基于SPR的微创血糖仪的研制

ＴＨＥＳＩＳ＆ＲＥＳＥＡＲＣＨ　ＲＥＰＯＲＴ　Ｉ研究论著　基于ＳＰＲ的微创血糖仪的研制　韩秋波，张力新，曾玉珍，许可欣　（天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津３０００７２）　【摘要】　目的：研制一种新型便携式微创血糖检测仪。方法：微创血糖检测系统以高性能单片机Ｃ８０５１Ｆ０６０为核心，由　ＳＰＲ生物传感器、步进电动机、真空泵及点阵式液晶等模块构成，采用ＲＴＸ５１一ＴＩＮＹ多任务实时操作系统，实现血糖　测量。结果：可微创、实时地采集和检测人体血糖。结论：该盘糖仪体积小，检测快速、准确，具有很好的应用前景。　ｆ关键词】微创；血糖检测：表面等离子共振　【中图分类号】ＴＨ７７２．２；Ｒ５８７，１　【文献标志码】Ａ　【文章编号】１００３—８８６８（２００８）０８－０００１—０３　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏ－ｉｎｖａｓｉｖｅ　Ｂｌｏｏｄ　Ｇｌｕｃｏｓｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＰＲ　ＨＡＮ　Ｑｉｕ－ｂｏ，ＺＨＡＮＧ　Ｌｉ－Ｉｘｉｎ，ＣＡＯ　Ｙｕ－ｚｈｅｎ，ＸＵ　Ｋｅ－ｘｉｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｏｐｔｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　Ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ａ　ｎｅｗ　ｐｏｒｔａｂｌｅ　ｍｉｃｒｏ－ｉｎｖａｓｉｖｅ　ｂｌｏｏｄ　ｇｌｕｃｏｓｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ．Ｍｅｔｈｏｄｓ　Ｗｉｔｈ　ａ　ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ＭＣＵ　Ｃ８０５１Ｆ０６０　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ．ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ＳＰＲ　ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ．ｓｔｅｐ—ｍｏｔｏｒ．ｖａｃｕｕｍ　ｐｕｍｐ　ａｎｄ　ａ　ｌａｔｔｉｃｅ—ｓｔｙｌｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｍｏｄｕｌｅ．Ｗｉｔｈ　ｍｕｌｔｉ—ｔａｓｋ　ＲＴＯＳ，ＲＴＸ５１一ＴＩＮＹ．ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅａｌｉｚｅｓ　ｂｌｏｏｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｒ　ｍｌ】虹Ｍｉｃｒｏｉｎｖａｓｉｖｅ　ａｎｄ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｂｅｄｙ，ｓ　ｂｌｏｏｄ　ｇｌｕｅｏｓｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｆｕｌｆｉｌｌｅｄ．Ｃ＝ｗｌｎｓｋｍ　Ｔｈｉｓ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｍａｌｌ　ｓｉｚｅ，ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ＳＯ　ｉｔ　ｈａｓ　ａ　ｎｉｃｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄ．［ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ，２００８，２９（８）：１—３】　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｍｉｃｒｏ—ｉｎｖａｓｉｖｅ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｌｏｏｄ　ｇｌｕｃｏｓｅ；ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｌａｓｍｏｎ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　１　引言　在介质表面上的量不同．