基于STM32的便攜式糖化血紅蛋白檢測(cè)系統(tǒng)

李云浩 周威 項(xiàng)一丹 王梓茂 陳均

摘要：隨著生活質(zhì)量的提高，越來(lái)越多的人患上了糖尿病，而糖化血紅蛋白是糖尿病病人常見(jiàn)的檢測(cè)指標(biāo)。一般情況下，病人測(cè)量血糖時(shí)只能測(cè)某一時(shí)刻的血糖濃度，容易受飲食，運(yùn)動(dòng)等外部環(huán)境干擾，但是如果是測(cè)量糖化血紅蛋白，它反映的是三個(gè)月內(nèi)血糖的平均水平，更有利于病人控制自己的病情?；谶@種情況，提出了一種基于STM32的半自動(dòng)化的、便攜式的糖化血紅蛋白檢測(cè)系統(tǒng)，采集病人的指尖血，配合體外診斷試劑，利用光反射比色法測(cè)量，并及時(shí)得到反饋數(shù)據(jù)，有利于病人血糖的控制。該系統(tǒng)不僅適用于醫(yī)院，還適用于病人個(gè)體，極為方便。

關(guān)鍵詞：糖尿病；糖化血糖蛋白；比色法；STM32；便攜式

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）09-0246-03

Abstract： With the improvement of quality of life， more and more people are suffering from diabetes， and glycosylated hemoglobin is a common test indicator for diabetic patients. Classically when a patient measures blood sugar， he can only measure the blood sugar concentration at a certain moment， and it is easily interfered by the external environment such as diet and exercise. However， if it measures glycosylated hemoglobin， it reflects the average level of blood glucose within three months， which is more conducive to patients controlling themselves condition. Based on this situation， a semi-automated， portable glycosylated hemoglobin detection system based on STM32 was proposed. The patient's fingertip blood was collected， combined with in vitro diagnostic reagents， measured by light reflection colorimetry， and feedback data was obtained in time. Conducive to the control of the patient's blood sugar. The system is not only suitable for hospitals， but also for individual patients， which is extremely convenient.

Key words：diabetes； glycosylatedhemoglobin ；colorimetric method； STM32； Portable

隨著國(guó)內(nèi)生活水平的提高，人們的飲食攝入量越來(lái)越多，相應(yīng)的糖尿病患者也隨之而增加。有調(diào)查顯示：據(jù)估計(jì)，2017年全球患病人數(shù)約為4.25億，預(yù)計(jì)到2045年將達(dá)到6.29億。我國(guó)是全球糖尿病人數(shù)最多的國(guó)家，2017年糖尿病人數(shù)為1.14億，預(yù)計(jì)到2045年將達(dá)到 1.5億左右。糖尿病患者若是血糖長(zhǎng)期控制不佳，可能會(huì)導(dǎo)致器官組織損壞，成為“萬(wàn)病之源”，伴發(fā)各種器官，尤其眼，心臟，血管，腎，神經(jīng)損壞或者器官功能不全或衰竭，嚴(yán)重可能會(huì)致患者病入膏肓。而糖化血紅蛋白是糖尿病病人常見(jiàn)的檢測(cè)指標(biāo)。一般情況下，病人測(cè)量血糖時(shí)只能測(cè)某一時(shí)刻的血糖濃度，容易受飲食，運(yùn)動(dòng)等外部環(huán)境干擾，但是如果是測(cè)量糖化血紅蛋白，它反映的是三個(gè)月內(nèi)血糖的平均水平，更有利于病人控制自己的病情。這種情況下，便攜式的糖化血紅蛋白檢測(cè)裝置應(yīng)運(yùn)而生，它能夠有效監(jiān)測(cè)人體內(nèi)糖化血紅蛋白含量，人們只需要在小型社區(qū)醫(yī)院就可以檢查體內(nèi)糖化血紅蛋白含量，因此，便攜式的糖化血紅蛋白檢測(cè)裝置已經(jīng)成為血糖控制和社區(qū)醫(yī)院迫切需求的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，在這樣的情況下，我們開(kāi)發(fā)了一套能夠檢測(cè)血液中糖化血紅蛋白含量的便攜式裝置。

1便攜式糖化血紅蛋白檢測(cè)裝置整體設(shè)計(jì)

整個(gè)裝置采用STM32F107芯片為核心，系統(tǒng)主要分為以下六個(gè)模塊：顯示屏、主控板、信號(hào)采集模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊、功能控制模塊以及打印模塊，主要通過(guò)功能控制模塊從顯示屏上選擇功能，然后將信號(hào)采集模塊放置在特制的檢測(cè)倉(cāng)中，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)LED，信號(hào)采集模塊將采集到的信號(hào)通過(guò)串口發(fā)給主控板，主控板通過(guò)一系列算法將信號(hào)整合，得到處理結(jié)果，并將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái)。

2便攜式糖化血紅蛋白檢測(cè)裝置機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1 反射式采樣手柄

由于是便攜式檢測(cè)裝置，整個(gè)裝置要滿足體積小，功能齊全，穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。因此，我們采用了手柄和控制臺(tái)相連的方式，將采集裝置和分析裝置分開(kāi)，將光電二極管和LED安裝在手柄頭，不同波段的LED環(huán)繞在光電二極管四周，這樣LED在照射血樣時(shí)，光電二極管可以采集到樣本反射回來(lái)的光所產(chǎn)生的電壓。手柄外壁有一個(gè)可以伸縮的外殼，在檢測(cè)時(shí)，手柄外套會(huì)蓋住手柄頭，這樣可以避免外界光對(duì)檢測(cè)的干擾。

