無試紙式血糖儀的研究

摘要：目的 提出一個無試紙式的血糖儀設計原理，以擺脫血糖儀對試紙的依賴。方法 采用MSP430系列單片機作為控制核心，加上血液預檢測、恒電位發生電路、信號檢測電路、數據存儲及LCD顯示等必要模塊形成完整功能的血糖儀。結果 在無試紙的前提下，實現了對血糖的檢測，并可進行數據分析處理，給用戶提供準確可靠的信息。結論 該設計擺脫傳統血糖儀對試紙的依賴，實現無試紙式血糖儀。另外還增加了血量預檢測功能，進一步提高了測量的準確度。

關鍵詞：無試紙式；血糖儀；恒電位電路

Abstract：Objective Come up with a design principle of blood glucose meter which without test paper in order to get rid of blood glucose meter on test paper. Methods Adopting MSP430 series single chip microcomputer as control core， combined with blood pre detection， constant voltage generating circuit， signal detection circuit， data storage and LCD display module to form complete necessary functions such as blood glucose meter. Results On the premise of no test paper， realize the detection of blood， analysis and processing， provide users with accurate and reliable information. Conclusion This design get rid of traditional glucose meter on test paper. So， blood glucose meter without test paper is realized. In addition， increasing the function of blood pre detection， further improving the measurement accuracy for the users.

Key words：Without test paper； Glucose meter； Constant voltage generating circuit

當前市面上常見的血糖儀可分為有酶和無酶兩種，但無論是有酶或者無酶血糖儀均搭配不可重復的試紙使用[1]。按照國際糖尿病聯盟（International Diabetes Federation，IDF）統計，2012年國內糖尿病人數約占世界糖尿病人數的1/4，達9228萬人之多。目前大多糖尿病患者每月實際自測次數大概為35次，遠遠不及世界衛生組織（ WHO）的糖尿病患者血糖水平每天至少檢測4次的要求。而按實際市場試紙價格，患者每月僅在試紙上就要花費200多元。如果擁有無試紙檢測方式[2]，則患者每年就可以節省購買試紙的花費2500元以上，而對于所有患者而言，每年將可以節省幾百億甚至上千億元。這就有必要設計出一款無需試紙的血糖儀，不但減少使用者在檢測成本上的負擔，而且增加社會資源利用率，節約社會資源。

1血糖檢測原理

血糖是指人體血液中的葡萄糖，在一定的條件下，在給催化電極施加一定頻率的恒電壓刺激，使血液中的葡萄糖發生反應并產生自由電子，產生的自由電子總量和參與分解的葡萄糖分子總量成正相關關系[3]，檢測產生的自由電子移動引起的電流信號值得到對應的血糖濃度值。這便是設計該血糖儀的基本原理。

2系統硬件設計

根據血糖儀應運行速度快、功耗低等功能的實際需求，選用型號為MSP430F435單片機作為控制核心，主要模塊包括血液預檢測電路[4]、恒電位發生電路和信號檢測電路，另外還可加入LCD顯示和揚聲器等模塊。整體設計見圖1。

2.1 MSP430F435 單片機 本設計選用MSP430F435單片機是具有多種省電模式可以隨時切換，而且可以使用普通AA電池低電壓供電，能實現超低功耗運行[5]。正是因為它運算速度快而且功耗低，MSP430F435單片機在便攜式儀器上的應用是非常合適的，其優勢更為明顯。它也有一個內部參考水平，采樣功能、12位A/D轉換器自動掃描和LCD驅動集成超過160段的特點，以及其他功能，完全能夠滿足血糖儀的設計功能要求。

2.2血糖傳感器檢測端理想設計 血糖傳感器對于該血糖儀設計是關鍵部分，它選用一些催化性能較好的金屬進行制作，其中鉑片作為對電極材料，的鈀-金（Pd-Au）合金作為工作電極，參比電極對材料要求不高，因此選用普通的金屬銅。根據中山大學閆龍龍等人的研究，Pd和Au的結合，對葡萄糖選擇性氧化表現出了良好的催化活性。血糖傳感器檢測端理想設計見圖2，加上一個不導電的塑料作載體，三個電極裸露在載體表面。待測血液可直接滴到檢測端的電極上，檢測完畢后只需輕輕拭擦，清潔一下檢測端即可進行第二次測量。

2.3血液預檢測電路設計 由于該血糖儀設計的原理，滴入待測血液的多少會直接影響到測量的準確度，因此在測量血糖之前，必須要對滴入血液的量有一定的要求。所以我們在設計中加入血量預檢測電路[6]，目的就是檢測滴入的待測血液的量是不是在該設計的測量范圍內，避免測出錯誤的血糖質量濃度值而誤導用戶。

