基于MSP430的光電微損法血糖監(jiān)測系統(tǒng)

WHO在2007年報(bào)告中指出，目前全世界有糖尿病（DM）患者1.7億，預(yù)測到2025年將劇增至2.99億，糖尿病已成為世界第五位死亡原因[1]。我國DM患者占3.3%。胰島素療法是所有胰島素依賴型糖尿病人的主要治療方法。而胰島素劑量確定的基礎(chǔ)是嚴(yán)密監(jiān)察血糖的控制情況。在常用的評估病情的手段中，靜脈血糖與毛細(xì)血管血糖測定是目前最直接的評估血糖控制的方法，后者更是適合家庭和病人自我血糖監(jiān)護(hù)的方法。研究證明，長期嚴(yán)格的血糖監(jiān)測，可預(yù)防或延緩糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生和發(fā)展[2]。因此，本文設(shè)計(jì)了適合糖尿病患者在家庭中實(shí)現(xiàn)血糖自我監(jiān)護(hù)的監(jiān)測系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 測量原理

將血樣滴在含有氧化葡萄糖的氧化酶（GOD）的試紙上，血樣中的葡萄糖被GOD氧化為葡萄糖酸內(nèi)脂（Gluconic acid），此物質(zhì)與試劑中的另一種酶——過氧化酶（Peroxidase）發(fā)生反應(yīng)，生成一種吸光物質(zhì)，測試時(shí)將試紙放置在反射式強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的光路中，如圖1所示。整個(gè)傳感器系統(tǒng)包括光源、發(fā)射光纖、接收光纖和光電探測器[3]。光源發(fā)出的光經(jīng)濾波、發(fā)射光纖至被測血樣表面，由于吸光物質(zhì)的調(diào)制，帶有血糖濃度信息的反射光由接收光纖接收，最后由光電接收器將接收到的光轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)光源功率以及光纖探頭和反射面之間的距離保持不變時(shí)，接收光纖接收到的一定波長的光強(qiáng)和該波長的入射光強(qiáng)的比值與血糖濃度存在對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)檢測到的光強(qiáng)信號，便可計(jì)算出血糖濃度。但這種光纖傳感器的主要缺點(diǎn)是當(dāng)光源激勵(lì)不穩(wěn)定時(shí)，會使光源光功率發(fā)生變化，造成測量誤差。另外，反射體表面反射率的不同以及光在光纖中的傳輸損耗，都會對測量帶來誤差。因此,本文提出三探頭光纖傳感器補(bǔ)償測量法，以消除測量環(huán)境中各種不穩(wěn)定因素的影響。

1.2 三探頭光纖束傳感器補(bǔ)償測量法原理

　　由于傳統(tǒng)的反射式強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器使用單根光纖發(fā)送和接收的光能量非常的微弱，為此本設(shè)計(jì)采用由數(shù)千根光纖組成的光纖束來發(fā)送和接收光，并增加一路參考光路，組成三探頭的光纖束傳感器，如圖2所示。為使參考光對測量光起到參考意義，要求參考和測量光照射到待測樣品上的光斑一致，因此整個(gè)光纖傳感探頭采用了同心圓的結(jié)構(gòu)，兩路發(fā)射光纖束為內(nèi)圓，并對其進(jìn)行隨機(jī)均勻分布排列，而外環(huán)為接收光纖束。在測量光纖和參考光纖足夠多的情況下，兩種波長的光照射到物體上的光斑面積近似相等，實(shí)際制作過程中測量和參考光纖束都各使用了4 000根玻璃光纖原絲，因此可近似認(rèn)為測量光和參考光為同光路，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)光譜分析理論，波長為635nm的光不能被血樣中的吸光物質(zhì)有效地吸收，只跟血樣中除了該吸光物質(zhì)的因素有關(guān)，因此可作為參考波長。而波長為700nm的光既同吸光物質(zhì)濃度有關(guān)，又與除該吸光物質(zhì)以外的因素有關(guān)，因此可作為測量波長。在圖2中，由發(fā)光二極管D1、D2分別發(fā)出強(qiáng)度相同，波長分別為635nm、700nm的光入射到光纖，反射后由D3導(dǎo)出，再通過分光元件和濾波片分離出不同波長的光，其光強(qiáng)比值反映了血糖濃度的大小。這種光纖探頭無間隙緊密排列，光纖尺寸、光路相同，易于做成帶狀，能自動補(bǔ)償光源強(qiáng)度和反射率以及環(huán)境等因素變化對測量精度的影響。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測裝置由CPU、三探頭光纖束傳感器、放大電路、LCD、鍵盤、Y型分光器、報(bào)警部分、濾波片等部分組成，如圖4所示。其工作過程是：固化在CPU中的程序使其I/O口控制LED驅(qū)動電路產(chǎn)生10kHz的參考波長和測量波長，經(jīng)三探頭光纖束傳感器分別把測量光、參考光照射到被測血樣上，反射光導(dǎo)入Y型分光器，通過濾波片后，兩束不同波長的光分別進(jìn)入對數(shù)、差動放大轉(zhuǎn)換成電信號，再輸入CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)分析，并將結(jié)果顯示在LCD上。

