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创建一个集成且不显眼的糖尿病管理系统

2020-02-21 安森美半导体无线及医疗分部信号处理业务营销Steven Dean 阅读:
创建一个集成且不显眼的糖尿病管理系统
由于这些仪器通常在皮下测量间质液,直到最近,还需要定期校准血液,即需要老派的戳手指。然而,随着技术的进步,一些CGM现在无需对全血进行校准。

世界卫生组织(WHO)指出,全球有4亿多人患有糖尿病,自1980年以来,糖尿病人数几乎翻了两番。在这些数字的背后,真正的悲剧是糖尿病可能导致严重的健康并发症,如失明、中风、下肢麻木和截肢、心脏病发作甚至死亡。AFhednc

测量和监测是对1型糖尿病和2型糖尿病有效管理的关键。典型的和传统的测量技术都需要使用血糖仪(BGM)。市场为1型和2型糖尿病患者提供的另一种技术选择是连续血糖仪(CGMS)。连续测量的优点很多,比如使人们更多地了解人体,以及血糖如何在一段时间内随着进行各种日常活动(如体力活动、饮食甚至睡眠)而不断变化。随着持续而非离散地更多地了解人体的行为,可进行相应的治疗和改善。AFhednc

由于这些仪器通常在皮下测量间质液,直到最近,还需要定期校准血液,即需要老派的戳手指。然而,随着技术的进步,一些CGM现在无需对全血进行校准。AFhednc

连续血糖监测系统的微电子性质通常是相同的,仅有少数关键的例外。而且,这些设备通常是穿戴式的,因此尺寸问题意味着需要更高的集成度和有效的电源管理,以提高所用半导体器件的最佳能效水平。AFhednc

除了测量和监测之外,用于胰岛素输送的技术也在推进,闭环系统将连续监测与通过所谓的人工胰腺输送胰岛素相结合。这为数以百万计的糖尿病患者带来了更好、更方便的医疗保健以及更乐观的长期前景。AFhednc

测量血糖水平

传统的BGM可以在药房或任何药店连锁店购买。使用附带的刺血针装置(非常小的细针)刺破手指,流出一小滴血,把这滴血接触插入血糖仪的试纸条。AFhednc

当血液样本与试纸条发生化学反应时,通常会向血液样本施加一些AC或DC激励电压或电流。结果由数据转换器读取。短暂等待微控制器完成计算后,最终的血糖水平将在屏幕上显示。AFhednc

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图1.简化的血糖仪(BGM)框图AFhednc

更先进的血糖仪含蓝牙低功耗联接功能,用于将这些离散的血糖结果传输到智能手机,智能手机通常运行支持云联接的应用程序。结果被存储,并且家庭成员或护理人员可以立即查看或用于以后查看,以改善治疗效果。AFhednc

连续血糖测量

现在,连续血糖仪(CGM)的系统架构通常将模/数(A/D)和数/模(D/A)以及输入、输出功能集成到单片硅中,通常是定制专用集成电路(ASIC)模拟前端(AFE)或专用标准产品(ASSP)。在一个小的晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)中结合1个蓝牙低功耗(BLE)和微控制单元(MCU),如RSL10,对用户而言,这有助于解决挑战,使长期穿戴的设备变得尽可能不显眼和实用。AFhednc

除了电路之外,另一个影响尺寸的主要因素是所需的电池。例如,在手持式BGM中,通常使用一个或两个AA、AAA或AAAA电池。这些对于CGM而言太重且太大,因此,电池的尺寸和化学性质通常决定了纽扣电池的外形尺寸。为了切实可用,必须审慎管理系统电源。峰值电流和总电流必须最小化,因为从纽扣电池获得的最大电流远低于AA电池可提供的最大电流。另一个考虑因素是放电曲线。例如,如果使用氧化银化学电池,它们通常会产生最大1.55V的电压,使用寿命降至1.2V。如果使用二氧化锰化学电池,则额定电压为1.5V,使用寿命降至1.0V。AFhednc

胰岛素输送:注射器

胰岛素以往是在需要时使用临床级注射器和针头自行注射,就像在医生办公室接受注射一样。现在有很多种胰岛素已经上市销售。快速、短、中、长效类型的胰岛素可以单独注射或根据需要混合使用。AFhednc

最近,皮下注射的替代品已经进入市场。一种替代方法是喷射式注射器,其以细流将胰岛素输送并进入皮肤。另一种是注射器笔,它通过一根超细针头更自动地分配胰岛素。便利性和舒适性大大提高,同时还能减少注射恐惧感。AFhednc

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图2.智能注射器笔图AFhednc

这些替代设备实际上更趋于机电化和“智能”,就像传统的血糖仪一样。笔的设计采用微控制器和蓝牙低功耗无线电,目的是捕捉和报告离散的注射时间、注射量等等。AFhednc

胰岛素输送:泵

胰岛素泵可精确控制1型和某些2型糖尿病患者的胰岛素输送,但更常见的应用是针对1型糖尿病患者。这些泵是方案的关键部分,最终在“闭环”系统即人造胰腺中发挥作用。连续测量血糖,采用胰岛素泵接收这数据的系统,再加上适当的输送控制和算法,创建出人造胰腺,这是糖尿病管理的圣杯。AFhednc

