便攜式智能自我血糖監(jiān)測(cè)儀器設(shè)計(jì)方案

0 引言

　　糖尿病是一種常見(jiàn)的代謝內(nèi)分泌疾病，是由于人體內(nèi)缺乏胰島素或其受體異常所致，以高血糖為主要特征，為一種世界范圍內(nèi)的流行疾病。近年來(lái)其發(fā)病呈顯著上升趨勢(shì)，目前全世界約有10% 的成年人身患此病[1]。在我國(guó)，糖尿病患者約有4000萬(wàn)人，目前的治療方式主要是對(duì)病人體內(nèi)的葡萄糖代謝進(jìn)行調(diào)控，臨床治療給藥的重要依據(jù)是病人的血液葡萄糖含量。因此，通過(guò)自我監(jiān)測(cè)血糖儀來(lái)追蹤、評(píng)估糖尿病的控制是很重要的。特別是自我監(jiān)測(cè)血糖儀可以在醫(yī)院甚至家中方便、迅速地檢出結(jié)果，目前市場(chǎng)血糖儀產(chǎn)品只能給出血糖值，患者要據(jù)此調(diào)整治療方案、飲食控制還存在一定困難。另外，測(cè)試精度、測(cè)試范圍都存在不足。因此，研究精度高、智能化的血糖監(jiān)測(cè)儀器有重要的意義。

　　1 檢測(cè)原理

　　臨床診斷中所用到的大型檢測(cè)儀器由于體積大、價(jià)格昂貴、檢測(cè)過(guò)程繁瑣，不適用于中小醫(yī)院、急診和病人對(duì)病情長(zhǎng)期的自我監(jiān)測(cè)，生物傳感器中酶電極的實(shí)用化便有了快速的進(jìn)步，如葡萄糖、乳酸、膽固醇、尿素、氨基酸用的酶電極正被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療檢測(cè)之中。這些傳感器的一個(gè)共性就是利用微生物、酶、抗體等生物材料的分子識(shí)別能力，并以生物材料作為分子識(shí)別元件的傳感器;然后利用試樣液中含有的被檢測(cè)物質(zhì)與酶的反應(yīng)生成的電子來(lái)還原受電子體，測(cè)定裝置利用電化學(xué)方法，即測(cè)該受電子體的還原量，進(jìn)行檢測(cè)物質(zhì)的定量分析。

　　本儀器的檢測(cè)原理是基于在電極表面固化上葡萄糖氧化酶(GOD)，當(dāng)血液滴入血糖測(cè)試電極后，發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，在反應(yīng)過(guò)程中傳輸介質(zhì)中的二價(jià)鐵離子失去電子，發(fā)生了氧化反應(yīng)，葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖生成H2O2和葡萄糖酸，H2O2將二價(jià)鐵離子氧化，氧化還原過(guò)程中發(fā)生了電子得失現(xiàn)象，在一定電壓的作用下，形成了氧化電流。通過(guò)檢測(cè)電流變化與葡萄糖濃度近似呈線性關(guān)系，從而達(dá)到檢測(cè)血糖濃度的目的。具體的反應(yīng)方程式如下：

　　2 儀器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 硬件結(jié)構(gòu)

　　整個(gè)儀器系統(tǒng)由酶電極傳感部分、信號(hào)調(diào)理(電流電壓轉(zhuǎn)換、放大濾波部分)、溫度補(bǔ)償部分、液晶顯示部分、單片機(jī)、智能芯片組成，如圖1所示。滴血在酶電極后產(chǎn)生的微電流較小，只能達(dá)到微安量級(jí)，不便于測(cè)量和分析，所以將其先轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后再進(jìn)行電壓放大。由于來(lái)自電源和各種因素干擾信號(hào)產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲影響測(cè)試精度，因而應(yīng)設(shè)計(jì)濾波電路去除干擾信號(hào)，使得測(cè)試更加精確。經(jīng)過(guò)處理后的電壓值傳送給內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換的單片機(jī)MSP430中，單片機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算得出血糖的濃度值，再利用液晶將結(jié)果顯示出來(lái)。

　　2.2 主要測(cè)試過(guò)程

　　檢測(cè)系統(tǒng)中信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。儀器開(kāi)機(jī)上電后，單片機(jī)控制多路開(kāi)關(guān)S1閉合，前級(jí)運(yùn)放輸入為R1和R2分壓值，設(shè)定為0.4V。根據(jù)跟隨器和理想運(yùn)放特性，此時(shí)后級(jí)輸出不變也為0.4V，經(jīng)過(guò)A/D 變換輸入單片機(jī)，控制顯示屏顯示“請(qǐng)插入試紙”。當(dāng)系統(tǒng)插入血糖試紙時(shí)，S2閉合，R4引入電路。后級(jí)運(yùn)放構(gòu)成同相放大器，調(diào)整R4使電路輸出值為0.6V。經(jīng)過(guò)A/D 變換輸入單片機(jī)，并控制顯示屏顯示“請(qǐng)滴血”。滴血后產(chǎn)生的電流信號(hào)從“Input”輸入，輸出電壓信號(hào)突變并變換后輸入單片機(jī)，反應(yīng)結(jié)束后根據(jù)電壓變化計(jì)算出血糖值并顯示。

