而注入。此模式會將高劑量的胰島素注入體內。
l 基礎劑量以可調整的基礎速率持續地輸注體內，在兩餐之間以及夜間為身體提供所需的胰島素。
胰島素劑量濃度與時間的關係
這裡顯示的餐前追加劑量時間僅為例子，追加與基礎劑量的時間間隔因人而異，且應遵循醫生的建議。這意謂胰島素幫浦使用者必須能夠自行修改速效型胰島素的輸注曲線，按實際狀況設定追加劑量。使用者可嘗試不同的追加輸注劑量，藉以判斷劑量輸注曲線與那些特定食物最適合，便可藉由自己的需求調整追加劑量來改善對血糖的控制。
圖2:顯示24小時內輸注體內的追加與基礎劑量胰島素單位曲線
胰島素幫浦的整體運作：
胰島素幫浦或任何重大醫療應用電子裝置，都必須符合美國食品及藥物管理局（FDA）的標準，因此本文亦將這些標準納入考量[1]。
胰島素幫浦模組圖
裝置內含:
l 控制單元：這個處理模組用來控制活塞的位置（如圖3所示）。
l 儲藥器：用來儲存輸注到體內的胰島素，一般容量約為2到3 ml（200至300單位胰島素）。儲藥器必須在胰島素快用完時能隨時重新填充。
l拋棄式注射用輸液管（Infusion Set）：屬於耗材的輸液管內含一導管（附有注射針的塑膠管），用來將胰島素注入皮下（針插入的皮下層）以及導管系統，將胰島素儲存盒連結導管（與一般含有柱塞與針頭的注射筒非常相似）。
圖3:為胰島素幫浦模組圖
另外一種相關的子產品是連續式血糖監測儀，用來控制／管理糖尿病症狀，並透過皮下感測器來即時監測血糖值。另外，感測器可持續置於體內數天，減少病患多次抽血的麻煩。未來可能發展出閉路式系統，將血糖監測器作成回報感測器來偵測改變注射劑量後的狀況。其迴路中使用的血糖監測器亦可設計成採用可編程SoC [2]。除了單獨使用SoC外，也可將整個封閉迴路系統整合至SoC中。
運用可編程SoC（PSoC）操作胰島素監測器：
圖4為處理器（這裡用的SoC為Cypress PSoC系列中的一款）、儲藥器與注射用輸液管的模組圖。
圖4:模組圖顯示胰島素幫浦內建的可編程SoC為一使用Cypress PSoC系列元件的例子。
第一區（Section 1）：控制胰島素的輸注
如先前所述，系統必須根據邏輯來控制活塞的位置。可使用直流馬達或步進馬達來驅動活塞的螺絲。由於注入胰島素的速率極小，因此活塞必須隨著馬達的旋轉緩慢地推進，實現使用了齒輪的邏輯。
需注意的是這個馬達控制邏輯無法用來作為開放式迴路系統，因負載一旦改變，便會導致速度改變。因此可運用像rotary encoders等回饋感測器來監測當前馬達的運轉速度，並根據邏輯與需求速度相比來針對狀況修改馬達驅動控制設定。網址連結 [3] 提供詳細的操作方法，包括如何運用PSoC3/5元件的旋轉編碼器來監測/控制馬達速度。
由於追加劑的輸注量較大，基礎劑的輸注量較少，因此馬達必須在追加劑量時提高速度，並在基礎劑量時降低速度。所採用的邏輯必須要能夠在此兩種模式之間作切換。
第2區（Section 2）：即時時脈（RTC）與電子可抹寫、可編程唯讀記憶體 （EEPROM）
我們可利用SoC內的即時時脈模組將當前的日期與時間儲存在內部的電子可抹寫、可編程唯讀記憶體。如此一來，當裝置關閉電源時，日期與時間的資料也不會消失。系統也可在每次重新填充儲藥器時，記錄下日期與時間（極為容易判斷，因系統知道胰島素輸注到體內的速度）以及儲藥器的容量。另外系統也可驅動警鈴（像是由內部DAC驅動的揚聲器）以告知使用者儲藥器內的胰島素即將用盡。
如前一段所述，系統必須知道何時該切換馬達速度，以調整適合追加劑量模式的轉速與何時該切換至適合基礎劑量模式的速度。為此，PSoC 3與5系列內的計數器模組可用來作為1Hz左右的超低頻來源時脈。除此之外，這個源自32.768晶體的1 Hz時脈也可用來驅動即時時脈。
第3區（Section 3）：避免管線阻塞
監測胰島素是否正確注入體內或管線是否有任何阻塞是非常重要的安全防範。例如當針注入身體的位置產生血塊或組織生長而導致阻擋胰島素的流通時，儲藥器的壓力就會升高，此時我們可將壓力感測器（矽晶壓力感測器的介紹詳見[4]）置於導管週圍，並將輸出結果回報處理器。這類似應變規感測器，壓力感測器能對應於電阻的變化轉換壓力。若要偵測電阻的改變，可將感測器置入惠斯登電橋（wheatstone’s bridge）內，藉以產生差動電壓，再送到SoC作進一步處理。
另外，輸注到體內的胰島素必須保存在適合溫度範圍內以防變質，可透過連結至SoC像是熱敏電阻的感測器，藉此監視儲藥器或導管內胰島素的溫度。
