移動終端獲取檢測血糖濃度的實現(xiàn)方法

王思奇,周志峰

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機械電子工程學(xué)院,上海 201209)

0 引言

伴隨著近10年來中國經(jīng)濟的高速增長，人們生活方式的快速改變，糖尿病在中國已成為一種慢性流行病，糖尿病是一種常見的內(nèi)分泌代謝障礙性疾病，是當(dāng)今嚴(yán)重威脅人類健康的多發(fā)病、常見病，在老年群體中尤為常見。在經(jīng)濟和社會迅速發(fā)展的同時，生活節(jié)奏不斷地加快，青壯年的工作壓力增大，日常工作繁忙，沒有時間運動加之飲食中攝入的熱量過高，導(dǎo)致糖尿病患病率顯著增加，糖尿病患者也越來越趨于年輕化[1]。血糖濃度是反映糖尿病病情狀況的一個重要指標(biāo)，多次進行血糖測量可隨時把握病情變化，趁早采取預(yù)防措施。

傳統(tǒng)的血糖儀較為龐大，測試流程繁瑣，數(shù)據(jù)記錄也不是很方便，智能手機硬件與性能日益強大，所以可以通過手機等移動終端連接的檢測血糖濃度模塊就有了存在的必要，檢測血糖濃度其主要作用是檢測人體生理參數(shù)，并將參數(shù)上傳至手機，涉及數(shù)據(jù)深入挖掘以及統(tǒng)計分析等功能不需要檢測端來完成，把工作重點留給性能十分出色的手機來實現(xiàn)。在檢測血糖濃度方面采用酶電極方法進行檢測，通過耳機接口與手機等智能設(shè)備進行通訊，在跨平臺通訊中使用曼徹斯特編碼，把數(shù)字量信息加載到正弦波中，在檢測端使用合泰低功耗16位ADFlash_HT66F26微控制器單片機測量血糖濃度并發(fā)送數(shù)據(jù)到移動終端(手機)，在手機端經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與分析把血糖濃度等健康信息快速的顯示出來。不單有測量方便，體積較小而且即插即用，并且非常適合家庭使用。

1 檢測原理

設(shè)計儀器的檢測原理是在電極表面固化上葡萄糖氧化酶(GOD)，當(dāng)血液滴到電極上時，葡萄糖會在葡萄糖氧化酶(GOD)的作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，所產(chǎn)生的電子被導(dǎo)電介質(zhì)轉(zhuǎn)移給電極,在一定電壓(一般在0.4～0.5左右)的作用下,流過電極的電流將發(fā)生變化,通過檢測電流變化與葡萄糖濃度的線性關(guān)系達到檢測血糖濃度的目的[2]。血糖儀試紙條上的酶可以轉(zhuǎn)化成導(dǎo)電材料，在電極兩端施加0.5 V左右的激勵電壓就會產(chǎn)生電流，通過測量這個電流大小，可以間接的反應(yīng)血糖濃度的高低。值得注意的是血糖濃度與電流大小之間不是穩(wěn)定的線性關(guān)系，根據(jù)測量時間的不同以及激勵電壓的大小，濃度受多種情況影響，根據(jù)我們測試的血糖濃度與測試電流數(shù)值繪制出的血糖濃度關(guān)系圖像如圖1所示。

圖1 電流變化與葡萄糖濃度關(guān)系

由于霉菌的GOD對葡萄糖有高度物異性，不能氧化其它糖類，故可測定真實值。GOD可氧化血液中β-葡萄糖產(chǎn)生葡萄糖內(nèi)酯和H2O2, 同時釋放出電子。具體的反應(yīng)方程式如下：

(1)

通過酶電極法轉(zhuǎn)換出來的電流值通常都是很小的，通常在幾微安和幾十微安中間波動，這個電流不方便我們檢測與記錄，所以通常在轉(zhuǎn)換完成之后我們需要外接一個轉(zhuǎn)換放大電路，把電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號并進行放大，我們的MCU通過測量轉(zhuǎn)換之后的電壓值經(jīng)過簡單的A/D轉(zhuǎn)換芯片便可以得出相對準(zhǔn)確的血糖濃度值，由于信號的微弱性，在放大電路中一些干擾是值得我們注意的，比如說電源或者時鐘對微弱信號的干擾，通過濾波來減少這樣的干擾，使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。為了降低通信過程中的高頻噪聲，并隔離耳機接口輸入信號中的支流分量，設(shè)計了一個RC低通濾波和隔直電容組成接口電路，起到保護手機耳機接口的作用[3]，在得到數(shù)字量信息之后我們就可以通過我們的耳機接口來進行數(shù)據(jù)通信了。放大電路實驗原理如圖2所示。

圖2 采集電流放大電路

在檢測過程中所需要產(chǎn)生的激勵電壓我們選取MAX603電源控制器，這款控制器系統(tǒng)穩(wěn)定性高，價格低廉，輸出轉(zhuǎn)換率高并且可以同時輸出兩種工作模式，便于我們搭建工作環(huán)境，不單可以滿足日常工作需要在特殊場合中也可以以較高性價比占據(jù)市場。

