CN113842142A - 一种穿戴式连续血糖检测装置及方法 - Google Patents

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钱大宏
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Abstract

本发明提供了一种穿戴式连续血糖检测装置及方法，所述装置包括三电极微针模块、电流电压转换电路以及MCU模块；其中，所述三电极微针刺入真皮层接触组织液但不及血液，采集得到原始的电流信号，将采集的原始电流信号放大、滤波后通过电流电压转换电路和MCU模块处理得到处理后的电流信号，将处理后的电流信号根据电流与血糖浓度关系式转换成血糖浓度，通过蓝牙信号发送至智能终端。本发明穿戴式连续血糖检测装置及方法成本低，并可实现对患者血糖进行精确测定和长期监测。

Description

一种穿戴式连续血糖检测装置及方法
技术领域
本发明涉及血糖检测设备技术领域，具体地，涉及一种穿戴式连续血糖检测装置及方法。
背景技术
目前全球的糖尿病患者人数在持续增多，已成为危害人类健康的第三大杀手。由于糖尿病目前无法治愈，患者需要长期服药和干预，一旦疏于护理便可引发眼、肾、神经、血管、心脏等器官的一系列慢性并发症。因此患者对血糖的精确测定与长期监测是糖尿病诊断和治疗控制的关键问题。
目前家庭指尖采血式血糖仪是使用最广泛的一种，在糖尿病早起筛查与糖尿病患者血糖水平管理中发挥了重要的作用。然而指尖采血血糖仪每天高频率的采血给患者造成了创伤痛苦和心理上的负担，同时也增加了患者感染的风险。
因此，患者急需无创采血血糖仪，在无创采血血糖仪方面，目前已有多达数十种不同技术被提出并验证，虽然在特定实验条件下取得了一些研究成果，但始终无法避免强背景干扰，葡萄糖检测特异性差异，个体差异明显等客观因素的影响。目前在无创血糖仪技术上，主要方案包括近红外、中远红外光谱技术，能量代谢守恒技术，反粒子渗透技术等。其中，红外光谱技术容易受到人体温度、血压、皮肤等因素的影响，且难以将血糖信号与其他组织信号区分；能量代谢守恒技术会用到大量的传感器，因此受到的干扰因素也更多；反粒子电渗透技术需要对皮肤表层进行研磨，且容易受到运动和汗液干扰，并需定期更换传感器。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种成本低、可对患者血糖进行精确测定与长期监测的穿戴式连续血糖检测装置及方法。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种穿戴式连续血糖检测装置，所述装置包括三电极微针模块、电流电压转换电路以及MCU模块；其中，所述三电极微针刺入真皮层接触组织液但不及血液，采集得到原始的电流信号，将采集的原始电流信号放大、滤波后通过电流电压转换电路和MCU模块处理得到处理后的电流信号，将处理后的电流信号根据电流与血糖浓度关系式转换成血糖浓度，通过蓝牙信号发送至智能终端。
可选地，所述三电极微针模块包括工作电极、辅助电极和参比电极，所述辅助电极和工作电极经体液形成极化回路，固化在工作电极上的葡萄糖蛋白酶与体液中的葡萄糖发生氧化还原反应产生过氧化氢，并对工作电极施加电压，电离过氧化氢产生氢离子，从而促使电流从工作电极流出。
可选地，所述工作电极与辅助电极之间设置有恒压电路，从而维持工作电极与辅助电极之间的电压恒定，以保证氧化反应的稳定性。
可选地，所述电流与血糖浓度关系式通过采集实验数据拟合出电流大小与血糖浓度之间的关系曲线，得到电流与血糖浓度关系式并存入MCU模块中。
可选地，采用蓝牙芯片作为MCU模块，所述蓝牙芯片除采样时间外，其余时间处于休眠状态。
进一步地，本发明还提供一种穿戴式连续血糖检测方法，所述方法包括以下步骤：
