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血糖測量的電化學原理 血糖測量的電生物化學原理是當施加一定電壓于經酶反應后的血液產生的電流會隨著血液中的血糖濃度的增加而增加。通過精確測量出這些微弱電流，并根據電流值和血糖濃度的關系，反算出相應的濃度。所以，確定這個關系是問題的核心。但其關系復雜，受多方面因素影響。電壓強度、所使用的試條以及檢測的血液量都會對其產生影響。理論上需要在所有濃度點上大量實驗才能確定最終的關系。在實際操作中，只需在選擇若干重要濃度點做大量實驗，然后采用曲線擬合或插值等數據處理方式來確定其與電流值之間的關系。 血糖測量通常采用電化學分析中的三電極體系。三電極體系是相對于傳統的兩電極體系而言，包括，工作電極(WE)，參比電極(RE)和對電極(CE)。參比電極用來定點位零點，電流流經工作電極和對電極工作電極和參比電極構成一個不通或基本少通電的體系，利用參比電極電位的穩定性來測量工作電極的電極電勢。?工作電極和輔助電極構成一個通電的體系，用來測量工作電極通過的電流。?利用三電極測量體系，來同時研究工作電極的點位和電流的關系。如圖1所示。 圖1 三電極工作原理 圖2 C8051F410邏輯功能圖 方案描述 該血糖儀提供多種操作模式以適應不同場合的應用，另外提供了mmol/L，mg/dl，g/l三種常見測量單位的自由切換并自動轉換。該三個單位之間的轉換關系如下： 1mmol/L=18 mg/dL??? 1mmol/L=0.18 g/L? 1 mg/dL=0.01 g/L 針對不同國家地區的不同要求，血糖儀可以采用以上任意一種單位來顯示測量結果，轉換的方式采取使用特殊的代碼校正條來實現。 (1)單片機及內部硬件資源的充分利用。Silicon labs C8051F410單片機內部集成了豐富的外圍模擬設備，使用戶可以充分利用其豐富的硬件資源。C8051F410單片機的邏輯功能圖如圖2所示。利用其中12位的A/D轉換器用來做小信號測量，小信號電流經過電流采樣電路最終轉換為電壓由該A/D采樣，然后以既定的轉換程序計算出濃度顯示在液晶板上。利用12位的D/A轉換器可以輸出精確穩定的參比電壓用于三電極電化學測量過程，由于D/A的輸出可以由程序編程任意改變，因此可以很方便的通過改變D/A值來改變參比電壓與工作電壓之間的壓差，而且可以12位的精度保證了壓差的穩定，有效提高測量精度。 溫度傳感器用于采集溫度信號，做溫度補償[4]。因為血糖試劑在溫度過高或過低的情況下都會出現測量偏差的問題，因此在測量過程中通過該溫度傳感器采集環境溫度，在試劑要求的溫度范圍之外該參數就可以用來作為溫度補償。 內部具有32/16kB的Flash存儲器可用于存儲測量數據。2kB的集成RAM作為測量數據的緩沖。血糖儀需要將每次測量數據及日期記錄在非易失性存儲介質中，通常采用Flash存儲器，但Flash存儲器普遍存在重寫速度慢的問題，因此，利用這2kB的RAM做緩沖，在有電源的情況下用于記錄數據，在每次血糖儀關機的時候再將數據寫入Flash中，間接提高血糖儀測量效率。 (2)電源設計采用兩節普通堿性AAA電池，利用RT9701和RT9266組成高效升壓電路升壓到3.3V作為整個血糖儀的供電。在整個儀器的供電電路結構上，設計電源開關電路，當關機時除了MCU和實時時鐘可以直接通過電池供電以外，其他電路的電源被全部切斷，然后使MCU和實時時鐘進入休眠或節電狀態，可以大大節省待機的耗電，延長電池的使用時間。