本文摘要：本篇文章是由 《醫(yī)學(xué)影像學(xué)》 發(fā)表的優(yōu)秀醫(yī)學(xué)論文，自1990年創(chuàng)刊以來，始終狠抓質(zhì)量，以讀者為中心，全心全意為讀者，作者服務(wù)，經(jīng)過18年的努力拼搏，取得了很大成績。本刊宗旨為：努力提高與普及醫(yī)學(xué)影像學(xué)知識，為保障人民身體健康而奮斗。 摘要：目的 提
本篇文章是由《醫(yī)學(xué)影像學(xué)》發(fā)表的優(yōu)秀醫(yī)學(xué)論文，自1990年創(chuàng)刊以來，始終狠抓質(zhì)量，以讀者為中心，全心全意為讀者，作者服務(wù)，經(jīng)過18年的努力拼搏，取得了很大成績。本刊宗旨為：努力提高與普及醫(yī)學(xué)影像學(xué)知識，為保障人民身體健康而奮斗。
摘要：目的 提出一個無試紙式的血糖儀設(shè)計原理，以擺脫血糖儀對試紙的依賴。方法 采用MSP430系列單片機作為控制核心，加上血液預(yù)檢測、恒電位發(fā)生電路、信號檢測電路、數(shù)據(jù)存儲及LCD顯示等必要模塊形成完整功能的血糖儀。結(jié)果 在無試紙的前提下，實現(xiàn)了對血糖的檢測，并可進行數(shù)據(jù)分析處理，給用戶提供準確可靠的信息。結(jié)論 該設(shè)計擺脫傳統(tǒng)血糖儀對試紙的依賴，實現(xiàn)無試紙式血糖儀。另外還增加了血量預(yù)檢測功能，進一步提高了測量的準確度。
關(guān)鍵詞：無試紙式;血糖儀;恒電位電路
當前市面上常見的血糖儀可分為有酶和無酶兩種，但無論是有酶或者無酶血糖儀均搭配不可重復(fù)的試紙使用[1]。按照國際糖尿病聯(lián)盟(International Diabetes Federation，IDF)統(tǒng)計，2012年國內(nèi)糖尿病人數(shù)約占世界糖尿病人數(shù)的1/4，達9228萬人之多。目前大多糖尿病患者每月實際自測次數(shù)大概為35次，遠遠不及世界衛(wèi)生組織( WHO)的糖尿病患者血糖水平每天至少檢測4次的要求。而按實際市場試紙價格，患者每月僅在試紙上就要花費200多元。如果擁有無試紙檢測方式[2]，則患者每年就可以節(jié)省購買試紙的花費2500元以上，而對于所有患者而言，每年將可以節(jié)省幾百億甚至上千億元。這就有必要設(shè)計出一款無需試紙的血糖儀，不但減少使用者在檢測成本上的負擔(dān)，而且增加社會資源利用率，節(jié)約社會資源。
1血糖檢測原理
血糖是指人體血液中的葡萄糖，在一定的條件下，在給催化電極施加一定頻率的恒電壓刺激，使血液中的葡萄糖發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生自由電子，產(chǎn)生的自由電子總量和參與分解的葡萄糖分子總量成正相關(guān)關(guān)系[3]，檢測產(chǎn)生的自由電子移動引起的電流信號值得到對應(yīng)的血糖濃度值。這便是設(shè)計該血糖儀的基本原理。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
根據(jù)血糖儀應(yīng)運行速度快、功耗低等功能的實際需求，選用型號為MSP430F435單片機作為控制核心，主要模塊包括血液預(yù)檢測電路[4]、恒電位發(fā)生電路和信號檢測電路，另外還可加入LCD顯示和揚聲器等模塊。整體設(shè)計見圖1。
2.1 MSP430F435 單片機 本設(shè)計選用MSP430F435單片機是具有多種省電模式可以隨時切換，而且可以使用普通AA電池低電壓供電，能實現(xiàn)超低功耗運行[5]。正是因為它運算速度快而且功耗低，MSP430F435單片機在便攜式儀器上的應(yīng)用是非常合適的，其優(yōu)勢更為明顯。它也有一個內(nèi)部參考水平，采樣功能、12位A/D轉(zhuǎn)換器自動掃描和LCD驅(qū)動集成超過160段的特點，以及其他功能，完全能夠滿足血糖儀的設(shè)計功能要求。
2.2血糖傳感器檢測端理想設(shè)計 血糖傳感器對于該血糖儀設(shè)計是關(guān)鍵部分，它選用一些催化性能較好的金屬進行制作，其中鉑片作為對電極材料，的鈀-金(Pd-Au)合金作為工作電極，參比電極對材料要求不高，因此選用普通的金屬銅。根據(jù)中山大學(xué)閆龍龍等人的研究，Pd和Au的結(jié)合，對葡萄糖選擇性氧化表現(xiàn)出了良好的催化活性。血糖傳感器檢測端理想設(shè)計見圖2，加上一個不導(dǎo)電的塑料作載體，三個電極裸露在載體表面。待測血液可直接滴到檢測端的電極上，檢測完畢后只需輕輕拭擦，清潔一下檢測端即可進行第二次測量。
2.3血液預(yù)檢測電路設(shè)計 由于該血糖儀設(shè)計的原理，滴入待測血液的多少會直接影響到測量的準確度，因此在測量血糖之前，必須要對滴入血液的量有一定的要求。所以我們在設(shè)計中加入血量預(yù)檢測電路[6]，目的就是檢測滴入的待測血液的量是不是在該設(shè)計的測量范圍內(nèi)，避免測出錯誤的血糖質(zhì)量濃度值而誤導(dǎo)用戶。
