基于MSP430微處理器和GSM移動通信的血糖監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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糖尿病是危害人類健康的四大主要疾病之一，目前沒有根治的辦法，只能通過血糖監(jiān)測對糖尿病加以控制。血糖儀的出現(xiàn)，大大方便了糖尿病患者自行監(jiān)測血糖。為了能更好地利用無線網(wǎng)絡(luò)資源，方便用戶隨時(shí)隨地的測量，開發(fā)了一種基于移動通信的血糖監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。
基于移動通信的血糖監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由兩大部分組成：手機(jī)血糖儀與糖尿病監(jiān)護(hù)中心。工作模式如圖1所示。糖尿病患者利用隨身攜帶的手機(jī)血糖儀可隨時(shí)監(jiān)測血糖，監(jiān)護(hù)中心通過GSM網(wǎng)絡(luò)接收患者的血糖值，并反饋適當(dāng)?shù)脑\斷結(jié)論。
圖1 系統(tǒng)工作模式
手機(jī)使用MotorolA388c，血糖儀是吉林大學(xué)儀器學(xué)院自主開發(fā)的以MSP430單片機(jī)與酶電極傳感器等為主的血糖測試儀，通過串口連接手機(jī)，利用手機(jī)的鍵盤和液晶屏控制顯示血糖測試結(jié)果。即，手機(jī)血糖儀是在保留手機(jī)原有各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)上，增加了血糖測試功能。
糖尿病監(jiān)護(hù)中心硬件由一臺服務(wù)器通過串口連接一個(gè)MC35無線通信模塊構(gòu)成，軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成控制MC35接收短信以及患者信息管理及維護(hù)。
2 手機(jī)血糖儀的設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
基于MSP430單片機(jī)的血糖測試儀主要由酶電極傳感器、信號處理、單片機(jī)數(shù)據(jù)采集處理以及單片機(jī)與手機(jī)的串行通訊幾部分組成，如圖2所示。酶電極傳感器采用三電極系統(tǒng)，分為參比電極、對極和工作電極。
圖2 手機(jī)血糖儀系統(tǒng)框圖
前置信號處理采用模擬開關(guān)對電極接入電路情況進(jìn)行控制，從而為系統(tǒng)提供不同的工作狀態(tài)，信號處理采用放大器和低通濾波，將傳感器的電流信號轉(zhuǎn)換放大濾去高頻干擾，為后續(xù)電路的數(shù)據(jù)采集提供質(zhì)量較高的信號，血糖濃度的數(shù)據(jù)采集處理和串口數(shù)據(jù)通訊，采用TI公司的MSP430系列單片機(jī)為主控單元完成。另外，系統(tǒng)具有溫度補(bǔ)償功能，能補(bǔ)償環(huán)境溫度對系統(tǒng)測試結(jié)果的誤差，提高測試結(jié)果的精度。血糖測試模塊體積為3cm*1cm，這樣可以放在手機(jī)殼里，做到血糖測試儀和手機(jī)融為一體，方便了用戶的攜帶與檢測。
2.2 血糖濃度測量原理
血糖濃度值的測定通過生物酶電極傳感器，當(dāng)血液滴入，在葡萄糖酶的催化作用下，傳輸電子物質(zhì)在碳電極表面被強(qiáng)制性氧化，其氧化還原反應(yīng)過程中形成的氧化電流跟葡萄糖濃度成線性關(guān)系，通過測定氧化電流的強(qiáng)度計(jì)算血糖濃度值[1]。
在電極上加0.4V的恒定工作電壓, 當(dāng)被測血樣滴在電極的測試區(qū)后，電極上固定的葡萄糖氧化酶與血樣中的葡萄糖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)過一定的滯后期，酶電極的響應(yīng)電流將與被測血樣中葡萄糖濃度呈線性關(guān)系，如圖3所示。
圖3 酶電極電流變化曲線
