詳解提高血糖儀系統(tǒng)效率的設(shè)計(jì)方案

血糖儀是一種用于測量血液中葡萄糖濃度的醫(yī)療設(shè)備，根據(jù)具體的血糖濃度，可能還需要提供低血糖藥物管理功能。血糖儀要使用測試條以便與病人的血滴發(fā)生作用。在經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后，就能從血糖儀上讀出用mg/dl或mmol/l單位表示的血糖值。血糖儀應(yīng)具有便攜、低功耗、易用和增強(qiáng)體驗(yàn)等特性，這些要求將直接影響血糖儀產(chǎn)品的技術(shù)和利基市場。

傳感器和電流分析法

測量血糖的第一步是將血糖濃度轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，使用專門的傳感器測試條進(jìn)行電流分析可以實(shí)現(xiàn)這一步。傳感器使用鉑銀電極組成過氧化氫被電解電路的一部分。過氧化氫是葡萄糖在葡萄糖氧化膜上氧化的產(chǎn)物。流經(jīng)電路的電流可以用來度量過氧化氫的濃度，進(jìn)而得出血糖濃度。 需要指出的是，公式(圖1)中的表達(dá)式是線性的。這與實(shí)際情況有些不同，因?yàn)槠渌镔|(zhì)可能也會有反應(yīng)。

圖1：電極反應(yīng)

血糖儀中的傳感器采用葡萄糖氧化酶電極，葡萄糖氧化酶在鍍鉑的活性碳電極中是穩(wěn)定的。通過對酶化過氧化氫的電化學(xué)檢測，酶電極可以用于電流分析判斷。傳感器由各種電極組成：葡萄糖氧化膜層、能被葡萄糖滲透的聚亞安酯薄膜、氧和過氧化氫。

電流分析法測量驅(qū)動電解反應(yīng)的一對電極之間的電流。氧通過薄膜擴(kuò)散，并將電壓施加到鉑電極，將O2變?yōu)镠2。這些起反應(yīng)的電極是使用三電極設(shè)計(jì)的電流類傳感器。在使用電流測量傳感器時(shí)這種方法很有用，因?yàn)樵谙嗤瘜W(xué)反應(yīng)中測量電壓和電流很可靠。

三電極模型使用一個(gè)工作電極(WE)、一個(gè)參考電極(RE)和一個(gè)反電極(CE)。產(chǎn)生的電流必須轉(zhuǎn)換為電壓才能供微控制器(MCU)處理。這個(gè)工作由跨導(dǎo)放大器完成。最后，MCU利用ADC模塊檢測和處理這個(gè)信號。

舉例來說，下面就是可以用來解釋電流分析的一個(gè)實(shí)用方法。在WE和RE電極上施加一個(gè)范圍從-200mV至8V的電壓，這個(gè)電壓定義了傳感器能夠以最大電流工作的電壓。當(dāng)電流為18mA時(shí)，這個(gè)電壓值在4V左右。在選擇4V作為工作電壓后，我們可以獲得2至4秒的穩(wěn)定時(shí)間。這意味著這次可以獲得可靠的測量，因?yàn)檫_(dá)到了最大電流值。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

系統(tǒng)特性。從系統(tǒng)角度看，血糖儀由多個(gè)單元組成，這些單元通過互相作用來提供必要的功能。微控制器要求作為系統(tǒng)的主要協(xié)調(diào)者。根據(jù)應(yīng)用范圍的不同可以選用內(nèi)部或外部閃存或SRAM。存儲器很重要，因?yàn)闇y量值必須存儲起來，以便提供數(shù)據(jù)管理和測量值平均等基本功能。

低功耗。低功耗必須加以關(guān)注。目前大多數(shù)血糖儀設(shè)備是電池供電的，因此微控制器和LCD功耗應(yīng)盡可能低。血糖儀有99%的時(shí)間處于允許跟蹤時(shí)間的特殊停止模式，但可以通過外部中斷喚醒。為了使運(yùn)行模式下的電池壽命最長，血糖儀制造商十分注重MCU工作頻率和喚醒時(shí)間。實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能也是需要的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)血糖儀有一個(gè)告警系統(tǒng)，用于在測量時(shí)間到時(shí)提醒用戶。

保持低成本。這個(gè)成本包括與設(shè)備(血糖儀)相關(guān)的成本和額外組件(測試條)方面的未來支出。血糖儀本身應(yīng)具有高性價(jià)比，因?yàn)橛脩魰粩噘徺I新的測試條。

圖2：測試條基本架構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)管理。通過USB和無線方式建立連接非常需要，因?yàn)閷︶t(yī)生來說數(shù)據(jù)管理很關(guān)鍵。分析正在使用血糖儀的病人數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵，并且必須連接到計(jì)算機(jī)以圖形化方式顯示測量信息。

接口既要方便病人使用，又要功能足夠強(qiáng)大，以便醫(yī)生通過接口獲得盡可能多的信息。無線連接正變得日益重要，因?yàn)樗粌H便于訪問信息，而且能連接與血糖儀測量交互的其它設(shè)備，如胰島素泵，以幫助用戶管理正確的胰島素劑量。

