便攜式智能自我血糖監(jiān)測儀器設(shè)計方案

0 引言

　　糖尿病是一種常見的代謝內(nèi)分泌疾病，是由于人體內(nèi)缺乏胰島素或其受體異常所致，以高血糖為主要特征，為一種世界范圍內(nèi)的流行疾病。近年來其發(fā)病呈顯著上升趨勢，目前全世界約有10% 的成年人身患此病[1]。在我國，糖尿病患者約有4000萬人，目前的治療方式主要是對病人體內(nèi)的葡萄糖代謝進(jìn)行調(diào)控，臨床治療給藥的重要依據(jù)是病人的血液葡萄糖含量。因此，通過自我監(jiān)測血糖儀來追蹤、評估糖尿病的控制是很重要的。特別是自我監(jiān)測血糖儀可以在醫(yī)院甚至家中方便、迅速地檢出結(jié)果，目前市場血糖儀產(chǎn)品只能給出血糖值，患者要據(jù)此調(diào)整治療方案、飲食控制還存在一定困難。另外，測試精度、測試范圍都存在不足。因此，研究精度高、智能化的血糖監(jiān)測儀器有重要的意義。

　　1 檢測原理

　　臨床診斷中所用到的大型檢測儀器由于體積大、價格昂貴、檢測過程繁瑣，不適用于中小醫(yī)院、急診和病人對病情長期的自我監(jiān)測，生物傳感器中酶電極的實用化便有了快速的進(jìn)步，如葡萄糖、乳酸、膽固醇、尿素、氨基酸用的酶電極正被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療檢測之中。這些傳感器的一個共性就是利用微生物、酶、抗體等生物材料的分子識別能力，并以生物材料作為分子識別元件的傳感器;然后利用試樣液中含有的被檢測物質(zhì)與酶的反應(yīng)生成的電子來還原受電子體，測定裝置利用電化學(xué)方法，即測該受電子體的還原量，進(jìn)行檢測物質(zhì)的定量分析。

　　本儀器的檢測原理是基于在電極表面固化上葡萄糖氧化酶(GOD)，當(dāng)血液滴入血糖測試電極后，發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，在反應(yīng)過程中傳輸介質(zhì)中的二價鐵離子失去電子，發(fā)生了氧化反應(yīng)，葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖生成H2O2和葡萄糖酸，H2O2將二價鐵離子氧化，氧化還原過程中發(fā)生了電子得失現(xiàn)象，在一定電壓的作用下，形成了氧化電流。通過檢測電流變化與葡萄糖濃度近似呈線性關(guān)系，從而達(dá)到檢測血糖濃度的目的。具體的反應(yīng)方程式如下：

　　2 儀器設(shè)計與實現(xiàn)

　　2.1 硬件結(jié)構(gòu)

　　整個儀器系統(tǒng)由酶電極傳感部分、信號調(diào)理(電流電壓轉(zhuǎn)換、放大濾波部分)、溫度補(bǔ)償部分、液晶顯示部分、單片機(jī)、智能芯片組成，如圖1所示。滴血在酶電極后產(chǎn)生的微電流較小，只能達(dá)到微安量級，不便于測量和分析，所以將其先轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后再進(jìn)行電壓放大。由于來自電源和各種因素干擾信號產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲影響測試精度，因而應(yīng)設(shè)計濾波電路去除干擾信號，使得測試更加精確。經(jīng)過處理后的電壓值傳送給內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換的單片機(jī)MSP430中，單片機(jī)經(jīng)過計算得出血糖的濃度值，再利用液晶將結(jié)果顯示出來。

　　2.2 主要測試過程

　　檢測系統(tǒng)中信號調(diào)理電路如圖2所示。儀器開機(jī)上電后，單片機(jī)控制多路開關(guān)S1閉合，前級運放輸入為R1和R2分壓值，設(shè)定為0.4V。根據(jù)跟隨器和理想運放特性，此時后級輸出不變也為0.4V，經(jīng)過A/D 變換輸入單片機(jī)，控制顯示屏顯示“請插入試紙”。當(dāng)系統(tǒng)插入血糖試紙時，S2閉合，R4引入電路。后級運放構(gòu)成同相放大器，調(diào)整R4使電路輸出值為0.6V。經(jīng)過A/D 變換輸入單片機(jī)，并控制顯示屏顯示“請滴血”。滴血后產(chǎn)生的電流信號從“Input”輸入，輸出電壓信號突變并變換后輸入單片機(jī)，反應(yīng)結(jié)束后根據(jù)電壓變化計算出血糖值并顯示。

　　2.3 溫度補(bǔ)償

　　環(huán)境溫度的變化引起檢測系統(tǒng)零點漂移和靈敏度的變化而造成測量誤差。為消除環(huán)境溫度的影響，系統(tǒng)中溫度補(bǔ)償電路采用DALLAS公司的單總線微型溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)，其測溫范圍為-55～+125℃，測量分辨率為0.0625℃，測溫精度為±0.5℃。溫度信號經(jīng)過多路開關(guān)輸入單片機(jī)，CPU根據(jù)血糖測試電極的溫度特性進(jìn)行測試結(jié)果誤差的自動修正。

　　2.4 智能芯片

　　為了進(jìn)一步提高儀器的實用性，盡可能地方便患者，儀器中引入了人工智能原理，患者可在檢測自身血糖濃度的同時得到個人病情信息和顯示簡單的處理辦法和注意事項。此功能主要是通過調(diào)用固化了的帶有糖尿病知識庫的智能芯片中的信息來實現(xiàn)的。該芯片中所固化的知識庫是根據(jù)世界衛(wèi)生組織、國際糖尿病聯(lián)盟和中國糖尿病學(xué)會批準(zhǔn)出版的治療指南制成的，指南在糖尿病分析方面具有權(quán)威性。患者可在測得血糖值后，在操作界面選擇“推理”功能。