基于MSP430微處理器和GSM移動(dòng)通信的血糖監護系統設計
加入技術(shù)交流群
糖尿病是危害人類(lèi)健康的四大主要疾病之一，目前沒(méi)有根治的辦法，只能通過(guò)血糖監測對糖尿病加以控制。血糖儀的出現，大大方便了糖尿病患者自行監測血糖。為了能更好地利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )資源，方便用戶(hù)隨時(shí)隨地的測量，開(kāi)發(fā)了一種基于移動(dòng)通信的血糖監護系統。
基于移動(dòng)通信的血糖監護系統由兩大部分組成：手機血糖儀與糖尿病監護中心。工作模式如圖1所示。糖尿病患者利用隨身攜帶的手機血糖儀可隨時(shí)監測血糖，監護中心通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )接收患者的血糖值，并反饋適當的診斷結論。
圖1 系統工作模式
手機使用MotorolA388c，血糖儀是吉林大學(xué)儀器學(xué)院自主開(kāi)發(fā)的以MSP430單片機與酶電極傳感器等為主的血糖測試儀，通過(guò)串口連接手機，利用手機的鍵盤(pán)和液晶屏控制顯示血糖測試結果。即，手機血糖儀是在保留手機原有各項功能的基礎上，增加了血糖測試功能。
糖尿病監護中心硬件由一臺服務(wù)器通過(guò)串口連接一個(gè)MC35無(wú)線(xiàn)通信模塊構成，軟件系統主要負責完成控制MC35接收短信以及患者信息管理及維護。
2 手機血糖儀的設計
2.1 系統硬件設計
圖2 手機血糖儀系統框圖
前置信號處理采用模擬開(kāi)關(guān)對電極接入電路情況進(jìn)行控制，從而為系統提供不同的工作狀態(tài)，信號處理采用放大器和低通濾波，將傳感器的電流信號轉換放大濾去高頻干擾，為后續電路的數據采集提供質(zhì)量較高的信號，血糖濃度的數據采集處理和串口數據通訊，采用TI公司的MSP430系列單片機為主控單元完成。另外，系統具有溫度補償功能，能補償環(huán)境溫度對系統測試結果的誤差，提高測試結果的精度。血糖測試模塊體積為3cm*1cm，這樣可以放在手機殼里，做到血糖測試儀和手機融為一體，方便了用戶(hù)的攜帶與檢測。
2.2 血糖濃度測量原理
血糖濃度值的測定通過(guò)生物酶電極傳感器，當血液滴入，在葡萄糖酶的催化作用下，傳輸電子物質(zhì)在碳電極表面被強制性氧化，其氧化還原反應過(guò)程中形成的氧化電流跟葡萄糖濃度成線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)測定氧化電流的強度計算血糖濃度值[1]。
在電極上加0.4V的恒定工作電壓, 當被測血樣滴在電極的測試區后，電極上固定的葡萄糖氧化酶與血樣中的葡萄糖發(fā)生化學(xué)反應。經(jīng)過(guò)一定的滯后期，酶電極的響應電流將與被測血樣中葡萄糖濃度呈線(xiàn)性關(guān)系，如圖3所示。
圖3 酶電極電流變化曲線(xiàn)
對應于2.2- 27.8mmol/L的血糖濃度，酶電極的響應電流約為3―50μA。血糖儀就是通過(guò)這一對應關(guān)系來(lái)計算顯示血樣葡萄糖濃度值的。根據曲線(xiàn)可知酶電極上的反應電流在11s左右出現峰值，因此系統設定前11s為酶電極的反應時(shí)間，后5.3s為酶電極的采集時(shí)間。對5.3s的電流面積積分，得到電量Q，再根據已知的血糖的濃度C0可以由公式求出標準系數K：
Q =∫I(t)dt = K C0
K = Q/ C0
從而求出所測試的血糖濃度：
Cx = Q/K
溫度是影響酶的活性及酶催化反應速度的重要因素之一[2]。因此要保證測量的精度，必須進(jìn)行溫度補償。經(jīng)系統測試及相關(guān)的結果分析得到溫度補償公式如下：
Kt = 0.0133t + 0.067
考慮到溫度補償，因此，血糖濃度計算公式如下：
Cx = Q/（K ×Kt）
2.3 通信軟件設計
Java手機操作系統都支持標準的J2ME MIDP1.0 Java標準。J2ME是SUN公司推出的針對嵌入式消費類(lèi)電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)平臺。Motorola公司生產(chǎn)的Motorola388，A388C等手機不僅支持標準的J2ME MIDP1.0 Java標準，還推出了Motorola SDK for J2ME，實(shí)現了一些CLDC/MIDP提供的接口功能[3]。
手機與血糖儀通過(guò)串口連接，所以使用手機正確、實(shí)時(shí)地接收血糖儀發(fā)送的數據是關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗，采用多線(xiàn)程的開(kāi)發(fā)模式可以準確、快速地讀取血糖儀發(fā)送至手機的數據。
在編寫(xiě)串行通信程序時(shí)，要用到j(luò )avax.microedition.io包中的Connector類(lèi)和StreamConnection、InputStream和OutputStream 接口。在J2ME中所有的連接都是使用Connector類(lèi)的open(String connect)方法建立的，不同的連接可以通過(guò)傳遞不同的參數connect實(shí)現[4,5,6,7,8]。
