Mikrodenetleyici Kontrollü İnsülin Pompası Tasarımı ve

Mikrodenetleyici Kontrollü İnsülin Pompası Tasarımı ve Gerçekleştirilmesi
Design and Realization of a Microcontroller based Insulin Pump
Hakan Bozkurt, Büşra Kahraman ve A.Ümit Keskin
Biyomedikal Mühendisliği Bölümü, Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi
Yeditepe Üniversitesi
{hakan.bozkurt, auk}@yeditepe.edu.tr
Özetçe
Diyabet hastaları, kanlarındaki şeker oranlarını normal
değere yakın tutmayı sağlamak için, vücutlarına insülin
kalemleri ile belirli zaman aralıklarında insülin enjekte
etmektedirler. Bu durum, sürekli olarak insülin alması
gereken, özellikle tip 1 teşhisi konmuş diyabet hastaları için
çok büyük bir zorluktur. Bu çalışmada, insülin kalemlerine
alternatif olarak mikrodenetleyici kontrollü akıllı bir cihaz
geliştirilmiştir. Hasta bu geliştirilen cihazı kullanarak enjekte
etmesi gereken insülin dozunu, kolay ve otomatik olarak
enjekte edebilmektedir.
Abstract
People with diabetes are needed to inject insulin to their body
within specific time intervals in order to keep their blood
sugar rates close to the normal rate. It is vital for patients
diagnosed with type 1 diabetics to have insulin injection on
regular basis. Although this can be handled using insulin
pens, this procedure may sometimes be difficult requiring
some automation. To overcome these shortcomings, an
intelligent and microprocessor controlled device has been
developed. Using the device developed, a patient can easily
set the insulin dose that will be injected automatically.
1. Giriş
Tip 1 DM ( Diabetes Mellitus ), çocukluk yaş grubunda sık
görülen T-hücrelerinin aracılık ettiği insülin üretiminde görev
alan pankreasın beta hücrelerinin süregelen otoimmun veya
otoimmun dışı nedenlerle hesaplanması sonucu gelişen
insülopeni ve hiperglisemi ile karakterize kronik metabolik bir
hastalıktır [1]. Tip 1 diyabet hastaları için henüz pratik bir
kesin tedavi yöntemi yoktur [2].
Tip 1 tedavisinde bugünkü temel amaçlar, normale yakın
kan glukoz değerlerini sağlamak, ağır hipoglisemileri
minumuma indirmek, kilo artışını önlemek, yaşam kalitesini
artırmak, diyabete bağlı gelişebilecek olası vaskuler
komplikasyonları önlemek veya geciktirmektir.
İnsülin pompası, tıpkı insülin enjeksiyonlarında olduğu
gibi vücudumuza insülin uygulamak için kullanılan bir
yöntemdir. İnsülin pompasının en önemli avantajı insülin
uygulamasının vücuttaki insülin salınımına neredeyse tıpatıp
uyacak biçimde gerçekleştirilebilmesidir. Pompa ile insülin
uygulaması yalnız kan şekeri düzeylerini normal sınırlara
getirmek için çok iyi ve başarılı bir yöntem sunmakla kalmaz
aynı zamanda diyabetliye özgür bir yaşam sağlar
Çoklu doz subkutan (SC) insülin enjeksiyon tedavisinin
farmokokinetik değişkenliği, optimal kan glukoz düzeyi
sağlanmasına engel olur. İnsülin infüzyon pompa uygulaması
ile sürekli SC insülin infüzyonu sağlanarak, enjeksiyondan
enjeksiyona gözlenen kan glukoz değerlerindeki değişkenliğin
minumuma indirilmesine ve çoklu doz insülin enjeksiyon
tedavisine göre daha fizyolojik insülin salınımı sağlar .
İnsülin replasmanın ikinci bileşeni bireyin bazal insülin
gereksinimidir. İnsülinin prandiyal sıçramasına ek olarak,
normal metabolik fonksiyonları sürdürülmesi ve diyabetik
ketoasidozun önlenebilmesi için 24 saat boyunca sabit bir
bazal insülin düzeyi de gereklidir. Bu nedenle insülin infüzyon
pompa tedavisindeki temel amaçlardan biriside pankreasın
normal işlevini mümkün olduğunca en yakın biçimde taklit
ederek, hastalara 24 saat boyunca bazal insülin düzeyleri
sağlamaktır [3].
Pompa ile ciltaltı pulsatil bazal insülin infüzyonu daha az
insülin dozları ile daha iyi glisemik kontrol oluşturmaktadır.
Çoklu injeksiyon tedavisinde sık hipoglisemik atağı veya
dawn fenomeni olan diyabetlilerde pompa tedavisi bu
problemleri en az orana indirebilmektedir. Yine kilo artışı
açısından pompa tedavisi avantaj oluşturmaktadır [4,5].
Gebelik planlanan tip 1 diyabetli kadınlarda pompa tedavisi
bugün en iyi yöntem olarak kabul edilmektedir [6].