2.2 控制電路與傳感器設(shè)計(jì)

控制電路由CPU、CD4049、LCD、光源、鍵盤等器件組成，如圖5所示。

CPU采用TI公司的高端處理器MSP430F149，是超低功耗、高性能的16位嵌入式處理器，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，工作于32MHz[4]；利用定時(shí)器0控制P1.3引腳產(chǎn)生周期為10kHz的方波，去控制光源；由于MSP430F149內(nèi)部集成有60KB可編程Flash，可擦寫10 000次，因此不需擴(kuò)展程序存儲器，大大節(jié)省了電路板的制作面積，提高了集成度；顯示部分由122×32圖形點(diǎn)陣式液晶EW12A03GLY組成，液晶的讀寫引腳E1、E2、A0分別由CPU的P2.0、P2.1、P2.2控制；VLED、VLSS為液晶屏提供背光電壓；由于MSP430F149內(nèi)部集成了高精度12位A/D轉(zhuǎn)換，因此，不需要另外增加A/D芯片。差動放大的輸出經(jīng)濾波后接至MSP430F149的P6.0/A0引腳進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

2.3 光電轉(zhuǎn)換和放大電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)理論分析，將血糖濃度的測量轉(zhuǎn)化成測量光強(qiáng)比，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，又轉(zhuǎn)換成測量電流比。因此，需采用對數(shù)放大和差動放大后，才能得到電流比。選用TI公司的LOG114放大器，內(nèi)部集成有兩路對數(shù)放大器與兩個(gè)獨(dú)立的差動放大器以及一個(gè)2.5V的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，可以滿足檢測需要。該放大器專用于檢測光纖線纜輸出的光電二極管信號，不需外加電路。支持8個(gè)數(shù)量級的動態(tài)范圍100pA～10mA，且具有高速率、高精度的性能，從而避免了由分立元件構(gòu)成的電路所帶來的二次誤差，非常適合光控制系統(tǒng)。其電路如圖6所示。兩路光信號分別從1、3腳，4、5腳輸入，放大倍數(shù)可以通過調(diào)節(jié)R1/R2的比值來調(diào)整，輸出電壓與輸入電流關(guān)系為：

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件結(jié)構(gòu)主要由主程序、中斷子程序及顯示程序等模塊組成，程序流程如圖7所示。

基本流程是：按下啟動鍵，系統(tǒng)在P1.3產(chǎn)生10kHz的脈沖去控制光源，使光源發(fā)出同頻率、同強(qiáng)度、且波長分別為635nm、700nm的脈沖；MSP430F149通過ACTL(2-4)選擇通道A0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換完畢后，EOC信號變高，并對中斷標(biāo)志位ADIFG置位激活中斷；在中斷程序中將ADC產(chǎn)生的12位結(jié)果ADAT(低12位有效)進(jìn)行存儲，采樣10次后，停止采樣和脈沖發(fā)送。分析采樣數(shù)據(jù)，如果測量值超出預(yù)設(shè)的警戒值則聲音報(bào)警提示，同時(shí)將測量結(jié)果顯示在LCD上，并返回主程序繼續(xù)等待下一次測量中斷。

4 試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用此系統(tǒng)采集兩次進(jìn)餐之間的血樣，采樣數(shù)據(jù)如表1所示，利用MATLAB對測量結(jié)果與Prestige血糖儀檢測的結(jié)果進(jìn)行擬合比較，如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此系統(tǒng)測量結(jié)果較好地反映了血糖濃度，具有檢測功耗小、便攜等優(yōu)點(diǎn)，糖尿病患者可方便地在家中實(shí)現(xiàn)自我監(jiān)護(hù)。