詳解提高血糖儀系統效率的設計方案

血糖儀是一種用于測量血液中葡萄糖濃度的醫療設備，根據具體的血糖濃度，可能還需要提供低血糖藥物管理功能。血糖儀要使用測試條以便與病人的血滴發(fā)生作用。在經(jīng)過(guò)化學(xué)反應后，就能從血糖儀上讀出用mg/dl或mmol/l單位表示的血糖值。血糖儀應具有便攜、低功耗、易用和增強體驗等特性，這些要求將直接影響血糖儀產(chǎn)品的技術(shù)和利基市場(chǎng)。

傳感器和電流分析法

測量血糖的第一步是將血糖濃度轉換成電壓或電流信號，使用專(zhuān)門(mén)的傳感器測試條進(jìn)行電流分析可以實(shí)現這一步。傳感器使用鉑銀電極組成過(guò)氧化氫被電解電路的一部分。過(guò)氧化氫是葡萄糖在葡萄糖氧化膜上氧化的產(chǎn)物。流經(jīng)電路的電流可以用來(lái)度量過(guò)氧化氫的濃度，進(jìn)而得出血糖濃度。 需要指出的是，公式(圖1)中的表達式是線(xiàn)性的。這與實(shí)際情況有些不同，因為其它生化物質(zhì)可能也會(huì )有反應。

圖1：電極反應

血糖儀中的傳感器采用葡萄糖氧化酶電極，葡萄糖氧化酶在鍍鉑的活性碳電極中是穩定的。通過(guò)對酶化過(guò)氧化氫的電化學(xué)檢測，酶電極可以用于電流分析判斷。傳感器由各種電極組成：葡萄糖氧化膜層、能被葡萄糖滲透的聚亞安酯薄膜、氧和過(guò)氧化氫。

電流分析法測量驅動(dòng)電解反應的一對電極之間的電流。氧通過(guò)薄膜擴散，并將電壓施加到鉑電極，將O2變?yōu)镠2。這些起反應的電極是使用三電極設計的電流類(lèi)傳感器。在使用電流測量傳感器時(shí)這種方法很有用，因為在相同化學(xué)反應中測量電壓和電流很可靠。

三電極模型使用一個(gè)工作電極(WE)、一個(gè)參考電極(RE)和一個(gè)反電極(CE)。產(chǎn)生的電流必須轉換為電壓才能供微控制器(MCU)處理。這個(gè)工作由跨導放大器完成。最后，MCU利用ADC模塊檢測和處理這個(gè)信號。

舉例來(lái)說(shuō)，下面就是可以用來(lái)解釋電流分析的一個(gè)實(shí)用方法。在WE和RE電極上施加一個(gè)范圍從-200mV至8V的電壓，這個(gè)電壓定義了傳感器能夠以最大電流工作的電壓。當電流為18mA時(shí)，這個(gè)電壓值在4V左右。在選擇4V作為工作電壓后，我們可以獲得2至4秒的穩定時(shí)間。這意味著(zhù)這次可以獲得可靠的測量，因為達到了最大電流值。

設計目標

系統特性。從系統角度看，血糖儀由多個(gè)單元組成，這些單元通過(guò)互相作用來(lái)提供必要的功能。微控制器要求作為系統的主要協(xié)調者。根據應用范圍的不同可以選用內部或外部閃存或SRAM。存儲器很重要，因為測量值必須存儲起來(lái)，以便提供數據管理和測量值平均等基本功能。

低功耗。低功耗必須加以關(guān)注。目前大多數血糖儀設備是電池供電的，因此微控制器和LCD功耗應盡可能低。血糖儀有99%的時(shí)間處于允許跟蹤時(shí)間的特殊停止模式，但可以通過(guò)外部中斷喚醒。為了使運行模式下的電池壽命最長(cháng)，血糖儀制造商十分注重MCU工作頻率和喚醒時(shí)間。實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能也是需要的，因為大多數血糖儀有一個(gè)告警系統，用于在測量時(shí)間到時(shí)提醒用戶(hù)。

保持低成本。這個(gè)成本包括與設備(血糖儀)相關(guān)的成本和額外組件(測試條)方面的未來(lái)支出。血糖儀本身應具有高性?xún)r(jià)比，因為用戶(hù)會(huì )不斷購買(mǎi)新的測試條。

圖2：測試條基本架構框圖

數據管理。通過(guò)USB和無(wú)線(xiàn)方式建立連接非常需要，因為對醫生來(lái)說(shuō)數據管理很關(guān)鍵。分析正在使用血糖儀的病人數據非常關(guān)鍵，并且必須連接到計算機以圖形化方式顯示測量信息。

接口既要方便病人使用，又要功能足夠強大，以便醫生通過(guò)接口獲得盡可能多的信息。無(wú)線(xiàn)連接正變得日益重要，因為它不僅便于訪(fǎng)問(wèn)信息，而且能連接與血糖儀測量交互的其它設備，如胰島素泵，以幫助用戶(hù)管理正確的胰島素劑量。