Bu çalışmada diyabet hastalarının vücutlarına gerekli olan
insülini günün çeşitli zaman dilimlerinde yada öğünlerden
sonra otomatik olarak vücuda verilmesini sağlayan bir insülin
pompası sistemi tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir.
2. Geliştirilen Sistem Donanımı
Tasarlanan insulin pompası içerisinde insülin bulunan şırınga,
şırıngayı ilerletme işlevini gerçekleştiren itici parça, dönen
vida ve adım motordan oluşmaktadır (Bakınız Şekil 1).
Tasarlanan pompanın blok şeması ise Şekil 2’de verilmiştir.
Bu blok şemada da görüldüğü gibi, sistem donanımsal olarak
farklı görevleri bulunan 4 ana kısımdan oluşmaktadır.
Şekil 1: Mikrodenetleyici kontrollü insülin pompası şırınga
düzeneği
2.1. Tuş takımı
Bu kısımda 4 adet tuş mikrodenetleyicinin portlarına
bağlanmıştır. Mikrodenetleyici bağımsız olarak her butondan
gelecek basma bilgisini kontrol eder. Bu tuşlar ; Yukarı, aşağı,
seçim ve geri olarak adlandırılmıştır. Ekranda gösterilen
seçenekler üzerinde hareket etmek veya girilecek değerleri
azaltıp veya artırmak için yukarı veya aşağı tuşu kullanılır.
Herhangi bir menünün alt seçeneğine erişmek için seçim
butonunu kullanarak o menüye erişim sağlanır. Bir üst menüye
erişmek için ise geri tuşu kullanılmaktadır. Bu tuşlar sayesinde
hasta, kolay ve hassas bir şekilde gerekli olan insülini enjekte
eder.
2.2. Mikrodenetleyici
Bu çalışmada 20 MHz saat frekansında çalışan MicroChip
firmasının 16F877 mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. Bu
seçimin nedeni bu mikrodenetleyicinin kullanım kolaylığı ve
maliyetinin oldukça az olmasıdır. Tuş takımından gelen
bilgiler neticesinde mikrodenetleyicinin dijital portlarına bağlı
olan likit kristal gösterge ve adım motor sürücü kontrol
edilmektedir.
2.3. Adım Motor Sürücü ve Adım Motor
basitleştirilmiş akış şeması görülmektedir. Bu akış şeması
birkaç maddeyle açıklanabilir.
1) İlk olarak mikrodenetleyicinin çalışabilmesi için gerekli
olan ayarlar yapılır.
2) Likit kristal ekranda hastanın cihaz üzerinde seçim
yapabileceği enjekte et, hafıza, hava boşaltma ve otomatik
kullanım menü listesi gösterilir ve hasta bu seçeneklerden
birisini seçtiği anda yazılım o başlığa dallanır.
3) Enjekte et seçeneğinde, hasta günün herhangi bir zaman
diliminde vücuduna enjekte etmek istediği insülin
miktarını tuş takımı ile belirler. Bu belirlenen değerdeki
insülini cihaz vücuda otomatik olarak enjekte eder.
4) Hafıza seçeneğinde, en son ayarlanan doz miktarı likit
kristal ekranda görüntülenmektedir.
5) Hava boşaltma seçeneğinde, insülin hasta tarafından
tüketilir yerine yeni insülin şırıngası takılır. Bu takılma
işleminden sonra vücut ile pompa arasında bulunan
hortumdaki havayı hasta cihaz üzerinden boşaltır.
Darlington transistor yapısına sahip ULN2803 entegresi adım
motor sürücüsü olarak kullanılmıştır. Şırınga hareketinin
kontrol etmek maksadıyla kullanılan adım motor 1.8° lik adım
açısına sahiptir ve +5V DC gerilim ile çalışmaktadır.
6) Otomatik kullanım seçeneğinde hasta gün içerisinde
menüde gösterilen sabah, öğle ve akşam öğünlerinde, daha
önceden kayıt etmiş olduğu miktarda insülini otomatik
olarak vücuda verilmesini sağlayabilir. Hasta isterse, bu
menü altında her bir öğünün miktarını güncelleyebilir.
2.4. Likit Kristal Gösterge
3.1. Pompalanacak İnsülin Miktarının Hesaplanması
2x16 karakter likit kristal gösterge hastanın cihaz ile ilgili
fonksiyonlara veya doz miktarının girişlerini görebilmesini
sağlamak için kullanılmıştır. Tuş takımı üzerinden girilen veya
seçilen bilgiler ekranda gösterilerek cihazın kontrolü sağlanır.