最後，兩個類比輸入：其中一個來自壓力感測器，另一個則來自溫度感測器。兩者皆將資料送至SoC，且透過整合ADC來監測狀態。PSoC 3或5具備高精準度類比前端模組，能以最高至20位元的解析度執行作業，另外還可透過同一ADC多工處理訊號資料。處理後的數位資料可以和預存的門檻值相互比對，判斷是否有阻塞的情況（例如壓力感測器讀取值超過門檻）或是胰島素有變質狀況（例如熱敏電阻讀取值超過門檻）。SoC便可發送警報聲響或LED閃光來告知使用者有阻塞狀況，這類警報還可通報電池電力即將耗盡。
第4區（Section 4）：可攜式裝置的電源管理
可攜式醫療裝置使用的鹼性電池（如一次性電池）通常提供1.5伏特的電壓。SoC內的升壓變壓器能將電壓提高到SoC運作所需的電壓，在PSoC 3或5元件中使用的是1.8伏特。此升壓變壓器還能將電壓從0.5伏特提高到1.8伏特。若使用可充式電池，則建議使用鋰電池。
由於是屬於無法經常充電或更換電池的手持式可攜式裝置，所以耗電與否扮演了關鍵的角色。因此，SoC必須能支援多種低功耗模式，包括裝置在沒有使用時的睡眠或長時間休眠模式，以節省電池電力。
PSoC 3與5元件提供了名為交替運作模式的低功耗模式，在此模式下CPU是關閉的，但某些特定的數位與類比模組仍可維持運作，這樣一來能為整個胰島素幫浦架構在大部分無需CPU的時間依然可以運作。這表示只需在追加劑量與基礎劑量模式之間切換時才需要CPU運作（例如岔斷）。
第5區（Section 5）：顯示器與I／O介面
若追加劑量與基礎劑量注射的時間必須改變，或時間維持不變但濃度改變，就無需重新設計整個系統，使用者僅需按壓按鈕即可調整系統。賽普拉斯半導體提供的觸控感測解決方案，其內建於PSoC的功能可取代現今所採用的傳統機械式按鈕，再加上能夠直接控制高畫質圖形或區段（Segment）LCD螢幕，即可在同一顯示器上顯示包含當前狀態以及下次填充胰島素的時間等資訊，還可在LCD螢幕上方建置一個電阻式觸控螢幕來做為操作介面。
第6區（Section 6）：USB功能
藉由建置像USB等通訊埠，裝置即可和PC連線，胰島素幫浦可記錄下各種重要資料，像是輸注胰島素的時間以及劑量使用時段。除此之外，裝置還能透過USB將PC供應的電力來為裝置充電。
其他考量因素：
從以上所述，我們觀察到
1. 每種阻塞感測方法（壓力感測器、溫度感測器等）都需要高精準的類比前端元件（AFE）。若使用傳統MCU，就需使用多個離散元件來執行必要的輸入量測功能，相較於內含許多整合式類比前端元件，允許不同感測器同時連結到CPU的SoC，其系統尺寸與成本都要來得增加。
2. 由於胰島素幫浦為電池供電裝置，因此運作功耗與睡眠模式的電流是相當重要的考量因素。另外，由於傳統MCU需在更高的電壓範圍運作，而電池輸入的電壓卻低於MCU運作所需的電壓，因此還需要升壓程序。而在SoC中的高整合設計架構即能解決這些問題。
3. 胰島素幫浦需有螢幕來顯示當前各種狀態。直接驅動或控制LCD的處理器模組可簡化系統設計工作。
4. 胰島素幫浦需要記憶體來儲存過去劑量資料以及一些門檻值供日後比較使用，因此需要EEPROM或其他永久記憶體儲存技術，其中以整合在處理器或SoC內為最佳。
5. 像是USB等序列通訊介面可提供使用者輕易地將資料定期記錄到PC。
6. 觸控螢幕提供使用者更直覺化且簡單的操作介面。並同時取代容易磨損的機械式按鈕。
7. 控制馬達必須用適合的電路，才能推動活塞將胰島素注入到體內。
8. 胰島素幫浦需測得當前體內血糖值以調整藥劑流速。傳統MCU因需額外的外部類比IC來建置此種功能，不適合用來支援此類封閉迴路系統。相反地，SoC則擁有能打造出低廉成本封閉迴路系統所需的元件。
關於作者:
Asha Ganesan 擁有Guindy工程學院電子與通訊學士學位。Asha目前在賽普拉斯半導體擔任應用工程師，擁有開發PSoC 3與PSoC 5的產品經驗，協助顧客執行其PSoC 3和5的開發案。Asha的電子郵件信箱為asha@cypress.com。
參考資料:
[1] FDA對醫療設備設計的規範: http://www.fda.gov/MedicalDevices/DeviceRegulationandGuidance/Standards/default.htm.
[2] 使用PSoC打造血糖監視器:
http://www.cypress.com/?rID=43661&source=header
[3] 運用SoC設計馬達控制系統:
[4] 矽晶壓力感測器:
