Mikrodenetleyici Kontrollü İnsülin Pompası Tasarımı ve
Transkript
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.