鍵盤(pán)和人機界面可以通過(guò)按鈕和分段LCD、觸摸傳感接口和圖像化LCD等實(shí)現，所有這些設備也要通過(guò)微控制器進(jìn)行管理。

系統設計要素

系統的一個(gè)基本組件是測量引擎，它是一組模擬和數字IP模塊，用于與傳感器相互作用，然后向微控制器提供電壓，再由微控制器處理測量結果。將所有測量引擎嵌入微控制器具有一定的優(yōu)勢。一些8位微控制器和32位微控制器都有片上測量引擎，可降低成本，并使器件數量最少。推薦的測量引擎由以下元件組成：

數模轉換器(DAC):提供信號偏置。DAC輸出特殊的電壓到偏置傳感器(測試條)。DAC的關(guān)鍵參數是穩定時(shí)間，在大功耗模式下必須小于或等于1ms，在低功耗模式下必須小于或等于5μs。必須保證單一性，以便采用正確的波形偏置生物傳感器。

跨導放大器：用于將電流輸入轉換成ADC能讀取的電壓，并完成信號調整。其關(guān)鍵參數是偏置電流，必須小于500pA(常溫25℃時(shí))，以便測量化學(xué)反應期間生物傳感器產(chǎn)生的微小變化。

運算放大器：針對“超出范圍”設置的比較模式用于啟動(dòng)測量算法。針對“內部范圍”設置的比較模式能夠很容易識別化學(xué)反應的尖峰。通用放大器的一個(gè)關(guān)鍵參數是偏置電流，必須小于或等于2μA(常溫25℃時(shí))，以允許正確地設計單位增益緩沖器、低通濾波器、增益放大器、反相器和同相可編程增益放大器(PGA)。

模數轉換器(ADC): ADC的關(guān)鍵參數是精度，應大于或等于13.5位有效位數(ENOB)，以方便測量生物傳感器中產(chǎn)生的小信號。信號強度和值取決于制造商規范和技術(shù)。測量技術(shù)(用戶(hù)知識產(chǎn)權)影響精度值。

附加模塊(VREF，可編程時(shí)延模塊和日期時(shí)間模塊)：VREF是一種可微調的參考電壓，可用作模擬外設的參考;可編程時(shí)延模塊是一種膠連邏輯，用于控制ADC和DAC模塊的時(shí)序和觸發(fā)器?？删幊虝r(shí)延模塊和ADC一起用來(lái)以預設時(shí)間間隔執行測試并計算葡萄糖濃度;日期時(shí)間模塊用于保持對時(shí)間的跟蹤，并記錄測量發(fā)生時(shí)間。

圖3：血糖儀系統

軟件和USB連接性

軟件組件對血糖儀系統開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)也很重要。根據使用的軟件算法，血糖儀可以更具效率。符合醫學(xué)標準和組織的醫療設備可以實(shí)現互連，即使它們是由不同供應商制造的。

在解決USB連接性問(wèn)題時(shí)，需要考慮的重要標準是IEEE 11073。這個(gè)標準提供了通信接口的結構，不僅定義了訪(fǎng)問(wèn)數據的命令，還對待發(fā)送數據進(jìn)行了結構化處理，并定義了通信狀態(tài)。另外一個(gè)重要標準是USB本身。USB組織定義了個(gè)人健康護理設備等級(PHDC)，這是一個(gè)醫療設備用USB通信的標準實(shí)現。

這些獨立知識產(chǎn)權塊向具體供應商提供了開(kāi)發(fā)醫療USB連接的特定實(shí)現所需的工具。飛思卡爾公司提供這些獨立的構建模塊，從而使醫療設備(如血糖儀)的設計變得更加容易。有準備地使用為特定微控制器的外設開(kāi)發(fā)的軟件可以縮短系統開(kāi)發(fā)時(shí)間。這些驅動(dòng)程序可用來(lái)控制LCD、模擬外設和連接接口。如果驅動(dòng)程序在選擇微控制器時(shí)就提供了，那么對醫療設備開(kāi)發(fā)人員而言就是個(gè)優(yōu)勢。

本文小結

糖尿病是一個(gè)世界性的健康問(wèn)題，并且還在不斷加劇。幸運的是，通過(guò)測量血液中的葡萄糖含量，血糖儀可以方便糖尿病病人的日常護理，并幫助病人確定采取必要的藥物治療措施。血糖儀測試條與傳感器電路和血液發(fā)生反應后會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電流，供血糖儀進(jìn)行測量。

市場(chǎng)上的血糖儀通過(guò)精度、連接性、LCD顯示屏和數據管理功能選項實(shí)現了差異化。對血糖儀設計來(lái)說(shuō)，像低功耗和醫療軟件支持等關(guān)鍵特性非常重要。推薦使用集成了數字和模擬功能，并且合理平衡了成本的微控制器，以實(shí)現小型、低功耗和高性能的血糖儀設備?！　?br />