单片机推动家用给药应用的发展

作者：Microchip Technology Inc. 医疗产品部高级经理 Steve Kennelly

几乎每个人都有吃药或打针的时候。吃药和打针是向身体给药的两种最常用方法。还有一些方法不是很常用，比如吸入法和透皮给药。除了同为给药技术外，这些方法还有一些共同之处，那就是都可以应用单片机（MCU）。

除吞咽药片外，其他给药方法的成功取决于给药实施者的给药技术。这在注射药物时可能体现得最为明显。给药者需要手执针管，将适量的药剂抽入针筒，将针头插入皮肤下适当的深度，恰当地注射药物并最终处理用过的针头和针管，所有这些工作都要求给药者清楚自己在做什么。然而，这些工作也可以自动完成。

全机械化、一次性自动注射器已面世多年，如今许多公司正在制造或开发可用于多次给药的设备。而这些设备的核心便是控制各项操作的MCU。通过按钮或触摸屏界面，用户可以选择所需的剂量，然后启动注射程序。伺服电机从针盒中装入新的针头，输送药物，然后安全存储用过的针头，以待弃置。压力和位移传感器监控药物注射的过程，并有非易失性存储器记录每次使用的数据。MCU控制的自动注射器不仅可以让未经训练的人为自己或他人进行注射，还缓解了注射中存在的紧张情绪，因为病人甚至看不到针头。

但毕竟只有很少数的人需要定期给自己注射药物，因此另一种基于MCU的给药设备有望更受欢迎。粘性透皮给药贴片不是什么新鲜事物，其市场价值已达数十亿美元。其中，通过提供尼古丁来帮助戒烟的贴片以及通过提供东莨菪碱来防止晕动病的贴片最受欢迎。在这两种产品中，药物分子都要小到足以让治疗剂量的药物通过被动扩散透过皮肤。所有其他采用被动透皮贴片给药的药物均是如此，这就限制了通过此方法给药的药量。较新的贴片使用了离子导入技术，借助直流电流增加较大药物分子的扩散速度。图1显示了离子导入贴片的工作原理。


图1：离子导入贴片工作原理图



MCU极大地简化了活性离子导入贴片的设计。此类贴片通常由微小的纽扣式锂电池供电，但这种电池所提供的电压无法产生透过皮肤所需要的电流。利用小型MCU，很容易实现将电压提升至所需级别的升压转换器。MCU集成的模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）可实现安全的电压和电流闭环反馈。片上定时器测量工作持续时间，并在达到要求的剂量后切断驱动电流。由于这些设备通常是使用一次便会弃置，因此成本是设计中的重要考量因素。尺寸小，但功能丰富的MCU（如 Microchip的8引脚PIC12F系列）采用经济高效的小型封装，集成了活性离子导入贴片所需的全部功能和外设。

在不久的将来，MCU甚至可应用于最传统的药片供给领域。目前正处于开发阶段的新设备可以像普通药片一样吞下，但在体内的作用却完全不同。一旦进入消化道，它们将能够感知时间、温度、pH值和其他数值，从而确定在何时释放药物能够发挥最大的效能。

上述给药设备以及其他基于MCU的给药设备不仅能够让现有药物发挥更大的药效和给药更为方便，而且还将促进全新药物疗法的开发。