一种便携式智能血糖测试仪的研制

1、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

2、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225mmol/ L的血糖浓度, 酶电极的电流响应约3 50A。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

3、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 = ( C0I) / I03. 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040 的温度变化范围内,葡萄糖氧化酶响应的温度系数Kt 为0. 71. 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 = ( C0I) / ( I0Kt)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050 的范围内与温度基本呈反比关系

4、。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 Io0 , 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02. 5V 的电压信号送V / F 变换器。图3 恒电

5、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、10k 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10k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50A。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

6、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,

7、 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050A ,分辨率0. 1A ,精度0.