對應(yīng)于2.2- 27.8mmol/L的血糖濃度，酶電極的響應(yīng)電流約為3―50μA。血糖儀就是通過這一對應(yīng)關(guān)系來計(jì)算顯示血樣葡萄糖濃度值的。根據(jù)曲線可知酶電極上的反應(yīng)電流在11s左右出現(xiàn)峰值，因此系統(tǒng)設(shè)定前11s為酶電極的反應(yīng)時(shí)間，后5.3s為酶電極的采集時(shí)間。對5.3s的電流面積積分，得到電量Q，再根據(jù)已知的血糖的濃度C0可以由公式求出標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)K：
Q =∫I(t)dt = K C0
K = Q/ C0
從而求出所測試的血糖濃度：
Cx = Q/K
溫度是影響酶的活性及酶催化反應(yīng)速度的重要因素之一[2]。因此要保證測量的精度，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。經(jīng)系統(tǒng)測試及相關(guān)的結(jié)果分析得到溫度補(bǔ)償公式如下：
Kt = 0.0133t + 0.067
考慮到溫度補(bǔ)償，因此，血糖濃度計(jì)算公式如下：
Cx = Q/（K ×Kt）
2.3 通信軟件設(shè)計(jì)
Java手機(jī)操作系統(tǒng)都支持標(biāo)準(zhǔn)的J2ME MIDP1.0 Java標(biāo)準(zhǔn)。J2ME是SUN公司推出的針對嵌入式消費(fèi)類電子產(chǎn)品的開發(fā)平臺。Motorola公司生產(chǎn)的Motorola388，A388C等手機(jī)不僅支持標(biāo)準(zhǔn)的J2ME MIDP1.0 Java標(biāo)準(zhǔn)，還推出了Motorola SDK for J2ME，實(shí)現(xiàn)了一些CLDC/MIDP提供的接口功能[3]。
手機(jī)與血糖儀通過串口連接，所以使用手機(jī)正確、實(shí)時(shí)地接收血糖儀發(fā)送的數(shù)據(jù)是關(guān)鍵。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，采用多線程的開發(fā)模式可以準(zhǔn)確、快速地讀取血糖儀發(fā)送至手機(jī)的數(shù)據(jù)。
在編寫串行通信程序時(shí)，要用到j(luò)avax.microedition.io包中的Connector類和StreamConnection、InputStream和OutputStream 接口。在J2ME中所有的連接都是使用Connector類的open(String connect)方法建立的，不同的連接可以通過傳遞不同的參數(shù)connect實(shí)現(xiàn)[4,5,6,7,8]。
2.4在MotorolaA388上運(yùn)行
基本按以下5個(gè)步驟：
(1)打包：編譯通過后，使用JBuilder Wizard菜單中的Archive Builder項(xiàng)，選擇Archive type為MIDlet，隨提示即可完成打包。
(2)在PC機(jī)上運(yùn)行：運(yùn)行MIDlet，更新打包文件：.jar與.jad文件。
(3)下載：用手機(jī)提供的數(shù)據(jù)線把手機(jī)和PC機(jī)串口相連，選擇手機(jī)上“通過數(shù)據(jù)線下載”菜單選項(xiàng)，再通過摩托羅拉388免費(fèi)提供的一個(gè)名為pcjal.exe的下載工具，可很容易地將MIDlet下載到手機(jī)上。
(4)安裝：一般手機(jī)下載完一個(gè)J2ME程序后，就會自動進(jìn)行安裝。將程序存儲在手機(jī)的指定位置里。
(5)在MotorolaA388C上運(yùn)行：程序安裝完后，手機(jī)就會在程序菜單中顯示該應(yīng)用程序，用戶選擇該菜單項(xiàng)后就可以運(yùn)行程序。界面如圖4所示。
圖4 運(yùn)行界面
3 糖尿病監(jiān)護(hù)中心設(shè)計(jì)
糖尿病監(jiān)護(hù)中心的硬件部分主要由一臺服務(wù)器連接一個(gè)GSM模塊組成。選用的是SIEMENS公司的無線模塊MC35[9]。硬件電路主要分為四個(gè)部分:電源電路，用于提供6V-12V的電源；串口電路，用于與計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行連接；SIM卡電路，用于SIM卡與模塊的連接；MC35模塊驅(qū)動電路，用于對MC35無線通信模塊進(jìn)行點(diǎn)火驅(qū)動。
