全自動(dòng)無(wú)耗材糖尿病輸注治療技術(shù)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(duì)不足或不能有效利用的慢性內(nèi)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(nèi)血糖濃度明顯高于正常值。持續(xù)血糖異常會(huì)帶來(lái)不可逆的心腦血管、神經(jīng)系統(tǒng)、眼睛和腎臟等器官功能損害，嚴(yán)重危害人類健康，因此血糖控制十分重要。據(jù)國(guó)際糖尿病聯(lián)盟(International Diabetes Federation，IDF)報(bào)道，目前全球受糖尿病影響的人已超過(guò)3億，2010年相關(guān)費(fèi)用支出至少超過(guò)3760億美元，占世界醫(yī)療衛(wèi)生費(fèi)用總支出的11.6%。我國(guó)糖尿病總數(shù)約為4000萬(wàn)(亦說(shuō)9000萬(wàn))。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(xiàn)狀

糖尿病治療包括對(duì)患者教育、合理飲食、適當(dāng)運(yùn)動(dòng)、血糖監(jiān)測(cè)和藥物治療5個(gè)方面，其中血糖監(jiān)測(cè)和藥物治療最為重要。對(duì)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(cè)血糖、再根據(jù)血糖值人為估計(jì)胰島素量，最后用胰島素筆將胰島素定量注射到患者體內(nèi)。這一方法帶來(lái)諸多問(wèn)題[1]。

1.1 治療過(guò)程復(fù)雜

糖尿病患者的治療過(guò)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(dòng)開機(jī)后吸入血樣，測(cè)得血糖值后根據(jù)血糖值選擇胰島素注射量，完成單次治療；治療次數(shù)由胰島素藥效長(zhǎng)短而定，一般每天最少1次，多則3～4次。

1.2 檢測(cè)成本過(guò)高

目前，最準(zhǔn)確的血糖檢測(cè)方法還是葡萄糖氧化酶法(電化學(xué)法)，但每次檢測(cè)需要一片價(jià)格5元左右的血糖試紙，按每天檢測(cè)3次(世界衛(wèi)生組織建議4次/d)計(jì)算，一年的試紙費(fèi)用約為5475元，費(fèi)用數(shù)目較大，成本過(guò)高。

1.3 藥量估計(jì)誤差

受飲食、運(yùn)動(dòng)和身體內(nèi)環(huán)境對(duì)胰島素敏感性等因素影響，藥量估計(jì)值不可能恰好等于所需要值，過(guò)多或過(guò)少都會(huì)影響身體健康。

1.4 存在重復(fù)創(chuàng)傷

血糖檢測(cè)過(guò)程的采血和治療過(guò)程的胰島素注射兩次穿刺皮膚，造成了重復(fù)創(chuàng)傷。

很多患者尤其是沒(méi)有醫(yī)療保險(xiǎn)的患者因檢測(cè)成本、肌體損傷以及操作繁瑣等原因，沒(méi)有按要求進(jìn)行血糖檢測(cè)，甚至有的患者血糖檢測(cè)平均每天不足1次，因而胰島素補(bǔ)充量極不精確，血糖控制效果大打折扣。全自動(dòng)無(wú)耗材糖尿病輸注治療技術(shù)自動(dòng)實(shí)施治療而無(wú)需人工操作，光電比色測(cè)量而無(wú)需材料消耗，綜合計(jì)算胰島素用量而非人工估計(jì)，既可斷續(xù)治療又可連續(xù)治療，是糖尿病患者自我治療的得力助手。

2 全自動(dòng)無(wú)耗材糖尿病輸注治療技術(shù)原理

如圖1所示，全自動(dòng)無(wú)耗材糖尿病輸注治療技術(shù)采用直線運(yùn)動(dòng)的音圈電機(jī)作為動(dòng)力元件，電機(jī)定子即活塞腔，轉(zhuǎn)子即活塞，活塞腔下端連接中空密封底座，上端連接蠕動(dòng)泵支撐架。以人體皮膚為底構(gòu)成的傾斜圓柱形密閉腔體上端設(shè)置一個(gè)可直線運(yùn)動(dòng)的活塞，活塞中心固定一根注射針頭，旁邊安裝一個(gè)電磁氣閥，針頭通過(guò)軟管與胰島素筒相連，胰島素筒底部設(shè)有溫控組件，蠕動(dòng)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(nèi)設(shè)置一個(gè)攝像頭，用于測(cè)量穿刺后皮膚滲出的血滴大小[2]。

