一、引 言
血糖測(cè)試是指對(duì)人體血液中葡萄糖濃度的測(cè)量。對(duì)于糖尿病患者, 血糖濃度是反映病情狀況的一個(gè)重要指標(biāo),需經(jīng)常性地進(jìn)行血糖測(cè)量以監(jiān)測(cè)病情的發(fā)展。因此, 便攜式血糖測(cè)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(cè)血糖濃度。本文將介紹一種以單片機(jī)為核心的便攜式智能血糖測(cè)試儀。
二、血糖測(cè)量的原理
1. 葡萄糖氧化酶印刷電極
便攜式智能血糖測(cè)試儀采用一次性使用的葡萄糖氧化酶印刷電極(下簡(jiǎn)稱酶電極) 作為傳感器,酶電極的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
給酶電極加恒定的工作電壓V , 將被測(cè)血樣滴在測(cè)量點(diǎn)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(diǎn)是經(jīng)過一段時(shí)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(cè)量過程中酶電極的電流變化曲線。實(shí)驗(yàn)表明, 在0. 4V的工作電壓下, 對(duì)應(yīng)于2～25mmol/ L的血糖濃度, 酶電極的電流響應(yīng)約3 ～50μA。
2. 參比測(cè)量法
由于酶電極具有一定的分散性,所以實(shí)際測(cè)量中采用參比電極測(cè)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(duì)已知濃度( C0 ) 的試樣進(jìn)行測(cè)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(gè)固定電阻,其阻值等于工作電壓V 除以平均響應(yīng)電流I0 。
使用參比電極的測(cè)量步驟是:先將參比電極插入測(cè)試儀的電極插口中, 儀器測(cè)得電流I0 ,該過程稱作標(biāo)定;再用酶電極對(duì)血樣進(jìn)行正常的測(cè)量,測(cè)得電流I , 則血糖濃度按如下公式計(jì)算:
C = ( C0·I) / I0
3. 溫度補(bǔ)償
葡萄糖氧化酶對(duì)溫度的變化比較敏感,實(shí)驗(yàn)中以25 ℃的響應(yīng)值為基準(zhǔn),在0～40 ℃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. 7～1. 2 , 溫度越高,響應(yīng)值越大?？梢娨ＷC測(cè)量的精度,必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。考慮溫度補(bǔ)償?shù)难菨舛扔?jì)算公式如下:
C = ( C0·I) / ( I0·Kt)
在本測(cè)試儀中, 環(huán)境溫度的測(cè)量采用半導(dǎo)體熱敏電阻, 熱敏電阻的阻值在0～50 ℃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(cè)量其響應(yīng)電流, 即可測(cè)得熱敏電阻的當(dāng)前阻值并計(jì)算出環(huán)境溫度。
三、硬件設(shè)計(jì)
便攜式智能血糖測(cè)試儀的硬件由89C51單片機(jī)芯片、液晶顯示器、V / F 變換器、恒電位測(cè)量電路、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、溫度電阻、標(biāo)準(zhǔn)電阻、電源電壓監(jiān)測(cè)和電池等部分組成。圖3 所示為恒電位測(cè)量電路的原理圖,Rx 代表酶電極。電壓基準(zhǔn)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(duì)酶電極進(jìn)行恒電位激勵(lì);根據(jù)運(yùn)算放大器的特性, If ≈ Io≈0 , 則響應(yīng)電流I x ≈ Io ; 該電流信號(hào)由取樣電阻R1 獲得,經(jīng)差動(dòng)放大為0～2. 5V 的電壓信號(hào)送V / F 變換器。
多路開關(guān)4051 可將測(cè)量通道在測(cè)量插口(酶電極或參比電極) 、熱敏電阻、10kΩ 標(biāo)準(zhǔn)電阻和空載之間切換。當(dāng)切換到熱敏電阻時(shí),系統(tǒng)測(cè)量環(huán)境溫度并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。當(dāng)切換到空載時(shí),系統(tǒng)測(cè)得測(cè)量通道的零點(diǎn)漂移;當(dāng)系統(tǒng)切換到10kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻時(shí), 系統(tǒng)可測(cè)得通道增益的漂移, 系統(tǒng)可根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行自校正計(jì)算。
