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在血糖仪设计中实现高效率 |
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作者：飞思卡尔 Cuauhtemoc Medina Rimuldi |
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糖尿病是全球普遍存在的一个健康问题。根据世界卫生组织的统计，全球大约共有1.55亿名糖尿病患者，到2025年有可能增加到3亿人。
这种疾病产生的原因是身体无法产生足够的胰岛素，或无法正常代谢来自胰腺的胰岛素激素。 胰岛素的作用是使细胞从食物中吸收葡萄糖。
1型糖尿病是一种自身免疫性疾病，会把β细胞误认为是闯入者而对其进行攻击，从而因为没有胰岛素的产生而阻止身体从食物中摄取能量。当β细胞被大量破坏时就会出现糖尿病的症状。对于2型糖尿病，虽然β细胞仍然可以产生胰岛素，但是细胞无法对胰岛素产生反应，或者自然产生的胰岛素可能无法满足身体需求。2型糖尿病比1型糖尿病更容易治疗。1型糖尿病需要患者定期注射胰岛素，而2型糖尿病通过减轻体重、改变患者的饮食习惯和增加锻炼来控制。大多数此类患者在病情严重以后都需要注射胰岛素。
血糖仪如何为糖尿病患者提供帮助
血糖仪是一种从外周血或中心血中获取葡萄糖浓度值的技术。这些值以mg/dl或mmul表示，对代谢紊乱有重要的临床价值，例如糖尿病和营养不良，以及高渗性昏迷和吸收不良综合征等并发症，最重要的是低血糖症，该病症的患者其血糖溶度低于正常水平。
血糖仪是一种测量血液中的血糖浓度水平的医疗设备，根据浓度水平判断患者是否需要使用降糖药物。血糖仪使用一个测试条来测试患者的血滴。测试条发生化学反应之后，血糖仪读取葡萄糖水平并以mg/dl 或 mmul/l表示。血糖仪通常便于携带，用于对糖尿病患者进行家庭监控。血糖仪和恰当的药物治疗对于糖尿病患者在家中保持血糖控制是非常必要的。
该设备应便于携带并省电。对于1型糖尿病患者，血糖仪应包括易于使用的特性，从而提高使用体验。这可以采用极富吸引力的多媒体界面或视频播放功能实现。 年龄较大的患者可能偏好易于手持的设备，以便避免掉落，并且在显示屏中具有更大的数字显示。这些要求直接影响着技术和血糖仪的细分市场。
工作原理：传感器和电流分析法
测量血糖浓度的第一步是将血糖浓度转化为电压或电流信号，这可以通过血糖仪的特殊传感器条实现。传感器使用铂金和银电极组成部分电路，采用过氧化氢电解的形式。过氧化氢生成是葡萄糖氧化膜上葡萄糖氧化的结果。流经电路的电流提供过氧化氢的浓度测量值，提供血糖浓度。需要特别注意的是，等式中的表达关系是线性的（请参见图1）。实际情况可能会有所差异，因为其他生化物质也可能参与到这一反应中。
图1: 电极反应
用作血糖仪的传感器基于葡萄糖氧化物电极。葡萄糖氧化物固定在铂激活碳电极上。通过使用酶生成过氧化氢的电化学检测方法，可以将酶电极用于安培测定。 传感器由多个电极组成：一个葡萄糖氧化层，一个可以由葡萄糖、氧和过氧化氢渗透的聚氨酯膜。
电流分析的测量对象是一对电极之间的电流，由电解反应驱动。氧通过膜扩散，电压应用至将O2还原为H2的Pt电极。
图2: 测试流程基本块图
这些反应电极是一个使用三电极设计的安培型传感器。当使用电化学传感器时，因为在相同化学反应中测量电压和电流的可靠性，这种方法非常有效。这三个电极模型使用一个工作电极(WE)、一个基准电极(RE)和一个计数器电极(CE)。该电流生成之后，它必须更改为电压，以便由微控制器(MCU)处理。该操作由阻抗放大器执行。最后，MCU通过ADC模块检测并处理该信号。
例如，以下是一个解释血糖仪工作原理的切实可行的方法。将电压施加于WE和RE电极，其范围从-200毫伏到8伏。该步骤用于定义在最大电流下传感器可以执行的电压。该值为4伏左右，电流为18微安。在选择4伏作为运行值以后，我们可获得2秒至4秒之间的稳定时间。这意味着此次可以获得一个可靠的测量结果，因为达到了最大电流值。
血糖仪系统特性分析
从系统角度来看，血糖仪由通过互动提供所需功能的多个元件组成。
需要一个微控制器作为系统的主协调器。根据应用范围，可能需要选择内部、外部闪存或SRAM。内存非常重要，因为测量值必须使用它来存储，以便提供数据管理和平均测量值等基本功能。
低功耗
低功耗必须特别注意。目前，大多数血糖仪应用都是由电池供电，因此微控制器和LCD的功耗应尽可能低。血糖仪在99%的时间里都处于特定的关机模式，允许其保持连续时间，但在出现外部干预时将被唤醒。血糖仪制造商需要分析MCU运行频率和唤醒时间，以便在开机模式中最大限度延长电池使用时间。实时时钟功能也非常必要，因为大多数血糖仪都具有报警系统，可以在必须进行测量时提醒用户。
保持低成本也非常重要。这包括与器件（血糖仪）有关的成本和以后使用过程中其他组件（测试条）的支出。血糖仪本身应经济高效，因为用户将不断购买测试条。