放大模塊的設(shè)計采用的是低功耗精密運算放大器OP07C和LM358。OP07C的特點是超低失調(diào)、低漂移、高精度、高增益、高輸入阻抗、電路正比特性好，零點失調(diào)電壓小，性能極為優(yōu)越穩(wěn)定7。LM358芯片由兩個相互獨立的雙運算放大器組成，具有高增益，獨特頻率補償?shù)倪\算放大器，使用場合通常用于傳感放大器、直流增益以及需要單電源供電等工作場所。

2 音頻通訊

大部分的智能手機都會配有3.5MM的耳機孔，我們可以通過耳機插口把音頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，也可以把話筒上的模擬信號轉(zhuǎn)化為音頻信號進行傳輸，由此我們大膽猜想是否可以把從酶電極法采集上的電流信號加載到音頻信號中傳遞給耳機，這樣就完成了跨平臺的通訊為更多的傳感器通過耳機接口進行連接做了鋪墊，耳機接口各部分端口定義如圖3所示。

圖3 耳機接口定義

通過耳機接線口各部分定義我們可以選擇左聲道L或者右聲道R作為從手機通往MCU的通訊線，我們把從MIC輸出的信號選做MCU通往手機的通信線，這樣模擬實現(xiàn)全雙工通信方式，而實際情況中兩者也是互不影響的。音頻信息是模擬信號，耳機線傳輸?shù)囊纛l信號一般是1250～9600Hz之間的交流信號，在數(shù)字傳輸過程中首先需要進行編碼調(diào)制。接收時解調(diào)解碼頻率為9600Hz和4800Hz的音頻信號[4]。本次設(shè)計使用曼徹斯特編碼來進行跨平臺通信，把測量血糖濃度的MCU作為外置主導(dǎo)設(shè)備，包含測量發(fā)送記錄等多重功能，把耳機端口終端作為信號接收裝置，通過左右聲道與MIC的共同配合實現(xiàn)雙路全雙工通信。各部分詳細工作過程：1)測量血糖濃度模塊MCU將載有血糖濃度的數(shù)字量信息通過曼徹斯特編碼解析成國標(biāo)數(shù)據(jù)，在通過差分曼徹斯特編碼得到波動音頻正弦波信號，傳輸?shù)組IC接口通過麥克風(fēng)輸入數(shù)據(jù)發(fā)送給智能終端進行數(shù)據(jù)接收與結(jié)果顯示；2)外置智能終端接收數(shù)據(jù)后返回確認(rèn)字節(jié)包通過左聲道L或者右聲道R返回給MCU中，此時工作流程相反首先進行差分曼徹斯特編碼把數(shù)據(jù)加載到正弦波中，之后解調(diào)成國標(biāo)數(shù)據(jù)，最后通過曼徹斯特編碼返回到MCU接收寄存器中，判斷接收數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，整個工作完畢。曼徹斯特編碼如圖4所示。

圖4 曼徹斯特編碼

本次設(shè)計把數(shù)據(jù)加載到音頻信號中進行傳播，檢測原理分別為：通過耳機的左右聲道以及MIC端口模擬單片機串行通信方法，使用差分曼徹斯特編碼方式，曼徹斯特編碼總會在每一位的中點產(chǎn)生一個邊沿跳變，在每一位的開始位置也可能會有一個邊沿跳變。在每一位中點的跳變方向表明數(shù)據(jù)。在位傳輸?shù)倪呇厮a(chǎn)生的跳變并不表明數(shù)據(jù)信息[5]。通過這種編碼方式可以有效的把數(shù)字量信息加載到音頻信號中，接收端檢測跳變信號出現(xiàn)的時機，便可得出其中加載的數(shù)字量信息，能夠使信號自同步，信息完整率較高，比如所加載的16位數(shù)據(jù)0x5A如圖5所示。

圖5 通訊數(shù)據(jù)展示

3 數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計

本次設(shè)計使用合泰16位微控制器單片機，型號選擇ADFlash_HT66F26，該型號單片機自帶多通道12位A/D轉(zhuǎn)換器，并且在存儲方面擁有RAM數(shù)據(jù)存儲器和IAP存儲序號校準(zhǔn)數(shù)據(jù)等功能，內(nèi)部包含看門口定時器、低電壓復(fù)位和低電壓檢測等內(nèi)部保護特性，并含有完整的SPI和I2C功能。在系統(tǒng)供電之后首先初始化所有I/O口，清除寄存器數(shù)據(jù)等待手機端檢測命令，接收到命令之后啟動A/D轉(zhuǎn)換程序，通過酶電極檢測血糖濃度的方法得到數(shù)字量血糖濃度信息，并通過曼徹斯特編碼，把數(shù)字量信息加載到正弦波音頻信號中發(fā)送給移動終端(手機)進行數(shù)據(jù)處理與顯示。采集數(shù)據(jù)端軟件流程如圖6所示。

