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(lái)，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(guò)18年的努力拼搏，取得了很大成績(jī)。本刊宗旨為：努力提高與普及醫(yī)學(xué)影像學(xué)知識(shí)，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(lái)，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(guò)18年的努力拼搏，取得了很大成績(jī)。本刊宗旨為：努力提高與普及醫(yī)學(xué)影像學(xué)知識(shí)，為保障人民身體健康而奮斗。
摘要：目的 提出一個(gè)無(wú)試紙式的血糖儀設(shè)計(jì)原理，以擺脫血糖儀對(duì)試紙的依賴(lài)。方法 采用MSP430系列單片機(jī)作為控制核心，加上血液預(yù)檢測(cè)、恒電位發(fā)生電路、信號(hào)檢測(cè)電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及LCD顯示等必要模塊形成完整功能的血糖儀。結(jié)果 在無(wú)試紙的前提下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)血糖的檢測(cè)，并可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，給用戶(hù)提供準(zhǔn)確可靠的信息。結(jié)論 該設(shè)計(jì)擺脫傳統(tǒng)血糖儀對(duì)試紙的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)無(wú)試紙式血糖儀。另外還增加了血量預(yù)檢測(cè)功能，進(jìn)一步提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。
關(guān)鍵詞：無(wú)試紙式;血糖儀;恒電位電路
當(dāng)前市面上常見(jiàn)的血糖儀可分為有酶和無(wú)酶兩種，但無(wú)論是有酶或者無(wú)酶血糖儀均搭配不可重復(fù)的試紙使用[1]。按照國(guó)際糖尿病聯(lián)盟(International Diabetes Federation，IDF)統(tǒng)計(jì)，2012年國(guó)內(nèi)糖尿病人數(shù)約占世界糖尿病人數(shù)的1/4，達(dá)9228萬(wàn)人之多。目前大多糖尿病患者每月實(shí)際自測(cè)次數(shù)大概為35次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(cè)4次的要求。而按實(shí)際市場(chǎng)試紙價(jià)格，患者每月僅在試紙上就要花費(fèi)200多元。如果擁有無(wú)試紙檢測(cè)方式[2]，則患者每年就可以節(jié)省購(gòu)買(mǎi)試紙的花費(fèi)2500元以上，而對(duì)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(jì)出一款無(wú)需試紙的血糖儀，不但減少使用者在檢測(cè)成本上的負(fù)擔(dān)，而且增加社會(huì)資源利用率，節(jié)約社會(huì)資源。
1血糖檢測(cè)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(cè)產(chǎn)生的自由電子移動(dòng)引起的電流信號(hào)值得到對(duì)應(yīng)的血糖濃度值。這便是設(shè)計(jì)該血糖儀的基本原理。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)血糖儀應(yīng)運(yùn)行速度快、功耗低等功能的實(shí)際需求，選用型號(hào)為MSP430F435單片機(jī)作為控制核心，主要模塊包括血液預(yù)檢測(cè)電路[4]、恒電位發(fā)生電路和信號(hào)檢測(cè)電路，另外還可加入LCD顯示和揚(yáng)聲器等模塊。整體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。
2.1 MSP430F435 單片機(jī) 本設(shè)計(jì)選用MSP430F435單片機(jī)是具有多種省電模式可以隨時(shí)切換，而且可以使用普通AA電池低電壓供電，能實(shí)現(xiàn)超低功耗運(yùn)行[5]。正是因?yàn)樗\(yùn)算速度快而且功耗低，MSP430F435單片機(jī)在便攜式儀器上的應(yīng)用是非常合適的，其優(yōu)勢(shì)更為明顯。它也有一個(gè)內(nèi)部參考水平，采樣功能、12位A/D轉(zhuǎn)換器自動(dòng)掃描和LCD驅(qū)動(dòng)集成超過(guò)160段的特點(diǎn)，以及其他功能，完全能夠滿(mǎn)足血糖儀的設(shè)計(jì)功能要求。
2.2血糖傳感器檢測(cè)端理想設(shè)計(jì) 血糖傳感器對(duì)于該血糖儀設(shè)計(jì)是關(guān)鍵部分，它選用一些催化性能較好的金屬進(jìn)行制作，其中鉑片作為對(duì)電極材料，的鈀-金(Pd-Au)合金作為工作電極，參比電極對(duì)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(duì)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(cè)端理想設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2，加上一個(gè)不導(dǎo)電的塑料作載體，三個(gè)電極裸露在載體表面。待測(cè)血液可直接滴到檢測(cè)端的電極上，檢測(cè)完畢后只需輕輕拭擦，清潔一下檢測(cè)端即可進(jìn)行第二次測(cè)量。
2.3血液預(yù)檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 由于該血糖儀設(shè)計(jì)的原理，滴入待測(cè)血液的多少會(huì)直接影響到測(cè)量的準(zhǔn)確度，因此在測(cè)量血糖之前，必須要對(duì)滴入血液的量有一定的要求。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)中加入血量預(yù)檢測(cè)電路[6]，目的就是檢測(cè)滴入的待測(cè)血液的量是不是在該設(shè)計(jì)的測(cè)量范圍內(nèi)，避免測(cè)出錯(cuò)誤的血糖質(zhì)量濃度值而誤導(dǎo)用戶(hù)。