本設(shè)計的血液預(yù)檢測電路是利用參比測量的方法，即判斷在參比電極與對電極之間形成的一個等效電阻是否與設(shè)定的額定電阻相等或者相近來達到自動檢測功能。當待測血液滴入傳感器測試端時，傳感器的參比電極與對電極之間電阻因有血液連通而變小，待測血液達到預(yù)定的量后，參比電極與對電極之間的等效電阻也達到預(yù)定值。若兩電極間的等效電阻達到預(yù)定值，說明待測血液的量已經(jīng)滿足該設(shè)計的測量精度要求，可以進行下一步的測量[7]。
本設(shè)計檢測電路選擇IO口供電，很大程度上降低了開關(guān)機功耗，延長電池的使用壽命，還可以消除由參考電壓變化所引起的誤差。
2.4恒電位發(fā)生電路設(shè)計，見圖3。
該設(shè)計引用三電極法對待測血液進行檢測，參比電極和工作電極對電壓的穩(wěn)定性要求比較高，不可選擇直接電源供電的方式，而應(yīng)采用恒電位發(fā)生電路產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓供給。
其基本原理見圖3，運行中的恒電位相當于工作電極相對參比電極之間的電壓差。工作電極接地或者接一個實際基準電位源，反應(yīng)產(chǎn)生的電流注入某一通道和注入地在本質(zhì)上是一樣的，為了提高恒電位的準確性，設(shè)計成利用精密基準電位源提供恒電位的電路。
其中運算放大器主要由其構(gòu)成恒電位電路的負反饋。C5作為補償電容。
2.5信號檢測電路設(shè)計 信號檢測電路包括信號放大和A/V轉(zhuǎn)換電路，檢測血液反應(yīng)過程中產(chǎn)生的微電流信號，并轉(zhuǎn)換為發(fā)送到單片機中進行數(shù)據(jù)處理的電壓信號[8]。然而反應(yīng)所產(chǎn)生的電流信號十分微弱，僅有μA --nA 級，這就需要經(jīng)過放大、A/V轉(zhuǎn)換、濾波等處理使其轉(zhuǎn)變成便于檢測的大電壓信號，再經(jīng)過單片機自帶A /D 轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)化成為其能夠處理的數(shù)字信號進行處理分析。
如圖4所示，運算放大器LM358反相輸入端連接的對電極與地之間的等效電阻為Rx，當待測血液滴入后，血糖濃度與流過該等效電阻的電流成一定的比例關(guān)系。因此可計算得出待測血液的血糖濃度值。
其中，起到反饋放大的作用，它很好地將運算放大器的輸出電壓限制在A /D模塊的轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)。起濾波作用，以減少電路本身的干擾。而 的作用就是把電容和運放隔離，原因是運放直接與電容負載相連容易引起輸出震蕩。
3軟件設(shè)計
血糖儀需要實現(xiàn)一下幾個主要功能：血液預(yù)檢測、血糖濃度信號檢測、數(shù)據(jù)儲存、LCD顯示等。該系統(tǒng)首先要對待測血量進行預(yù)檢測[9]，對血量進行判斷，足量方可進行下一步檢測，若不足則要給用戶報錯，提醒用戶正確使用。顯然，待機模式是為實現(xiàn)低功耗而設(shè)置的。當用戶停止操作血糖儀短時間內(nèi)不需要進行第二次測量時，系統(tǒng)便自動跳入待機模式，此時單片機MSP430處于一個低功耗運行狀態(tài)，其他外圍元件的供電被單片機控制并切斷，使整個系統(tǒng)的運作功耗降至最低。這也稱為睡眠模式。此間系統(tǒng)會為用戶保持20s短暫運行，若用戶對系統(tǒng)再無輸入，系統(tǒng)則關(guān)閉，須重新按鍵啟動方可再次使用。流程主圖見圖5。
4結(jié)論
與常見的血糖儀不同，該設(shè)計的血糖儀采用無試紙式檢測，杜絕了對試紙的依賴，大大減少檢測產(chǎn)本，并搭配功能強大的MSP430F435單片機，大大簡化該血糖儀的電路結(jié)構(gòu)，不僅令制造成本降低，而且使儀器本身的可靠性和穩(wěn)定性進一步提高。另外，增加了在待機狀態(tài)下血液預(yù)檢測功能，更有效地保證測量的準確度，給用戶提供準確可靠的數(shù)據(jù)信息。
參考文獻：
[1]Longlong Yan. Efficient and poison-tolerant PdxAuy/C binary electrocatalysts for glucose electrooxidation in alkaline medium [J]. Netherlands Applied catalysis B， Environmental， 2014，01：150-151，268-274.
[2]蔣開偉.基于MSP430F435的血糖儀研究與設(shè)計[D].北京交通大學(xué)，2006.
[3]孫常青.血糖儀的人機工程學(xué)研究[D].太原理工大學(xué)，2010.
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