無試紙式血糖儀的研究

摘要：目的 提出一個(gè)無試紙式的血糖儀設(shè)計(jì)原理，以擺脫血糖儀對(duì)試紙的依賴。方法 采用MSP430系列單片機(jī)作為控制核心，加上血液預(yù)檢測、恒電位發(fā)生電路、信號(hào)檢測電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及LCD顯示等必要模塊形成完整功能的血糖儀。結(jié)果 在無試紙的前提下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)血糖的檢測，并可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，給用戶提供準(zhǔn)確可靠的信息。結(jié)論 該設(shè)計(jì)擺脫傳統(tǒng)血糖儀對(duì)試紙的依賴，實(shí)現(xiàn)無試紙式血糖儀。另外還增加了血量預(yù)檢測功能，進(jìn)一步提高了測量的準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：無試紙式；血糖儀；恒電位電路

Abstract：Objective Come up with a design principle of blood glucose meter which without test paper in order to get rid of blood glucose meter on test paper. Methods Adopting MSP430 series single chip microcomputer as control core， combined with blood pre detection， constant voltage generating circuit， signal detection circuit， data storage and LCD display module to form complete necessary functions such as blood glucose meter. Results On the premise of no test paper， realize the detection of blood， analysis and processing， provide users with accurate and reliable information. Conclusion This design get rid of traditional glucose meter on test paper. So， blood glucose meter without test paper is realized. In addition， increasing the function of blood pre detection， further improving the measurement accuracy for the users.

Key words：Without test paper； Glucose meter； Constant voltage generating circuit

當(dāng)前市面上常見的血糖儀可分為有酶和無酶兩種，但無論是有酶或者無酶血糖儀均搭配不可重復(fù)的試紙使用[1]。按照國際糖尿病聯(lián)盟（International Diabetes Federation，IDF）統(tǒng)計(jì)，2012年國內(nèi)糖尿病人數(shù)約占世界糖尿病人數(shù)的1/4，達(dá)9228萬人之多。目前大多糖尿病患者每月實(shí)際自測次數(shù)大概為35次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及世界衛(wèi)生組織（ WHO）的糖尿病患者血糖水平每天至少檢測4次的要求。而按實(shí)際市場試紙價(jià)格，患者每月僅在試紙上就要花費(fèi)200多元。如果擁有無試紙檢測方式[2]，則患者每年就可以節(jié)省購買試紙的花費(fèi)2500元以上，而對(duì)于所有患者而言，每年將可以節(jié)省幾百億甚至上千億元。這就有必要設(shè)計(jì)出一款無需試紙的血糖儀，不但減少使用者在檢測成本上的負(fù)擔(dān)，而且增加社會(huì)資源利用率，節(jié)約社會(huì)資源。

1血糖檢測原理

血糖是指人體血液中的葡萄糖，在一定的條件下，在給催化電極施加一定頻率的恒電壓刺激，使血液中的葡萄糖發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生自由電子，產(chǎn)生的自由電子總量和參與分解的葡萄糖分子總量成正相關(guān)關(guān)系[3]，檢測產(chǎn)生的自由電子移動(dòng)引起的電流信號(hào)值得到對(duì)應(yīng)的血糖濃度值。這便是設(shè)計(jì)該血糖儀的基本原理。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)血糖儀應(yīng)運(yùn)行速度快、功耗低等功能的實(shí)際需求，選用型號(hào)為MSP430F435單片機(jī)作為控制核心，主要模塊包括血液預(yù)檢測電路[4]、恒電位發(fā)生電路和信號(hào)檢測電路，另外還可加入LCD顯示和揚(yáng)聲器等模塊。整體設(shè)計(jì)見圖1。

2.1 MSP430F435 單片機(jī) 本設(shè)計(jì)選用MSP430F435單片機(jī)是具有多種省電模式可以隨時(shí)切換，而且可以使用普通AA電池低電壓供電，能實(shí)現(xiàn)超低功耗運(yùn)行[5]。正是因?yàn)樗\(yùn)算速度快而且功耗低，MSP430F435單片機(jī)在便攜式儀器上的應(yīng)用是非常合適的，其優(yōu)勢更為明顯。它也有一個(gè)內(nèi)部參考水平，采樣功能、12位A/D轉(zhuǎn)換器自動(dòng)掃描和LCD驅(qū)動(dòng)集成超過160段的特點(diǎn)，以及其他功能，完全能夠滿足血糖儀的設(shè)計(jì)功能要求。

