手持式血糖儀的研制

手持式血糖儀的研制

一、糖尿病并發(fā)癥的預(yù)防中國的糖尿病總數(shù)超過4000萬個。糖尿病是腫瘤、心理疾病和心腦血管疾病的第四大慢性病。據(jù)醫(yī)學(xué)資料統(tǒng)計分析,糖尿病患者54.5%死于失血性心臟病,11.1%死于腦血管病變,7.2%死于腎衰竭,其他則造成失明,截肢等并發(fā)癥,嚴重威脅病人健康生活。隨著近年糖尿病知識的普及,病人對生活質(zhì)量要求的提高,對手持式家用血糖儀等產(chǎn)品的需求正逐年增加。但由于進口產(chǎn)品的高昂價格,使我國目前每年的自我血糖診斷測試市場用品消耗不到10億元人民幣。醫(yī)保和社會福利支出正承受著大量糖尿病人因長期不進行血糖監(jiān)控導(dǎo)致并發(fā)癥產(chǎn)生,而必須進行重癥醫(yī)治和手術(shù)的巨大負擔。手持式家用血糖儀的開發(fā)和普及使用,將在很大程度上減緩病人的并發(fā)癥發(fā)病進程,進而達到糖尿病的控制、治療甚至康復(fù)的目的。二、酶電極試樣檢測本文所實施血糖濃度測定,是通過絲網(wǎng)印刷方法制得酶電極試紙,采集約3μl指血,指血中的葡萄糖與電極表面的氧化酶快速反應(yīng)產(chǎn)生氧化電流,在單片機的控制下檢測血樣響應(yīng)電流的大小,從而計算得出準確的血糖濃度值。血糖測試儀所使用的絲網(wǎng)印刷酶電極試紙如圖l所示。酶電極試紙的工作原理如下:檢測儀在插入儀器的絲印電極兩端施加一定的恒定電壓如300mV,當被測血樣(3μl)吸入電極工作區(qū)后,工作區(qū)內(nèi)的葡萄糖氧化酶與血樣中的葡萄糖發(fā)生氧化還原反應(yīng)。經(jīng)過快速的生化反應(yīng)(約5s)后,酶電極試紙的響應(yīng)電流在0.6～10μA之間,與被測血樣中葡萄糖濃度呈線性關(guān)系。三、ht54系統(tǒng)和a/d轉(zhuǎn)換電路本家用血糖儀的硬件電路主要由合泰HT46R54單片機和一些外圍電路模塊組成,外圍模塊主要包括恒電位激勵、按鍵檢測、低功耗電源、電源電壓檢測模塊、液晶顯示驅(qū)動、時鐘和E2PROM等。合泰HT46R54單片機是目前市場上較常用、集成度相對比較高的8位高性能精簡指令集單片機,具備低功耗的全靜態(tài)CMOS設(shè)計,本身自帶8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器,I/O使用靈活,計數(shù)器、振蕩類型可選擇,具脈寬調(diào)制功能、暫停和喚醒功能、看門狗定時器、蜂鳴器輸出等,實現(xiàn)了體積小、功能全、使用方便等特點,適合于需要A/D轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品,例如傳感器信號輸入、充電器、電機控制、工業(yè)控制、消費類產(chǎn)品、子系統(tǒng)控制器、手持式家用醫(yī)療電子產(chǎn)品等應(yīng)用中。HT46R54單片機管腳排列見圖2,引腳功能見表1。由引腳排列可看出HT46R54是一種功能齊全的緊湊型單片機,包含8路12位A/D轉(zhuǎn)換器,免除了某些單片機因A/D轉(zhuǎn)換精度不夠需外置A/D轉(zhuǎn)換芯片的麻煩,同時,還具備了大部分測控模塊,減少了外圍電路的設(shè)置,保證了儀器使用的高可靠性。HT46R54單片機的主要性能參數(shù)如下:(1)工作電壓:2V～5.5V,工作頻率:DC～8MHz;(2)程序存儲器:4K×15位一次性編程ROM;(3)數(shù)據(jù)存儲器:280×8RAM;(4)A/D轉(zhuǎn)換器:12位×8通道;(5)具有外部的A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓輸入引腳;(6)22個雙向輸入/輸出口;(7)1個與輸入/輸出口共用引腳的外部中斷輸入;(8)8位可編程定時/計數(shù)器,具有溢出中斷和7級預(yù)分頻器;(9)內(nèi)置晶體和RC振蕩電路;(10)6層硬件堆棧;(11)看門狗定時器;(12)低電壓復(fù)位功能;(13)HALT和喚醒功能可降低功耗;(14)在VDD=5V,系統(tǒng)頻率為8MHz時,指令周期為0.5μs;(15)8位PWM輸出,與輸入/輸出口共用引腳;(16)PFD蜂鳴器功能;(17)63條指令指令執(zhí)行時間為1或2個指令周期。2、酶電極激勵的計算圖3所示為恒電位激勵模塊原理圖。由圖可見,基準電壓源LM336提供的2.5V恒定電壓經(jīng)電阻分壓后在電位器W1和W2的連續(xù)輸出可調(diào)端分別得到2.18V和0.3V二個不同的穩(wěn)定電壓。0.3V用作運算放大器直接施加到酶電極兩端作為恒電位激勵。圖中Rx代表酶電極。由運算放大器的理想工作特性知道Ic≈0,即流向運算放大器反向端的電流幾乎為零,故酶電極在恒電位激勵下電極酶反應(yīng)的響應(yīng)電流Ix≈Io,該電流信號經(jīng)過采樣電阻R9轉(zhuǎn)換為電壓信號直接輸入到單片機的串行A/D轉(zhuǎn)換腳PB0/AN0端,經(jīng)單片機計算直接在液晶屏上顯示結(jié)果。