2.4在MotorolaA388上運行
基本按以下5個(gè)步驟：
(1)打包：編譯通過(guò)后，使用JBuilder Wizard菜單中的Archive Builder項，選擇Archive type為MIDlet，隨提示即可完成打包。
(2)在PC機上運行：運行MIDlet，更新打包文件：.jar與.jad文件。
(3)下載：用手機提供的數據線(xiàn)把手機和PC機串口相連，選擇手機上“通過(guò)數據線(xiàn)下載”菜單選項，再通過(guò)摩托羅拉388免費提供的一個(gè)名為pcjal.exe的下載工具，可很容易地將MIDlet下載到手機上。
(4)安裝：一般手機下載完一個(gè)J2ME程序后，就會(huì )自動(dòng)進(jìn)行安裝。將程序存儲在手機的指定位置里。
(5)在MotorolaA388C上運行：程序安裝完后，手機就會(huì )在程序菜單中顯示該應用程序，用戶(hù)選擇該菜單項后就可以運行程序。界面如圖4所示。
圖4 運行界面
3 糖尿病監護中心設計
糖尿病監護中心的硬件部分主要由一臺服務(wù)器連接一個(gè)GSM模塊組成。選用的是SIEMENS公司的無(wú)線(xiàn)模塊MC35[9]。硬件電路主要分為四個(gè)部分:電源電路，用于提供6V-12V的電源；串口電路，用于與計算機串口進(jìn)行連接；SIM卡電路，用于SIM卡與模塊的連接；MC35模塊驅動(dòng)電路，用于對MC35無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行點(diǎn)火驅動(dòng)。
軟件系統如圖5所示。其中，人機接口模塊，還增加了由用戶(hù)手動(dòng)輸入數據的功能；糖尿病病理數據庫包括知識庫和規則庫，知識庫中存放和管理有關(guān)糖尿病診斷的專(zhuān)家經(jīng)驗和知識，規則庫用于存放糖尿病診斷與鑒別診斷的規則；患者信息庫用來(lái)保存患者的血糖測量值及一些背景信息。系統與GSM模塊的通信采用串行通信協(xié)議，短信管理使用AT指令[10]。
圖5 系統功能框圖
4 結果與討論
手機血糖儀操作簡(jiǎn)單, 測試時(shí)，用戶(hù)進(jìn)入血糖測試界面（如圖4所示），點(diǎn)擊運行鍵，屏幕會(huì )提示插入血樣試紙，隨后會(huì )出現15S倒計時(shí)狀態(tài),當倒計時(shí)為“0”時(shí)顯示血糖濃度測試結果，測試結果可以直接點(diǎn)擊發(fā)送短信鍵，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )發(fā)送至MA35I，再由遠程糖尿病診斷系統接收存儲并給出診斷結論后反饋給患者。
目前，最為準確地測量方式還是醫院的靜脈采血測試，但需要患者抽取大量的靜脈血，所以比對本系統的血糖儀選擇了相對測量較準確的強生血糖儀，表1中給出了絕對誤差值與最大相對誤差值。
表1 測量結果與誤差值
從測試結果可以看出，基于手機的血糖儀重復性誤差最大值為1.01，濃度最大相對誤差為5.98，在醫療器械規則的誤差范圍內，因此認為自行研制的基于手機的血糖測試儀符合標準。
經(jīng)過(guò)收發(fā)短信的測試，系統運行正常；測量的數據與知識庫中的相比對，按照簡(jiǎn)單的規則，可自動(dòng)給出診斷結論，也可由醫生修改或加入建議。
后期要繼續完善本系統，并在并系統的基礎上，繼續進(jìn)行人體其他生理參數的監測研究，如血壓、脈搏、心電等，利用無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)連接，將數據存儲至遠程醫療中心服務(wù)器，并使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)進(jìn)行個(gè)體發(fā)病預測及疾病分類(lèi)。
在移動(dòng)設備與現代醫學(xué)高速發(fā)展的天，操作簡(jiǎn)單，方便，便攜的移動(dòng)監測設備與遠程醫療中心的配合是醫療儀器的發(fā)展趨勢。本文基于Java手機實(shí)現了與血糖儀在多線(xiàn)程模式下的串行通信，利用手機顯示存儲測量的結果，并且以短信的形式發(fā)送至遠程服務(wù)器，從而得到專(zhuān)家的建議與治療方案。今后隨著(zhù)嵌入式技術(shù)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的繼續快速發(fā)展，移動(dòng)式的醫療儀器會(huì )擁有更廣闊的應用和市場(chǎng)前景。
本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：
1．血糖測試模塊的體積只有3cm2，所以可以和移動(dòng)設備，如手機整合在一起。
2．設計了糖尿病監護中心，方便社區醫院、或糖尿病治療中心直接使用。
評論