一、概述

現(xiàn)在的血糖儀以及其它家用醫(yī)療設(shè)備均要求小巧、便攜、易于使用。一臺(tái)好的醫(yī)療設(shè)備標(biāo)志是患者可以日常使用，并返回精準(zhǔn)的結(jié)果。過(guò)去幾年間，血糖儀的發(fā)展趨勢(shì)是通過(guò)減少所需的血液樣本最大程度地提高患者的舒適度和便捷性。目前設(shè)備的采血樣本非常小，可以從不同部位采血。無(wú)需從手指采血，從而大大減緩了日常測(cè)試帶來(lái)的痛苦。通過(guò)使用更好的血糖試紙、電子器件和高級(jí)測(cè)量算法，測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)性得到了提高。其它便捷性包括：快速獲得結(jié)果、邊緣填充試紙和試紙口照明等等。

1、血糖儀類型

現(xiàn)在，市場(chǎng)上存在連續(xù)和離散(單次)測(cè)試兩種儀器，植入式和無(wú)創(chuàng)式儀器正在推進(jìn)。連續(xù)測(cè)試血糖儀只能憑處方使用，利用皮下電化學(xué)傳感器設(shè)置測(cè)試間隔。單次測(cè)試血糖儀使用電化學(xué)或光學(xué)反射法測(cè)量血糖水平，單位為mg/dL或mmol/L。絕大多數(shù)血糖儀為電化學(xué)儀器。電化學(xué)測(cè)試試紙具有電極，在數(shù) /模轉(zhuǎn)換器(DAC)提供精確偏壓，利用試紙的電化學(xué)反應(yīng)測(cè)量與血糖成正比的電流。可能存在一路或多路通道，通常互阻放大器(TIA)將電流轉(zhuǎn)換為電壓，然后利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行測(cè)量。試紙的滿幅電流測(cè)量值為10μA至50μA，分辨率小于10nA。由于試紙對(duì)溫度敏感，所以需要測(cè)量環(huán)境溫度。

光學(xué)反射試紙利用顏色確定血液的血糖濃度。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的電流通常流過(guò)兩個(gè)發(fā)光二極管(LED)，該發(fā)光二極管交替照射彩色試紙。一個(gè)光電二極管監(jiān)測(cè)反射光強(qiáng)度，由試紙顏色確定，而試紙的顏色取決于血液的血糖含量。光電二極管電流通過(guò)TIA轉(zhuǎn)換為電壓，以利用ADC進(jìn)行測(cè)量。光電二極管的滿量程電流范圍為 1μA至5μA，分辨率低于5nA。此方法需要測(cè)量環(huán)境溫度。

2、試紙校準(zhǔn)

試紙通常需要根據(jù)血糖儀進(jìn)行校準(zhǔn)，以便適應(yīng)試紙的制造差異。通過(guò)手動(dòng)輸入編碼或插入一包試紙的儲(chǔ)存器進(jìn)行校準(zhǔn)。EPROM或EEPROM存儲(chǔ)器傳送更多信息，與手動(dòng)輸入編碼相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。1-Wire®存儲(chǔ)器非常適合此類應(yīng)用，因?yàn)槊總€(gè)1-Wire器件所獨(dú)有的識(shí)別碼確保使用正確的試紙。

一些血氧儀使用的試紙不要求用戶編碼。有三種方式完成這種“自校準(zhǔn)”：嚴(yán)格的生產(chǎn)控制、每個(gè)試紙內(nèi)置校準(zhǔn)或在加載儀器的試紙組上進(jìn)行校準(zhǔn)。血糖儀內(nèi)部的一組試紙還有助于測(cè)試，連續(xù)測(cè)試時(shí)無(wú)需用戶處理和插入。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代血糖儀越來(lái)越多地采用觸摸屏，提供友好的圖形用戶界面(GUI)，使得編程過(guò)程更加直觀。對(duì)用戶輸入的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)響應(yīng)幫助設(shè)計(jì)人員改善用戶體驗(yàn)。Maxim的高級(jí)觸摸屏控制器提供觸覺(jué)反饋、觸摸處理以降低總線流通量，自主模式實(shí)現(xiàn)精確的手勢(shì)識(shí)別。

血糖儀系統(tǒng)框圖

1、準(zhǔn)確度和精度

光學(xué)反射法和電化學(xué)血糖儀需要解析幾納安范圍的電流。如果血糖儀要求在生產(chǎn)過(guò)程中校準(zhǔn)，為了滿足血糖儀的誤差指標(biāo)，器件必須具有極低的漏電流和電源電壓、溫度以及時(shí)間漂移。運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)為連接電容式電化學(xué)試紙時(shí)應(yīng)具有極低的輸入偏置電流(《 1nA)、高線性度和穩(wěn)定性。對(duì)于兩種類型的血糖儀，運(yùn)算放大器通常均配置為T(mén)IA。電壓基準(zhǔn)的主要技術(shù)指標(biāo)包括：溫度系數(shù)低于50ppm/°C、低時(shí)間漂移和良好的線性、負(fù)載調(diào)節(jié)。10位或12位DAC用于設(shè)置電化學(xué)試紙的偏壓并設(shè)置光反射法試紙的LED電流。有時(shí)，電化學(xué)試紙采用比較器，以探測(cè)血液何時(shí)加入試紙。以節(jié)省等待采血期間的功耗，確保反應(yīng)區(qū)域填滿血液。血糖儀類型不同，ADC要求也不同，但是大多數(shù)要求分辨率不低于14位，并要求低噪聲，以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)測(cè)試結(jié)果。有些應(yīng)用在ADC前增加可編程增益級(jí)，以擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，這種情況下可使用12位分辨率。

