提高血糖仪系统设计效率

血糖仪是一种用于测量血液中葡萄糖浓度的医疗设备，根据具体的血糖浓度，可能还需要提供低血糖药物管理功能。血糖仪要使用测试条以便与病人的血滴发生作用。在经过化学反应后，就能从血糖仪上读出用mg/dl或mmol/l单位表示的血糖值。血糖仪应具有便携、低功耗、易用和增强体验等特性，这些要求将直接影响血糖仪产品的技术和利基市场。
    　　传感器和电流分析法
    　　测量血糖的第一步是将血糖浓度转换成电压或电流信号，使用专门的传感器测试条进行电流分析可以实现这一步。传感器使用铂银电极组成过氧化氢被电解电路的一部分。过氧化氢是葡萄糖在葡萄糖氧化膜上氧化的产物。流经电路的电流可以用来度量过氧化氢的浓度，进而得出血糖浓度。 需要指出的是，公式（图1）中的表达式是线性的。这与实际情况有些不同，因为其它生化物质可能也会有反应。
   
   
  图1：电极反应。
    　　血糖仪中的传感器采用葡萄糖氧化酶电极，葡萄糖氧化酶在镀铂的活性碳电极中是稳定的。通过对酶化过氧化氢的电化学检测，酶电极可以用于电流分析判断。传感器由各种电极组成：葡萄糖氧化膜层、能被葡萄糖渗透的聚亚安酯薄膜、氧和过氧化氢。
    　　电流分析法测量驱动电解反应的一对电极之间的电流。氧通过薄膜扩散，并将电压施加到铂电极，将O2变为H2。这些起反应的电极是使用三电极设计的电流类传感器。在使用电流测量传感器时这种方法很有用，因为在相同化学反应中测量电压和电流很可靠。
    　　三电极模型使用一个工作电极（WE）、一个参考电极（RE）和一个反电极（CE）。产生的电流必须转换为电压才能供微控制器（MCU）处理。这个工作由跨导放大器完成。最后，MCU利用ADC模块检测和处理这个信号。
    　　举例来说，下面就是可以用来解释电流分析的一个实用方法。在WE和RE电极上施加一个范围从－200mV至8V的电压，这个电压定义了传感器能够以最大电流工作的电压。当电流为18mA时，这个电压值在4V左右。在选择4V作为工作电压后，我们可以获得2至4秒的稳定时间。这意味着这次可以获得可靠的测量，因为达到了最大电流值。
    　　设计目标
    　　系统特性。从系统角度看，血糖仪由多个单元组成，这些单元通过互相作用来提供必要的功能。微控制器要求作为系统的主要协调者。根据应用范围的不同可以选用内部或外部闪存或SRAM。存储器很重要，因为测量值必须存储起来，以便提供数据管理和测量值平均等基本功能。
    　　低功耗。低功耗必须加以关注。目前大多数血糖仪设备是电池供电的，因此微控制器和LCD功耗应尽可能低。血糖仪有99%的时间处于允许跟踪时间的特殊停止模式，但可以通过外部中断唤醒。为了使运行模式下的电池寿命最长，血糖仪制造商十分注重MCU工作频率和唤醒时间。实时时钟功能也是需要的，因为大多数血糖仪有一个告警系统，用于在测量时间到时提醒用户。
    　　保持低成本。这个成本包括与设备（血糖仪）相关的成本和额外组件（测试条）方面的未来支出。血糖仪本身应具有高性价比，因为用户会不断购买新的测试条。
   