3、保持am與分液中斷模式HT46R54單片機帶有HALT暫停模式,在暫停模式時系統(tǒng)振蕩器停振,所有輸出/輸入口保持原有狀態(tài),RAM和寄存器保持不變。通過單片機PA端口8個引腳,根據(jù)輸入電平變化產(chǎn)生中斷可消除上述暫停模式,達到系統(tǒng)暫時關(guān)閉和啟動而降低整機功耗的目的。根據(jù)單片機的這一功能特點,經(jīng)設(shè)計的血糖儀在待機時處于低功耗休眠狀態(tài),測試時單片機被按鍵輸入喚醒中斷進入工作狀態(tài),測試完成后再次進入休眠,以此節(jié)省功耗,達到采用紐扣電池進行供電。4、i2c總線接口圖4是存儲記憶模塊E2PROM模塊的原理圖。AT24C02采用標準的I2C總線接口,只需要SCL時鐘線和SDA數(shù)據(jù)線,大大簡化了硬件設(shè)計,同時降低了成本。由于單片機本身具備I2C接口,所以可直接連到單片機接口,減少了外圍輔助電路降低了血糖儀體積。四、動態(tài)獲取顯示ram文件手持式血糖儀的軟件設(shè)計也采用模塊設(shè)計,設(shè)計了主程序和各類子程序,其中主程序的流程圖如圖5所示。主要子程序有:A/D轉(zhuǎn)換子程序、液晶顯示子程序、測試數(shù)據(jù)存E2PROM子程序等。這里重點介紹液晶顯示子程序的設(shè)計。由HT1621的典型應(yīng)用電路可知,顯示模塊由HT46R54單片機、HT1621和LCD三部分組成。單片機通過PA5、PA6和PA7與HT1621進行通信;寫和數(shù)據(jù)控制分別由PA6和PA7腳完成。若CS=1,HT46R54及HT1621之間發(fā)送的命令應(yīng)首先被禁止,進而進行初始化。在模式命令或模式轉(zhuǎn)換發(fā)出前,需要一高電平脈沖以初始化HT1621的串行接口,數(shù)據(jù)的讀寫及命令的寫入必須通過數(shù)據(jù)線。一條可選擇的IRQ線也可用作HT46R54及HT1621間的接口。本試驗采用占空比為1/4、偏置比為1/3的典型3位LCD顯示器,可以顯示商標、測試數(shù)據(jù)的單位和電池消耗狀況。該LCD顯示器有12個電極,其中背電極3個,段電極9個,它們分別與HT1621的COM0～COM2,SEG0～SEG8相連。由于顯示RAM的每一位均與一個顯示段相對應(yīng),因此,用戶僅需按照命令格式,依次向顯示RAM中寫入決定顯示段的段碼即可實現(xiàn)LCD顯示。值得注意的是,對RAM中的數(shù)據(jù)進行連續(xù)地址的相同操作時,只需在首操作時使用一次命令識別碼和地址碼,后續(xù)操作的命令識別碼和地址碼均可省略。例如,要在LCD上顯示“10.2mmol/l”,電池電壓正常,需給顯示RAM中COM0和SEG2、COM1和SEG2、COM0和SEG4、COM1和SEG4、COM2和SEG4、COM0和SEG5、COM2和SEG5、COM0和SEG7、COM1和SEG7、COM2和SEG7、COM0和SEG8、COM1和SEG8、COM2和SEG8對應(yīng)的位寫1,其余位寫0即可。根據(jù)命令格式,輸入HT1621的DATA引腳的串行數(shù)據(jù)應(yīng)為101000010110000001010000011101110。五、儀器測試結(jié)果(1)酶電極試紙反應(yīng)端電壓保持在300±1mV;(2)響應(yīng)電流與儀器顯示數(shù)據(jù)的關(guān)系(3)儀器工作電流<6.2mA,靜態(tài)電流與所選硬件的靜態(tài)電流一致;(4)耗電量:兩粒全新2032型電池能滿足1000次正常測試;(5)當測試值小于2.0mmol/l時顯示Lo,當測試值大于27.8mmol/l顯示Hi;(6)當儀器液晶發(fā)暗或電池的電壓低于4.2V影響儀器精度時,儀器顯示低電池標記;(7)具有90個記憶值;(8)檢測時間為5s。六、血糖儀測量結(jié)果在使用HT46R54芯片制成的血糖儀臨床實測中,取得了較好的結(jié)果。試驗對象分為三組;第一組正常人10名,第二組中輕度糖尿病人12名,第三組重度糖尿病人6名。三個HT46R54血糖儀。試驗對照儀器為美國YSI葡萄糖自動分析儀。臨床試驗結(jié)果見表2。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,三組HT46R54血糖儀測試數(shù)據(jù)與葡萄糖自動分析儀測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性分別達到:血糖儀1;y=0.9741+0.224γ=0.992血糖儀2;y=0.997+0.2373γ=0.995血糖儀3;y=1.0313-0.239γ=0.997由以上數(shù)據(jù)可以看出,本血糖測試儀完全可以滿足醫(yī)學(xué)臨床血糖測試的要求。七、外部a/d轉(zhuǎn)換采用合泰HT46R54芯片的優(yōu)點較多體現(xiàn)在儀器成本和A/D轉(zhuǎn)換的精度上