本文摘要：本篇文章是由 《医学影像学》 发表的优秀医学论文，自1990年创刊以来，始终狠抓质量，以读者为中心，全心全意为读者，作者服务，经过18年的努力拼搏，取得了很大成绩。本刊宗旨为：努力提高与普及医学影像学知识，为保障人民身体健康而奋斗。 摘要：目的 提
本篇文章是由《医学影像学》发表的优秀医学论文，自1990年创刊以来，始终狠抓质量，以读者为中心，全心全意为读者，作者服务，经过18年的努力拼搏，取得了很大成绩。本刊宗旨为：努力提高与普及医学影像学知识，为保障人民身体健康而奋斗。
摘要：目的 提出一个无试纸式的血糖仪设计原理，以摆脱血糖仪对试纸的依赖。方法 采用MSP430系列单片机作为控制核心，加上血液预检测、恒电位发生电路、信号检测电路、数据存储及LCD显示等必要模块形成完整功能的血糖仪。结果 在无试纸的前提下，实现了对血糖的检测，并可进行数据分析处理，给用户提供准确可靠的信息。结论 该设计摆脱传统血糖仪对试纸的依赖，实现无试纸式血糖仪。另外还增加了血量预检测功能，进一步提高了测量的准确度。
关键词：无试纸式;血糖仪;恒电位电路
当前市面上常见的血糖仪可分为有酶和无酶两种，但无论是有酶或者无酶血糖仪均搭配不可重复的试纸使用[1]。按照国际糖尿病联盟(International Diabetes Federation，IDF)统计，2012年国内糖尿病人数约占世界糖尿病人数的1/4，达9228万人之多。目前大多糖尿病患者每月实际自测次数大概为35次，远远不及世界卫生组织( WHO)的糖尿病患者血糖水平每天至少检测4次的要求。而按实际市场试纸价格，患者每月仅在试纸上就要花费200多元。如果拥有无试纸检测方式[2]，则患者每年就可以节省购买试纸的花费2500元以上，而对于所有患者而言，每年将可以节省几百亿甚至上千亿元。这就有必要设计出一款无需试纸的血糖仪，不但减少使用者在检测成本上的负担，而且增加社会资源利用率，节约社会资源。
1血糖检测原理
血糖是指人体血液中的葡萄糖，在一定的条件下，在给催化电极施加一定频率的恒电压刺激，使血液中的葡萄糖发生反应并产生自由电子，产生的自由电子总量和参与分解的葡萄糖分子总量成正相关关系[3]，检测产生的自由电子移动引起的电流信号值得到对应的血糖浓度值。这便是设计该血糖仪的基本原理。
2系统硬件设计
根据血糖仪应运行速度快、功耗低等功能的实际需求，选用型号为MSP430F435单片机作为控制核心，主要模块包括血液预检测电路[4]、恒电位发生电路和信号检测电路，另外还可加入LCD显示和扬声器等模块。整体设计见图1。
2.1 MSP430F435 单片机 本设计选用MSP430F435单片机是具有多种省电模式可以随时切换，而且可以使用普通AA电池低电压供电，能实现超低功耗运行[5]。正是因为它运算速度快而且功耗低，MSP430F435单片机在便携式仪器上的应用是非常合适的，其优势更为明显。它也有一个内部参考水平，采样功能、12位A/D转换器自动扫描和LCD驱动集成超过160段的特点，以及其他功能，完全能够满足血糖仪的设计功能要求。
2.2血糖传感器检测端理想设计 血糖传感器对于该血糖仪设计是关键部分，它选用一些催化性能较好的金属进行制作，其中铂片作为对电极材料，的钯-金(Pd-Au)合金作为工作电极，参比电极对材料要求不高，因此选用普通的金属铜。根据中山大学闫龙龙等人的研究，Pd和Au的结合，对葡萄糖选择性氧化表现出了良好的催化活性。血糖传感器检测端理想设计见图2，加上一个不导电的塑料作载体，三个电极裸露在载体表面。待测血液可直接滴到检测端的电极上，检测完毕后只需轻轻拭擦，清洁一下检测端即可进行第二次测量。
2.3血液预检测电路设计 由于该血糖仪设计的原理，滴入待测血液的多少会直接影响到测量的准确度，因此在测量血糖之前，必须要对滴入血液的量有一定的要求。所以我们在设计中加入血量预检测电路[6]，目的就是检测滴入的待测血液的量是不是在该设计的测量范围内，避免测出错误的血糖质量浓度值而误导用户。