圖1 全自動(dòng)無(wú)耗材糖尿病輸注治療技術(shù)原理

全自動(dòng)無(wú)耗材糖尿病輸注治療操作步驟如下：

⑴自動(dòng)采血。氣閥在控制器控制下打開，活塞在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)下向皮膚方向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)針頭進(jìn)行快速穿刺，到達(dá)預(yù)定深度后氣閥關(guān)閉，活塞迅速?gòu)?fù)位產(chǎn)生負(fù)壓，皮膚末梢血在負(fù)壓作用下滲出形成血滴，攝像頭實(shí)時(shí)測(cè)量血滴大小，達(dá)到預(yù)定大小后活塞停止運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)采血過(guò)程結(jié)束。

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

⑶藥量計(jì)算?？刂破鞲鶕?jù)測(cè)得的血糖濃度、進(jìn)食量、運(yùn)動(dòng)量和胰島素敏感度等，按照有關(guān)算法公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果送入存貯器。

⑷藥物注射。藥量計(jì)算出來(lái)后控制器控制直線電機(jī)向皮膚方向運(yùn)動(dòng)，針頭按原來(lái)位置和方向再次穿刺，到達(dá)預(yù)定深度后蠕動(dòng)泵開啟，胰島素在蠕動(dòng)泵作用下按給定流量和容量實(shí)施注射，注射完畢后針頭在活塞驅(qū)動(dòng)下回到原位。藥物注射過(guò)程氣閥始終打開。

3 全自動(dòng)無(wú)耗材糖尿病輸注治療儀主要結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

全自動(dòng)無(wú)耗材糖尿病輸注治療儀主要結(jié)構(gòu)涉及自動(dòng)采血與自動(dòng)注射、血糖檢測(cè)、智能控制等，下面對(duì)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算。

3.1 自動(dòng)采血部分

自動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)下從圖示位置開始向皮膚穿刺，達(dá)到預(yù)定深度(臺(tái)階位置)后氣閥關(guān)閉并立即往回運(yùn)動(dòng)，活塞腔內(nèi)的壓強(qiáng)因體積增大而減小形成負(fù)壓，血液在血管內(nèi)正壓和活塞腔內(nèi)負(fù)壓共同作用下滲出[3]。攝像頭實(shí)時(shí)測(cè)量血滴大小，達(dá)到設(shè)定大小后活塞逐漸停止抽吸，超過(guò)設(shè)定大小后進(jìn)行正壓止血。

圖2 自動(dòng)采血原理

假設(shè)圓形缸內(nèi)氣體為質(zhì)量與溫度皆不變的理想氣體，穿刺到位時(shí)氣體體積為V1，壓強(qiáng)為P1，往回抽吸運(yùn)動(dòng)時(shí)體積為(V1＋△V)，壓強(qiáng)為P，根據(jù)波-馬定律，得公式1：

對(duì)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(zhǎng)度之間的關(guān)系(公式4)：

為提高血糖檢測(cè)靈敏度，血滴平面尺寸不能太小也不能太大，太小影響檢測(cè)靈敏度，太大浪費(fèi)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(nèi)壓強(qiáng)不需要太小，再令ξ＝P1/P(真空度參數(shù))；△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(zhǎng)度之間關(guān)系(公式5)：

式(5)表明活塞腔小腔長(zhǎng)度越長(zhǎng)，活塞直徑就應(yīng)越大；反之亦然。為減小體積、降低功耗，在滿足攝像頭測(cè)量要求前提下應(yīng)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(shí)采血效果更好，故將活塞腔傾斜放置。傾斜測(cè)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(duì)稱性可知A'B'＝AB，經(jīng)推導(dǎo)可得物像對(duì)應(yīng)關(guān)系(公式6)：

圖3 血滴大小測(cè)量原理

這樣就建立了攝像頭中圖像大小與血滴實(shí)際大小的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而得到了檢測(cè)光路上的距離。理論上任意方向上的距離皆可測(cè)量，通常只需測(cè)量光電元件光軸方向的程長(zhǎng)。

自動(dòng)采血時(shí)采血(注射)點(diǎn)由患者自由選擇。如果不巧碰上血管，血液無(wú)需負(fù)壓自動(dòng)滲出，且很有可能止不住，血滴大小超過(guò)設(shè)定值后控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉氣閥，控制活塞穿刺，進(jìn)行正壓止血。

3.2 血糖檢測(cè)部分

考慮到檢測(cè)成本與檢測(cè)速度等因素，血糖檢測(cè)選用生化檢驗(yàn)中常用的光電比色技術(shù)。檢測(cè)原理為朗伯-比耳定律(Lambert-Beer Law)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為(公式7)：