2.2血糖傳感器檢測端理想設(shè)計(jì) 血糖傳感器對(duì)于該血糖儀設(shè)計(jì)是關(guān)鍵部分，它選用一些催化性能較好的金屬進(jìn)行制作，其中鉑片作為對(duì)電極材料，的鈀-金（Pd-Au）合金作為工作電極，參比電極對(duì)材料要求不高，因此選用普通的金屬銅。根據(jù)中山大學(xué)閆龍龍等人的研究，Pd和Au的結(jié)合，對(duì)葡萄糖選擇性氧化表現(xiàn)出了良好的催化活性。血糖傳感器檢測端理想設(shè)計(jì)見圖2，加上一個(gè)不導(dǎo)電的塑料作載體，三個(gè)電極裸露在載體表面。待測血液可直接滴到檢測端的電極上，檢測完畢后只需輕輕拭擦，清潔一下檢測端即可進(jìn)行第二次測量。

2.3血液預(yù)檢測電路設(shè)計(jì) 由于該血糖儀設(shè)計(jì)的原理，滴入待測血液的多少會(huì)直接影響到測量的準(zhǔn)確度，因此在測量血糖之前，必須要對(duì)滴入血液的量有一定的要求。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)中加入血量預(yù)檢測電路[6]，目的就是檢測滴入的待測血液的量是不是在該設(shè)計(jì)的測量范圍內(nèi)，避免測出錯(cuò)誤的血糖質(zhì)量濃度值而誤導(dǎo)用戶。

本設(shè)計(jì)的血液預(yù)檢測電路是利用參比測量的方法，即判斷在參比電極與對(duì)電極之間形成的一個(gè)等效電阻是否與設(shè)定的額定電阻相等或者相近來達(dá)到自動(dòng)檢測功能。當(dāng)待測血液滴入傳感器測試端時(shí)，傳感器的參比電極與對(duì)電極之間電阻因有血液連通而變小，待測血液達(dá)到預(yù)定的量后，參比電極與對(duì)電極之間的等效電阻也達(dá)到預(yù)定值。若兩電極間的等效電阻達(dá)到預(yù)定值，說明待測血液的量已經(jīng)滿足該設(shè)計(jì)的測量精度要求，可以進(jìn)行下一步的測量[7]。

本設(shè)計(jì)檢測電路選擇IO口供電，很大程度上降低了開關(guān)機(jī)功耗，延長電池的使用壽命，還可以消除由參考電壓變化所引起的誤差。

2.4恒電位發(fā)生電路設(shè)計(jì)，見圖3。

該設(shè)計(jì)引用三電極法對(duì)待測血液進(jìn)行檢測，參比電極和工作電極對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求比較高，不可選擇直接電源供電的方式，而應(yīng)采用恒電位發(fā)生電路產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓供給。

其基本原理見圖3，運(yùn)行中的恒電位相當(dāng)于工作電極相對(duì)參比電極之間的電壓差。工作電極接地或者接一個(gè)實(shí)際基準(zhǔn)電位源，反應(yīng)產(chǎn)生的電流注入某一通道和注入地在本質(zhì)上是一樣的，為了提高恒電位的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)成利用精密基準(zhǔn)電位源提供恒電位的電路。

其中運(yùn)算放大器主要由其構(gòu)成恒電位電路的負(fù)反饋。C5作為補(bǔ)償電容。

2.5信號(hào)檢測電路設(shè)計(jì) 信號(hào)檢測電路包括信號(hào)放大和A/V轉(zhuǎn)換電路，檢測血液反應(yīng)過程中產(chǎn)生的微電流信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為發(fā)送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的電壓信號(hào)[8]。然而反應(yīng)所產(chǎn)生的電流信號(hào)十分微弱，僅有μA --nA 級(jí)，這就需要經(jīng)過放大、A/V轉(zhuǎn)換、濾波等處理使其轉(zhuǎn)變成便于檢測的大電壓信號(hào)，再經(jīng)過單片機(jī)自帶A /D 轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)化成為其能夠處理的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理分析。

