便攜式智能自我血糖監測儀器設計方案

0 引言

　　糖尿病是一種常見(jiàn)的代謝內分泌疾病，是由于人體內缺乏胰島素或其受體異常所致，以高血糖為主要特征，為一種世界范圍內的流行疾病。近年來(lái)其發(fā)病呈顯著(zhù)上升趨勢，目前全世界約有10% 的成年人身患此病[1]。在我國，糖尿病患者約有4000萬(wàn)人，目前的治療方式主要是對病人體內的葡萄糖代謝進(jìn)行調控，臨床治療給藥的重要依據是病人的血液葡萄糖含量。因此，通過(guò)自我監測血糖儀來(lái)追蹤、評估糖尿病的控制是很重要的。特別是自我監測血糖儀可以在醫院甚至家中方便、迅速地檢出結果，目前市場(chǎng)血糖儀產(chǎn)品只能給出血糖值，患者要據此調整治療方案、飲食控制還存在一定困難。另外，測試精度、測試范圍都存在不足。因此，研究精度高、智能化的血糖監測儀器有重要的意義。

　　1 檢測原理

　　臨床診斷中所用到的大型檢測儀器由于體積大、價(jià)格昂貴、檢測過(guò)程繁瑣，不適用于中小醫院、急診和病人對病情長(cháng)期的自我監測，生物傳感器中酶電極的實(shí)用化便有了快速的進(jìn)步，如葡萄糖、乳酸、膽固醇、尿素、氨基酸用的酶電極正被廣泛地應用于醫療檢測之中。這些傳感器的一個(gè)共性就是利用微生物、酶、抗體等生物材料的分子識別能力，并以生物材料作為分子識別元件的傳感器;然后利用試樣液中含有的被檢測物質(zhì)與酶的反應生成的電子來(lái)還原受電子體，測定裝置利用電化學(xué)方法，即測該受電子體的還原量，進(jìn)行檢測物質(zhì)的定量分析。

　　本儀器的檢測原理是基于在電極表面固化上葡萄糖氧化酶(GOD)，當血液滴入血糖測試電極后，發(fā)生了氧化還原反應，在反應過(guò)程中傳輸介質(zhì)中的二價(jià)鐵離子失去電子，發(fā)生了氧化反應，葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖生成H2O2和葡萄糖酸，H2O2將二價(jià)鐵離子氧化，氧化還原過(guò)程中發(fā)生了電子得失現象，在一定電壓的作用下，形成了氧化電流。通過(guò)檢測電流變化與葡萄糖濃度近似呈線(xiàn)性關(guān)系，從而達到檢測血糖濃度的目的。具體的反應方程式如下：

　　2 儀器設計與實(shí)現

　　2.1 硬件結構

　　整個(gè)儀器系統由酶電極傳感部分、信號調理(電流電壓轉換、放大濾波部分)、溫度補償部分、液晶顯示部分、單片機、智能芯片組成，如圖1所示。滴血在酶電極后產(chǎn)生的微電流較小，只能達到微安量級，不便于測量和分析，所以將其先轉換成電壓信號，然后再進(jìn)行電壓放大。由于來(lái)自電源和各種因素干擾信號產(chǎn)生的系統噪聲影響測試精度，因而應設計濾波電路去除干擾信號，使得測試更加精確。經(jīng)過(guò)處理后的電壓值傳送給內置A/D 轉換的單片機MSP430中，單片機經(jīng)過(guò)計算得出血糖的濃度值，再利用液晶將結果顯示出來(lái)。

　　2.2 主要測試過(guò)程

　　檢測系統中信號調理電路如圖2所示。儀器開(kāi)機上電后，單片機控制多路開(kāi)關(guān)S1閉合，前級運放輸入為R1和R2分壓值，設定為0.4V。根據跟隨器和理想運放特性，此時(shí)后級輸出不變也為0.4V，經(jīng)過(guò)A/D 變換輸入單片機，控制顯示屏顯示“請插入試紙”。當系統插入血糖試紙時(shí)，S2閉合，R4引入電路。后級運放構成同相放大器，調整R4使電路輸出值為0.6V。經(jīng)過(guò)A/D 變換輸入單片機，并控制顯示屏顯示“請滴血”。滴血后產(chǎn)生的電流信號從“Input”輸入，輸出電壓信號突變并變換后輸入單片機，反應結束后根據電壓變化計算出血糖值并顯示。

　　2.3 溫度補償

　　環(huán)境溫度的變化引起檢測系統零點(diǎn)漂移和靈敏度的變化而造成測量誤差。為消除環(huán)境溫度的影響，系統中溫度補償電路采用DALLAS公司的單總線(xiàn)微型溫度傳感器DS18B20實(shí)現，其測溫范圍為-55～+125℃，測量分辨率為0.0625℃，測溫精度為±0.5℃。溫度信號經(jīng)過(guò)多路開(kāi)關(guān)輸入單片機，CPU根據血糖測試電極的溫度特性進(jìn)行測試結果誤差的自動(dòng)修正。

　　2.4 智能芯片

　　為了進(jìn)一步提高儀器的實(shí)用性，盡可能地方便患者，儀器中引入了人工智能原理，患者可在檢測自身血糖濃度的同時(shí)得到個(gè)人病情信息和顯示簡(jiǎn)單的處理辦法和注意事項。此功能主要是通過(guò)調用固化了的帶有糖尿病知識庫的智能芯片中的信息來(lái)實(shí)現的。該芯片中所固化的知識庫是根據世界衛生組織、國際糖尿病聯(lián)盟和中國糖尿病學(xué)會(huì )批準出版的治療指南制成的，指南在糖尿病分析方面具有權威性?；颊呖稍跍y得血糖值后，在操作界面選擇“推理”功能。