式(7)中：A為吸光度，a為相應(yīng)波長(zhǎng)吸光系數(shù)，c為樣品平均濃度，l為光程，n為樣品溶液中物質(zhì)成分個(gè)數(shù)。由此可知樣品吸光度A與樣品濃度c具有線相關(guān)性，被測(cè)樣品成分濃度變化會(huì)引起吸光度變化。血液其它成份基本不變，對(duì)吸光度A值的影響不大[5]。

血糖檢測(cè)部分主要由光源、樣品室、探測(cè)器及數(shù)據(jù)處理電路構(gòu)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(cè)方向上的光程可以通過(guò)攝像頭測(cè)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(cè)組件安裝在橢圓周圍。在活塞腔小腔周圍等間距設(shè)置2組檢測(cè)模塊，每組模塊由激光器作光源，波長(zhǎng)分別為1319 nm和1550 nm，激光經(jīng)光纖耦合后從貼近皮膚表面的方向進(jìn)入血滴，經(jīng)過(guò)幾次全反射后投射到探測(cè)器上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換[6-8]。得到的電信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理電路濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換送到控制器，供此后的胰島素用量計(jì)算以及報(bào)警、顯示等部分應(yīng)用。由于空氣對(duì)激光能量的吸收率很小，光源與探測(cè)器之間的空氣間距不等而引起的測(cè)量誤差可以忽略。另外血糖檢測(cè)在人體皮膚上進(jìn)行，血液溫度基本穩(wěn)定，因此溫度對(duì)血糖檢測(cè)的影響可以通過(guò)最初的定標(biāo)消除。整個(gè)系統(tǒng)的定標(biāo)需要標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)液。

圖4 血糖檢測(cè)原理

3.3 智能控制部分

圖5 血糖檢測(cè)結(jié)構(gòu)

智能控制部分主要包括控制鍵盤、顯示與報(bào)警、溫度測(cè)控、血滴測(cè)量、氣閥驅(qū)動(dòng)、活塞驅(qū)動(dòng)、血糖檢測(cè)、蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)、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(shù)設(shè)置。顯示與報(bào)警模塊用于數(shù)據(jù)和狀態(tài)顯示以及報(bào)警提示等。溫度測(cè)控模塊包括胰島素溫度測(cè)控和患者注射點(diǎn)皮膚溫度測(cè)量，胰島素要求低溫存貯，血滴溫度影響血糖濃度測(cè)量。血滴測(cè)量模塊的任務(wù)是實(shí)時(shí)測(cè)量血滴在血糖測(cè)量方向(激光方向)的長(zhǎng)度，供控制模塊和血糖測(cè)量使用，達(dá)到設(shè)定值后活塞抽吸運(yùn)動(dòng)自動(dòng)停止。氣閥驅(qū)動(dòng)模塊即氣路開關(guān)，氣路開關(guān)在3種情況下使用：①在采血穿刺時(shí)打開氣閥，復(fù)位時(shí)關(guān)閉氣閥；②扎破血管后血滴尺寸過(guò)大時(shí)關(guān)閉氣閥，活塞穿刺運(yùn)動(dòng)進(jìn)行正壓止血；③胰島素注射時(shí)打開氣閥?；钊?qū)動(dòng)模塊實(shí)為直線運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)部分(轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)方向；活塞中心固定一根空心針頭，針頭與來(lái)自蠕動(dòng)泵滾輪的軟管相連，用來(lái)進(jìn)行穿刺和注射藥物；此外活塞上還固定一個(gè)電子氣閥[13]。血糖檢測(cè)模塊用來(lái)測(cè)量患者皮膚上血滴中的葡萄糖濃度，檢測(cè)結(jié)果作為胰島素用量計(jì)算的依據(jù)。蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)模塊用來(lái)定量注射胰島素?？刂破髂K是系統(tǒng)的控制中心，擔(dān)負(fù)著胰島素用量計(jì)算和各個(gè)模塊控制任務(wù)，作用十分重要。