如圖4所示，運(yùn)算放大器LM358反相輸入端連接的對(duì)電極與地之間的等效電阻為Rx，當(dāng)待測血液滴入后，血糖濃度與流過該等效電阻的電流成一定的比例關(guān)系。因此可計(jì)算得出待測血液的血糖濃度值。

其中，起到反饋放大的作用，它很好地將運(yùn)算放大器的輸出電壓限制在A /D模塊的轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)。起濾波作用，以減少電路本身的干擾。而 的作用就是把電容和運(yùn)放隔離，原因是運(yùn)放直接與電容負(fù)載相連容易引起輸出震蕩。

3軟件設(shè)計(jì)

血糖儀需要實(shí)現(xiàn)一下幾個(gè)主要功能：血液預(yù)檢測、血糖濃度信號(hào)檢測、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、LCD顯示等。該系統(tǒng)首先要對(duì)待測血量進(jìn)行預(yù)檢測[9]，對(duì)血量進(jìn)行判斷，足量方可進(jìn)行下一步檢測，若不足則要給用戶報(bào)錯(cuò)，提醒用戶正確使用。顯然，待機(jī)模式是為實(shí)現(xiàn)低功耗而設(shè)置的。當(dāng)用戶停止操作血糖儀短時(shí)間內(nèi)不需要進(jìn)行第二次測量時(shí)，系統(tǒng)便自動(dòng)跳入待機(jī)模式，此時(shí)單片機(jī)MSP430處于一個(gè)低功耗運(yùn)行狀態(tài)，其他外圍元件的供電被單片機(jī)控制并切斷，使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作功耗降至最低。這也稱為睡眠模式。此間系統(tǒng)會(huì)為用戶保持20s短暫運(yùn)行，若用戶對(duì)系統(tǒng)再無輸入，系統(tǒng)則關(guān)閉，須重新按鍵啟動(dòng)方可再次使用。流程主圖見圖5。

4結(jié)論

與常見的血糖儀不同，該設(shè)計(jì)的血糖儀采用無試紙式檢測，杜絕了對(duì)試紙的依賴，大大減少檢測產(chǎn)本，并搭配功能強(qiáng)大的MSP430F435單片機(jī)，大大簡化該血糖儀的電路結(jié)構(gòu)，不僅令制造成本降低，而且使儀器本身的可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。另外，增加了在待機(jī)狀態(tài)下血液預(yù)檢測功能，更有效地保證測量的準(zhǔn)確度，給用戶提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)信息。

參考文獻(xiàn)：

[1]Longlong Yan. Efficient and poison-tolerant PdxAuy/C binary electrocatalysts for glucose electrooxidation in alkaline medium [J]. Netherlands Applied catalysis B， Environmental， 2014，01：150-151，268-274.

[2]蔣開偉.基于MSP430F435的血糖儀研究與設(shè)計(jì)[D].北京交通大學(xué)，2006.

[3]孫常青.血糖儀的人機(jī)工程學(xué)研究[D].太原理工大學(xué)，2010.

[4]王坤，袁景琪.基于PIC單片機(jī)的便攜式血糖儀的開發(fā)[J].中國醫(yī)療器械雜志，2006，30（1）.

[5]David M. Nathan， Beverly Balkau， EnzoBonora， et al.International Expert Committee Report on the Role of A1C Assay in the Diagnosis of Diabetes[J].Diabetes Care， 2009，32：1327-1334.

[6]邢淞，張少峰.基于MSP430單片機(jī)的便攜式血糖儀設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù)，2009，2（28）：6-7.

[7]黃石紅.基于單片微處理器的應(yīng)用系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2001，14.

[8]劉吉，周漢昌，姜三平.自我監(jiān)測血糖儀的發(fā)展現(xiàn)狀[J].醫(yī)療保健器具，2007（1）：16-17.

[9]付秀泉，陳杭，葉樹明.基于MSP430F1611和SD卡的心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009（04）：45-47.

編輯/申磊