系統(tǒng)由3 節(jié)7 號(hào)1. 5V 電池供電,當(dāng)電壓低于4V 即顯示電壓過低。整機(jī)運(yùn)行功耗小于0. 125mW; 系統(tǒng)在軟件控制下定時(shí)關(guān)機(jī), 關(guān)機(jī)后89C51 處于掉電模式, 其片內(nèi)RAM 中保存測(cè)量結(jié)果和標(biāo)定數(shù)據(jù), 維持電流約50μA。整機(jī)僅有一個(gè)按鍵, 按壓該鍵系統(tǒng)將開機(jī)或復(fù)位。
四、軟件設(shè)計(jì)
圖4 所示為便攜式血糖測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)程序流程圖,89C51 的定時(shí)器0 工作在定時(shí)中斷方式, 其中斷服務(wù)程序完成系統(tǒng)時(shí)鐘、LCD 驅(qū)動(dòng)、讀V / F 結(jié)果等工作。定時(shí)器1工作在計(jì)數(shù)方式,在定時(shí)器0 的控制下測(cè)量V / F 輸出的頻率信號(hào)。主程序按本文第一節(jié)所述的方法和步驟實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量過程, 其中采用了一些基本的智能化技術(shù),如:自動(dòng)補(bǔ)償、信息的自動(dòng)識(shí)別、測(cè)量的可信度評(píng)價(jià)等。
1. 自動(dòng)補(bǔ)償
測(cè)量?jī)x在每次開機(jī)或復(fù)位后都進(jìn)行一次自校正測(cè)量和溫度補(bǔ)償測(cè)量, 獲得的自校正系數(shù)和溫度補(bǔ)償系數(shù)將帶入以下的測(cè)量計(jì)算中。具體步驟如前所述。
2. 信息的自動(dòng)判別
由于測(cè)量?jī)x只有一個(gè)操作按鍵, 所以測(cè)量的過程信息要根據(jù)測(cè)量信號(hào)的特征進(jìn)行自動(dòng)判別。測(cè)量?jī)x在30s 倒計(jì)時(shí)中, 連續(xù)測(cè)量插口的信號(hào), 監(jiān)測(cè)其響應(yīng)值是否超過一個(gè)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(jìn)入正讀秒的測(cè)量階段。若30s 倒計(jì)完時(shí), 測(cè)量的信號(hào)仍為空載, 則判斷用戶不再進(jìn)行測(cè)量, 系統(tǒng)關(guān)機(jī)。
測(cè)量?jī)x進(jìn)入正讀秒測(cè)量狀態(tài)后, 在前10s 根據(jù)信號(hào)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(hào)是一個(gè)變化的過程(如圖2 所示) ; 而參比電極的響應(yīng)信號(hào)則是恒定的。
3. 測(cè)量的可信度評(píng)價(jià)
在進(jìn)行自校正和標(biāo)定測(cè)量時(shí), 由于信號(hào)的變化范圍是已知的, 所以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)均進(jìn)行判斷, 對(duì)超過上、下限取值的信號(hào)判斷為系統(tǒng)故障或操作錯(cuò)誤。
每次血樣測(cè)量后, 在顯示10s 本次的的測(cè)量結(jié)果后, 再將上一次的測(cè)量結(jié)果交替顯示8s 才關(guān)機(jī), 提醒用戶比較兩次測(cè)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(cuò)誤。
五、結(jié)束語
本文所介紹的便攜式智能血糖測(cè)試儀已通過有關(guān)部門的鑒定, 測(cè)試儀電氣部分的測(cè)量性能為: 電流測(cè)量范圍0～50μA ,分辨率0. 1μA ,精度0. 25 % , 溫度測(cè)量范圍0 ～50 ℃,分辨率0. 1 ℃,精度0. 4 %; 與葡萄糖酶電極配合時(shí)的血糖測(cè)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(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn), 顯然這些特點(diǎn)在很大程度上得益于單片機(jī)使用和智能化技術(shù)的應(yīng)用。
