傳感器和電流分析法

　　測量血糖的第一步是將血糖濃度轉換成電壓或電流信號，使用專門的傳感器測試條進行電流分析可以實現這一步。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物。流經電路的電流可以用來度量過氧化氫的濃度，進而得出血糖濃度。 需要指出的是，公式（圖1）中的表達式是線性的。這與實際情況有些不同，因為其它生化物質可能也會有反應。

圖1：電極反應。

　　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定的。通過對酶化過氧化氫的電化學檢測，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。

　　電流分析法測量驅動電解反應的一對電極之間的電流。氧通過薄膜擴散，并將電壓施加到鉑電極，將O2變為H2。這些起反應的電極是使用三電極設計的電流類傳感器。在使用電流測量傳感器時這種方法很有用，因為在相同化學反應中測量電壓和電流很可靠。

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

　　舉例來說，下面就是可以用來解釋電流分析的一個實用方法。在WE和RE電極上施加一個范圍從－200mV至8V的電壓，這個電壓定義了傳感器能夠以最大電流工作的電壓。當電流為18mA時，這個電壓值在4V左右。在選擇4V作為工作電壓后，我們可以獲得2至4秒的穩定時間。這意味著這次可以獲得可靠的測量，因為達到了最大電流值。

設計目標

　　系統特性。從系統角度看，血糖儀由多個單元組成，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的主要協調者。根據應用范圍的不同可以選用內部或外部閃存或SRAM。存儲器很重要，因為測量值必須存儲起來，以便提供數據管理和測量值平均等基本功能。

　　低功耗。低功耗必須加以關注。目前大多數血糖儀設備是電池供電的，因此微控制器和LCD功耗應盡可能低。血糖儀有99%的時間處于允許跟蹤時間的特殊停止模式，但可以通過外部中斷喚醒。為了使運行模式下的電池壽命最長，血糖儀制造商十分注重MCU工作頻率和喚醒時間。實時時鐘功能也是需要的，因為大多數血糖儀有一個告警系統，用于在測量時間到時提醒用戶。

　　保持低成本。這個成本包括與設備（血糖儀）相關的成本和額外組件（測試條）方面的未來支出。血糖儀本身應具有高性價比，因為用戶會不斷購買新的測試條。

圖2：測試條基本架構框圖。

　　數據管理。通過USB和無線方式建立連接非常需要，因為對醫生來說數據管理很關鍵。分析正在使用血糖儀的病人數據非常關鍵，并且必須連接到計算機以圖形化方式顯示測量信息。

　　接口既要方便病人使用，又要功能足夠強大，以便醫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，因為它不僅便于訪問信息，而且能連接與血糖儀測量交互的其它設備，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等實現，所有這些設備也要通過微控制器進行管理。

系統設計要素

　　系統的一個基本組件是測量引擎，它是一組模擬和數字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果。將所有測量引擎嵌入微控制器具有一定的優勢。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，并使器件數量最少。推薦的測量引擎由以下元件組成：

　　數模轉換器（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的關鍵參數是穩定時間，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。

　　跨導放大器：用于將電流輸入轉換成ADC能讀取的電壓，并完成信號調整。其關鍵參數是偏置電流，必須小于500pA(常溫25℃時)，以便測量化學反應期間生物傳感器產生的微小變化。

　　運算放大器：針對“超出范圍”設置的比較模式用于啟動測量算法。針對“內部范圍”設置的比較模式能夠很容易識別化學反應的尖峰。通用放大器的一個關鍵參數是偏置電流，必須小于或等于2μA(常溫25℃時)，以允許正確地設計單位增益緩沖器、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）。

　　模數轉換器（ADC）: ADC的關鍵參數是精度，應大于或等于13.5位有效位數(ENOB)，以方便測量生物傳感器中產生的小信號。信號強度和值取決于制造商規范和技術。測量技術（用戶知識產權）影響精度值。

　　附加模塊（VREF，可編程時延模塊和日期時間模塊）：VREF是一種可微調的參考電壓，可用作模擬外設的參考；可編程時延模塊是一種膠連邏輯，用于控制ADC和DAC模塊的時序和觸發器。可編程時延模塊和ADC一起用來以預設時間間隔執行測試并計算葡萄糖濃度；日期時間模塊用于保持對時間的跟蹤，并記錄測量發生時間。

圖3：血糖儀系統。

軟件和USB連接性

　　軟件組件對血糖儀系統開發來說也很重要。根據使用的軟件算法，血糖儀可以更具效率。符合醫學標準和組織的醫療設備可以實現互連，即使它們是由不同供應商制造的。

　　在解決USB連接性問題時，需要考慮的重要標準是IEEE 11073。這個標準提供了通信接口的結構，不僅定義了訪問數據的命令，還對待發送數據進行了結構化處理，并定義了通信狀態。另外一個重要標準是USB本身。USB組織定義了個人健康護理設備等級（PHDC），這是一個醫療設備用USB通信的標準實現。

　　這些獨立知識產權塊向具體供應商提供了開發醫療USB連接的特定實現所需的工具。飛思卡爾公司提供這些獨立的構建模塊，從而使醫療設備（如血糖儀）的設計變得更加容易。有準備地使用為特定微控制器的外設開發的軟件可以縮短系統開發時間。這些驅動程序可用來控制LCD、模擬外設和連接接口。如果驅動程序在選擇微控制器時就提供了，那么對醫療設備開發人員而言就是個優勢。

本文小結

　　糖尿病是一個世界性的健康問題，并且還在不斷加劇。幸運的是，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生反應后會產生一個電流，供血糖儀進行測量。

　　市場上的血糖儀通過精度、連接性、LCD顯示屏和數據管理功能選項實現了差異化。對血糖儀設計來說，像低功耗和醫療軟件支持等關鍵特性非常重要。推薦使用集成了數字和模擬功能，并且合理平衡了成本的微控制器，以實現小型、低功耗和高性能的血糖儀設備。