　　2.3 溫度補(bǔ)償

　　環(huán)境溫度的變化引起檢測(cè)系統(tǒng)零點(diǎn)漂移和靈敏度的變化而造成測(cè)量誤差。為消除環(huán)境溫度的影響，系統(tǒng)中溫度補(bǔ)償電路采用DALLAS公司的單總線微型溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)，其測(cè)溫范圍為-55～+125℃，測(cè)量分辨率為0.0625℃，測(cè)溫精度為±0.5℃。溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)多路開(kāi)關(guān)輸入單片機(jī)，CPU根據(jù)血糖測(cè)試電極的溫度特性進(jìn)行測(cè)試結(jié)果誤差的自動(dòng)修正。

　　2.4 智能芯片

　　為了進(jìn)一步提高儀器的實(shí)用性，盡可能地方便患者，儀器中引入了人工智能原理，患者可在檢測(cè)自身血糖濃度的同時(shí)得到個(gè)人病情信息和顯示簡(jiǎn)單的處理辦法和注意事項(xiàng)。此功能主要是通過(guò)調(diào)用固化了的帶有糖尿病知識(shí)庫(kù)的智能芯片中的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該芯片中所固化的知識(shí)庫(kù)是根據(jù)世界衛(wèi)生組織、國(guó)際糖尿病聯(lián)盟和中國(guó)糖尿病學(xué)會(huì)批準(zhǔn)出版的治療指南制成的，指南在糖尿病分析方面具有權(quán)威性?；颊呖稍跍y(cè)得血糖值后，在操作界面選擇“推理”功能。

　　3 儀器性能分析與測(cè)試

　　3.1 操作方便、低功耗

　　患者開(kāi)機(jī)后只需按照提示即可完成測(cè)試全過(guò)程，操作界面簡(jiǎn)捷、友好。根據(jù)測(cè)試調(diào)理的輸出電壓如圖2所示，可知從滴血后20s左右反應(yīng)趨于平穩(wěn)，患者在正確操作步驟下測(cè)試時(shí)間不超過(guò)25s。由于采血采用虹吸試紙，單次采血量?jī)H需約3～ 5μL。選用MSP430系列低功耗單片機(jī)，儀器可根據(jù)測(cè)試過(guò)程中電壓的變化，在取出試紙后自動(dòng)斷電，有效地節(jié)省能耗。

　　3.2 測(cè)試范圍寬

　　按照1998年WTO 推薦的非胰島素依賴型糖尿病(NIDDW)的診斷標(biāo)準(zhǔn)，血糖小于7mmol/L為非糖尿病人(空腹血糖3。5～ 7 mmol/L 為正常范圍)，7～11。1mmol/L為糖耐量低下，大于11。1mmol/L為糖尿病人。經(jīng)過(guò)不同樣本的測(cè)試，本儀器的測(cè)試范圍可以達(dá)到2。2～27。8mmol/L，完全覆蓋了人體血糖可能值的范圍。

　　3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)可靠

　　為驗(yàn)證該血糖檢測(cè)儀測(cè)定數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性，在山西大學(xué)第一醫(yī)院研究室進(jìn)行了臨床測(cè)試。分別用智能血糖儀和意大利大型生化分析儀(BT?3000)對(duì)血糖濃度不同的測(cè)試樣本進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明：二者具有很好的一致性，高血糖值處誤差比低血糖和正常血糖處大，需要進(jìn)一步標(biāo)定和校準(zhǔn)。把大型生化分析的測(cè)試值作為標(biāo)準(zhǔn)值，30組測(cè)試結(jié)果如表1所示。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合結(jié)果如圖3所示?；貧w方程為

　　式中：回歸系數(shù)b=0.9851，截距a=-0。0806，相關(guān)系數(shù)R=0。9962，標(biāo)準(zhǔn)差SD=0。2378。

　　表1 智能血糖儀與標(biāo)準(zhǔn)血糖值比較結(jié)果

　　　　4 結(jié)論

　　智能血糖自我監(jiān)測(cè)儀測(cè)得的血糖濃度結(jié)果與高精度血糖儀測(cè)量結(jié)果有顯著的相關(guān)性，并且具有操作簡(jiǎn)便，測(cè)量時(shí)間短，結(jié)果較準(zhǔn)確可靠，高智能，低功耗等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化和改進(jìn)可成為一種供糖尿病患者在家庭中監(jiān)測(cè)控制自身血糖濃度的理想儀器。

　　致謝：感謝太原市科技局及中北大學(xué)為本項(xiàng)目提供基金支持;山西大學(xué)第一醫(yī)院醫(yī)務(wù)人員的協(xié)助并提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地。感謝周漢昌教授給予的技術(shù)指導(dǎo)，北京軟測(cè)試公司關(guān)于人工智能芯片技術(shù)給予的技術(shù)支持。