将穿戴式连续血糖检测装置佩戴于身体部位，三电极微针刺入真皮层接触组织液但不及血液，采集得到原始的电流信号；
将采集到的原始电流信号放大、滤波，并通过MCU模块处理后得到处理后的电流信号；以及
根据电流大小与血糖浓度之间的关系式将实时采集到的电流信号换算成血糖浓度通过蓝牙信号发送至智能终端。
可选地，所述将穿戴式连续血糖检测装置佩戴于身体部位，三电极微针刺入真皮层接触组织液但不及血液，采集得到原始的电流信号的步骤具体包括：所述穿戴式连续血糖检测装置佩戴于大臂外侧，所述三电极微针包括工作电极、辅助电极和参比电极，所述辅助电极和工作电极经体液形成极化回路，固化在工作电极上的葡萄糖蛋白酶与体液中的葡萄糖发生氧化还原反应产生过氧化氢，并对工作电极施加电压，电离过氧化氢产生氢离子，从而促使电流从工作电极流出。
可选地，所述工作电极与辅助电极之间设置有恒压电路，从而维持工作电极与辅助电极之间的电压恒定，以保证氧化反应的稳定性。
可选地，所述将采集到的原始电流信号放大、滤波，并通过MCU模块处理后得到处理后的电流信号的步骤具体包括：在MCU模块中内置软件滤波算法，将采集到的电流信号放大、滤波后通过电流电压转换电路由MCU模块处理后得到处理后的电流信号。
可选地，所述电流与血糖浓度关系式通过采集实验数据拟合出电流大小与血糖浓度之间的关系曲线，得到电流与血糖浓度关系式并存入MCU模块中。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明采用微针技术，长期佩戴实现连续检测，克服单点式血糖仪容易遗漏血糖变化峰值，提高了测量的准确性，并且因为可以接触人体体液，测量结果也更加精准，且减小了个体差异带来的误差。
2、本发明通过微针阵列技术，造成的创面可忽略不计，只需将血糖检测装置佩戴在患者的胳膊上即可实现血糖的连续测量，减少了患者的痛苦和感染的风险。
3、本发明实现高血糖患者对自身血糖的连续检测，只有实现连续测量，才能不遗漏血糖变化的峰值，更有利于患者日常饮食的自我管理，并给医生提供更加准确的诊断依据。另外，本发明还降低了患者的支出成本，患者只需以极低的价格定期更换三电极微针阵列贴片即可。
4、本发明通过电路的设计优化，减少了设备的体积，并利用低功耗蓝牙芯片的睡眠功能，非采样工作状态下能耗极低，减少设备的功耗延长续航，提高了用户的使用体验。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的穿戴式连续血糖检测装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的三电极微针模块的结构框图
图3为本发明实施例提供的恒压电路图；
图4为本发明实施例提供的电流电压转换电路图；
图5为本发明实施例提供的血糖浓度与电流关系拟合曲线图；
图6为本发明实施例提供的穿戴式连续血糖检测方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
具体地，图1为本发明实施例提供的一种穿戴式连续血糖检测装置的结构框图，如图1所示，所述装置包括三电极微针模块1、电流电压转换电路2以及MCU模块3。
如图2所示，所述三电极微针模块1包括工作电极WE、辅助电极CE和参比电极RE，所述辅助电极CE和工作电极WE经体液形成极化回路，P为极化电源。穿戴式连续血糖检测装置佩戴于大臂外侧，微针刺入真皮层接触组织液但不及血液，固化在工作电极上的葡萄糖蛋白酶与体液中的葡萄糖发生氧化还原反应产生过氧化氢，并对工作电极施加电压，电离过氧化氢产生氢离子，从而促使电流从工作电极流出，采集到电流信号。
理想状态下，参比电极的内阻无穷大，不会发生极化反应，无电流通过。氧化还原反应产生的电流只会通过极化回路，从工作电极流出辅助电极流入，检测此电流的大小即反应出血糖的浓度。不同的血糖浓度也会导致溶液的阻力值不同，在恒压下，会产生不同的电流，达到了对三电极体系环境的控制，在电压恒定的情况下检测极化电流。