   
  图2：测试条基本架构框图。
    　　数据管理。通过USB和无线方式建立连接非常需要，因为对医生来说数据管理很关键。分析正在使用血糖仪的病人数据非常关键，并且必须连接到计算机以图形化方式显示测量信息。
    　　接口既要方便病人使用，又要功能足够强大，以便医生通过接口获得尽可能多的信息。无线连接正变得日益重要，因为它不仅便于访问信息，而且能连接与血糖仪测量交互的其它设备，如胰岛素泵，以帮助用户管理正确的胰岛素剂量。
    　　键盘和人机界面可以通过按钮和分段LCD、触摸传感接口和图像化LCD等实现，所有这些设备也要通过微控制器进行管理。
    　　系统设计要素
    　　系统的一个基本组件是测量引擎，它是一组模拟和数字IP模块，用于与传感器相互作用，然后向微控制器提供电压，再由微控制器处理测量结果。将所有测量引擎嵌入微控制器具有一定的优势。一些8位微控制器和32位微控制器都有片上测量引擎，可降低成本，并使器件数量最少。推荐的测量引擎由以下元件组成：
    　　数模转换器（DAC）:提供信号偏置。DAC输出特殊的电压到偏置传感器（测试条）。DAC的关键参数是稳定时间，在大功耗模式下必须小于或等于1ms，在低功耗模式下必须小于或等于5μs。必须保证单一性，以便采用正确的波形偏置生物传感器。
    　　跨导放大器：用于将电流输入转换成ADC能读取的电压，并完成信号调整。其关键参数是偏置电流，必须小于500pA(常温25℃时)，以便测量化学反应期间生物传感器产生的微小变化。
    　　运算放大器：针对“超出范围”设置的比较模式用于启动测量算法。针对“内部范围”设置的比较模式能够很容易识别化学反应的尖峰。通用放大器的一个关键参数是偏置电流，必须小于或等于2μA(常温25℃时)，以允许正确地设计单位增益缓冲器、低通滤波器、增益放大器、反相器和同相可编程增益放大器（PGA）。
    　　模数转换器（ADC）: ADC的关键参数是精度，应大于或等于13.5位有效位数(ENOB)，以方便测量生物传感器中产生的小信号。信号强度和值取决于制造商规范和技术。测量技术（用户知识产权）影响精度值。
    　　附加模块（VREF，可编程时延模块和日期时间模块）：VREF是一种可微调的参考电压，可用作模拟外设的参考；可编程时延模块是一种胶连逻辑，用于控制ADC和DAC模块的时序和触发器。可编程时延模块和ADC一起用来以预设时间间隔执行测试并计算葡萄糖浓度；日期时间模块用于保持对时间的跟踪，并记录测量发生时间。
   
   
  图3：血糖仪系统。
    　　软件和USB连接性
    　　软件组件对血糖仪系统开发来说也很重要。根据使用的软件算法，血糖仪可以更具效率。符合医学标准和组织的医疗设备可以实现互连，即使它们是由不同供应商制造的。
    　　在解决USB连接性问题时，需要考虑的重要标准是IEEE 11073。这个标准提供了通信接口的结构，不仅定义了访问数据的命令，还对待发送数据进行了结构化处理，并定义了通信状态。另外一个重要标准是USB本身。USB组织定义了个人健康护理设备等级（PHDC），这是一个医疗设备用USB通信的标准实现。
    　　这些独立知识产权块向具体供应商提供了开发医疗USB连接的特定实现所需的工具。飞思卡尔公司提供这些独立的构建模块，从而使医疗设备（如血糖仪）的设计变得更加容易。有准备地使用为特定微控制器的外设开发的软件可以缩短系统开发时间。这些驱动程序可用来控制LCD、模拟外设和连接接口。如果驱动程序在选择微控制器时就提供了，那么对医疗设备开发人员而言就是个优势。
    　　本文小结
    　　糖尿病是一个世界性的健康问题，并且还在不断加剧。幸运的是，通过测量血液中的葡萄糖含量，血糖仪可以方便糖尿病病人的日常护理，并帮助病人确定采取必要的药物治疗措施。血糖仪测试条与传感器电路和血液发生反应后会产生一个电流，供血糖仪进行测量。
    　　市场上的血糖仪通过精度、连接性、LCD显示屏和数据管理功能选项实现了差异化。对血糖仪设计来说，像低功耗和医疗软件支持等关键特性非常重要。推荐使用集成了数字和模拟功能，并且合理平衡了成本的微控制器，以实现小型、低功耗和高性能的血糖仪设备。