新通讯 2016 年 12 月号 190 期《 技术前瞻 》
文．Namrata Dalvi

血糖机是一种用于确定溶液中葡萄糖浓度的医疗设备。葡萄糖浓度的单位是毫克每百毫升(mg/dL)或毫莫耳每升(mmol/L)。家用血糖机已成为糖尿病患者做为居家量测血糖的重要监测设备，并可在家中或外出时一天内可进行多次测量，以尽可能地保持血糖的正常水平。

血糖机是一种用于确定溶液中葡萄糖浓度的医疗设备。葡萄糖浓度的单位是毫克每百毫升(mg/dL)或毫莫耳每升(mmol/L)。家用血糖机已成为糖尿病患者做为居家量测血糖的重要监测设备，并可在家中或外出时一天内可进行多次测量，以尽可能地保持血糖的正常水平。

大多数血糖机基于电化学技术。这些血糖机采用电化学试纸进行测量。将一小滴待测溶液置于一次性试纸上，血糖机将利用该试纸来测量葡萄糖。在葡萄糖的电化学测量中，最常用的两种方法是比色法和电流法。

在比色法中，发光二极管(LED)或光传感器等构成模拟界面。跨阻放大器用于测量葡萄糖浓度。利用颜色反射率原理，根据亮度测定法来确定试纸反应层的色彩强度。这使得血糖机能够产生葡萄糖浓度的测量值。

在电流法中，使用毛细管吸取试纸一端的溶液。此试纸还包含一个酶电极，其中含有葡萄糖氧化酶等试剂。葡萄糖在酶的作用下发生化学反应，并在化学反应期间产生电子。随后测量流经电极的电荷，电荷量与溶液中的葡萄糖浓度成正比。此外，还会测量环境温度以补偿温度对反应速率的影响，大多数血糖机采用此方法。图1绘出了试纸的工作原理。

试纸构成主生化传感器(溶液试样置于其中)，它具有三个电极。化学反应期间，工作电极中会产生电子。此电极与电流至电压转换放大器相连。参考电极的电压相对于工作电极保持恒定，以便推动所需的化学反应。第三个电极是计数器电极，作用是为工作电极提供电流。大多数血糖机设计仅采用参考电极和工作电极。

向参考电极施加精确的参考电压(VREF)，向运算放大器施加精确的偏置电压(VBIAS)。透过这种方法，工作电极和参考电极之间将保持精确的电位差。此电压是用于驱动试纸输出电流的激励，其幅值随后用于计算产生的电子数量。

将溶液试样置于试纸上，葡萄糖在酶的作用下发生化学反应。化学反应期间会产生电子。电子的流动对应于流经工作电极和参考电极的电流。此电流将随葡萄糖浓度的变化而变化。电流可透过跨阻放大器(电流至电压转换器)和模拟至数字转换器进行测量。跨阻放大器的输出电压，将随溶液中葡萄糖浓度的变化而变化。

血糖机的数字实现方案可通过微芯(Microchip)的8位组件PIC16LF178x实现(图2)。它包含两个运算放大器、两个8位(bit)数字模拟转换器(DAC)、一个最多11个信道12位的模拟数字转换器(ADC)、内部电子抹除式可复写只读存储器(EEPROM)、I2C和16位定时器。

善用数字方案　解决血糖机量测

将溶液试样置于试纸上时，葡萄糖会发生化学反应并产生电子。可以测量电子的流动(流经电极的电流)。此电流将随葡萄糖浓度的变化而变化。可借助电流至电压的转换，并透过PIC组件的内部放大器以及对高频讯号的滤波来测量电流。随后，滤波后的讯号馈送至12位ADC模块进行模拟至数字的转换。 将溶液试样置于试纸上1.5秒(s)后，PIC组件开始捕捉ADC信道的电压。可获得约2,048个ADC读数。将这些读数的平均值代入回归公式Y=mX+C，其中Y是葡萄糖浓度(单位为mg/dL)，m是斜率，X是运算放大器输出电压的平均ADC读数，C是常数。