圖6 控制部分原理框圖

圖7 控制流程圖

標(biāo)準(zhǔn)控制過(guò)程如圖7所示，開機(jī)后控制部分首先初始化，使活塞、氣閥、蠕動(dòng)泵、血糖檢測(cè)組件等復(fù)位，然后按照?qǐng)D示程序逐步運(yùn)動(dòng)，直到整個(gè)任務(wù)完成。需要說(shuō)明的是不同情況的針頭穿刺深度不同，其中采血穿刺時(shí)的深度小于注射穿刺時(shí)的深度，而正壓止血時(shí)活塞在平衡位置往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣閥配合活塞及時(shí)開啟與關(guān)閉，不斷給活塞腔加壓直到血滴不再擴(kuò)大，此時(shí)穿刺深度最小。藥量計(jì)算涉及到患者進(jìn)食量、運(yùn)動(dòng)量、當(dāng)前測(cè)得的血糖濃度、胰島素敏感度、提前注射時(shí)間等因素，計(jì)算方法存入控制器中。血滴測(cè)量依靠照明光源、微型攝像頭、信號(hào)處理電路和計(jì)算方法，如果兩組血糖檢測(cè)組件的光軸方向分別與攝像頭探測(cè)器探測(cè)元行列方向一致，算法則比較簡(jiǎn)單[14]。實(shí)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(jìn)行修正。胰島素注射時(shí)藥量由蠕動(dòng)泵總轉(zhuǎn)數(shù)確定，壓力由泵的轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速高則壓力大，達(dá)到極限后就不再升高，輸注速度也一樣。如果將短時(shí)間的注射變成長(zhǎng)時(shí)間的輸液，蠕動(dòng)泵的旋轉(zhuǎn)速度要大大降低，這對(duì)泵上電機(jī)和控制模塊提出了更高要求[15]。

4 結(jié)語(yǔ)

全自動(dòng)無(wú)耗材糖尿病輸注治療技術(shù)應(yīng)用自動(dòng)采血、光電檢測(cè)和定量輸注等單元技術(shù)，通過(guò)血糖檢測(cè)方法創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)集成創(chuàng)新，有效解決現(xiàn)有糖尿病治療技術(shù)治療過(guò)程復(fù)雜、檢測(cè)成本過(guò)高、藥量估計(jì)不準(zhǔn)等諸多難題，具有十分重要的臨床意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

[1]吳新社,徐志榮,王振洲,等.全自動(dòng)血糖控制技術(shù)淺析[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2009,30(6):285-287.

[2]Nakamachi E. Development of automatic operated blood sampling system for portable type Self-Monitoring Blood Glucose device[C].Buenos Aires:32nd Annual International Conference of the IEEE EMBS,2010:335-338.

[3]Huijun K, Yoshifumi M, Eiji N, et al.Development of portable health monitoring system for automatic Self-Blood glucose measurement[J]. Proc of SPIE,2010,7556:1-10.

[4]Yoshimitsu M, Toshiyuki U, Kazuyoshi T, et al. Development of a blood extraction device for a miniature SMBG system for a miniature SMBG system[J].Proc of SPIE,2007,6799:1-11.

[5]Maruo K,China J,Tamurab M. Noninvasive blood Glucose monitoring by novel optical fiber probe[J].Proc of SPIE,2002,4624:20-27.

[6]張艷潔.近紅外光譜無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)模擬樣品的試驗(yàn)研究[D].吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008:1-32.

[7]丁海泉,盧啟鵬,王動(dòng)民,等.近紅外光譜無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)中有效信號(hào)提取方法的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2010,30(1):50-53.

[8]張洪艷,丁東,趙振武,等.人體血清中葡萄糖濃度的近紅外光譜分析[J].光譜實(shí)驗(yàn)室,2004,21(6):1128-1130.

[9]肖君.基于近紅外三波長(zhǎng)血糖檢測(cè)系統(tǒng)的研制[D].華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006:35-55.

[10]姜利英,任麗杰,陳青華,等.血糖檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].傳感器世界,2009(10):6-31.

[11]周建平,霍美蓉.現(xiàn)代藥劑學(xué)研究新進(jìn)展[J].中國(guó)藥科大學(xué)學(xué)報(bào),2007,38(2):97-104.

[12]范秀娟,曹俊濤.新型口服胰島素制劑的研究進(jìn)展[J].中國(guó)實(shí)用醫(yī)藥,2008,3(3):131-132.

[13]關(guān)文錦.血糖檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].右江醫(yī)學(xué),2009,37(6):737-738.

[14]王會(huì)清,駱清銘.血糖微創(chuàng)和無(wú)創(chuàng)傷快速檢測(cè)方法[J].現(xiàn)代儀器,2006(6):1-8.

[15]蔡?hào)|聯(lián),羅狄隱,耿珊珊,等.糖尿病專家系統(tǒng)研制和應(yīng)用[J].中國(guó)臨床營(yíng)養(yǎng)雜志,2005(13):289-293.