数据管理
因为数据管理对患者非常重要，所以也需要具有通过USB和无线连接的功能。分析使用血糖仪的患者的数据非常重要，也必须能够与计算机连接显示测量信息。对于患者来说接口应简单易用但足够强大，以便使医生通过连接接口尽可能获得足够多的信息。无线连接对日常使用来说更加重要 – 不仅可以轻松访问信息，还可以连接至与血糖仪测量值交互的其他设备 – 例如胰岛素泵，以便协助用户使用恰当的胰岛素用量。
键盘和人机界面可以通过按钮和分段式LCD实施，以便通过触摸传感界面和图形LCD完成操作 – 所有项目还可以通过微控制器管理。
系统的另一个基本组件是测量引擎，它是一组模拟和数字IP模块，通过与传感器交互向微控制器和测量流程传输电压。建议测量引擎包括以下组件：
数字到模拟转换器(DAC)：提供偏置信号。DAC向偏置传感器（测试条）输出特定电压。DAC的一个重要参数是设定时间，在高功率模式下必须小于或等于1微妙，在低功耗模式下必须为5微秒。单调性必须得到保证，这将允许恰当的波形偏置到生物传感器。
阻抗放大器：用于将输入电流转变为可以由ADC读取的电压，ADC负责执行信号调节。偏置电流的一个重要参数是必须低于500微微安（通常为25°C），以便在化学反应过程中测量生物传感器生成的微小更改。
运算放大器：为“超出范围”设置的比较模式，用于指明测量算法。为“范围内”设置的比较模式，可轻松识别化学反应的峰值。通用放大器的一个重要参数是偏置电流，它必须低于或等于2uA（通常为25°C），以便允许设计符合要求的统一增益缓冲器、低通过滤器、增益放大器、逆变器和非逆变器的可编程增益放大器(PGA)
模拟到数字转换器(ADC)：ADC的一个重要参数是精确度，它应高于或等于13.5位有效位数(ENOB)，它允许测量生物传感器中的微笑信号。信号强度和值取决于制造商的规格和技术。测量技术（客户的知识产权）影响精确度水平。
其他模块（VREF、Programmable Delay Block和Time of Day）：VREF是一个微调电压基准，用作模拟外设的基准。Programmable Delay Block是一个胶合逻辑，用于控制ADC和DAC模块的定时和触发。Programmable Delay Block与ADC用于按照预先设定的时间间隔执行测量，并计算血糖水平。Time of Day模块用于连续计时，并记录执行测量时间。
嵌入式测量引擎
根据以上的各项要求，需要在微控制器中嵌入一个测量引擎。 飞思卡尔的8位9S08MM128、32位CuldFire® MCF51MM256 MCU、Kinetis™ K50 微控制器 (ARM® Cortex™-M4)提供了片上测量引擎，降低成本的同时最大限度地减少了组件数量。
图3: 血糖仪系统
软件和USB连接
软件组件对于血糖仪系统的开发也非常重要。根据所使用的软件算法，血糖仪可以变得更加高效。符合医疗行业标准并满足卫生组织的要求，允许不同供应商生产的设备相互之间可以互联。
最主要的医疗设备标准组织之一是Continua® Health Alliance (http://www.continuaalliance.org)。该组织统一了各个医疗行业领先厂商的智能技术和医疗设备，使患者不仅可以交换重要信息，还可以改变管理健康和保健的方式。 但采用USB连接时，一个需要注意的重要标准是IEEE 11073。它通过定义访问数据的命令、组织将要传输的数据结构并定义通信状态提供了通信接口结构。
另一个重要标准是USB自身的标准。 USB组织已经定义了Personal Health Care Device Class (PHDC)，面向医疗行业中医疗设备的USB通信标准实施。
这些独立的知识模块为特定供应商提供了开发医疗设备USB连接的特定实施所需的工具。飞思卡尔提供了这些独立的构建模块，使其可以更加轻松地用于血糖仪等医疗应用的设计。
针对特定微控制器的外设使用提供了随时可用的软件，缩短了开发时间。这些驱动将用于控制LCD、模拟外设和连接接口。如果在选择微控制器时可同时获得这些优点，那么对于医疗应用开发者来说无疑是一个巨大的优势。
即刻开始： 正确的道路
糖尿病是一个世界性的健康问题，并且愈发严重。幸运的是，血糖仪通过测量血液中的葡萄糖总量简化了对糖尿病患者的护理，因此患者可以决定是否使用必要的药物。血糖仪测试条与传感器电路和血液交互，并产生可以由血糖仪测量的电流。 根据精确度、连接特性、LCD显示屏和数据管理选项的不同，各种血糖仪之间存在差异。对血糖仪设计来说，低功耗功能和医疗软件支持等关键特性非常重要。 在实施小型的低功耗高性能血糖仪时，建议采用集成了数字和模拟功能、同时可以平衡成本的恰当的微控制器。(end)
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(9/20/2012) |
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