胰岛素泵给药精度及安全性研究

摘要

糖尿病是威胁人类健康的三大疾病之一，患者数量接近人口总数的10％，胰岛素泵给药是当前最有效的I型糖尿病治疗方案，且胰岛素泵是病人痛苦程度最低的精确给药装置。不过，该类装置主要被国外产品垄断。所以，开发一种高精度、高安全的自主知识产权胰岛素泵具有十分重要的社会意义与经济价值。本课题旨在设计一种胰岛素泵，并重点研究其给药精度及系统安全性提升方法。
　　首先，根据糖尿病特点分析了给药精度需求，确定了胰岛素泵的设计目标参数，并提出“柱塞式”的胰岛素泵总体方案。根据目标参数明确了电机及机械传动机构具体参数。建立了胰岛素泵机电传动系统的数学模型，通过对数学模型的分析，得到影响给药精度的因素。为保证胰岛素泵给药的精确性，建立系统 PID控制模型，利用4:1临界比例法确定 PID控制器参数，最终达到控制给药精度的目的。通过SIMULINK仿真验证了系统模型参数设计的正确性。
　　在系统安全性方面，首先对影响胰岛素泵安全性的因素进行分析，提出了提升系统安全性的软硬件设计方案，而后进行了详细的设计。面向硬件系统的安全设计主要包括：温度检测模块、压力检测模块、过流检测模块等传感器模块的硬件电路设计；面向软件系统安全设计包括软件在编程上、算法上的安全保护措施，及结合硬件对异常情况处理等。
　　最后，搭建胰岛素泵样机实验平台，进行给药精度及系统安全性实验。给药精度实验主要包含：给定线数与实际线数实验、码盘线数与实际给药量关系实验以及系统控制器参数验证及给药精度实验。通过该实验，验证了系统控制器设计的有效性、给药精度满足设计指标；系统安全性实验包括：输注压力安全实验、人为误操作安全保护实验以及传感器状态实验，该实验证明了面向系统安全性的硬件与软件设计的正确性与有效性。

目录

胰岛素泵给药精度及安全性研究

RESEARCH ON DOSING PRECISION AND SECURITY OF INSULIN PUMP

摘要

Abstract

绪论

课题研究背景及意义

胰岛素泵的国内外研究现状

精确给药方法国内外研究现状

机械传动机构应用于精确给药的研究

MEMS技术应用于精确给药的研究

医疗装备安全性的国内外研究现状

软件质量工程应用于医疗装备安全性研究

提高胰岛素泵系统安全方法研究

本文的主要研究内容

胰岛素泵精确给药技术研究

胰岛素泵给药精度需求分析

血糖变化与胰岛素分泌关系分析

胰岛素泵技术特点及设计要求

胰岛素泵给药机构总体设计

胰岛素泵给药方案分析

胰岛素泵给药精度系统数学模型

影响胰岛素泵给药精度因素分析

胰岛素泵给药精度系统控制器设计

系统速度环控制器设计

系统位置环控制器设计

系统控制器抗负载能力验证及精度分析

本章小结

胰岛素泵安全性研究

胰岛素泵安全性影响因素及方案设计

面向安全性的硬件系统设计

温度检测模块

按键消抖模块

压力检测模块

电机电流检测模块

传动装置夊位检测模块

电量检测及稳压电路模块

报警模块

面向安全性的软件系统设计

软件系统安全性设计思想

软件系统主流程设计

码盘检测软件设计

剩余药量检测设计

本章小结

胰岛素泵整机测试及实验研究

实验系统平台搭建

胰岛素泵给药精度实验

码盘给定线数与实际反馈线数实验

码盘反馈线数与实际给药量关系实验

系统控制器参数验证及给药精度实验

胰岛素泵安全性实验

输注压力安全性实验

人为误操作安全性保护实验

传感器状态安全性检测实验

本章小结

结论

参考文献

附录

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致谢