MCU的喚醒通過中斷實現，當開關按鍵按下時產生一個按鍵中斷，由此喚醒MCU并為其他電路接通電源，血糖儀重新進入工作狀態。 (3)實時時鐘設計，采用s-3530A實時時鐘芯片[5]。該實時時鐘具有高精度低功耗的特點，工作晶振頻率32K，并設有節電模式，可以在血糖儀不工作的時候使其進入節電模式，節省電池電量。采用I2C總線與單片機連接，有效節省單片機I/O口線。自動計算閏年，并且以BCD碼格式表示年月日時間數據，為MCU的讀寫提供很大方便。 (4)不同用戶模式設計。終端客戶只需要進行血糖測試及測試的歷史記錄，而調試人員需要知道測量的電流值以檢測該儀器的質量，因此，本方案特意設計兩種操作模式分別提供給終端用戶及生產過程中的調試人員使用，只需要簡單實用一根特殊的測試條就可以讓該儀器計入超級用戶模式，該模式提供了測試電流的顯示界面，在該界面下，調試人員可以以標準電阻代替試劑來測試儀器的性能。而一般的終端用戶則只能在正常用戶模式下使用，這樣儀器的生產測試和最終的銷售可以使用同一個程序，為生產帶來很大的方便，也為該產品的維修帶來方便。 (5)血糖儀的代碼校正。血糖儀沒更換一批試劑就需要進行代碼校正，所謂代碼校正實際上就是向血糖儀輸入新的一組擬合曲線的參數，該參數會被事先燒寫在代碼校正條上，校正代碼條如圖3。其中特征代碼實際就是擬合曲線的參數的整合成一個特殊的代碼形式。圖4是試劑條，由專業生物醫學機構調配，因為每批試劑條的調配不可能一致，因此每次的擬合曲線參數也不一樣，該參數由該機構提供，并燒寫相應的校正代碼條隨試劑交付終端用戶使用。用戶每次購買一批新試劑的時候必須先通過代碼校正條修改血糖儀的參數。代碼校正條的設計采用和試劑條同樣的接口，因此只需要像使用試劑條一樣直接插入血糖儀的檢測端口，就可以方便地將新參數輸入到血糖儀。 圖3 校正代碼條 圖4 試劑 (6)基于上一點的要求，血糖儀的端口既要可以正確讀取試劑條，又要可以讀取校正代碼條，因此該端口是兩個功能的復合端口。因此電路上設計了巧妙的電路轉換結構用以在根據插入的介質自動判斷是試劑條還是代碼校正條并正確讀取。(7)特殊代碼校正條的設計。由于本方案設計了單位自動轉換，一般用戶模式和超級用戶模式等功能，這些功能的實現都依靠特殊代碼校正條來實現，原理就是選取幾個特殊代碼，燒寫在代碼校正條中，利用血糖儀可以自動讀取代碼校正條來設置參數的功能，當讀到代碼時先判斷是否特殊代碼，如果是就進行相應的操作，否則就進入新參數設置，如圖7。特殊代碼包括如下內容，轉換單位的代碼，切換工作模式的代碼，清除內存的代碼等。 電路實現及人機界面 血糖儀電路結構如圖5。血糖儀采用一塊PDM1621-893的定制液晶模塊作為人機界面，該模塊可以實現諸如實時時鐘，電池電量，測量單位，報警信號，代碼提示等多種顯示，另外結合對三位七段數碼顯示的編程可以在多個工作模式下提供盡可能豐富的提示信息。液晶面板結構如圖6。整個血糖儀的操作流程如圖7。 圖5 電路結構 圖6 液晶面板結構圖 圖7 程序流程 樣機測試結果為檢驗設計的有效性，對兩臺樣機分別進行測試，為使測試具有可比性，采用了標準千分之一精密電阻代替試劑進行測試，測試的結果與標準比較如表1。其中原型機指原有某品牌機型。 表1 樣機測試結果對比 結語 本方案采用了C8051F410單片機，充分利用其豐富的內置硬件資源，大大簡化了血糖儀的電路結構，使儀器的穩定性，可靠性進一步提高，而成本卻降低。高精度的A/D和D/A使得測量結果更加穩定可靠，重復性好。另外充分利用該單片機的休眠模式并且巧妙電源管理電路設計，使得該儀器可以兩節普通的AAA電池就可以正常工作較長時間，使該儀器的使用更加方便。 |
