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,酶電極的結構如圖1所示。
給酶電極加恒定的工作電壓V , 將被測血樣滴在測量點上, 電極上的氧化酶即與血樣中的葡萄糖發(fā)生反應, 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, 對應于2～25mmol/ L的血糖濃度, 酶電極的電流響應約3 ～50μA。
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,其阻值等于工作電壓V 除以平均響應電流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) / I0
3. 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 ℃的響應值為基準,在0～40 ℃的溫度變化范圍內,葡萄糖氧化酶響應的溫度系數(shù)Kt 為0. 7～1. 2 , 溫度越高,響應值越大?？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)境溫度的測量采用半導體熱敏電阻, 熱敏電阻的阻值在0～50 ℃的范圍內與溫度基本呈反比關系。給熱敏電阻恒壓供電,測量其響應電流, 即可測得熱敏電阻的當前阻值并計算出環(huán)境溫度。
三、硬件設計
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、多路轉換開關、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 ≈ Io≈0 , 則響應電流I x ≈ Io ; 該電流信號由取樣電阻R1 獲得,經(jīng)差動放大為0～2. 5V 的電壓信號送V / F 變換器。
多路開關4051 可將測量通道在測量插口(酶電極或參比電極) 、熱敏電阻、10kΩ 標準電阻和空載之間切換。當切換到熱敏電阻時,系統(tǒng)測量環(huán)境溫度并進行溫度補償。當切換到空載時,系統(tǒng)測得測量通道的零點漂移;當系統(tǒng)切換到10kΩ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機, 關機后89C51 處于掉電模式, 其片內RAM 中保存測量結果和標定數(shù)據(jù), 維持電流約50μA。整機僅有一個按鍵, 按壓該鍵系統(tǒng)將開機或復位。
四、軟件設計
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, 其中斷服務程序完成系統(tǒng)時鐘、LCD 驅動、讀V / F 結果等工作。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,如:自動補償、信息的自動識別、測量的可信度評價等。
1. 自動補償
測量儀在每次開機或復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)信號的響應特征判斷插入的是酶電極還是參比電極: 酶電極的響應信號是一個變化的過程(如圖2 所示) ; 而參比電極的響應信號則是恒定的。
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 本次的的測量結果后, 再將上一次的測量結果交替顯示8s 才關機, 提醒用戶比較兩次測量, 若差別較大則應注意判斷是病情好轉、病情惡化還是操作上的錯誤。
五、結束語
本文所介紹的便攜式智能血糖測試儀已通過有關部門的鑒定, 測試儀電氣部分的測量性能為: 電流測量范圍0～50μA ,分辨率0. 1μA ,精度0. 25 % , 溫度測量范圍0 ～50 ℃,分辨率0. 1 ℃,精度0. 4 %; 與葡萄糖酶電極配合時的血糖測量精度為3 %。儀器本身具有成本低、體積小、性能穩(wěn)定和操作簡單可靠等優(yōu)點, 顯然這些特點在很大程度上得益于單片機使用和智能化技術的應用。