可利用此回归公式确定葡萄糖浓度，值显示在液晶显示器(LCD)上(单位为mg/dL或mmol/L)。内部EEPROM最多可储存32个血糖读数，可稍后在LCD上查看这些读数。血糖机展示板可由内建锂电池(3伏特、225mAH的CR2032)供电。

开始捕捉ADC值的时间(1至1.5秒)和获取的ADC读数数量应根据所用试纸的类型和特性适当修改。 此血糖机的设计规范要求葡萄糖的测量范围为20至600mg/dL(相当于1∼ 33mmol/L)。测试结果需要在5秒内显示。最近的32个葡萄糖读数应自动储存并包含日期和时间标记。由于此血糖机将根据试纸特性来实现和修改通用回归公式，因此无须对试纸进行编码。

LCD搭配电路板　完成硬件设计

此血糖机仅采用一块电路板，其上使用28接脚PIC16LF178x组件。支持在线串行刻录的连接方式可用于程序的除错和刻录。

除了以mg/dL和mmol/L为单位显示葡萄糖测量结果外，LCD还能显示指导讯息，如「Insert test strip」(请插入试纸)、「Strip inserted, place the sample」(已插入试纸，请放置试样)以及「Faulty test strip」(试纸错误)。

另外，须要适当的传感器来检测是否插入试纸、测量温度以及检查电池的健康状况。此血糖机有两个按钮，一个用于读取之前储存的数据，另一个用于设定日期和时间。

客制韧体模块　检测试纸电流

韧体须透过PIC组件的内部运算放大器、DAC和ADC来检测试纸电流。插入试纸并检查到电压升高450毫伏特(mV)后，须要捕捉ADC读数。将试样置于试纸上并计算出平均值1.5秒后开始记录ADC读数。葡萄糖浓度可根据回归公式和平均ADC读数进行计算。 韧体模块可用于LCD接口和显示程序、运算放大器的配置、DAC的配置、将葡萄糖读数储存到内部EEPROM、读取ADC通道、计算葡萄糖浓度以及透过将定时器用于时间标记来实现实时时钟和月历(RTCC)。

DAC的参考电压与内部的固定参考电压缓冲器2相连，设定为2.048伏特(V)。DAC输出电压设定为400毫伏特。 运算放大器的输出(电流至电压转换器的输出)通过ADC通道0进行测量。ADC信道3用于测量电池电压以指示低电量状态。温度传感器的输出与ADC通道8相连以读取温度。

葡萄糖读数将储存在内部EEPROM中，在休眠模式期间，如果按下开关S1，PIC组件进入内存模式，LCD上显示储存的葡萄糖读数。要查看之前的葡萄糖读数，须按下开关S3。再次按下开关S1，可退出内存模式。

16×2字符LCD用于显示葡萄糖读数和文字讯息。透过微控制器(MCU)的输入输出(I/O)埠的接脚控制LCD的VSS，可在休眠模式期间切断LCD的电源。
定时器和外部32.768kHz频率晶振用于实现RTCC。透过开关S1和S3，可为RTCC设置当前日期和时间。

软硬件调校配置 数据I/O运作顺畅

如图3所示，运算放大器的同相输入通道与DAC的输出(设置为400毫伏特)相连。运算放大器的同相端子与工作电极相连。借助外部电阻和电容，可构成电流到电压转换器。运算放大器的输出与PIC组件的ADC信道相连。

血糖机在工作模式下的电流消耗约为1.1毫安(mA)，在休眠模式下的电流消耗约为3微安培(μA)。血糖机在99.5%的时间内处于休眠模式。
葡萄糖测量受到温度、湿度和海拔等外部因素影响，因为酶的反应速率取决于这些及其他因素。此外，透过MATLAB或微软(Microsoft)Excel确定的回归公式须要针对不同化学特性的试纸相应更改。当设计与特殊试纸搭配使用的血糖机时，必须考虑这些因素。

(本文作者任职于微芯)