圖6 耳機外設(shè)端軟件流程圖

合泰單片機HT66F26自帶的比較器可以把模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量數(shù)據(jù)進行通信無需外接電路，操作簡單，部分血糖濃度軟件檢測程序如下：

void Dx2Ix() //根據(jù)AD轉(zhuǎn)換值計算出Ix10

{ADC (ADC_3Channel_AN2);

Ix10=52*adc_an0_result/(adc_an2_result/10)-60;} //電壓:mV;電阻:k歐;電流:uA

void Ix2Cx(unsigned 2Ix(unsigned long

k, unsigned long b) //根據(jù)電流計算濃

度，使用該函數(shù)前I*10必須被賦值與D

*21x()配合使用

{ unsigned long temp;

temp=k/10*Ix10;

if(temp<=B)

{ Cx10=0; }

else

{ Cx10=k*Ix10/10-b; } //電壓:mV;電阻:k歐;濃度:mg/dl

把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量數(shù)據(jù)通過曼徹斯特編碼進行再處理，得到的有效數(shù)據(jù)流通過差分曼徹斯特編碼轉(zhuǎn)化為國標(biāo)數(shù)據(jù)通過MIC端口發(fā)送到智能終端上，解碼后的數(shù)據(jù)將通過手機等智能終端處理顯示出來[6-8]。在手機軟件端首先進行UI初始化操作，恢復(fù)默認(rèn)狀態(tài)，調(diào)節(jié)媒體音量到最大使接收信號達到最大振幅狀態(tài)，當(dāng)點擊檢測按鍵時，發(fā)送指令到MCU，檢測端開始進行A/D轉(zhuǎn)換測量血糖濃度，把得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過曼徹斯特編碼發(fā)送到移動終端(手機)上來，手機APP接收通過MIC發(fā)過來的正弦音頻信號，采用JAVA編程語言，解碼傳輸數(shù)據(jù)并在UI上顯示出來，簡易UI如圖7所示。手機端軟件流程如圖8所示。

圖7 血糖檢測終端與手機APP工作實物圖

圖8 智能手機應(yīng)用軟件流程圖

4 試驗結(jié)果與分析

利用酶電極法檢測血糖濃度主要在以下幾個方面做了改進：

1) 體積小巧，使用簡潔。摒棄了傳統(tǒng)測量方式與大型醫(yī)療機械的結(jié)合，節(jié)約測量時間，把采血樣本放入測量試紙中，試紙中固化的葡萄糖氧化酶開始發(fā)揮作用通過電化學(xué)反應(yīng)有效的從血糖濃度中釋放電子，大量電子的聚集形成電流，通過檢測電流的大小直接的反應(yīng)血糖濃度的高低，測量成本降低。

2)測量結(jié)果精度高，準(zhǔn)確性好。我們?nèi)?0份不同血糖濃度(2～12 mmol)的采血樣本，每份樣本分為兩份，分別使用智能血糖儀與CX7生物血糖濃度檢測儀來進行測試。從測試的數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)兩者濃度相差原因在于系統(tǒng)設(shè)置比例系數(shù)不同，因此本設(shè)備測量的結(jié)果基本達到大型測量儀器工作要求。結(jié)果對照如圖9所示。

在整個系統(tǒng)中檢測濃度方面試驗結(jié)果十分理想，剩下的主

圖9 測量結(jié)果差異對比圖

要問題就是通信方面的處理。經(jīng)過多次試驗我們發(fā)現(xiàn)同一設(shè)備不宜在短時間內(nèi)進行多次測量，這是由于轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)會占用合泰HT66F26內(nèi)存，無法排除。默認(rèn)情況下此款MCU沒有GC處理器，所以在單次供電中多次測量后會造成數(shù)據(jù)紊亂從而導(dǎo)致收發(fā)命令字節(jié)數(shù)發(fā)生問題，結(jié)果出現(xiàn)偏差，而實際生活中單次供電測量次數(shù)通常小于5次，不會對結(jié)果產(chǎn)生影響，滿足日常生活使用。

5 總結(jié)

在酶電極法檢測血糖濃度時候?qū)y量時間的取值點要求程度較高，隨著時間的推移我們測出的數(shù)據(jù)是發(fā)生變化的，最穩(wěn)定的時間取值點大約是11 s，之后血糖濃度曲線會緩慢下降。并且除此之外在跨平臺通訊中我們測試大部分手機通信速率只有1.3 Kbps,只限于對通信數(shù)量以及通訊速率要求較低的情況，數(shù)據(jù)量過多或者波特率設(shè)置過高會產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯位丟失等現(xiàn)象。針對監(jiān)測終端與手機通信的需求，簡化了兩者的協(xié)議架構(gòu)，對音頻通信這類非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字通信方式，從設(shè)計原理、硬件設(shè)計與優(yōu)化、調(diào)制與解調(diào)、編碼與解碼、傳輸控制等諸多方面提供了解決方案，除此之外該血氧儀能夠借助手機等移動終端強大的網(wǎng)絡(luò)功能實時地將測量數(shù)據(jù)共享到醫(yī)護系統(tǒng)中，方便記錄與處理。

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