本設(shè)計(jì)的血液預(yù)檢測(cè)電路是利用參比測(cè)量的方法，即判斷在參比電極與對(duì)電極之間形成的一個(gè)等效電阻是否與設(shè)定的額定電阻相等或者相近來(lái)達(dá)到自動(dòng)檢測(cè)功能。當(dāng)待測(cè)血液滴入傳感器測(cè)試端時(shí)，傳感器的參比電極與對(duì)電極之間電阻因有血液連通而變小，待測(cè)血液達(dá)到預(yù)定的量后，參比電極與對(duì)電極之間的等效電阻也達(dá)到預(yù)定值。若兩電極間的等效電阻達(dá)到預(yù)定值，說(shuō)明待測(cè)血液的量已經(jīng)滿(mǎn)足該設(shè)計(jì)的測(cè)量精度要求，可以進(jìn)行下一步的測(cè)量[7]。
本設(shè)計(jì)檢測(cè)電路選擇IO口供電，很大程度上降低了開(kāi)關(guān)機(jī)功耗，延長(zhǎng)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(jì)，見(jiàn)圖3。
該設(shè)計(jì)引用三電極法對(duì)待測(cè)血液進(jìn)行檢測(cè)，參比電極和工作電極對(duì)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(jiàn)圖3，運(yùn)行中的恒電位相當(dāng)于工作電極相對(duì)參比電極之間的電壓差。工作電極接地或者接一個(gè)實(shí)際基準(zhǔn)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(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)成利用精密基準(zhǔn)電位源提供恒電位的電路。
其中運(yùn)算放大器主要由其構(gòu)成恒電位電路的負(fù)反饋。C5作為補(bǔ)償電容。
2.5信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 信號(hào)檢測(cè)電路包括信號(hào)放大和A/V轉(zhuǎn)換電路，檢測(cè)血液反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的微電流信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為發(fā)送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的電壓信號(hào)[8]。然而反應(yīng)所產(chǎn)生的電流信號(hào)十分微弱，僅有μA --nA 級(jí)，這就需要經(jīng)過(guò)放大、A/V轉(zhuǎn)換、濾波等處理使其轉(zhuǎn)變成便于檢測(cè)的大電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)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(hào)進(jìn)行處理分析。
如圖4所示，運(yùn)算放大器LM358反相輸入端連接的對(duì)電極與地之間的等效電阻為Rx，當(dāng)待測(cè)血液滴入后，血糖濃度與流過(guò)該等效電阻的電流成一定的比例關(guān)系。因此可計(jì)算得出待測(cè)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(yùn)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(yùn)放隔離，原因是運(yùn)放直接與電容負(fù)載相連容易引起輸出震蕩。
3軟件設(shè)計(jì)
血糖儀需要實(shí)現(xiàn)一下幾個(gè)主要功能：血液預(yù)檢測(cè)、血糖濃度信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、LCD顯示等。該系統(tǒng)首先要對(duì)待測(cè)血量進(jìn)行預(yù)檢測(cè)[9]，對(duì)血量進(jìn)行判斷，足量方可進(jìn)行下一步檢測(cè)，若不足則要給用戶(hù)報(bào)錯(cuò)，提醒用戶(hù)正確使用。顯然，待機(jī)模式是為實(shí)現(xiàn)低功耗而設(shè)置的。當(dāng)用戶(hù)停止操作血糖儀短時(shí)間內(nèi)不需要進(jìn)行第二次測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)便自動(dòng)跳入待機(jī)模式，此時(shí)單片機(jī)MSP430處于一個(gè)低功耗運(yùn)行狀態(tài)，其他外圍元件的供電被單片機(jī)控制并切斷，使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作功耗降至最低。這也稱(chēng)為睡眠模式。此間系統(tǒng)會(huì)為用戶(hù)保持20s短暫運(yùn)行，若用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)再無(wú)輸入，系統(tǒng)則關(guān)閉，須重新按鍵啟動(dòng)方可再次使用。流程主圖見(jiàn)圖5。
4結(jié)論
與常見(jiàn)的血糖儀不同，該設(shè)計(jì)的血糖儀采用無(wú)試紙式檢測(cè)，杜絕了對(duì)試紙的依賴(lài)，大大減少檢測(cè)產(chǎn)本，并搭配功能強(qiáng)大的MSP430F435單片機(jī)，大大簡(jiǎn)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(jìn)一步提高。另外，增加了在待機(jī)狀態(tài)下血液預(yù)檢測(cè)功能，更有效地保證測(cè)量的準(zhǔn)確度，給用戶(hù)提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)信息。
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[3]孫常青.血糖儀的人機(jī)工程學(xué)研究[D].太原理工大學(xué)，2010.
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