鍵盤和人機(jī)界面可以通過按鈕和分段LCD、觸摸傳感接口和圖像化LCD等實(shí)現(xiàn)，所有這些設(shè)備也要通過微控制器進(jìn)行管理。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要素

系統(tǒng)的一個(gè)基本組件是測量引擎，它是一組模擬和數(shù)字IP模塊，用于與傳感器相互作用，然后向微控制器提供電壓，再由微控制器處理測量結(jié)果。將所有測量引擎嵌入微控制器具有一定的優(yōu)勢。一些8位微控制器和32位微控制器都有片上測量引擎，可降低成本，并使器件數(shù)量最少。推薦的測量引擎由以下元件組成：

數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC):提供信號偏置。DAC輸出特殊的電壓到偏置傳感器(測試條)。DAC的關(guān)鍵參數(shù)是穩(wěn)定時(shí)間，在大功耗模式下必須小于或等于1ms，在低功耗模式下必須小于或等于5μs。必須保證單一性，以便采用正確的波形偏置生物傳感器。

跨導(dǎo)放大器：用于將電流輸入轉(zhuǎn)換成ADC能讀取的電壓，并完成信號調(diào)整。其關(guān)鍵參數(shù)是偏置電流，必須小于500pA(常溫25℃時(shí))，以便測量化學(xué)反應(yīng)期間生物傳感器產(chǎn)生的微小變化。

運(yùn)算放大器：針對“超出范圍”設(shè)置的比較模式用于啟動測量算法。針對“內(nèi)部范圍”設(shè)置的比較模式能夠很容易識別化學(xué)反應(yīng)的尖峰。通用放大器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是偏置電流，必須小于或等于2μA(常溫25℃時(shí))，以允許正確地設(shè)計(jì)單位增益緩沖器、低通濾波器、增益放大器、反相器和同相可編程增益放大器(PGA)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC): ADC的關(guān)鍵參數(shù)是精度，應(yīng)大于或等于13.5位有效位數(shù)(ENOB)，以方便測量生物傳感器中產(chǎn)生的小信號。信號強(qiáng)度和值取決于制造商規(guī)范和技術(shù)。測量技術(shù)(用戶知識產(chǎn)權(quán))影響精度值。

附加模塊(VREF，可編程時(shí)延模塊和日期時(shí)間模塊)：VREF是一種可微調(diào)的參考電壓，可用作模擬外設(shè)的參考;可編程時(shí)延模塊是一種膠連邏輯，用于控制ADC和DAC模塊的時(shí)序和觸發(fā)器?？删幊虝r(shí)延模塊和ADC一起用來以預(yù)設(shè)時(shí)間間隔執(zhí)行測試并計(jì)算葡萄糖濃度;日期時(shí)間模塊用于保持對時(shí)間的跟蹤，并記錄測量發(fā)生時(shí)間。

圖3：血糖儀系統(tǒng)

軟件和USB連接性

軟件組件對血糖儀系統(tǒng)開發(fā)來說也很重要。根據(jù)使用的軟件算法，血糖儀可以更具效率。符合醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和組織的醫(yī)療設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)互連，即使它們是由不同供應(yīng)商制造的。

在解決USB連接性問題時(shí)，需要考慮的重要標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 11073。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)提供了通信接口的結(jié)構(gòu)，不僅定義了訪問數(shù)據(jù)的命令，還對待發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化處理，并定義了通信狀態(tài)。另外一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是USB本身。USB組織定義了個(gè)人健康護(hù)理設(shè)備等級(PHDC)，這是一個(gè)醫(yī)療設(shè)備用USB通信的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。

這些獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)塊向具體供應(yīng)商提供了開發(fā)醫(yī)療USB連接的特定實(shí)現(xiàn)所需的工具。飛思卡爾公司提供這些獨(dú)立的構(gòu)建模塊，從而使醫(yī)療設(shè)備(如血糖儀)的設(shè)計(jì)變得更加容易。有準(zhǔn)備地使用為特定微控制器的外設(shè)開發(fā)的軟件可以縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間。這些驅(qū)動程序可用來控制LCD、模擬外設(shè)和連接接口。如果驅(qū)動程序在選擇微控制器時(shí)就提供了，那么對醫(yī)療設(shè)備開發(fā)人員而言就是個(gè)優(yōu)勢。

本文小結(jié)

糖尿病是一個(gè)世界性的健康問題，并且還在不斷加劇。幸運(yùn)的是，通過測量血液中的葡萄糖含量，血糖儀可以方便糖尿病病人的日常護(hù)理，并幫助病人確定采取必要的藥物治療措施。血糖儀測試條與傳感器電路和血液發(fā)生反應(yīng)后會產(chǎn)生一個(gè)電流，供血糖儀進(jìn)行測量。

市場上的血糖儀通過精度、連接性、LCD顯示屏和數(shù)據(jù)管理功能選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)了差異化。對血糖儀設(shè)計(jì)來說，像低功耗和醫(yī)療軟件支持等關(guān)鍵特性非常重要。推薦使用集成了數(shù)字和模擬功能，并且合理平衡了成本的微控制器，以實(shí)現(xiàn)小型、低功耗和高性能的血糖儀設(shè)備。