2、溫度測(cè)量

理想情況下，應(yīng)測(cè)量試紙上的血液溫度，但是通常測(cè)量的是試紙周圍的環(huán)境溫度。溫度測(cè)量精度隨指示類型和化學(xué)成分的不同而變化，典型為±1°C 至±2°C之間。利用獨(dú)立的溫度傳感器IC或遠(yuǎn)程熱敏電阻或帶有PN結(jié)的ADC進(jìn)行溫度測(cè)量。利用與ADC具有相同參考驅(qū)動(dòng)的半橋配置熱敏電阻將提供更準(zhǔn)確的結(jié)果，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)消除了所有電壓基準(zhǔn)誤差。遠(yuǎn)程或內(nèi)置PN結(jié)可利用高精度集成模擬前端(AFE)進(jìn)行測(cè)量。

3、電化學(xué)試紙配置

大多數(shù)試紙均為專用配件，且不同血糖儀制造商的試紙有所不同。差異包括試劑配方、電機(jī)數(shù)量、通道數(shù)量和試劑的偏置方式。最簡(jiǎn)單的配置是自偏置試紙(圖1)，這種試紙具有兩個(gè)電極，測(cè)量工作電極處的電流，通用電極接地。

圖1. 自偏置配置的電化學(xué)試紙

一個(gè)試紙上可以存在多路通道;附加通道用于基準(zhǔn)測(cè)量、初始血液檢測(cè)或確保血液已經(jīng)填滿反應(yīng)區(qū)域。另一種配置采用有源驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電極并在共用電極處測(cè)量。另一種更先進(jìn)的設(shè)計(jì)是計(jì)數(shù)器配置(圖2)。

圖2. 計(jì)數(shù)器配置的電化學(xué)試紙

此處有三個(gè)電極，測(cè)量工作電極處的電流，而加載-感應(yīng)電路驅(qū)動(dòng)公共和基準(zhǔn)電極。這種配置有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：測(cè)量過(guò)程中可以更加準(zhǔn)確地控制和維持試紙上反映區(qū)域的偏壓。這種設(shè)計(jì)的劣勢(shì)在于更加復(fù)雜，并且需要更高的裕量以允許加載-感應(yīng)放大器的負(fù)擺幅，以維持電流流動(dòng)期間的偏壓。

4、集成模擬前端 (AFE)

Maxim的高精度AFE集成了上文提及的所有功能，滿足血糖儀要求的技術(shù)指標(biāo)和性能。AFE還適合于類似應(yīng)用，例如凝血儀和膽固醇儀。

5、顯示和背光

大多數(shù)血糖儀均使用簡(jiǎn)單的約100段液晶顯示(LCD)，可由集成至微處理器的LED驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。一些血糖儀具有更復(fù)雜的點(diǎn)陣LCD，通常要求使用玻璃、偏壓和驅(qū)動(dòng)器組裝而成的模塊。點(diǎn)陣顯示器還要求附加存儲(chǔ)器以儲(chǔ)存顯示內(nèi)容。還存在彩色顯示器，要求比段式或點(diǎn)陣LCD更多、更高的電壓?？赏ㄟ^(guò)使用兩個(gè)白光LED(WLED)或電致發(fā)光源來(lái)添加背光照明。

6、數(shù)據(jù)接口

向計(jì)算機(jī)加載測(cè)試結(jié)果的功能已經(jīng)存在了多年，但使用數(shù)據(jù)接口的儀器卻寥寥無(wú)幾。最初，為了降低儀器成本，這種功能增加的成本被設(shè)計(jì)到專有電纜中?，F(xiàn)在，儀器已經(jīng)從專有數(shù)據(jù)接口過(guò)度到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，例如USB和Bluetooth®。這些開(kāi)放接口增加的成本轉(zhuǎn)移到儀器中，由Continua健康聯(lián)盟(Continua Health Alliance)發(fā)起的移動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件可以方便地將患者數(shù)據(jù)傳遞到康復(fù)中心。

7、音頻

可聞指示器可以是簡(jiǎn)單的蜂鳴器或是便于視力受損者使用的高級(jí)語(yǔ)音設(shè)備。簡(jiǎn)單的蜂鳴器可以由具有脈寬調(diào)制(PWM)功能的一個(gè)或二個(gè)微處理器端口控制。通過(guò)添加音頻編解碼器以及揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)放大器，可實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的語(yǔ)音指示，甚至是測(cè)試結(jié)果音頻記錄。

