胰島素泵雙機(jī)休眠策略

夏 添 周浚哲

沈陽(yáng)理工大學(xué)研究生學(xué)院 110159

引言

胰島素泵又稱持續(xù)皮下胰島素輸注（CSII），是近幾十年來臨床上模擬人體生理胰島素分泌的一種胰島素輸注系統(tǒng)，是糖尿病治療中一種安全有效的選擇。[1]

胰島素泵的研制已經(jīng)有50余年的歷史，它是一種治療糖尿病的高科技微型化電子產(chǎn)品，具有微量輸注、血糖控制穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展、電子產(chǎn)品的數(shù)字化和智能化的迅速提升以及電機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各種IC芯片不斷更新?lián)Q代，胰島素泵的體積越來越微型化，性能越來越優(yōu)，可靠性和穩(wěn)定性越來越好。但隨之而來的功耗問題越來越凸顯。本文主要介紹胰島素泵的一種低功耗策略—雙機(jī)休眠策略顯。

1 胰島素泵的功能

胰島素泵，作為每日多次注射胰島素的代替產(chǎn)品，具有很好的預(yù)測(cè)性和減少嚴(yán)重低血糖的危險(xiǎn)性。這也注定了它的功能十分的強(qiáng)大，具體功能如下：

（1）本胰島素泵可以每天連續(xù)24小時(shí)輸注胰島素，每4分鐘啟動(dòng)一次胰島素基礎(chǔ)輸注，輸注方式接近人體的胰島素分泌，并且能夠生成基礎(chǔ)率輸注曲線；

（2）在輸注方式上采用半自動(dòng)調(diào)節(jié)，即用戶設(shè)置好不同時(shí)間段的基礎(chǔ)量，使其自動(dòng)輸入，而每日餐前量或運(yùn)動(dòng)后根據(jù)具體時(shí)間進(jìn)行餐前量和運(yùn)動(dòng)后劑量的臨時(shí)設(shè)置；

（3）本泵提供四種輸注模式：基礎(chǔ)量、臨時(shí)基礎(chǔ)率、大劑量和臨時(shí)大劑量；

（4）全中文液晶顯示和菜單管理；

（5）帶有多種安全裝置，即使在最嚴(yán)重或極不尋常的情況下也能確保輸注安全；

（6）實(shí)時(shí)時(shí)間顯示，便于患者操作；

（7）設(shè)有報(bào)警提示；

（8）設(shè)有歷史信息的記錄和讀?。?/p>

（9）低功耗、便于攜帶、操作簡(jiǎn)單方便。

總的來說，胰島素泵較符合生理狀態(tài)、安全、可靠、方便、靈活，這些優(yōu)越的性能可有效地將血糖控制到接近正常水平，有效的延緩或者組織糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生和發(fā)展。胰島素泵一經(jīng)臨床應(yīng)用，受到越來越多醫(yī)護(hù)人員和糖尿病患者的偏愛，迅速成為糖尿病治療的未來趨勢(shì)。

2 胰島素泵的組成

本產(chǎn)品是采用以PIC單片機(jī)作為電子板的控制核心，配以相應(yīng)的外圍模塊共同構(gòu)成電子信息板。根據(jù)其功能的要求，它的硬件組成電路包括9個(gè)功能模塊，分別是中央處理模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、檢測(cè)模塊、時(shí)鐘模塊、外部存儲(chǔ)器模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊和鍵控模塊，其中，中央處理模塊是該產(chǎn)品的控制核心。其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

圖1 胰島素泵硬件結(jié)構(gòu)示意圖

本胰島素泵的中央處理模塊是由美國(guó)微芯公司（Microchip Technology Inc.）生產(chǎn)的PIC18LF6720（單片機(jī)1）和PIC16F883（單片機(jī)2）兩種類型的單片機(jī)構(gòu)成，二者采用通用同步/異步收發(fā)器USART模塊，設(shè)置為全雙工異通信方式。由上圖可知，單片機(jī)主要與顯示模塊、鍵控模塊、報(bào)警模塊、外部存儲(chǔ)器和時(shí)鐘模塊相連；單片機(jī)2主要與檢測(cè)模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相連；電源模塊同時(shí)為這兩款打片機(jī)供電。

3 胰島素泵雙機(jī)休眠策略

對(duì)于像胰島素泵這樣的便攜式產(chǎn)品來說，功耗問題已經(jīng)被提到與面積和速度同等重要的地位，功耗大可以直接導(dǎo)致諸多問題。這里重點(diǎn)介紹一種胰島素泵的低功耗設(shè)計(jì)策略—雙機(jī)休眠策略。

由胰島素泵的功能特點(diǎn)，可以知道，該產(chǎn)品的電機(jī)不應(yīng)該連續(xù)工作，而應(yīng)該斷續(xù)工作。因?yàn)橐葝u素泵是一種完全模擬人體胰島分泌胰島素的電子產(chǎn)品，人體大約每4分鐘分泌一次胰島素（這里稱作基礎(chǔ)率），這也就必然導(dǎo)致電機(jī)每4分鐘啟動(dòng)一次，然后制動(dòng)，再啟動(dòng)，如此往復(fù)。所以讓胰島素泵處于雙休眠的狀態(tài)下是非常節(jié)省功耗的，也是非常必要的。

