便攜式智能自我血糖監(jiān)測儀器設(shè)計

0 引言

糖尿病是一種常見的代謝內(nèi)分泌疾病，是由于人體內(nèi)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(nèi)的流行疾病。近年來其發(fā)病呈顯著上升趨勢，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4000萬人，目前的治療方式主要是對病人體內(nèi)的葡萄糖代謝進(jìn)行調(diào)控，臨床治療給藥的重要依據(jù)是病人的血液葡萄糖含量。因此，通過自我監(jiān)測血糖儀來追蹤、評估糖尿病的控制是很重要的。特別是自我監(jiān)測血糖儀可以在醫(yī)院甚至家中方便、迅速地檢出結(jié)果，目前市場血糖儀產(chǎn)品只能給出血糖值，患者要據(jù)此調(diào)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(jiān)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、價格昂貴、檢測過程繁瑣，不適用于中小醫(yī)院、急診和病人對病情長期的自我監(jiān)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(yīng)用于醫(yī)療檢測之中。這些傳感器的一個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(yīng)生成的電子來還原受電子體，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(dāng)血液滴入血糖測試電極后，發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，在反應(yīng)過程中傳輸介質(zhì)中的二價鐵離子失去電子，發(fā)生了氧化反應(yīng)，葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖生成H2O2和葡萄糖酸，H2O2將二價鐵離子氧化，氧化還原過程中發(fā)生了電子得失現(xiàn)象，在一定電壓的作用下，形成了氧化電流。通過檢測電流變化與葡萄糖濃度近似呈線性關(guān)系，從而達(dá)到檢測血糖濃度的目的。具體的反應(yīng)方程式如下：

2 儀器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

整個儀器系統(tǒng)由酶電極傳感部分、信號調(diào)理(電流電壓轉(zhuǎn)換、放大濾波部分)、溫度補(bǔ)償部分、液晶顯示部分、單片機(jī)、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(dá)到微安量級，不便于測量和分析，所以將其先轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后再進(jìn)行電壓放大。由于來自電源和各種因素干擾信號產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲影響測試精度，因而應(yīng)設(shè)計濾波電路去除干擾信號，使得測試更加精確。經(jīng)過處理后的電壓值傳送給內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換的單片機(jī)MSP430中，單片機(jī)經(jīng)過計算得出血糖的濃度值，再利用液晶將結(jié)果顯示出來。

2.2 主要測試過程

檢測系統(tǒng)中信號調(diào)理電路如圖2所示。儀器開機(jī)上電后，單片機(jī)控制多路開關(guān)S1閉合，前級運(yùn)放輸入為R1和R2分壓值，設(shè)定為0.4V。根據(jù)跟隨器和理想運(yùn)放特性，此時后級輸出不變也為0.4V，經(jīng)過A/D 變換輸入單片機(jī)，控制顯示屏顯示“請插入試紙”。當(dāng)系統(tǒng)插入血糖試紙時，S2閉合，R4引入電路。后級運(yùn)放構(gòu)成同相放大器，調(diào)整R4使電路輸出值為 0.6V。經(jīng)過A/D 變換輸入單片機(jī)，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(jī)，反應(yīng)結(jié)束后根據(jù)電壓變化計算出血糖值并顯示。

2.3 溫度補(bǔ)償

環(huán)境溫度的變化引起檢測系統(tǒng)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(tǒng)中溫度補(bǔ)償電路采用DALLAS公司的單總線微型溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)，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)過多路開關(guān)輸入單片機(jī)，CPU根據(jù)血糖測試電極的溫度特性進(jìn)行測試結(jié)果誤差的自動修正。

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得到個人病情信息和顯示簡單的處理辦法和注意事項(xiàng)。此功能主要是通過調(diào)用固化了的帶有糖尿病知識庫的智能芯片中的信息來實(shí)現(xiàn)的。該芯片中所固化的知識庫是根據(jù)世界衛(wèi)生組織、國際糖尿病聯(lián)盟和中國糖尿病學(xué)會批準(zhǔn)出版的治療指南制成的，指南在糖尿病分析方面具有權(quán)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

患者開機(jī)后只需按照提示即可完成測試全過程，操作界面簡捷、友好。根據(jù)測試調(diào)理的輸出電壓如圖2所示，可知從滴血后20s左右反應(yīng)趨于平穩(wěn)，患者在正確操作步驟下測試時間不超過25s。由于采血采用虹吸試紙，單次采血量僅需約3～ 5μL。選用MSP430系列低功耗單片機(jī)，儀器可根據(jù)測試過程中電壓的變化，在取出試紙后自動斷電，有效地節(jié)省能耗。

3.2 測試范圍寬

按照1998年WTO 推薦的非胰島素依賴型糖尿病(NIDDW)的診斷標(biāo)準(zhǔn)，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)過不同樣本的測試，本儀器的測試范圍可以達(dá)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(shù)據(jù)可靠

為驗(yàn)證該血糖檢測儀測定數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性，在山西大學(xué)第一醫(yī)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(jié)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(biāo)定和校準(zhǔn)。把大型生化分析的測試值作為標(biāo)準(zhǔn)值，30組測試結(jié)果如表1所示。對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合結(jié)果如圖3所示。回歸方程為

公式

式中：回歸系數(shù)b=0.9851，截距a=-0。0806，相關(guān)系數(shù)R=0。9962，標(biāo)準(zhǔn)差SD=0。2378。

表1 智能血糖儀與標(biāo)準(zhǔn)血糖值比較結(jié)果

4 結(jié)論

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