提高血糖仪系统设计效率

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  •   血糖仪是一种用于测量血液中葡萄糖浓度的医疗设备,根据具体的血糖浓度,可能还需要提供低血糖药物管理功能。血糖仪要使用测试条以便与病人的血滴发生作用。在经过化学反应后,就能从血糖仪上读出用mg/dl或mmol/l单位表示的血糖值。血糖仪应具有便携、低功耗、易用和增强体验等特性,这些要求将直接影响血糖仪产品的技术和利基市场。

      传感器和电流分析法

      测量血糖的第一步是将血糖浓度转换成电压或电流信号,使用专门的传感器测试条进行电流分析可以实现这一步。传感器使用铂银电极组成过氧化氢被电解电路的一部分。过氧化氢是葡萄糖在葡萄糖氧化膜上氧化的产物。流经电路的电流可以用来度量过氧化氢的浓度,进而得出血糖浓度。 需要指出的是,公式(图1)中的表达式是线性的。这与实际情况有些不同,因为其它生化物质可能也会有反应。

    提高血糖仪系统设计效率


    图1:电极反应。

      血糖仪中的传感器采用葡萄糖氧化酶电极,葡萄糖氧化酶在镀铂的活性碳电极中是稳定的。通过对酶化过氧化氢的电化学检测,酶电极可以用于电流分析判断。传感器由各种电极组成:葡萄糖氧化膜层、能被葡萄糖渗透的聚亚安酯薄膜、氧和过氧化氢。

      电流分析法测量驱动电解反应的一对电极之间的电流。氧通过薄膜扩散,并将电压施加到铂电极,将O2变为H2。这些起反应的电极是使用三电极设计的电流类传感器。在使用电流测量传感器时这种方法很有用,因为在相同化学反应中测量电压和电流很可靠。

      三电极模型使用一个工作电极(WE)、一个参考电极(RE)和一个反电极(CE)。产生的电流必须转换为电压才能供微控制器(MCU)处理。这个工作由跨导放大器完成。最后,MCU利用ADC模块检测和处理这个信号。

      举例来说,下面就是可以用来解释电流分析的一个实用方法。在WE和RE电极上施加一个范围从-200mV至8V的电压,这个电压定义了传感器能够以最大电流工作的电压。当电流为18mA时,这个电压值在4V左右。在选择4V作为工作电压后,我们可以获得2至4秒的稳定时间。这意味着这次可以获得可靠的测量,因为达到了最大电流值。

      设计目标

      系统特性。从系统角度看,血糖仪由多个单元组成,这些单元通过互相作用来提供必要的功能。微控制器要求作为系统的主要协调者。根据应用范围的不同可以选用内部或外部闪存或SRAM。存储器很重要,因为测量值必须存储起来,以便提供数据管理和测量值平均等基本功能。

      低功耗。低功耗必须加以关注。目前大多数血糖仪设备是电池供电的,因此微控制器和LCD功耗应尽可能低。血糖仪有99%的时间处于允许跟踪时间的特殊停止模式,但可以通过外部中断唤醒。为了使运行模式下的电池寿命最长,血糖仪制造商十分注重MCU工作频率和唤醒时间。实时时钟功能也是需要的,因为大多数血糖仪有一个告警系统,用于在测量时间到时提醒用户。

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