使用CGM代替多次刺手指,这是一种利用连续数据而不是几个离散数据点的更好的测量方法。同样,能消除一整天低血糖和高血糖是一种改进。所谓的人造胰腺意味着患者不再需要担心夜间低血糖、睡眠期间低血糖水平或测量、注射的频率。这可以极大地改善他们的健康、生活质量,还可能延长寿命。AFhednc

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图3.简化的胰岛素泵系统图AFhednc

可以想象,采用自动输送胰岛素需要系统的安全性、可靠性和准确性,所以设备制造商对技术、系统和元器件供应商的选择至关重要。AFhednc

构建人造胰腺

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图4.人造胰腺图AFhednc

虽然人造胰腺都是被戴在身上或附着在使用者的皮带上,但是它们的物理设计有很大不同,所示架构描述了最常见方案利用高度集成的定制ASIC,含所有模拟前端(AFE)模块、电源管理、MCU或控制模块以及一个集成的蓝牙低功耗无线电以帮助通信。所有系统都包括某种类型的胰岛素储存器,提供适当驱动器机制的泵或致动器系统,通过皮下针头输送胰岛素的导管或套管系统,以及各种类型的传感器(运动、压力、温度、血糖)。离散或未联接的测量系统的主要区别在于连续和闭环反馈。AFhednc

除了血糖传感器以外,还可以使用几种传感器如用于人体穿戴设备的低重力加速度计和温度传感器来监测活动水平,以改进剂量算法。这些传感器持续提供有关身体运动和外部环境的信息,同时还提供有关血糖水平的连续信息。人工智能(AI)可用来预估所需的近期和中期胰岛素治疗。AFhednc

大多数系统使用蓝牙低功耗与联接到云的智能手机进行通信。但是,有些人使用无外设的随身携带的Pod与单独的控制系统或有时称为“个人设备管理器”(PDM)的系统进行通信。在这些情况下,PDM用于用户交互,并可用作开环(非闭环)控制系统。PDM也是通常通过Wi-Fi或LTE提供云联接的功能。AFhednc

通过云联接,护理人员可收到通知和关联。此外,通过云计算,可从大数据分析和人口管理获得更多的功能。AFhednc

在某些情况下,除了IC集成以外,甚至无源器件也与高度集成的半导体ASIC集成在先进的3D混合模块中。这是尺寸、重量和性能优势的真正体现。AFhednc

蓝牙低功耗无线电选择

回到对纽扣电池运行和低功耗工作的需求,诸如安森美半导体的RSL10蓝牙®5认证的无线电系统单芯片(SoC)之类的器件可提供适当的选择方案,实现与人造胰腺方案的通信。RSL10经嵌入式微处理器基准协会(EEMBC)验证,能够提供业界最低的功耗,且最近获得了用于植体/生命攸关的医疗应用的认证。它特别适用于超低功耗电池供电的设备。它使用Arm®Cortex®-M3处理器和安森美半导体的LPDSP32数字信号处理器来提供所需的强固性以支持复杂设计。板载384KB闪存和160KB RAM为用户提供灵活的编程选项。RSL10还为蓝牙低功耗协议栈提供机会,并具有开发固件空中升级(FOTA)应用程序的能力。AFhednc

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图5.RSL10系统框图AFhednc

RSL10的一个鲜为人知的好处是,安森美半导体的蓝牙低功耗知识产权(IP)可重用于超低功耗的定制ASIC,从而满足涵盖各种传感器和传感器接口的需求。由于测量系统和胰岛素输送系统中独特的数/模(D/A)和模/数(A/D)转换很常见,因此几乎总是需要定制。例如,在胰岛素输送系统中,可能仅需要蓝牙低功耗传输,从而减少了基带RF和控制器成本。许多应用都是大体积或可能是一次性的,因此基于硅尽可能高能效以节省成本和尺寸是关键。AFhednc

糖尿病分类

糖尿病有两种主要分类:1型糖尿病和2型糖尿病。1型糖尿病是由于人类免疫系统无法在胰腺中产生足够的胰岛素而导致,可通过父母遗传。产生胰岛素不足的患者通常需要注射胰岛素才能生存。2型糖尿病是其他因素导致的,例如肥胖、活动/锻炼水平低、胆固醇和血压高。2型糖尿病是由于人体无法适当使用天然产生的胰岛素而导致。AFhednc

关于作者AFhednc

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Steven Dean在半导体和医疗设备领域拥有超过25年的经验,目前主管安森美半导体医疗和无线分部业务营销。曾出任美敦力(Medtronic Corporation)业务拓展总监、德州仪器(Texas Instruments)营销总监以及飞思卡尔半导体(Freescale Semiconductor)区域营销总监。AFhednc

Steven拥有普渡大学(Purdue University)电气工程学位及商业研究生学位。Steve闲暇时与妻子Kathy和现在的三个成年子女一起在热带航海、酿造啤酒和摆弄他的古典车。AFhednc

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