便攜式智能自我血糖監(jiān)測儀器設計

0 引言

糖尿病是一種常見的代謝內分泌疾病，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的葡萄糖代謝進行調控，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、迅速地檢出結果，目前市場血糖儀產品只能給出血糖值，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(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用化便有了快速的進步，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(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與酶的反應生成的電子來還原受電子體，測定裝置利用電化學方法，即測該受電子體的還原量，進行檢測物質的定量分析。

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，在反應過程中傳輸介質中的二價鐵離子失去電子，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 儀器設計與實現(xiàn)

2.1 硬件結構

整個儀器系統(tǒng)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，然后再進行電壓放大。由于來自電源和各種因素干擾信號產生的系統(tǒng)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。經過處理后的電壓值傳送給內置A/D 轉換的單片機MSP430中，單片機經過計算得出血糖的濃度值，再利用液晶將結果顯示出來。

2.2 主要測試過程

檢測系統(tǒng)中信號調理電路如圖2所示。儀器開機上電后，單片機控制多路開關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，此時后級輸出不變也為0.4V，經過A/D 變換輸入單片機，控制顯示屏顯示“請插入試紙”。當系統(tǒng)插入血糖試紙時，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。經過A/D 變換輸入單片機，并控制顯示屏顯示“請滴血”。滴血后產生的電流信號從“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(tǒng)零點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)中溫度補償電路采用DALLAS公司的單總線微型溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)，其測溫范圍為-55～+125℃，測量分辨率為0.0625℃，測溫精度為±0.5℃。溫度信號經過多路開關輸入單片機，CPU根據血糖測試電極的溫度特性進行測試結果誤差的自動修正。

2.4 智能芯片

為了進一步提高儀器的實用性，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。此功能主要是通過調用固化了的帶有糖尿病知識庫的智能芯片中的信息來實現(xiàn)的。該芯片中所固化的知識庫是根據世界衛(wèi)生組織、國際糖尿病聯(lián)盟和中國糖尿病學會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

患者開機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(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，儀器可根據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。經過不同樣本的測試，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(shù)據可靠

為驗證該血糖檢測儀測定數(shù)據的真實可靠性，在山西大學第一醫(yī)院研究室進行了臨床測試。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(shù)據進行回歸分析，擬合結果如圖3所示?；貧w方程為

公式

式中：回歸系數(shù)b=0.9851，截距a=-0。0806，相關系數(shù)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(jiān)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的相關性，并且具有操作簡便，測量時間短，結果較準確可靠，高智能，低功耗等優(yōu)點，經過優(yōu)化和改進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。