基于MSP430的光电微损法血糖监测系统设计

以MSP430处理器为核心，结合光电微损法血糖监测技术，采用三探头光纤束传感器，设计了新型的血糖监测系统。
　　关键词： MSP430； 微损； 血糖； 光纤传感器
 

　　WHO在2007年报告中指出，目前全世界有糖尿病（DM）患者1.7亿，预测到2025年将剧增至2.99亿，糖尿病已成为世界第五位死亡原因^[1]。我国DM患者占3.3%。胰岛素疗法是所有胰岛素依赖型糖尿病人的主要治疗方法。而胰岛素剂量确定的基础是严密监察血糖的控制情况。在常用的评估病情的手段中，静脉血糖与毛细血管血糖测定是目前最直接的评估血糖控制的方法，后者更是适合家庭和病人自我血糖监护的方法。研究证明，长期严格的血糖监测，可预防或延缓糖尿病并发症的发生和发展^[2]。因此，本文设计了适合糖尿病患者在家庭中实现血糖自我监护的监测系统。
1 设计原理
1.1 测量原理
    将血样滴在含有氧化葡萄糖的氧化酶（GOD）的试纸上，血样中的葡萄糖被GOD氧化为葡萄糖酸内脂（Gluconic acid），此物质与试剂中的另一种酶——过氧化酶（Peroxidase）发生反应，生成一种吸光物质，测试时将试纸放置在反射式强度调制型光纤传感器的光路中，如图1所示。整个传感器系统包括光源、发射光纤、接收光纤和光电探测器[3]。光源发出的光经滤波、发射光纤至被测血样表面，由于吸光物质的调制，带有血糖浓度信息的反射光由接收光纤接收，最后由光电接收器将接收到的光转换成电信号。当光源功率以及光纤探头和反射面之间的距离保持不变时，接收光纤接收到的一定波长的光强和该波长的入射光强的比值与血糖浓度存在对应关系。根据检测到的光强信号，便可计算出血糖浓度。但这种光纤传感器的主要缺点是当光源激励不稳定时，会使光源光功率发生变化，造成测量误差。另外，反射体表面反射率的不同以及光在光纤中的传输损耗，都会对测量带来误差。因此,本文提出三探头光纤传感器补偿测量法，以消除测量环境中各种不稳定因素的影响。

1.2 三探头光纤束传感器补偿测量法原理
　　由于传统的反射式强度调制型光纤传感器使用单根光纤发送和接收的光能量非常的微弱，为此本设计采用由数千根光纤组成的光纤束来发送和接收光，并增加一路参考光路，组成三探头的光纤束传感器，如图2所示。为使参考光对测量光起到参考意义，要求参考和测量光照射到待测样品上的光斑一致，因此整个光纤传感探头采用了同心圆的结构，两路发射光纤束为内圆，并对其进行随机均匀分布排列，而外环为接收光纤束。在测量光纤和参考光纤足够多的情况下，两种波长的光照射到物体上的光斑面积近似相等，实际制作过程中测量和参考光纤束都各使用了4 000根玻璃光纤原丝，因此可近似认为测量光和参考光为同光路，其结构如图3所示。根据光谱分析理论，波长为635nm的光不能被血样中的吸光物质有效地吸收，只跟血样中除了该吸光物质的因素有关，因此可作为参考波长。而波长为700nm的光既同吸光物质浓度有关，又与除该吸光物质以外的因素有关，因此可作为测量波长。在图2中，由发光二极管D1、D2分别发出强度相同，波长分别为635nm、700nm的光入射到光纤，反射后由D3导出，再通过分光元件和滤波片分离出不同波长的光，其光强比值反映了血糖浓度的大小。这种光纤探头无间隙紧密排列，光纤尺寸、光路相同，易于做成带状，能自动补偿光源强度和反射率以及环境等因素变化对测量精度的影响。

2 硬件设计
2.1 系统设计
　　监测装置由CPU、三探头光纤束传感器、放大电路、LCD、键盘、Y型分光器、报警部分、滤波片等部分组成，如图4所示。其工作过程是：固化在CPU中的程序使其I/O口控制LED驱动电路产生10kHz的参考波长和测量波长，经三探头光纤束传感器分别把测量光、参考光照射到被测血样上，反射光导入Y型分光器，通过滤波片后，两束不同波长的光分别进入对数、差动放大转换成电信号，再输入CPU进行A/D转换及数据分析，并将结果显示在LCD上。

2.2 控制电路与传感器设计
　　控制电路由CPU、CD4049、LCD、光源、键盘等器件组成，如图5所示。

  　CPU采用TI公司的高端处理器MSP430F149，是超低功耗、高性能的16位嵌入式处理器，采用先进的RISC结构，工作于32MHz^[4]；利用定时器0控制P1.3引脚产生周期为10kHz的方波，去控制光源；由于MSP430F149内部集成有60KB可编程Flash，可擦写10 000次，因此不需扩展程序存储器，大大节省了电路板的制作面积，提高了集成度；显示部分由122×32图形点阵式液晶EW12A03GLY组成，液晶的读写引脚E1、E2、A0分别由CPU的P2.0、P2.1、P2.2控制；VLED、VLSS为液晶屏提供背光电压；由于MSP430F149内部集成了高精度12位A/D转换，因此，不需要另外增加A/D芯片。差动放大的输出经滤波后接至MSP430F149的P6.0/A0引脚进行A/D转换。
2.3 光电转换和放大电路的设计
　　根据理论分析，将血糖浓度的测量转化成测量光强比，经光电转换后，又转换成测量电流比。因此，需采用对数放大和差动放大后，才能得到电流比。选用TI公司的LOG114放大器，内部集成有两路对数放大器与两个独立的差动放大器以及一个2.5V的内部基准电压，可以满足检测需要。该放大器专用于检测光纤线缆输出的光电二极管信号，不需外加电路。支持8个数量级的动态范围100pA～10mA，且具有高速率、高精度的性能，从而避免了由分立元件构成的电路所带来的二次误差，非常适合光控制系统。其电路如图6所示。两路光信号分别从1、3脚，4、5脚输入，放大倍数可以通过调节R1/R2的比值来调整，输出电压与输入电流关系为：
　　

3 软件设计
　　软件结构主要由主程序、中断子程序及显示程序等模块组成，程序流程如图7所示。

　　基本流程是：按下启动键，系统在P1.3产生10kHz的脉冲去控制光源，使光源发出同频率、同强度、且波长分别为635nm、700nm的脉冲；MSP430F149通过ACTL(2-4)选择通道A0进行A/D转换，当转换完毕后，EOC信号变高，并对中断标志位ADIFG置位激活中断；在中断程序中将ADC产生的12位结果ADAT(低12位有效)进行存储，采样10次后，停止采样和脉冲发送。分析采样数据，如果测量值超出预设的警戒值则声音报警提示，同时将测量结果显示在LCD上，并返回主程序继续等待下一次测量中断。
4 试验结果
　　应用此系统采集两次进餐之间的血样，采样数据如表1所示，利用MATLAB对测量结果与Prestige血糖仪检测的结果进行拟合比较，如图8所示。

　　实验结果表明：此系统测量结果较好地反映了血糖浓度，具有检测功耗小、便携等优点，糖尿病患者可方便地在家中实现自我监护。