CN100446724C

CN100446724C - 用于闭环胰岛素注射的无创血糖仪

Info

Publication number: CN100446724C
Application number: CNB2005101260098A
Authority: CN
Inventors: 杨庆德; 蔡新霞; 田青; 刘春秀; 姜利英; 刘红敏; 刘剑
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2008-12-31
Anticipated expiration: 2025-11-28
Also published as: CN1973768A

Abstract

本发明公开一种用于闭环胰岛素注射的无创血糖仪，内置无线通信模块，其结合电化学电极抽取人体皮下组织液，实现无创血糖检测，并通过射频无线通信与胰岛素泵偶联，指导胰岛素注射。本发明血糖仪的恒电流源取样电路可结合电化学生物传感器透过人体皮肤连续、无创地抽取皮下组织液，通过电化学方法检测皮下组织液所含葡萄糖浓度，进而获得血糖浓度，并将血糖信息与时间信息通过射频无线通信模块发送给胰岛素泵，指导胰岛素注射，实现糖尿病患者血糖水平的闭环控制，可以极大程度的减轻糖尿病患者的痛苦，提高其生活质量。

Description

用于闭环胰岛素注射的无创血糖仪

技术领域

本发明涉及生化检测领域，是一种用于闭环胰岛素注射的无创血糖仪。

背景技术

糖尿病是一种常见的内分泌代谢病，目前在全世界的发病率很高。人工注射胰岛素是目前比较有效的治疗方法。但使用胰岛素泵进行胰岛素的定量注射，必须事先测知患者体内的血糖浓度。而目前市场上的血糖仪大都是侵入式的，即从末梢或静脉取血，然后通过电化学方法或光学方法进行检测。这种侵入式血糖检测每天必须检测7次甚至更多，这样既繁琐又会增加患者感染其他疾病的机会，因而亟需一种非侵入式的血糖检测装置对糖尿病患者体内的血糖进行连续、无创监测。而仅仅有血糖的连续监测，对于频繁的、需要定量的胰岛素注射来说还是不够的，因为从血糖值到胰岛素注射需要繁琐的计算。这样，一种闭环胰岛素注射的概念就被提出来：将血糖仪所测血糖值以有线或无线的方式传给胰岛素泵，胰岛素泵根据血糖值进行一定的运算得出胰岛素注射剂量，形成一个闭环胰岛素注射系统。

发明内容

本发明的目的是以无线的方式控制胰岛素泵，以无创的方式对糖尿病患者体内的血糖进行连续、无创监测，使胰岛素泵根据血糖值进行一定的运算得出胰岛素注射剂量，进行注射，形成一个闭环胰岛素注射系统，以解决血糖的连续、无创检测和微弱电化学信号的检测问题。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种用于闭环胰岛素注射的无创血糖仪，其结合电化学电极抽取人体皮下组织液，实现无创血糖检测，并通过射频无线通信与胰岛素泵偶联，指导胰岛素注射。

所述的血糖仪，包括中央处理单元，存储单元，按键，显示模块，恒电流源取样电路，信号放大及采集电路，报警电路，内部实时时钟和RS232通信接口；其中，中央处理单元内含模/数转换电路、数/模转换电路和内部实时时钟，其连接并控制显示模块、存储单元、恒电流源取样电路、信号放大及采集电路、报警电路，并通过RS232接口与计算机进行通信；其特征在于，中央处理单元还与无线通信模块电连接，并通过无线通信模块，与胰岛素泵无线连接；而恒电流源另一端、模/数转换电路和数/模转换电路的另一端，分别与两个电化学生物传感器电连接。

所述的血糖仪，其所述有机发光显示器，可结合四个操作按键进行菜单式操作，四个按键分别为返回键、上移键、下移键、确认键，使血糖仪的操作变得简便易懂；有机发光显示器，具有自发光特性，不需要背光源，极大的降低了血糖仪的功耗。

所述的血糖仪，其所述恒电流源取样电路，是将一无源恒流芯片与一个运算放大器串联，并在运算放大器两侧分别并联一个电阻，可提供0～10mA的可调恒电流源，结合相应的电化学生物传感器电极通过反离子渗透，抽取人体皮下组织液。

所述的血糖仪，其所述中央处理单元，采用内含24位高精度数/模转换电路的单片机，因此对电化学信号的最高分辨率为量程的1/16777216，这完全能满足血糖微弱信号检测的要求。