基本思想：系統(tǒng)的低功耗實(shí)現(xiàn)，不僅僅是由硬件的設(shè)計(jì)來完成的，而是需要通過軟硬件聯(lián)合來完成的。在軟件的控制下，硬件能響應(yīng)軟件發(fā)出的各種功耗指令而管理硬件，系統(tǒng)的部分乃至整個(gè)系統(tǒng)處于工作、休眠或關(guān)機(jī)等狀態(tài)，從而達(dá)到降低功耗的目的[2]。對(duì)于胰島素泵來說，基礎(chǔ)率的輸注是每4分鐘一次，大劑量的輸注是1天3～4次左右，并且兩種輸注方式的輸注時(shí)間非常短。這時(shí)，只要在滿足胰島素泵可以正常工作的前提下，對(duì)于處于“空閑”狀態(tài)下的電路模塊或電路單元及時(shí)關(guān)閉，并對(duì)電路的各個(gè)路徑進(jìn)行補(bǔ)償，如相位的分配，管腳的交換等來進(jìn)一步降低功耗，當(dāng)被需要時(shí)，處于“空閑”狀態(tài)下的部分可以立即退出休眠。這樣一來，就可以達(dá)到降低功耗的目的。

具體策略如下：（1號(hào)板指PIC18LF6720，2號(hào)板指PIC16F883）

1號(hào)板控制時(shí)鐘芯片，進(jìn)行日期和分鐘顯示。同時(shí)時(shí)鐘每小時(shí)產(chǎn)生一次方波，1號(hào)板產(chǎn)生中斷退出休眠確定現(xiàn)在是小時(shí)整點(diǎn)。這時(shí)候把當(dāng)前一小時(shí)基礎(chǔ)量傳輸給2號(hào)板。當(dāng)有按鍵的時(shí)候1號(hào)板退出休眠。由于2號(hào)板待機(jī)時(shí)休眠，1號(hào)板向2號(hào)板通訊時(shí)，首先給2號(hào)板一個(gè)方波，2號(hào)板產(chǎn)生中斷退出休眠，接收1號(hào)板的指令，然后如果沒有工作指令的時(shí)候再次進(jìn)入休眠。

2號(hào)板在待機(jī)情況下進(jìn)入休眠，時(shí)鐘芯片每秒鐘產(chǎn)生一次方波，2號(hào)板產(chǎn)生中斷退出休眠，當(dāng)沒有電機(jī)工作時(shí)再次進(jìn)入休眠，當(dāng)電機(jī)工作時(shí)不進(jìn)入休眠。當(dāng)2號(hào)板工作時(shí)由于這時(shí)候1號(hào)板在沒有按鍵的時(shí)候進(jìn)入休眠狀態(tài)，2號(hào)板向1號(hào)板通訊時(shí)，首先產(chǎn)生一個(gè)方波，1號(hào)板這時(shí)候退出休眠產(chǎn)生中斷，接收2號(hào)板的指令，然后接著進(jìn)入休眠。無按鍵時(shí)，1、2號(hào)板進(jìn)入休眠，當(dāng)有按鍵時(shí)同時(shí)退出休眠。

把可調(diào)電源TXN-1502D調(diào)到1.5V，電流表C655連接在電源負(fù)極與板子負(fù)極之間。本實(shí)驗(yàn)沒有加壓力負(fù)載。具體測(cè)量的數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 胰島素泵雙機(jī)休眠測(cè)量數(shù)據(jù)

由以上數(shù)據(jù)可知，在電機(jī)不工作的情況下，當(dāng)1號(hào)板、2號(hào)板、3號(hào)板都工作時(shí)，總電流達(dá)到14mA，而當(dāng)1號(hào)板、2號(hào)板、3號(hào)板都處于休眠狀態(tài)時(shí)，總電流只有3mA，可以節(jié)省11mA的電流；當(dāng)1號(hào)板、3號(hào)板工作，2號(hào)板休眠時(shí)，總電流為5.2mA，可以節(jié)省8.6mA的電流，如果這時(shí)有按鍵按下時(shí)，總電流達(dá)到約5.4mA，可以節(jié)省8.4mA的電流。在電機(jī)在無壓力負(fù)載下工作時(shí)，單板工作的總電流為40mA，而雙板工作的總電流為48mA，這時(shí)可以節(jié)省8mA的電流。

由上表雙機(jī)休眠測(cè)量的數(shù)據(jù)，可以得到結(jié)論：睡眠模式是一種可以用來降低功耗的可選方式。整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作處于被監(jiān)控的狀態(tài)，如果系統(tǒng)或者電路在某段預(yù)設(shè)的時(shí)間段內(nèi)處于空閑狀態(tài)，那么在滿足胰島素泵正常工作的前提下，整個(gè)系統(tǒng)或者電路將自動(dòng)關(guān)閉。但是其輸入端還是處于相應(yīng)狀態(tài)，一旦有任何輸入信號(hào)被處發(fā)，整個(gè)系統(tǒng)或者電路將重新激活，回到正常的工作狀態(tài)，這樣可以降低相應(yīng)的功耗。由于胰島素泵是一種需處于睡眠狀態(tài)時(shí)間很長(zhǎng)的器件，所以這種模式非常的適合于胰島素泵。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于這種便攜式的電子產(chǎn)品來說，人們不僅要求器件的穩(wěn)定性和高精度，而且已慢慢把目光轉(zhuǎn)向產(chǎn)品的功耗，系統(tǒng)的規(guī)劃及一些細(xì)節(jié)問題的掌控將直接影響系統(tǒng)的最終功耗，而睡眠模式是一種可以有效降低功耗的可選方式。在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，如果我們能夠注意并做到這一點(diǎn)，那么我們的產(chǎn)品獎(jiǎng)更具有競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

[1]易衛(wèi)軍.胰島素泵的研制和進(jìn)展.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2004.（7）：29—31.

[2]郭銘銘.低功耗CMOS集成電路設(shè)計(jì)方法的研究.合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007（12）：7

[3]徐芝蘭，楊蓮興.CMOS集成電路低功耗設(shè)計(jì)方法.微電子學(xué)，2004（6）：226