便攜式智能自我血糖監測儀器設計

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。

3 儀器性能分析與測試

3.1 操作方便、低功耗

患者開(kāi)機后只需按照提示即可完成測試全過(guò)程，操作界面簡(jiǎn)捷、友好。根據測試調理的輸出電壓如圖2所示，可知從滴血后20s左右反應趨于平穩，患者在正確操作步驟下測試時(shí)間不超過(guò)25s。由于采血采用虹吸試紙，單次采血量?jì)H需約3～ 5μL。選用MSP430系列低功耗單片機，儀器可根據測試過(guò)程中電壓的變化，在取出試紙后自動(dòng)斷電，有效地節省能耗。

3.2 測試范圍寬

按照1998年WTO 推薦的非胰島素依賴(lài)型糖尿病(NIDDW)的診斷標準，血糖小于7mmol/L為非糖尿病人(空腹血糖3。5～ 7 mmol/L 為正常范圍)，7～11。1mmol/L為糖耐量低下，大于11。1mmol/L為糖尿病人。經(jīng)過(guò)不同樣本的測試，本儀器的測試范圍可以達到2。 2～27。8mmol/L，完全覆蓋了人體血糖可能值的范圍。

3.3 測試數據可靠

為驗證該血糖檢測儀測定數據的真實(shí)可靠性，在山西大學(xué)第一醫院研究室進(jìn)行了臨床測試。分別用智能血糖儀和意大利大型生化分析儀 (BT?3000)對血糖濃度不同的測試樣本進(jìn)行檢測。檢測結果表明：二者具有很好的一致性，高血糖值處誤差比低血糖和正常血糖處大，需要進(jìn)一步標定和校準。把大型生化分析的測試值作為標準值，30組測試結果如表1所示。對測試數據進(jìn)行回歸分析，擬合結果如圖3所示?；貧w方程為

公式

式中：回歸系數b=0.9851，截距a=-0。0806，相關(guān)系數R=0。9962，標準差SD=0。2378。

表1 智能血糖儀與標準血糖值比較結果

4 結論

智能血糖自我監測儀測得的血糖濃度結果與高精度血糖儀測量結果有顯著(zhù)的相關(guān)性，并且具有操作簡(jiǎn)便，測量時(shí)間短，結果較準確可靠，高智能，低功耗等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化和改進(jìn)可成為一種供糖尿病患者在家庭中監測控制自身血糖濃度的理想儀器。