所述的血糖仪，其所述存储单元，为单片机内置，其中闪速只读存储器(flash ROM)具有较强的存储功能，能够存储1000个以上的血糖历史数据，内置RAM为4K字节，能够满足单片机进行一定的数字信号处理的要求。

所述的血糖仪，其所述信号转换与放大电路，是在运算放大器的侧面并联两个串接的电阻R1与R2，电阻R1的一端与运算放大器的输出端相连，电阻R2的一端与运算放大器的同相端接地，两电阻R1与R2的连接端，通过采样电阻Rf与运算放大器的反相端相连；输出电压与电流信号之间的关系是：

Vout＝-i×Rf(1+R1/R2+R1/Rf)

由上式可知，在采样电阻Rf不至于过大的情况下，调整电阻R1与R2的电阻值之比，即可实现小电流信号的检测，使血糖仪能测得纳安级的微弱电流信号。

所述的血糖仪，其所述与两个电化学生物传感器电连接，每个传感器的对电极复用为取样电极，单片机通过控制多路复用器来实现传感器反离子渗透取样和电化学检测的分时复用。

所述的血糖仪，其所述报警电路，内置蜂鸣器，在血糖出现异常的时候报警。

所述的血糖仪，其所述无线通信模块，为射频无线通信模块，还可无线接入无线传感网络和远程监护终端。

所述的血糖仪，其所述电源，采用优化的低功耗设计，如降低工作频率、降低工作电压、选用低功耗器件、调整OLED的工作模式等，在用一节AAA 1.5V干电池供电的情况下，能实现12小时以上的血糖连续监测。

所述的血糖仪，其所述恒电流源取样与电化学检测交替进行，以其中一个传感器为例：在第一个3分钟内，该传感器的对电极C1作为恒电流源的阳极，与另一传感器对电极C2协同，对人体皮皮下组织液进行反离子渗透取样，随后的7分钟，该传感器的三个电极工作，检测所抽取组织液中的葡萄糖；第二个3分钟内，该传感器的对电极C1作为阴极进行取样，随后的7分钟内，另一传感器的三个电极工作，检测所抽取组织液中的葡萄糖，如此反复循环。

本发明的用于闭环胰岛素注射的无创血糖仪，解决了血糖的连续、无创检测和微弱电化学信号的检测问题，实现了糖尿病患者血糖水平的闭环控制，可以极大程度的减轻糖尿病患者的痛苦，提高其生活质量。

附图说明：

图1为本发明中可调恒电流源的原理图；

图2为微弱电化学电流信号的检测电路；图2.a为改进的采样检测电路，图2.b为传统的采样检测电路；

图3为本发明中恒电流源取样与电化学检测的切换过程示意图；

图4为本发明中恒电流源取样与电化学检测的切换原理图；

图5为本发明中与无创血糖仪结合使用的电化学生物传感器示意图；

图6为本发明用于闭环胰岛素注射的无创血糖仪组成框图。

具体实施方式

本发明公开一种用于闭环胰岛素注射的无创血糖仪，如图6所示，内置无线通信模块，包括中央处理单元，存储单元，按键，显示模块，恒电流源取样电路，信号放大及采集电路，报警电路，内部实时时钟和RS232通信接口等。其中，中央处理单元内含模/数转换电路、数/模转换电路和内部实时时钟，其连接并控制显示模块、存储单元、恒电流源取样电路、信号放大及采集电路、报警电路，并通过RS232接口与计算机进行通信；其特征在于，中央处理单元还与无线通信模块电连接，并通过无线通信模块，与胰岛素泵无线连接；而恒电流源另一端、模/数转换电路和数/模转换电路的另一端，分别与两个电化学生物传感器电连接。

中央处理单元通过无线通信模块，与胰岛素泵无线连接，还可无线接入无线传感网络和远程监护终端。

本发明的恒电流源取样电路可结合电化学生物传感器透过人体皮肤连续、无创地抽取皮下组织液，通过电化学方法检测皮下组织液所含葡萄糖浓度，进而获得血糖浓度，并将血糖信息与时间信息通过射频无线通信模块发送给胰岛素泵，指导胰岛素注射，实现糖尿病患者血糖水平的闭环控制，可以极大程度的减轻糖尿病患者的痛苦，提高其生活质量。本仪表通过四个按键和有机发光显示器实现菜单式操作，具有用户界面友好、操作简便之特点。此外该血糖仪留有三针接口，可与计算机进行RS232串口通信，既可以方便地对血糖仪软件进行升级，又可以将存储在血糖仪内的测试信息上传到个人电脑上进行保存或处理。

