一种便携式智能血糖测试仪的研制

一、引　　言

    　　血糖测试是指对人体血液中葡萄糖浓度的测量。对于糖尿病患者, 血糖浓度是反映病情状况的一个重要指标,需经常性地进行血糖测量以监测病情的发展。因此, 便携式血糖测试仪成为目前发展较快的一类家用医疗仪器, 它使患者在病情较稳定的阶段可以自行监测血糖浓度。本文将介绍一种以单片机为核心的便携式智能血糖测试仪。
    二、血糖测量的原理
    　　1. 葡萄糖氧化酶印刷电极
    　　便携式智能血糖测试仪采用一次性使用的葡萄糖氧化酶印刷电极(下简称酶电极) 作为传感器,酶电极的结构如图1所示。
   
    图1 　酶电极的结构
    　　给酶电极加恒定的工作电压V , 将被测血样滴在测量点上, 电极上的氧化酶即与血样中的葡萄糖发生反应, 其特点是经过一段时间后(约30s) , 酶电极的电流与血样中葡萄糖浓度呈一定的线性关系, 图2 所示为测量过程中酶电极的电流变化曲线。实验表明, 在0. 4V的工作电压下, 对应于2～25mmol/ L的血糖浓度, 酶电极的电流响应约3 ～50μA。
   
    图2 　酶电极的响应曲线
    　　2. 参比测量法
    　　由于酶电极具有一定的分散性,所以实际测量中采用参比电极测量法。参比电极是按如下方法确定的: 从同一批酶电极中抽样选择若干酶电极对已知浓度( C0 ) 的试样进行测量,其响应电流的平均值I0 就是反映这一批酶电极性能的特征参数。参比电极就是一个固定电阻,其阻值等于工作电压V 除以平均响应电流I0 。
    　　使用参比电极的测量步骤是:先将参比电极插入测试仪的电极插口中, 仪器测得电流I0 ,该过程称作标定;再用酶电极对血样进行正常的测量,测得电流I , 则血糖浓度按如下公式计算:
    　　C = ( C0·I) / I0
    　　3. 温度补偿
    　　葡萄糖氧化酶对温度的变化比较敏感,实验中以25 ℃的响应值为基准,在0～40 ℃的温度变化范围内,葡萄糖氧化酶响应的温度系数Kt 为0. 7～1. 2 , 温度越高,响应值越大。可见要保证测量的精度,必须进行温度补偿。考虑温度补偿的血糖浓度计算公式如下:
    　　C = ( C0·I) / ( I0·Kt)
    　　在本测试仪中, 环境温度的测量采用半导体热敏电阻, 热敏电阻的阻值在0～50 ℃的范围内与温度基本呈反比关系。给热敏电阻恒压供电,测量其响应电流, 即可测得热敏电阻的当前阻值并计算出环境温度。
    三、硬件设计
    　　便携式智能血糖测试仪的硬件由89C51单片机芯片、液晶显示器、V / F 变换器、恒电位测量电路、多路转换开关、温度电阻、标准电阻、电源电压监测和电池等部分组成。图3 所示为恒电位测量电路的原理图,Rx 代表酶电极。电压基准源LM336 提供的2. 5V 电压经过分压后获得0. 4V 工作电压, 经电压跟随器对酶电极进行恒电位激励;根据运算放大器的特性, If ≈ Io≈0 , 则响应电流I x ≈ Io ; 该电流信号由取样电阻R1 获得,经差动放大为0～2. 5V 的电压信号送V / F 变换器。
   
    图3 　恒电位测量电路
    　　多路开关4051 可将测量通道在测量插口(酶电极或参比电极) 、热敏电阻、10kΩ 标准电阻和空载之间切换。当切换到热敏电阻时,系统测量环境温度并进行温度补偿。当切换到空载时,系统测得测量通道的零点漂移;当系统切换到10kΩ标准电阻时, 系统可测得通道增益的漂移, 系统可根据这些数据进行自校正计算。
    　　系统由3 节7 号1. 5V 电池供电,当电压低于4V 即显示电压过低。整机运行功耗小于0. 125mW; 系统在软件控制下定时关机, 关机后89C51 处于掉电模式, 其片内RAM 中保存测量结果和标定数据, 维持电流约50μA。整机仅有一个按键, 按压该键系统将开机或复位。
    四、软件设计
    　　图4 所示为便携式血糖测量仪的系统程序流程图,89C51 的定时器0 工作在定时中断方式, 其中断服务程序完成系统时钟、LCD 驱动、读V / F 结果等工作。定时器1工作在计数方式,在定时器0 的控制下测量V / F 输出的频率信号。主程序按本文第一节所述的方法和步骤实现整个测量过程, 其中采用了一些基本的智能化技术,如:自动补偿、信息的自动识别、测量的可信度评价等。
   
    图4 　便携式智能血糖测试仪的程序流程图
    　　1. 自动补偿
    　　测量仪在每次开机或复位后都进行一次自校正测量和温度补偿测量, 获得的自校正系数和温度补偿系数将带入以下的测量计算中。具体步骤如前所述。
    　　2. 信息的自动判别
    　　由于测量仪只有一个操作按键, 所以测量的过程信息要根据测量信号的特征进行自动判别。测量仪在30s 倒计时中, 连续测量插口的信号, 监测其响应值是否超过一个约定的阀值(略大于空载值) 。若超过阀值则判断用户已将血样滴在酶电极上或插入的是参比电极, 程序进入正读秒的测量阶段。若30s 倒计完时, 测量的信号仍为空载, 则判断用户不再进行测量, 系统关机。
    　　测量仪进入正读秒测量状态后, 在前10s 根据信号的响应特征判断插入的是酶电极还是参比电极: 酶电极的响应信号是一个变化的过程(如图2 所示) ; 而参比电极的响应信号则是恒定的。
    　　3. 测量的可信度评价
    　　在进行自校正和标定测量时, 由于信号的变化范围是已知的, 所以对测量数据均进行判断, 对超过上、下限取值的信号判断为系统故障或操作错误。
    　　每次血样测量后, 在显示10s 本次的的测量结果后, 再将上一次的测量结果交替显示8s 才关机, 提醒用户比较两次测量, 若差别较大则应注意判断是病情好转、病情恶化还是操作上的错误。
    五、结束语
    　　本文所介绍的便携式智能血糖测试仪已通过有关部门的鉴定, 测试仪电气部分的测量性能为: 电流测量范围0～50μA ,分辨率0. 1μA ,精度0. 25 % , 温度测量范围0 ～50 ℃,分辨率0. 1 ℃,精度0. 4 %; 与葡萄糖酶电极配合时的血糖测量精度为3 %。仪器本身具有成本低、体积小、性能稳定和操作简单可靠等优点, 显然这些特点在很大程度上得益于单片机使用和智能化技术的应用。