如图3所示，参比电极接入放大器的反相输入端，在同相输入端加上输入参考电压，输出端与辅助电极相连，在参比电极与辅助电极之间形成闭环负反馈调节系统。由虚短原理，参比电极端电位由同相输入的电位控制，当同相输入端的参考电压固定而电极中的电流发生变化时，参考电位相对于工作电极的电位发生改变时都将通过负反馈调节维持恒压差。电路应选用大阻值负反馈电阻，可防止因输入端断开时造成放大器开环而损坏器件。因输出信号和输入信号反相，需要并联一个相位补偿电容，稳定负反馈信号相位的稳定。
另外，本发明为了减小血糖检测装置的体积，采用了软件滤波，即在MCU模块3中内置软件滤波算法马拉特算法，将采集到的电流信号放大、滤波后通过电流电压转换电路2由MCU模块4中的AD采样模块采集得到处理后的电压信号，再将处理后的电压信号转换成电流信号。本发明减少了硬件电路的滤波设计，代之以马拉特算法实现软件滤波，从而减小了血糖检测装置的体积并降低了噪声干扰。
图4为本发明实施例提供的电流电压转换电路图，如图4所示，利用跨阻抗运算放大电路的V＝IR关系特性，将电流信号转换为电压信号，并放大了R倍，并联的电容C用来补偿放大器反相输入端的寄生电容，并且起到了滤除高频干扰信号的作用，同时避免了输入侧失调电压、偏置电流和电容漏电流产生的误差。
图5为本发明实施例提供的血糖浓度与电流关系拟合曲线图，如图5所示，通过前期的大量实验，采集实验数据，通过实验数据拟合出电流大小与血糖浓度之间的关系曲线，并将其关系式存入MCU模块中。将最终将采集到的反应电流数据根据前期通过大量测试得到的电流与血糖浓度关系式进行数据转换，换算成血糖浓度后通过蓝牙信号发送至一智能终端，从而通过蓝牙通信，将采集的电流信号拟合回归成血糖数据保存在患者的手机等智能终端上。
在本实施例中，采用蓝牙芯片作为MCU模块，除采样时间外，其余时间处于休眠状态，实现低功耗功能，延长血糖检测装置的续航能力。
图6为本发明实施例提供的一种穿戴式连续血糖检测方法的流程框图，如图6所示，所述方法包括以下步骤：
S1：将穿戴式连续血糖检测装置佩戴于身体部位，三电极微针刺入真皮层接触组织液但不及血液，采集得到原始的电流信号；
具体地，将所述穿戴式连续血糖检测装置佩戴于大臂外侧，所述三电极微针包括工作电极WE、辅助电极CE和参比电极RE，所述辅助电极CE和工作电极WE经体液形成极化回路。微针刺入真皮层接触组织液但不及血液，固化在工作电极上的葡萄糖蛋白酶与体液中的葡萄糖发生氧化还原反应产生过氧化氢，并对工作电极WE施加电压，电离过氧化氢产生氢离子，从而促使电流从工作电极流出，采集到电流信号。
S2：将采集到的电流信号放大、滤波，并通过MCU模块处理后得到处理后的电流信号；
具体地，MCU模块中内置软件滤波算法马拉特算法，将采集到的电流信号放大、滤波后通过电流电压转换电路由MCU模块中的AD采样模块采集得到处理后的电压信号，再将处理后的电压信号转换成电流信号。
S3：根据电流大小与血糖浓度之间的关系式将实时采集到的电流信号换算成血糖浓度通过蓝牙信号发送至智能终端。
具体地，通过前期的大量实验，采集实验数据，通过实验拟合出电流大小与血糖浓度之间的关系曲线，并将其关系式存入MCU模块，再根据实验得到的电流大小与血糖浓度之间的关系式将实时采集到的反应电流数据换算成血糖浓度通过蓝牙信号发送至智能终端。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明采用微针技术，长期佩戴实现连续检测，克服单点式血糖仪容易遗漏血糖变化峰值，提高了测量的准确性，并且因为可以接触人体体液，测量结果也更加精准，且减小了个体差异带来的误差。
2、本发明通过微针阵列技术，造成的创面可忽略不计，只需将血糖检测装置佩戴在患者的胳膊上即可实现血糖的连续测量，减少了患者的痛苦和感染的风险。