Mikrodenetleyici üzerinden kontrol edilen adım motor,
hastanın tuş takımı sayesinde girmiş olduğu bilgiler ile dönme
hareketi gerçekleştirir. Bu sayede motora bağlı olan vida da
motor ile birlikte birebir olarak hareket eder. Hareket eden
vida, itici parça üzerinden şırıngayı hareket ettirir. Böylece,
adım motorun dönmesi kontrol edilerek, vücuda enjekte edilen
insülin miktarı belirlenir. Kullanılan şırınganın kesit alanı,
(1)
Sistemde kullanılan vidanın bir adımlık ilerleme mesafesi
0.7 mm’dir. Tam bir vida adımının şırıngada ilerlettiği insülin
miktarının hacmi, aşağıdaki formüller hesaplanmaktadır:
(2)
Şekil 2: Mikrodenetleyici kontrollü insülin pompası blok
şeması
Kullanılan 2ml’ lik şırınga içerisinde 200U’lik insülin
bulunmaktadır. Hasta, insülin miktarını belirlerken, 0.1U’lik
artış veya azalış meydana getirebilmektedir. 0.1U’lik insülin
pompalanması için, ’lik bir dönme hareketi gerekmektedir.
Bu projede kullanılan adım motorun bir adım açısı
olduğundan dolayı 0.1U’luk bir insülin pompalamak için
gereken adım dönüş sayısı aşağıdaki formülle hesaplanmıştır:
(3)
3. Geliştirilen Sistem Yazılımı
İnsülin pompası cihazının içerisindeki mikrodenetleyici
yazılımı, Proton BASIC programı kullanılarak hazırlanmış ve
PICkit 2 Programlayıcısı kullanılarak, mikrodenetleyicinin
içerisine aktarılmıştır. Şekil 3’de mikrodenetleyici yazılımının
Hastanın tuş takımı ile seçmiş olduğu belirli bir insülin miktarı
(M) için gereken motorun dönüş adım sayısını (T) aşağıdaki
förmül yardımıyla hesaplanmaktadır:
(4)
Başla
Ekranda Menü Göster
Menüden
Seçim
“1-Enjekte Et”
“2-Hafıza”
“3-Hava Boşaltma”
“4-Otomatik Kullanım”
Enjekte Edilecek
Miktarı Belirle
Son İnsülin Miktarını
Görüntüle
Hortumdaki Havanın
Alınması.
İnsülin Miktarını Güncelle
Sabah, Öğle, Akşam
Belirlenen Miktarda
İnsülini Pompala
İşlem Bitti
Seçilen Öğüne Göre İnsülin
Miktarını Enjekte Et
Enjekte Edildi
Enjekte Edildi
Şekil 3: Mikrodenetleyici kontrollü insülin pompası basitleştirilmiş blok şeması
4. Sonuçlar
Çoklu injeksiyon tedavisi, diyabetli hastalara günlük
yaşamlarında büyük zorluklar çıkarmakta ve yaşam kalitesini
düşürmektedir. Bu nedenle, özellikle tip 1 diyabetlilerde en iyi
tedavi yöntemi olarak insülin pompası tedavisi kabul
edilmektedir. İnsülin pompası sistemi sayesinde insülin, cihaz
tarafından
hastanın
vücuduna
otomatik
olarak
verilebilmektedir.
Diyabet hastalarının günlük olarak vücutlarına enjekte
ettikleri insülin miktarlarının takibi, hastanın şeker düzeyinin
normal değerlerde tutulması açısından oldukça mühimdir. Bu
nedenle, gelecekte yapacağımız geliştirme çalışmalarında
hastanın aldığı insülin miktarını, bir elektronik bilgi
depolayıcısı üzerine kayıt etmek ve bu bilgileri internet
üzerinden hastanın doktoruna dijital veri olarak iletebilmesi
planlanmaktadır.
5. Kaynakça
[1] Abacı: Tip 1 Diyabetli Adolesanlarda İnsülin İnfüzyon
Pompa Uygulamasının Klinik ve Metabolik Parametreler
Üzerine Etkisi,Uzmanlık Tezi, İzmir, 2007.
[2] http://tr.wikipedia.org/wiki/Diabetes_mellitus#Tip_1_diy
abet_i.C3.A7in_kesin_tedavi, Son erişim : Temmuz 2011
[3] N. Kandemir, Z.A. Özön, E.N. Gönç. İnsülin Pompası
Tedavi Klavuzu, Ankara, 2006.
[4] E. Tuncel. Sürekli Ciltaltı İnsülin İnfüzyon Tedavisi,
9.Ulusal İç Hastalıkları Kongresi, Antalya, Eylül 2007.
[5] Tuncel E, İmamoğlu, Ali R, Ozkalemkaş F, Erturk E,
Arınık A: Comparison of Metabolic Effects of
Continuous Subcutaneous İnsulin İnfusion Treatment
With Conventional İnsulin Treatment in Type I diabetes
Mellitus. Turkish Journal of Endocrinology, 1997, 1:1823.
[6] Pickup J, Keen H. Continuous subcutaneous insulin
infusion at 25 years: evidance base. For the expanding
use of insulin pump therapy in type 1 diabetes. Diabetes
Care.2002 25(3):593-8.