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[导读]血糖仪的出现,大大方便了糖尿病患者自行监测血糖。为了能更好地利用无线网络资源,方便用户随时随地的测量,开发了一种基于移动通信的血糖监护系统。

1 血糖监护系统概述

糖尿病是危害人类健康的四大主要疾病之一,目前没有根治的办法,只能通过血糖监测对糖尿病加以控制。血糖仪的出现,大大方便了糖尿病患者自行监测血糖。为了能更好地利用无线网络资源,方便用户随时随地的测量,开发了一种基于移动通信的血糖监护系统。

基于移动通信的血糖监护系统由两大部分组成:手机血糖仪与糖尿病监护中心。工作模式如图1所示。糖尿病患者利用随身携带的手机血糖仪可随时监测血糖,监护中心通过GSM网络接收患者的血糖值,并反馈适当的诊断结论。

图1 系统工作模式

手机使用MotorolA388c,血糖仪是吉林大学仪器学院自主开发的以MSP430单片机与酶电极传感器等为主的血糖测试仪,通过串口连接手机,利用手机的键盘和液晶屏控制显示血糖测试结果。即,手机血糖仪是在保留手机原有各项功能的基础上,增加了血糖测试功能。

糖尿病监护中心硬件由一台服务器通过串口连接一个MC35无线通信模块构成,软件系统主要负责完成控制MC35接收短信以及患者信息管理及维护。


2 手机血糖仪的设计

2.1 系统硬件设计

基于MSP430单片机的血糖测试仪主要由酶电极传感器、信号处理、单片机数据采集处理以及单片机与手机的串行通讯几部分组成,如图2所示。酶电极传感器采用三电极系统,分为参比电极、对极和工作电极。

图2 手机血糖仪系统框图

前置信号处理采用模拟开关对电极接入电路情况进行控制,从而为系统提供不同的工作状态,信号处理采用放大器和低通滤波,将传感器的电流信号转换放大滤去高频干扰,为后续电路的数据采集提供质量较高的信号,血糖浓度的数据采集处理和串口数据通讯,采用TI公司的MSP430系列单片机为主控单元完成。另外,系统具有温度补偿功能,能补偿环境温度对系统测试结果的误差,提高测试结果的精度。血糖测试模块体积为3cm*1cm,这样可以放在手机壳里,做到血糖测试仪和手机融为一体,方便了用户的携带与检测。

2.2 血糖浓度测量原理

血糖浓度值的测定通过生物酶电极传感器,当血液滴入,在葡萄糖酶的催化作用下,传输电子物质在碳电极表面被强制性氧化,其氧化还原反应过程中形成的氧化电流跟葡萄糖浓度成线性关系,通过测定氧化电流的强度计算血糖浓度值[1]。

在电极上加0.4V的恒定工作电压, 当被测血样滴在电极的测试区后,电极上固定的葡萄糖氧化酶与血样中的葡萄糖发生化学反应。经过一定的滞后期,酶电极的响应电流将与被测血样中葡萄糖浓度呈线性关系,如图3所示。

图3 酶电极电流变化曲线

对应于2.2- 27.8mmol/L的血糖浓度,酶电极的响应电流约为3—50μA。血糖仪就是通过这一对应关系来计算显示血样葡萄糖浓度值的。根据曲线可知酶电极上的反应电流在11s左右出现峰值,因此系统设定前11s为酶电极的反应时间,后5.3s为酶电极的采集时间。对5.3s的电流面积积分,得到电量Q,再根据已知的血糖的浓度C0可以由公式求出标准系数K:

Q =∫I(t)dt = K C0
K = Q/ C0

从而求出所测试的血糖浓度:

Cx = Q/K

温度是影响酶的活性及酶催化反应速度的重要因素之一[2]。因此要保证测量的精度,必须进行温度补偿。经系统测试及相关的结果分析得到温度补偿公式如下:
Kt = 0.0133t + 0.067

考虑到温度补偿,因此,血糖浓度计算公式如下:
Cx = Q/(K ×Kt)

2.3 通信软件设计

Java手机操作系统都支持标准的J2ME MIDP1.0 Java标准。J2ME是SUN公司推出的针对嵌入式消费类电子产品的开发平台。Motorola公司生产的Motorola388,A388C等手机不仅支持标准的J2ME MIDP1.0 Java标准,还推出了Motorola SDK for J2ME,实现了一些CLDC/MIDP提供的接口功能[3]。

