作品名稱：基于微針陣列的胰島素泵設計
學校名稱：山東理工大學
參賽隊伍：機械先鋒隊
隊伍編號：207185
參賽學生：陳鵬元
指導老師：劉學磊
投票日期：2024年10月08日 00:00->2024年12月05日 15:00
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開發背景：
2021年12月28日，十部門聯合印發《“十四五”醫療裝備產業發展規劃》，目標是到2025年產業基礎和產業鏈水平提高，主流裝備有效供給，高端裝備性能質量提升，形成全面支撐能力。當前醫療裝備產業發展熱點為智能化、可調化、持續性治療等，國內外在此領域齊頭并進。實現醫療裝備智能化治療與持續性檢測是掌握先進技術關鍵。
隨著我國GDP的不斷上升，我國糖尿病患者規模不斷增加。胰島素泵治療相比其他糖尿病治療方式具有模擬生理性分泌模式更精準、調整更靈活、減少注射痛苦與不便以及提高患者生活質量和依從性等優勢。目前胰島素泵發展存在價格高、操作維護有要求、輸注模式單一、有技術故障風險、耗材成本高及產品更新快致資源浪費等諸多問題，如圖1所示。因此，研發生產成本較低、輸注模式可選、便于長時間佩戴的胰島素泵迫在眉睫。
圖1 現階段采用的胰島素泵
基于《醫療裝備產業發展規劃》，為解決上述痛點問題，本項目將開展“壓電式胰島素泵設計優化”研究，設計出一款集輸注精準、佩戴方便、多種輸注模式可選等特點于一體，能夠適應不同年齡段糖尿病患者的胰島素泵。本項目將極大程度上減少糖尿病患者在生活上的負擔。本項目將推動醫療技術進步，為健康事業發展助力，創造更好的醫療環境。
結構說明:
1.硬件設計方面
以8個模塊為基礎構建胰島素泵硬件系統，以51單片機作為中央處理模塊連接其他模塊。分別對各模塊進行研究和設計，包括鍵控模塊、時鐘模塊、電源模塊等，通過Proteus對各模塊設計進行模擬仿真，完成硬件電路系統設計。
圖2 胰島素泵硬件結構設計圖
2.機械結構方面
采用雙腔串聯壓電泵作為胰島素泵藥劑輸注的核心零部件，它相比其他結構更簡單且容易加工，能滿足輸出壓力和精度要求。
圖3 壓電泵結構圖
3.軟件設計方面
通過程序控制各個子模塊，采用Keil4軟件編寫程序，使用C語言代碼對各子模塊進行編程，并將程序導入到51單片機中。使各子模塊在運行時互不干擾且以單片機為中心互相配合，實現胰島素泵的各種功能。
圖4 主程序流程圖
功能與使用說明：
1.開機前準備
檢查胰島素泵各部件是否連接完好，包括電源、輸液管、微針陣列等。確保藥倉內有足夠的胰島素藥液。
2.開機與初始化
打開電源開關，胰島素泵啟動。AT89C51單片機首先向時間芯片發送取時間信號，時間芯片接收到取指令后，向單片機發送當前的時間信息，單片機接收到時間芯片發送的時間信息后，將讀到信息反饋給顯示器，并在顯示器上將月日、時分秒顯現出來。同時，單片機啟動對壓電驅動模塊的控制程序，使壓電驅動模塊進入基礎量輸注模式，以基礎量進行胰島素的輸注。
3.模式選擇與調整
a.基礎量輸注模式：此模式為默認模式，胰島素泵會按照預先設定值自動釋放微量胰島素，以控制人體血糖濃度值在一個穩定的范圍內。用戶可根據自身需求，通過“數據加鍵”和“數據減鍵”對基礎量輸注模式的參數進行調整，但需在醫生的指導下進行。
b.餐前大劑量輸注模式：當患者需要就餐時，在胰島素泵的按鍵功能區按下“模式選擇鍵”，將輸注量切換到大劑量模式。用戶可根據食物量的多少，通過“數據加鍵”和“數據減鍵”調整胰島素輸注量。一般建議在用餐前約半小時開始輸注。
c.臨時用量輸注模式：在遇到如額外進食、感冒、喝酒、體育健身、去旅游或出差培訓等突發情況時，用戶可在專家的建議下，通過時間移位鍵和數據加減鍵來設定鬧鐘，以此進入臨時用量輸注模式。在此模式下，胰島素泵所有的輸注模式將被取消，直到臨時用量輸注模式結束后，胰島素泵才能恢復到基礎量輸注模式或大劑量輸注模式。
4.時間設置與鬧鐘功能
通過“時間移位鍵”可對時、分、秒調整進行選擇，用于設置鬧鐘。在餐前大劑量輸注模式或臨時用量輸注模式下，當工作時間達到患者預先設定好的時間時，蜂鳴器就會報警，二極管發亮，提醒患者切換模式。
5.藥量和電量檢測及報警
胰島素泵在運行過程中，藥量電量檢測模塊會實時監測藥倉內的藥量和電池電量。當藥量逐漸減小到20%或以下時，或者電池電量不足（如電壓逐漸減小到20%或以下時），報警模塊中的蜂鳴器和二極管開始工作，提醒用戶更換藥劑或電池。
6.關機
在不需要使用胰島素泵時，關閉電源開關即可。