3、本发明实现高血糖患者对自身血糖的连续检测，只有实现连续测量，才能不遗漏血糖变化的峰值，更有利于患者日常饮食的自我管理，并给医生提供更加准确的诊断依据。另外，本发明还降低了患者的支出成本，患者只需以极低的价格定期更换三电极微针阵列贴片即可。
4、本发明通过电路的设计优化，减少了设备的体积，并利用低功耗蓝牙芯片的睡眠功能，非采样工作状态下能耗极低，减少设备的功耗延长续航，提高了用户的使用体验。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种穿戴式连续血糖检测装置，其特征在于，所述装置包括三电极微针模块、电流电压转换电路以及MCU模块；其中，所述三电极微针刺入真皮层接触组织液但不及血液，采集得到原始的电流信号，将采集的原始电流信号放大、滤波后通过电流电压转换电路和MCU模块处理得到处理后的电流信号，将处理后的电流信号根据电流与血糖浓度关系式转换成血糖浓度，通过蓝牙信号发送至智能终端。
2.根据权利要求1所述的穿戴式连续血糖检测装置，其特征在于，所述三电极微针模块包括工作电极、辅助电极和参比电极，所述辅助电极和工作电极经体液形成极化回路，固化在工作电极上的葡萄糖蛋白酶与体液中的葡萄糖发生氧化还原反应产生过氧化氢，并对工作电极施加电压，电离过氧化氢产生氢离子，从而促使电流从工作电极流出。
3.根据权利要求2所述的穿戴式连续血糖检测装置，其特征在于，所述工作电极与辅助电极之间设置有恒压电路，从而维持工作电极与辅助电极之间的电压恒定，以保证氧化反应的稳定性。
4.根据权利要求1所述的穿戴式连续血糖检测装置，其特征在于，所述电流与血糖浓度关系式通过采集实验数据拟合出电流大小与血糖浓度之间的关系曲线，得到电流与血糖浓度关系式并存入MCU模块中。
5.根据权利要求1所述的穿戴式连续血糖检测装置，其特征在于，采用蓝牙芯片作为MCU模块，所述蓝牙芯片除采样时间外，其余时间处于休眠状态。
6.一种穿戴式连续血糖检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将穿戴式连续血糖检测装置佩戴于身体部位，三电极微针刺入真皮层接触组织液但不及血液，采集得到原始的电流信号；
将采集到的原始电流信号放大、滤波，并通过MCU模块处理后得到处理后的电流信号；以及
根据电流大小与血糖浓度之间的关系式将实时采集到的电流信号换算成血糖浓度通过蓝牙信号发送至智能终端。
7.根据权利要求6所述的穿戴式连续血糖检测方法，其特征在于，所述将穿戴式连续血糖检测装置佩戴于身体部位，三电极微针刺入真皮层接触组织液但不及血液，采集得到原始的电流信号的步骤具体包括：所述穿戴式连续血糖检测装置佩戴于大臂外侧，所述三电极微针包括工作电极、辅助电极和参比电极，所述辅助电极和工作电极经体液形成极化回路，固化在工作电极上的葡萄糖蛋白酶与体液中的葡萄糖发生氧化还原反应产生过氧化氢，并对工作电极施加电压，电离过氧化氢产生氢离子，从而促使电流从工作电极流出。
8.根据权利要求7所述的穿戴式连续血糖检测方法，其特征在于，所述工作电极与辅助电极之间设置有恒压电路，从而维持工作电极与辅助电极之间的电压恒定，以保证氧化反应的稳定性。
9.根据权利要求6所述的穿戴式连续血糖检测方法，其特征在于，所述将采集到的原始电流信号放大、滤波，并通过MCU模块处理后得到处理后的电流信号的步骤具体包括：在MCU模块中内置软件滤波算法，将采集到的电流信号放大、滤波后通过电流电压转换电路由MCU模块处理后得到处理后的电流信号。
10.根据权利要求6所述的穿戴式连续血糖检测方法，其特征在于，所述电流与血糖浓度关系式通过采集实验数据拟合出电流大小与血糖浓度之间的关系曲线，得到电流与血糖浓度关系式并存入MCU模块中。
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