8、電源和電池管理

帶有簡(jiǎn)單顯示器的血糖儀可以直接由一節(jié)紐扣鋰電池或兩節(jié)AAA堿性電池供電。為了最大程度地延長(zhǎng)電池壽命，血糖儀要求使用紐扣鋰電池時(shí)，電子器件能夠工作在3.6V至2.2V;使用AAA堿性電池時(shí)，能夠在1.8V下運(yùn)行。如果電子器件要求較高或經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的電源，則可以使用開(kāi)關(guān)型升壓轉(zhuǎn)換器。休眠模式下關(guān)斷開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，直接由電池供電可以延長(zhǎng)電池壽命，休眠電路可以在較低電池電壓下運(yùn)行。添加背光照明或更高級(jí)的顯示器要求更高電壓，有時(shí)要求附加電壓。此時(shí)需要更高級(jí)的電源管理方案。通過(guò)添加電池充電器和電量計(jì)電路，可以使用可充電電池，例如一個(gè)鋰離子(Li+)紐扣電池。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，如果儀器提供 USB，則USB充電無(wú)疑是方便的選項(xiàng)。如果電池可拆卸，則可能要求安全認(rèn)證以實(shí)現(xiàn)安全和售后控制。

9、靜電放電

所有血糖儀均須滿足61000-4-2靜電放電(ESD)要求。使用內(nèi)置有ESD保護(hù)的電子器件或在裸露的走線上添加ESD線路保護(hù)器可幫助滿足上述要求。

10、功能擴(kuò)展

如果采用精密的AFE完成血糖儀的核心電路設(shè)計(jì)，隨后需要增添其它功能時(shí)，則不需要重新設(shè)計(jì)這一部分電路。而采用針對(duì)便攜式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)的、具有單一功能的標(biāo)準(zhǔn)部件時(shí)，增添新功能時(shí)對(duì)原電路的破壞最小。“破壞最小”意味著風(fēng)險(xiǎn)較低，易于獲得FDA認(rèn)證，可以更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，也意味著可以提供更多滿足患者需求的功能。為了保障個(gè)人健康，將血糖控制在正常水準(zhǔn)，人們對(duì)血糖測(cè)試的需求也越來(lái)越頻繁。

三、部分相關(guān)器件

1、MAX1358B：16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，帶有ADC、DAC、UPIO、RTC、電壓監(jiān)測(cè)器和溫度傳感器

MAX1358B智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)基于16位、Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，系統(tǒng)支持的功能使其非常適合基于微處理器(µP)的系統(tǒng)。器件在單個(gè)芯片中集成了ADC、DAC、運(yùn)算放大器、內(nèi)部可選電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、模擬開(kāi)關(guān)、32kHz振蕩器、帶鬧鐘功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、高頻鎖頻環(huán) (FLL)時(shí)鐘、四個(gè)用戶可編程I/O、中斷發(fā)生器以及1.8V和2.7V電壓監(jiān)測(cè)器。

MAX1358B功能框圖

應(yīng)用：電池供電和便攜式設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電化學(xué)與光傳感器、工業(yè)控制、醫(yī)療儀器

2、MAX1329：12/16位DAS，具有ADC、DAC、DPIO、APIO、基準(zhǔn)、電壓監(jiān)測(cè)器和溫度傳感器

MAX1329/MAX1330是基于逐次逼近型(SAR)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的智能型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)。該器件具有極高的集成度，單芯片內(nèi)集成了ADC、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)、運(yùn)算放大器(op amp)、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器以及模擬開(kāi)關(guān)。

MAX1329：典型工作電路

應(yīng)用：電池供電和便攜式設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電化學(xué)與光傳感器、低成本編解碼器、醫(yī)療儀器

3、MAXQ2010：16位混合信號(hào)微控制器，提供LCD接口

MAXQ2010微控制器是一款低功耗、16位器件，包含高性能12位多路ADC和液晶顯示器(LCD)接口。配合高性能、低功耗混合信號(hào)集成電路，MAXQ2010可理想用于各種系統(tǒng)。

MAXQ2010：典型應(yīng)用電路

應(yīng)用：電池供電和便攜式設(shè)備、消費(fèi)類電子、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄儀、電化學(xué)與光傳感器、氣體及化學(xué)傳感器、家用產(chǎn)品、HVAC、工業(yè)控制、醫(yī)療儀表、便攜式醫(yī)療設(shè)備、安全檢測(cè)、智能發(fā)送器、溫度監(jiān)控器/濕度傳感器

4、MAXQ612：具有紅外模塊和USB (可選)功能的16位微控制器

MAXQ612/MAXQ622低功耗、16位MAXQ®微控制器設(shè)計(jì)用于通用遙控器、消費(fèi)類電子和白色家電等低功耗產(chǎn)品。兩款器件均采用低功耗、高吞吐率、16位RISC微控制器。串行外設(shè)包括兩個(gè)通用同步/異步接收-發(fā)送器(USART)、兩個(gè)SPI™主/從通信端口和一個(gè)內(nèi)部集成電路(I²C)總線。器件還包含能夠產(chǎn)生載波頻率的IR模塊和靈活的復(fù)用鍵盤(pán)控制I/O。MAXQ622還增加了帶有集成物理接口(PHY)的通用串行總線(USB)。