本設計的血液預檢測電路是利用參比測量的方法，即判斷在參比電極與對電極之間形成的一個等效電阻是否與設定的額定電阻相等或者相近來達到自動檢測功能。當待測血液滴入傳感器測試端時，傳感器的參比電極與對電極之間電阻因有血液連通而變小，待測血液達到預定的量后，參比電極與對電極之間的等效電阻也達到預定值。若兩電極間的等效電阻達到預定值，說明待測血液的量已經滿足該設計的測量精度要求，可以進行下一步的測量[7]。

本設計檢測電路選擇IO口供電，很大程度上降低了開關機功耗，延長電池的使用壽命，還可以消除由參考電壓變化所引起的誤差。

2.4恒電位發生電路設計，見圖3。

該設計引用三電極法對待測血液進行檢測，參比電極和工作電極對電壓的穩定性要求比較高，不可選擇直接電源供電的方式，而應采用恒電位發生電路產生穩定的電壓供給。

其基本原理見圖3，運行中的恒電位相當于工作電極相對參比電極之間的電壓差。工作電極接地或者接一個實際基準電位源，反應產生的電流注入某一通道和注入地在本質上是一樣的，為了提高恒電位的準確性，設計成利用精密基準電位源提供恒電位的電路。

其中運算放大器主要由其構成恒電位電路的負反饋。C5作為補償電容。

2.5信號檢測電路設計 信號檢測電路包括信號放大和A/V轉換電路，檢測血液反應過程中產生的微電流信號，并轉換為發送到單片機中進行數據處理的電壓信號[8]。然而反應所產生的電流信號十分微弱，僅有μA --nA 級，這就需要經過放大、A/V轉換、濾波等處理使其轉變成便于檢測的大電壓信號，再經過單片機自帶A /D 轉換功能轉化成為其能夠處理的數字信號進行處理分析。

如圖4所示，運算放大器LM358反相輸入端連接的對電極與地之間的等效電阻為Rx，當待測血液滴入后，血糖濃度與流過該等效電阻的電流成一定的比例關系。因此可計算得出待測血液的血糖濃度值。

其中，起到反饋放大的作用，它很好地將運算放大器的輸出電壓限制在A /D模塊的轉換范圍內。起濾波作用，以減少電路本身的干擾。而 的作用就是把電容和運放隔離，原因是運放直接與電容負載相連容易引起輸出震蕩。

3軟件設計

血糖儀需要實現一下幾個主要功能：血液預檢測、血糖濃度信號檢測、數據儲存、LCD顯示等。該系統首先要對待測血量進行預檢測[9]，對血量進行判斷，足量方可進行下一步檢測，若不足則要給用戶報錯，提醒用戶正確使用。顯然，待機模式是為實現低功耗而設置的。當用戶停止操作血糖儀短時間內不需要進行第二次測量時，系統便自動跳入待機模式，此時單片機MSP430處于一個低功耗運行狀態，其他外圍元件的供電被單片機控制并切斷，使整個系統的運作功耗降至最低。這也稱為睡眠模式。此間系統會為用戶保持20s短暫運行，若用戶對系統再無輸入，系統則關閉，須重新按鍵啟動方可再次使用。流程主圖見圖5。

4結論

與常見的血糖儀不同，該設計的血糖儀采用無試紙式檢測，杜絕了對試紙的依賴，大大減少檢測產本，并搭配功能強大的MSP430F435單片機，大大簡化該血糖儀的電路結構，不僅令制造成本降低，而且使儀器本身的可靠性和穩定性進一步提高。另外，增加了在待機狀態下血液預檢測功能，更有效地保證測量的準確度，給用戶提供準確可靠的數據信息。

參考文獻：

[1]Longlong Yan. Efficient and poison-tolerant PdxAuy/C binary electrocatalysts for glucose electrooxidation in alkaline medium [J]. Netherlands Applied catalysis B， Environmental， 2014，01：150-151，268-274.

[2]蔣開偉.基于MSP430F435的血糖儀研究與設計[D].北京交通大學，2006.

[3]孫常青.血糖儀的人機工程學研究[D].太原理工大學，2010.

[4]王坤，袁景琪.基于PIC單片機的便攜式血糖儀的開發[J].中國醫療器械雜志，2006，30（1）.

[5]David M. Nathan， Beverly Balkau， EnzoBonora， et al.International Expert Committee Report on the Role of A1C Assay in the Diagnosis of Diabetes[J].Diabetes Care， 2009，32：1327-1334.

[6]邢淞，張少峰.基于MSP430單片機的便攜式血糖儀設計[J].測控技術，2009，2（28）：6-7.

[7]黃石紅.基于單片微處理器的應用系統的低功耗設計技術[J].工業控制計算機，2001，14.

[8]劉吉，周漢昌，姜三平.自我監測血糖儀的發展現狀[J].醫療保健器具，2007（1）：16-17.

[9]付秀泉，陳杭，葉樹明.基于MSP430F1611和SD卡的心電數據存儲系統的低功耗設計[J].電子技術應用，2009（04）：45-47.

編輯/申磊