本发明的恒电流源是通过图1所示电路实现的，该电路是将一无源恒流芯片与一个运算放大器(OPA)串联，并在运算放大器两侧分别并联一个电阻R3、R4，实现0～10mA的可调恒电流源。

无源恒流芯片是一款REF200无源电流源芯片，只要将其串联接入电路即可提供两路100μA的恒电流源和一个镜像电流源。本发明实施例用到一路100μA恒电流源，由于运算放大器的“虚短”和“虚断”特性，电阻R3和R4两端的电压是相同的，因而流过两电阻的电流之比是电阻值之比的倒数，因而只要调整两电阻的阻抗比就可以获得在对象(Object)上施加任意大小的恒定电流。

对于用安培法进行电化学分析的电极，必须将微弱的电流信号转化为易测量的电压信号，本发明采用图2a所示电路实现电流信号的转换和放大，在运算放大器(OPA)的侧面并联两个串接的电阻R1与R2，电阻R1的一端与运算放大器的输出端相连，电阻R2的一端与运算放大器的正极接地，两电阻R1与R2的连接端，通过电阻Rf与运算放大器的负极相连。如图2a所示，输出电压与电流信号之间的关系是：

Vout＝-i×Rf(1+R1/R2+R1/Rf)

由上式可知，在保证采样电阻Rf不至于过大的情况下，只要通过调整R1与R2的电阻值之比，即可以实现小电流信号的检测。而在传统的电流-电压转换电路中(图2b)必须得增大Rf的阻值来实现小信号检测，但如果Rf过大，会使运算放大器的输入偏置电流的影响增大，同时会使采样电路的响应时间变长。这对小信号检测都是不利的。

本发明采用三个模拟开关来实现恒电流源取样与电化学检测的切换，切换流程如图3所示，其中电化学检测在两个电化学生物传感器内轮换进行，如图5所示，恒电流源取样与电化学检测交替进行。

见图5，其中C1、C2分别为两个传感器的对电极，R1、R2为两个传感器的参比电极，W1、W2为两个传感器的工作电极。以其中传感器1为例：在第一个3分，传感器1的对电极C1作为恒电流源的阳极，与传感器2的对电极C2协同，对人体皮皮下组织液进行反离子渗透取样，随后的7分钟，传感器1的三个电极工作，检测所抽取组织液中的葡萄糖，第二个3分钟内，传感器1的对电极C1作为阴极进行取样，第二个7分钟内，传感器2的三个电极工作，检测所抽取组织液中的葡萄糖，如此反复循环。恒电流源取样与电化学检测切换的原理如图4所示，三个多路复用器芯片ADG709的A1和A0的组态均为低电平时(00)，W与W1连通，R与R1、C与C1连通，此时传感器1工作，进行电化学检测A1和A0的组态为01时，W、R、C分别于W2、R2、C2相连，此时传感器1工作；当A1和A0的组态为10时，恒电流源的阳极和阴极分别与C1、C2相连，进行取样；A1和A0的组态为11时，恒电流源的阳极和阴极分别与C2、C1相连，进行取样。

本发明采用最新的显示技术---有机发光显示器(OLED)，具有功耗低，亮度高，响应快，视角大等特点.特别适合血糖仪连续监测显示的特点.该OLED需要12V和3V两种电压供电，其中3V为血糖仪系统供电电压，而12V则使用通用的升压电路来实现.

本发明之所以能够遥控胰岛素泵，进而指导胰岛素注射，主要是其内部置有无线通信模块.该通信模块采用FSK技术，工作频率在医疗频段，可将血糖仪与胰岛素泵偶联在一起.还可以与其他无创血糖仪、远程终端协作，组成无线传感网络。

低功耗设计：由于无创血糖需要连续监测人体血糖水平(10-24小时)，而本发明的功能模块较多，鉴于体积和重量限制采用一节AAA电池供电，因而要求低功耗，本发明的低功耗设计主要体现在选用低功耗零部件，降低工作频率、工作电压，调整OLED的工作模式。

