一種便攜式智能血糖測試儀的研制

1、一種便攜式智能血糖測試儀的研制    一、引言血糖測試是指對人體血液中葡萄糖濃度的測量。對于糖尿病患者, 血糖濃度是反映病情狀況的一個重要指標,需經(jīng)常性地進行血糖測量以監(jiān)測病情的發(fā)展。因此, 便攜式血糖測試儀成為目前發(fā)展較快的一類家用醫(yī)療儀器, 它使患者在病情較穩(wěn)定的階段可以自行監(jiān)測血糖濃度。本文將介紹一種以單片機為核心的便攜式智能血糖測試儀。二、血糖測量的原理1. 葡萄糖氧化酶印刷電極便攜式智能血糖測試儀采用一次性使用的葡萄糖氧化酶印刷電極(下簡稱酶電極) 作為傳感器,酶電極的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 酶電極的結(jié)構(gòu)給酶電極加恒定的工作電壓V , 將被測血樣

2、滴在測量點上, 電極上的氧化酶即與血樣中的葡萄糖發(fā)生反應(yīng), 其特點是經(jīng)過一段時間后(約30s) , 酶電極的電流與血樣中葡萄糖濃度呈一定的線性關(guān)系, 圖2 所示為測量過程中酶電極的電流變化曲線。實驗表明, 在0. 4V的工作電壓下, 對應(yīng)于225mmol/ L的血糖濃度, 酶電極的電流響應(yīng)約3 50A。圖2 酶電極的響應(yīng)曲線2. 參比測量法由于酶電極具有一定的分散性,所以實際測量中采用參比電極測量法。參比電極是按如下方法確定的: 從同一批酶電極中抽樣選擇若干酶電極對已知濃度( C0 ) 的試樣進行測量,其響應(yīng)電流的平均值I0 就是反映這一批酶電極性能的特征參數(shù)。參比電極就是一個固定電阻,其阻值

3、等于工作電壓V 除以平均響應(yīng)電流I0 。使用參比電極的測量步驟是:先將參比電極插入測試儀的電極插口中, 儀器測得電流I0 ,該過程稱作標定;再用酶電極對血樣進行正常的測量,測得電流I , 則血糖濃度按如下公式計算:C = ( C0·I) / I03. 溫度補償葡萄糖氧化酶對溫度的變化比較敏感,實驗中以25 的響應(yīng)值為基準,在040 的溫度變化范圍內(nèi),葡萄糖氧化酶響應(yīng)的溫度系數(shù)Kt 為0. 71. 2 , 溫度越高,響應(yīng)值越大?？梢娨ＷC測量的精度,必須進行溫度補償?？紤]溫度補償?shù)难菨舛扔嬎愎饺缦?C = ( C0·I) / ( I0·Kt)在本測試儀中, 環(huán)境

4、溫度的測量采用半導(dǎo)體熱敏電阻, 熱敏電阻的阻值在050 的范圍內(nèi)與溫度基本呈反比關(guān)系。給熱敏電阻恒壓供電,測量其響應(yīng)電流, 即可測得熱敏電阻的當(dāng)前阻值并計算出環(huán)境溫度。三、硬件設(shè)計便攜式智能血糖測試儀的硬件由89C51單片機芯片、液晶顯示器、V / F 變換器、恒電位測量電路、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、溫度電阻、標準電阻、電源電壓監(jiān)測和電池等部分組成。圖3 所示為恒電位測量電路的原理圖,Rx 代表酶電極。電壓基準源LM336 提供的2. 5V 電壓經(jīng)過分壓后獲得0. 4V 工作電壓, 經(jīng)電壓跟隨器對酶電極進行恒電位激勵;根據(jù)運算放大器的特性, If Io0 , 則響應(yīng)電流I x Io ; 該電流信號由取樣

5、電阻R1 獲得,經(jīng)差動放大為02. 5V 的電壓信號送V / F 變換器。圖3 恒電位測量電路多路開關(guān)4051 可將測量通道在測量插口(酶電極或參比電極) 、熱敏電阻、10k 標準電阻和空載之間切換。當(dāng)切換到熱敏電阻時,系統(tǒng)測量環(huán)境溫度并進行溫度補償。當(dāng)切換到空載時,系統(tǒng)測得測量通道的零點漂移;當(dāng)系統(tǒng)切換到10k標準電阻時, 系統(tǒng)可測得通道增益的漂移, 系統(tǒng)可根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行自校正計算。系統(tǒng)由3 節(jié)7 號1. 5V 電池供電,當(dāng)電壓低于4V 即顯示電壓過低。整機運行功耗小于0. 125mW; 系統(tǒng)在軟件控制下定時關(guān)機, 關(guān)機后89C51 處于掉電模式, 其片內(nèi)RAM 中保存測量結(jié)果和標定數(shù)據(jù),

6、 維持電流約50A。整機僅有一個按鍵, 按壓該鍵系統(tǒng)將開機或復(fù)位。四、軟件設(shè)計圖4 所示為便攜式血糖測量儀的系統(tǒng)程序流程圖,89C51 的定時器0 工作在定時中斷方式, 其中斷服務(wù)程序完成系統(tǒng)時鐘、LCD 驅(qū)動、讀V / F 結(jié)果等工作。定時器1工作在計數(shù)方式,在定時器0 的控制下測量V / F 輸出的頻率信號。主程序按本文第一節(jié)所述的方法和步驟實現(xiàn)整個測量過程, 其中采用了一些基本的智能化技術(shù),如:自動補償、信息的自動識別、測量的可信度評價等。圖4 便攜式智能血糖測試儀的程序流程圖1. 自動補償測量儀在每次開機或復(fù)位后都進行一次自校正測量和溫度補償測量, 獲得的自校正系數(shù)和溫度補償系數(shù)將帶入

7、以下的測量計算中。具體步驟如前所述。2. 信息的自動判別由于測量儀只有一個操作按鍵, 所以測量的過程信息要根據(jù)測量信號的特征進行自動判別。測量儀在30s 倒計時中, 連續(xù)測量插口的信號, 監(jiān)測其響應(yīng)值是否超過一個約定的閥值(略大于空載值) 。若超過閥值則判斷用戶已將血樣滴在酶電極上或插入的是參比電極, 程序進入正讀秒的測量階段。若30s 倒計完時, 測量的信號仍為空載, 則判斷用戶不再進行測量, 系統(tǒng)關(guān)機。測量儀進入正讀秒測量狀態(tài)后, 在前10s 根據(jù)信號的響應(yīng)特征判斷插入的是酶電極還是參比電極: 酶電極的響應(yīng)信號是一個變化的過程(如圖2 所示) ; 而參比電極的響應(yīng)信號則是恒定的。3. 測量的可信度評價在進行自校正和標定測量時, 由于信號的變化范圍是已知的, 所以對測量數(shù)據(jù)均進行判斷, 對超過上、下限取值的信號判斷為系統(tǒng)故障或操作錯誤。每次血樣測量后, 在顯示10s 本次的的測量結(jié)果后, 再將上一次的測量結(jié)果交替顯示8s 才關(guān)機, 提醒用戶比較兩次測量, 若差別較大則應(yīng)注意判斷是病情好轉(zhuǎn)、病情惡化還是操作上的錯誤。五、結(jié)束語本文所介紹的便攜式智能血糖測試儀已通過有關(guān)部門的鑒定, 測試儀電氣部分的測量性能為: 電流測量范圍050A ,分辨率0. 1A ,精度