2.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)便攜式的特點(diǎn)，整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)要有小巧，方便，快捷的特點(diǎn)，適合社區(qū)醫(yī)院或者家庭用戶 使用。屏幕選用5寸顯示屏，這樣顯得更為小巧，容易將顯示屏、打印機(jī)、主控板整合在一起。

3系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)

3.1 LED選型設(shè)計(jì)

采用免疫比濁法，將特定試劑滴入樣本中，不同波段LED在照射樣本時(shí)，樣本對(duì)光的吸收能力不一樣，因此，我們選用610nm波段的紅色LED和405nm波段的藍(lán)色LED，這樣可以用這兩種顏色來(lái)計(jì)算糖化血紅蛋白的含量，光電二極管選用VTB1113H。

3.2 控制系統(tǒng)

STM32F107是意法半導(dǎo)體推出全新STM32互連型（Connectivity）系列微控制器中的一款性能較強(qiáng)產(chǎn)品，此芯片集成了各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，且STM32不同型號(hào)產(chǎn)品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以輕松適應(yīng)更多的應(yīng)用，包括定時(shí)器，AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器，DA模擬轉(zhuǎn)換器，串口等外設(shè)。此外，還有更多的固件和調(diào)試工具提供給開(kāi)發(fā)者，還可以進(jìn)行在線調(diào)試，為項(xiàng)目開(kāi)發(fā)節(jié)省了大量開(kāi)發(fā)周期，所以在本課題中選擇STM32F107作為主控芯片，選擇25MHZ晶振作為外部時(shí)鐘信號(hào)，其主要原理圖如圖1所示。

3.3 電源模塊

本系統(tǒng)中所要使用的電壓有+3.3V、+5V、+24V。+24V輸出的開(kāi)關(guān)電源選用明偉RPS-300-24醫(yī)療開(kāi)關(guān)電源，醫(yī)療開(kāi)關(guān)電源相對(duì)于普通開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，輸出要穩(wěn)定很多，能夠有效避免雜波對(duì)采集信號(hào)的干擾，而+5V和+3.3V需要通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)選擇LM2596-5和ASM1117-3.3V芯片。首先使用LM2596-5將電壓降至+5V，然后再使用ASM1117-3.3V穩(wěn)壓芯片將+5V穩(wěn)至+3.3V，如圖2所示。

3.4 LED驅(qū)動(dòng)模塊

由于光電二極管對(duì)光強(qiáng)很敏感，因此，在設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)個(gè)電路時(shí)，需要考慮到使用LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，這樣LED發(fā)出的光才是純粹的單色光。我們選用了LC1912恒流源驅(qū)動(dòng)芯片，LC1912是一款超低工作電壓的LED恒流驅(qū)動(dòng)器，是專門(mén)針對(duì)輸入電壓較低的多串LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的一款電路。其恒流精度為2%，溫度穩(wěn)定性非常好，電流精度遠(yuǎn)高于一般LED恒流驅(qū)動(dòng)器的5-10%。LC1912應(yīng)用電路非常簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)小電容和輸出設(shè)定電阻，外圍成本幾乎沒(méi)有。LC1912恒流源驅(qū)動(dòng)芯片本身為微小的SOT23-3封裝，可以和LED貼片燈串一起做在非常小的電路板上，驅(qū)動(dòng)的電流可以自由設(shè)定，設(shè)定方式為在REF對(duì)地接一個(gè)電阻。LED驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

3.5光電二極管電路設(shè)計(jì)

采用VTB1113H光電二極管，在320nm到1100nm波段的光比較敏感，因此能夠很好地采集到光信號(hào)的變化，使用LM358雙路運(yùn)放，將放大的電壓通過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路采集。光電二極管電路如圖4所示。

3.6 AD轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計(jì)采用了AD7606作為我們的AD轉(zhuǎn)換芯片，AD7606芯片是ADI公司的16位同步采樣數(shù)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），擁有8通道同時(shí)200KHZ頻率采集，使用SPI接口，輸入范圍為正負(fù)5V，可以精確采集到反射光強(qiáng)的變化，采集精度可以達(dá)到2MV，采集到的電壓信號(hào)用過(guò)SPI接口發(fā)送到主控芯片中，其電路圖如圖5所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是通過(guò)將檢測(cè)手柄放在檢測(cè)板上，密閉好后，打開(kāi)對(duì)應(yīng)的LED，AD采集電路采集信號(hào)，傳到主控芯片進(jìn)行計(jì)算，得出檢測(cè)結(jié)果，并通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái)，得到標(biāo)準(zhǔn)的病人糖化血紅蛋白含量。

5 總結(jié)

本文通過(guò)調(diào)查近年來(lái)血紅蛋白檢測(cè)裝置，并對(duì)其進(jìn)行了研究。目前，通過(guò)檢測(cè)反射光的強(qiáng)度來(lái)計(jì)算糖化血紅蛋白的含量的方法已經(jīng)比較成熟，但是在檢測(cè)精度方面還存在一些問(wèn)題，只能定性檢測(cè)而做不到定量檢測(cè)，因此本系統(tǒng)提高了采集電路的性能，使檢測(cè)精度更高一些。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】