报警功能：与一般血糖仪不同的是，本发明采用单片机控制蜂鸣器实现报警功能，在血糖检测过程中，若糖尿病患者的血糖水平超标，则会驱动蜂鸣器发生提示病人采取相关措施。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的技术人员依据本发明的创造原理，可以做出许多变形和改进，但这些均落入本发明权利要求的保护范围。

Claims

1.一种用于闭环胰岛素注射的无创血糖仪，其特征在于，其结合电化学电极抽取人体皮下组织液，实现无创血糖检测，并通过射频无线通信与胰岛素泵偶联，指导胰岛素注射；

所述的血糖仪，包括中央处理单元，存储单元，按键，显示模块，恒电流源取样电路，信号放大及采集电路，报警电路，和RS232通信接口；其中，中央处理单元内含模/数转换电路、数/模转换电路和内部实时时钟，其连接并控制显示模块、存储单元、恒电流源取样电路、信号放大及采集电路、报警电路，并通过RS232接口与计算机进行通信；其特征在于，中央处理单元还与无线通信模块连接，并通过无线通信模块，与胰岛素泵无线连接；而恒电流源取样电路、模/数转换电路和数/模转换电路的一端，分别与两个电化学生物传感器电连接；

所述恒电流源取样电路，是将一无源恒流芯片与一个运算放大器串联，并在运算放大器的同相端与输出端之间，运算放大器的反相端与输出端之间分别并联一个电阻，提供0～10mA的可调恒电流源，结合相应的电化学生物传感器电极通过反离子渗透，抽取人体皮下组织液。

2.如权利要求1所述的血糖仪，其特征在于，所述显示模块采用有机发光显示器，结合四个按键进行菜单式操作，四个按键分别为返回键、上移键、下移键、确认键，使血糖仪的操作变得简便易懂；有机发光显示器，具有自发光特性，不需要背光源，极大的降低了血糖仪的功耗。

3.如权利要求1所述的血糖仪，其特征在于，所述中央处理单元，采用内含24位高精度数/模转换电路的单片机，对电化学信号的最高分辨率为量程的1/16777216，完全能满足血糖微弱信号检测的要求。

4.如权利要求1所述的血糖仪，其特征在于，所述存储单元，为单片机内置，其中：闪速只读存储器具有较强的存储功能，能够存储1000个以上的血糖历史数据；内置RAM为4K字节，能够满足单片机进行一定的数字信号处理的要求。

5.如权利要求1所述的血糖仪，其特征在于，所述信号放大及采集电路设置为，电阻R1的一端与运算放大器的输出端相连，电阻R2的一端与运算放大器的同相端接地，电阻R1与电阻R2的连接端，通过采样电阻Rf与运算放大器的反相端相连；信号放大电路的输出电压与传感器的电流信号的关系是：

Vout＝-i×Rf(1+R1/R2+R1/Rf)

Vout为信号放大电路的输出电压，i为传感器的电流信号；

由上式可知，在采样电阻Rf不至于过大的情况下，调整电阻R1与电阻R2的电阻值之比，即可实现小电流信号的检测，使血糖仪能测得纳安级的微弱电流信号。

6.如权利要求1所述的血糖仪，其特征在于，所述与两个电化学生物传感器电连接，每个传感器的对电极复用为取样电极，单片机通过控制多路复用器来实现传感器反离子渗透取样和电化学检测的分时复用。

7.如权利要求1所述的血糖仪，其特征在于，所述无线通信模块，为射频无线通信模块，能无线接入无线传感网络和远程监护终端。

8.如权利要求1所述的血糖仪，其特征在于，还包括电源模块，采用优化的低功耗设计，即采用降低工作频率、降低工作电压、选用低功耗器件和调整OLED的工作模式，在用一节AAA 1.5V干电池供电的情况下，能实现12小时以上的血糖连续监测。

9.如权利要求1或6所述的血糖仪，其特征在于，所述恒电流源取样与电化学检测交替进行，其中一个传感器在第一个3分钟内，该传感器的对电极C1作为恒电流源的阳极，与另一传感器对电极C2协同，对人体皮下组织液进行反离子渗透取样，随后的7分钟，该传感器的三个电极工作，检测所抽取组织液中的葡萄糖；第二个3分钟内，该传感器的对电极C1作为阴极进行取样，第二个7分钟内，另一传感器的三个电极工作，检测所抽取组织液中的葡萄糖，如此反复循环。