手机与血糖仪通过串口连接,所以使用手机正确、实时地接收血糖仪发送的数据是关键。经过多次实验,采用多线程的开发模式可以准确、快速地读取血糖仪发送至手机的数据。

在编写串行通信程序时,要用到javax.microedition.io包中的Connector类和StreamConnection、InputStream和OutputStream 接口。在J2ME中所有的连接都是使用Connector类的open(String connect)方法建立的,不同的连接可以通过传递不同的参数connect实现[4,5,6,7,8]。

2.4在MotorolaA388上运行

基本按以下5个步骤:
(1)打包:编译通过后,使用JBuilder Wizard菜单中的Archive Builder项,选择Archive type为MIDlet,随提示即可完成打包。
(2)在PC机上运行:运行MIDlet,更新打包文件:.jar与.jad文件。
(3)下载:用手机提供的数据线把手机和PC机串口相连,选择手机上“通过数据线下载”菜单选项,再通过摩托罗拉388免费提供的一个名为pcjal.exe的下载工具,可很容易地将MIDlet下载到手机上。
(4)安装:一般手机下载完一个J2ME程序后,就会自动进行安装。将程序存储在手机的指定位置里。
(5)在MotorolaA388C上运行:程序安装完后,手机就会在程序菜单中显示该应用程序,用户选择该菜单项后就可以运行程序。界面如图4所示。

图4 运行界面
 

3 糖尿病监护中心设计

糖尿病监护中心的硬件部分主要由一台服务器连接一个GSM模块组成。选用的是SIEMENS公司的无线模块MC35[9]。硬件电路主要分为四个部分:电源电路,用于提供6V-12V的电源;串口电路,用于与计算机串口进行连接;SIM卡电路,用于SIM卡与模块的连接;MC35模块驱动电路,用于对MC35无线通信模块进行点火驱动。
软件系统如图5所示。其中,人机接口模块,还增加了由用户手动输入数据的功能;糖尿病病理数据库包括知识库和规则库,知识库中存放和管理有关糖尿病诊断的专家经验和知识,规则库用于存放糖尿病诊断与鉴别诊断的规则;患者信息库用来保存患者的血糖测量值及一些背景信息。系统与GSM模块的通信采用串行通信协议,短信管理使用AT指令[10]。

图5 系统功能框图


4 结果与讨论

手机血糖仪操作简单, 测试时,用户进入血糖测试界面(如图4所示),点击运行键,屏幕会提示插入血样试纸,随后会出现15S倒计时状态,当倒计时为“0”时显示血糖浓度测试结果,测试结果可以直接点击发送短信键,通过GSM网络发送至MA35I,再由远程糖尿病诊断系统接收存储并给出诊断结论后反馈给患者。

目前,最为准确地测量方式还是医院的静脉采血测试,但需要患者抽取大量的静脉血,所以比对本系统的血糖仪选择了相对测量较准确的强生血糖仪,表1中给出了绝对误差值与最大相对误差值。

表1 测量结果与误差值

从测试结果可以看出,基于手机的血糖仪重复性误差最大值为1.01﹪,浓度最大相对误差为5.98﹪,在医疗器械规则的误差范围内,因此认为自行研制的基于手机的血糖测试仪符合标准。

经过收发短信的测试,系统运行正常;测量的数据与知识库中的相比对,按照简单的规则,可自动给出诊断结论,也可由医生修改或加入建议。

后期要继续完善本系统,并在并系统的基础上,继续进行人体其他生理参数的监测研究,如血压、脉搏、心电等,利用无线和有线连接,将数据存储至远程医疗中心服务器,并使用人工神经网络等技术进行个体发病预测及疾病分类。

在移动设备与现代医学高速发展的天,操作简单,方便,便携的移动监测设备与远程医疗中心的配合是医疗仪器的发展趋势。本文基于Java手机实现了与血糖仪在多线程模式下的串行通信,利用手机显示存储测量的结果,并且以短信的形式发送至远程服务器,从而得到专家的建议与治疗方案。今后随着嵌入式技术、无线网络技术的继续快速发展,移动式的医疗仪器会拥有更广阔的应用和市场前景。

本文作者创新点:

1.血糖测试模块的体积只有3cm2,所以可以和移动设备,如手机整合在一起。

2.设计了糖尿病监护中心,方便社区医院、或糖尿病治疗中心直接使用。

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