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血糖測量的電化學(xué)原理 血糖測量的電生物化學(xué)原理是當施加一定電壓于經(jīng)酶反應后的血液產(chǎn)生的電流會(huì )隨著(zhù)血液中的血糖濃度的增加而增加。通過(guò)精確測量出這些微弱電流，并根據電流值和血糖濃度的關(guān)系，反算出相應的濃度。所以，確定這個(gè)關(guān)系是問(wèn)題的核心。但其關(guān)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(huì )對其產(chǎn)生影響。理論上需要在所有濃度點(diǎn)上大量實(shí)驗才能確定最終的關(guān)系。在實(shí)際操作中，只需在選擇若干重要濃度點(diǎn)做大量實(shí)驗，然后采用曲線(xiàn)擬合或插值等數據處理方式來(lái)確定其與電流值之間的關(guān)系。 血糖測量通常采用電化學(xué)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(lái)定點(diǎn)位零點(diǎn)，電流流經(jīng)工作電極和對電極工作電極和參比電極構成一個(gè)不通或基本少通電的體系，利用參比電極電位的穩定性來(lái)測量工作電極的電極電勢。?工作電極和輔助電極構成一個(gè)通電的體系，用來(lái)測量工作電極通過(guò)的電流。?利用三電極測量體系，來(lái)同時(shí)研究工作電極的點(diǎn)位和電流的關(guān)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(chǎng)合的應用，另外提供了mmol/L，mg/dl，g/l三種常見(jiàn)測量單位的自由切換并自動(dòng)轉換。該三個(gè)單位之間的轉換關(guān)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(lái)顯示測量結果，轉換的方式采取使用特殊的代碼校正條來(lái)實(shí)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(hù)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(lái)做小信號測量，小信號電流經(jīng)過(guò)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(xué)測量過(guò)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(guò)改變D/A值來(lái)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(guò)高或過(guò)低的情況下都會(huì )出現測量偏差的問(wèn)題，因此在測量過(guò)程中通過(guò)該溫度傳感器采集環(huán)境溫度，在試劑要求的溫度范圍之外該參數就可以用來(lái)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(zhì)中，通常采用Flash存儲器，但Flash存儲器普遍存在重寫(xiě)速度慢的問(wèn)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(guān)機的時(shí)候再將數據寫(xiě)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(gè)血糖儀的供電。在整個(gè)儀器的供電電路結構上，設計電源開(kāi)關(guān)電路，當關(guān)機時(shí)除了MCU和實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以直接通過(guò)電池供電以外，其他電路的電源被全部切斷，然后使MCU和實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)入休眠或節電狀態(tài)，可以大大節省待機的耗電，延長(cháng)電池的使用時(shí)間。MCU的喚醒通過(guò)中斷實(shí)現，當開(kāi)關(guān)按鍵按下時(shí)產(chǎn)生一個(gè)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(jìn)入工作狀態(tài)。 (3)實(shí)時(shí)時(shí)鐘設計，采用s-3530A實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片[5]。該實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有高精度低功耗的特點(diǎn)，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(shí)候使其進(jìn)入節電模式，節省電池電量。采用I2C總線(xiàn)與單片機連接，有效節省單片機I/O口線(xiàn)。自動(dòng)計算閏年，并且以BCD碼格式表示年月日時(shí)間數據，為MCU的讀寫(xiě)提供很大方便。 (4)不同用戶(hù)模式設計。終端客戶(hù)只需要進(jìn)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(zhì)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(hù)及生產(chǎn)過(guò)程中的調試人員使用，只需要簡(jiǎn)單實(shí)用一根特殊的測試條就可以讓該儀器計入超級用戶(hù)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(lái)測試儀器的性能。而一般的終端用戶(hù)則只能在正常用戶(hù)模式下使用，這樣儀器的生產(chǎn)測試和最終的銷(xiāo)售可以使用同一個(gè)程序，為生產(chǎn)帶來(lái)很大的方便，也為該產(chǎn)品的維修帶來(lái)方便。 (5)血糖儀的代碼校正。血糖儀沒(méi)更換一批試劑就需要進(jìn)行代碼校正，所謂代碼校正實(shí)際上就是向血糖儀輸入新的一組擬合曲線(xiàn)的參數，該參數會(huì )被事先燒寫(xiě)在代碼校正條上，校正代碼條如圖3。其中特征代碼實(shí)際就是擬合曲線(xiàn)的參數的整合成一個(gè)特殊的代碼形式。圖4是試劑條，由專(zhuān)業(yè)生物醫學(xué)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(xiàn)參數也不一樣，該參數由該機構提供，并燒寫(xiě)相應的校正代碼條隨試劑交付終端用戶(hù)使用。用戶(hù)每次購買(mǎi)一批新試劑的時(shí)候必須先通過(guò)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(diǎn)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(gè)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(zhì)自動(dòng)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(dòng)轉換，一般用戶(hù)模式和超級用戶(hù)模式等功能，這些功能的實(shí)現都依靠特殊代碼校正條來(lái)實(shí)現，原理就是選取幾個(gè)特殊代碼，燒寫(xiě)在代碼校正條中，利用血糖儀可以自動(dòng)讀取代碼校正條來(lái)設置參數的功能，當讀到代碼時(shí)先判斷是否特殊代碼，如果是就進(jìn)行相應的操作，否則就進(jìn)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(shí)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(shí)現諸如實(shí)時(shí)時(shí)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(gè)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(gè)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(jìn)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(jìn)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(yǔ) 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(jiǎn)化了血糖儀的電路結構，使儀器的穩定性，可靠性進(jìn)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?xún)晒澠胀ǖ腁AA電池就可以正常工作較長(cháng)時(shí)間，使該儀器的使用更加方便。 |