軟件系統(tǒng)如圖5所示。其中，人機(jī)接口模塊，還增加了由用戶手動輸入數(shù)據(jù)的功能；糖尿病病理數(shù)據(jù)庫包括知識庫和規(guī)則庫，知識庫中存放和管理有關(guān)糖尿病診斷的專家經(jīng)驗(yàn)和知識，規(guī)則庫用于存放糖尿病診斷與鑒別診斷的規(guī)則；患者信息庫用來保存患者的血糖測量值及一些背景信息。系統(tǒng)與GSM模塊的通信采用串行通信協(xié)議，短信管理使用AT指令[10]。
圖5 系統(tǒng)功能框圖
4 結(jié)果與討論
手機(jī)血糖儀操作簡單, 測試時(shí)，用戶進(jìn)入血糖測試界面（如圖4所示），點(diǎn)擊運(yùn)行鍵，屏幕會提示插入血樣試紙，隨后會出現(xiàn)15S倒計(jì)時(shí)狀態(tài),當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為“0”時(shí)顯示血糖濃度測試結(jié)果，測試結(jié)果可以直接點(diǎn)擊發(fā)送短信鍵，通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至MA35I，再由遠(yuǎn)程糖尿病診斷系統(tǒng)接收存儲并給出診斷結(jié)論后反饋給患者。
目前，最為準(zhǔn)確地測量方式還是醫(yī)院的靜脈采血測試，但需要患者抽取大量的靜脈血，所以比對本系統(tǒng)的血糖儀選擇了相對測量較準(zhǔn)確的強(qiáng)生血糖儀，表1中給出了絕對誤差值與最大相對誤差值。
表1 測量結(jié)果與誤差值
從測試結(jié)果可以看出，基于手機(jī)的血糖儀重復(fù)性誤差最大值為1.01，濃度最大相對誤差為5.98，在醫(yī)療器械規(guī)則的誤差范圍內(nèi)，因此認(rèn)為自行研制的基于手機(jī)的血糖測試儀符合標(biāo)準(zhǔn)。
經(jīng)過收發(fā)短信的測試，系統(tǒng)運(yùn)行正常；測量的數(shù)據(jù)與知識庫中的相比對，按照簡單的規(guī)則，可自動給出診斷結(jié)論，也可由醫(yī)生修改或加入建議。
后期要繼續(xù)完善本系統(tǒng)，并在并系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行人體其他生理參數(shù)的監(jiān)測研究，如血壓、脈搏、心電等，利用無線和有線連接，將數(shù)據(jù)存儲至遠(yuǎn)程醫(yī)療中心服務(wù)器，并使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)進(jìn)行個(gè)體發(fā)病預(yù)測及疾病分類。
在移動設(shè)備與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)高速發(fā)展的天，操作簡單，方便，便攜的移動監(jiān)測設(shè)備與遠(yuǎn)程醫(yī)療中心的配合是醫(yī)療儀器的發(fā)展趨勢。本文基于Java手機(jī)實(shí)現(xiàn)了與血糖儀在多線程模式下的串行通信，利用手機(jī)顯示存儲測量的結(jié)果，并且以短信的形式發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，從而得到專家的建議與治療方案。今后隨著嵌入式技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的繼續(xù)快速發(fā)展，移動式的醫(yī)療儀器會擁有更廣闊的應(yīng)用和市場前景。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：
1．血糖測試模塊的體積只有3cm2，所以可以和移動設(shè)備，如手機(jī)整合在一起。
2．設(shè)計(jì)了糖尿病監(jiān)護(hù)中心，方便社區(qū)醫(yī)院、或糖尿病治療中心直接使用。
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