本设计的血液预检测电路是利用参比测量的方法，即判断在参比电极与对电极之间形成的一个等效电阻是否与设定的额定电阻相等或者相近来达到自动检测功能。当待测血液滴入传感器测试端时，传感器的参比电极与对电极之间电阻因有血液连通而变小，待测血液达到预定的量后，参比电极与对电极之间的等效电阻也达到预定值。若两电极间的等效电阻达到预定值，说明待测血液的量已经满足该设计的测量精度要求，可以进行下一步的测量[7]。
本设计检测电路选择IO口供电，很大程度上降低了开关机功耗，延长电池的使用寿命，还可以消除由参考电压变化所引起的误差。
2.4恒电位发生电路设计，见图3。
该设计引用三电极法对待测血液进行检测，参比电极和工作电极对电压的稳定性要求比较高，不可选择直接电源供电的方式，而应采用恒电位发生电路产生稳定的电压供给。
其基本原理见图3，运行中的恒电位相当于工作电极相对参比电极之间的电压差。工作电极接地或者接一个实际基准电位源，反应产生的电流注入某一通道和注入地在本质上是一样的，为了提高恒电位的准确性，设计成利用精密基准电位源提供恒电位的电路。
其中运算放大器主要由其构成恒电位电路的负反馈。C5作为补偿电容。
2.5信号检测电路设计 信号检测电路包括信号放大和A/V转换电路，检测血液反应过程中产生的微电流信号，并转换为发送到单片机中进行数据处理的电压信号[8]。然而反应所产生的电流信号十分微弱，仅有μA --nA 级，这就需要经过放大、A/V转换、滤波等处理使其转变成便于检测的大电压信号，再经过单片机自带A /D 转换功能转化成为其能够处理的数字信号进行处理分析。
如图4所示，运算放大器LM358反相输入端连接的对电极与地之间的等效电阻为Rx，当待测血液滴入后，血糖浓度与流过该等效电阻的电流成一定的比例关系。因此可计算得出待测血液的血糖浓度值。
其中，起到反馈放大的作用，它很好地将运算放大器的输出电压限制在A /D模块的转换范围内。起滤波作用，以减少电路本身的干扰。而 的作用就是把电容和运放隔离，原因是运放直接与电容负载相连容易引起输出震荡。
3软件设计
血糖仪需要实现一下几个主要功能：血液预检测、血糖浓度信号检测、数据储存、LCD显示等。该系统首先要对待测血量进行预检测[9]，对血量进行判断，足量方可进行下一步检测，若不足则要给用户报错，提醒用户正确使用。显然，待机模式是为实现低功耗而设置的。当用户停止操作血糖仪短时间内不需要进行第二次测量时，系统便自动跳入待机模式，此时单片机MSP430处于一个低功耗运行状态，其他外围元件的供电被单片机控制并切断，使整个系统的运作功耗降至最低。这也称为睡眠模式。此间系统会为用户保持20s短暂运行，若用户对系统再无输入，系统则关闭，须重新按键启动方可再次使用。流程主图见图5。
4结论
与常见的血糖仪不同，该设计的血糖仪采用无试纸式检测，杜绝了对试纸的依赖，大大减少检测产本，并搭配功能强大的MSP430F435单片机，大大简化该血糖仪的电路结构，不仅令制造成本降低，而且使仪器本身的可靠性和稳定性进一步提高。另外，增加了在待机状态下血液预检测功能，更有效地保证测量的准确度，给用户提供准确可靠的数据信息。
参考文献：
[1]Longlong Yan. Efficient and poison-tolerant PdxAuy/C binary electrocatalysts for glucose electrooxidation in alkaline medium [J]. Netherlands Applied catalysis B， Environmental， 2014，01：150-151，268-274.
[2]蒋开伟.基于MSP430F435的血糖仪研究与设计[D].北京交通大学，2006.
[3]孙常青.血糖仪的人机工程学研究[D].太原理工大学，2010.
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