则ＳＰＲ的响应强度也不同　基于这　及时准确地检测血糖．将血糖浓度控制在正常范围内．　种原理．通常将一种具有特异识别属性的受体分子固定于金　对于糖尿病患者的诊断治疗具有重要意义。目前，血糖检测　属表面，监控溶液中的被分析物与受体的结合过程．则ＳＰＲ　仪分为有创式、微创式和无创式。有创检测不仅给患者带来　吸收峰的变化即可反应结合在传感器表面的被分析物质量　一定的痛苦，而且不能实时监测：而基于提取光学信息的无　的变化日。　创检测技术在精确性和稳定性上还存在问题【１ｌ：微创检测仪　２．２　ＳＰＲ传感器　弥补了在精度和稳定性方面的不足．同时又很大程度上减轻　ＳｐｒｅｅｔａＭＴ　ＳＰＲ传感器采用Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ型装置．全部元　对患者的伤害．具有很大的发展空间　件集成在很小的体积内　其测量范围为１．３２０－１．３６８　ＲＩＵ．测量　本研究设计了一种基于表面等离子体共振（Ｓｕ血ｃｅ　分辨率为５ｘ１０　ＲＩＵ　如图１所示．ＳｐｒｅｅｔａＴＭ传感器中的电气　Ｐｌａｓｍｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ，ＳＰＲ）的微创血糖检测装置。实现对血糖　部分包含了１６　ＫＢ的Ｅ２ｐＲＯＭ．３个１２８像元的线阵二极管　的微创、可连续监测，方便家庭使用．从而为糖尿病患者获得　阵列以及３个共阳极的ＬＥＤ等３部分　及时有效的治疗创造条件　２原理方法　２．１　表面等离子共振（ＳＰＲ）的基本原理　ＳＰＲ是一种物理光学现象．在两个不同密度的介质界面　镀上一层很薄的金属薄膜．当～束单频线偏振光以大于全反　射临界角的某一角度入射时．如果其频率与金属表面振荡的　自由电子（即等离子）频率一致。则金属表面的等离子就吸收　入射光的能量发生共振．这一现象就是表面等离子共振　由于ＳＰＲ对金属表面电介质的折射率非常敏感．不同电　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ　介质的表面等离子体共振角不同　即使同种电介质．若其附　收稿日期：２０ｏ８—０３—２１修回日期：２０Ｏ８—０５—２６　基金项目：国家“十一五”科技攻关计划项目：天津市自然科学基金　项目　图１　ＳＰＲ传感器的内部结构　作者简介：韩秋波（１９８１一），男，天津人．硕士，主要从事微创血糖检测　３系统设计　方面的研究工作，Ｅｍａｉｌ：ｈｑｂ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｎ；张力新（１９６３一），男，河南　人．副教授．硕士研究生导师．主要从事医学信息检测方面的教学与研　３．１硬件系统设计　究工作　本系统主要由微控制器Ｃ８０５１Ｆ０６０、ＳＰＲ传感器、步进电　医疗卫生装备・２００８年８月第２９卷第８期　１　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｊｏｕｍａ｝・Ｖｏ１．２９　ＮＯ，８　Ａｕｇｕｓｔ　２００８　●　维普资讯 http://www.cqvip.com 研究论著【ＴＨＥＳＩＳ＆ＲＥＳＥＡＲＣＨ　ＲＥＰＯＲＴ　动机、真空泵、阀等部分构成（见图２）。测量时，真空泵由单片　机控制开启制造负压．随后单片机控制步进电动机带动阀转　整个程序基于ＲＴＸ５１—１ｒＩＮＹ嵌入式实时操作系统．程序　的总体执行流程是按照系统初始化、绑定、标定和测量的顺　序依次执行。系统上电后．首先进行初始化设置．包括系统时　至相应位置使对应的管路导通．相应试剂或组织液在负压的　作用下流过ＳＰＲ测量表面．此时在单片机输出的驱动脉冲的　作用下．ＳＰＲ传感器开始测量并输出１２８个模拟数据．经１６ｂｉｔ　Ａ／Ｄ转换后通过ＤＭＡ方式直接存储在４ＫＢ　ＸＲＡＭ中．全部测　钟、ＥＭＩＦ、定时器、Ａ／Ｄ、ＰＣＡ等模块的初始化以及交叉开关　对ＦＯ口的配置。这里主要介绍ＳＰＲ测量程序模块。　ＳＰＲ测量开始后．首先对ＰＣＡ模块、定时器３以及　量过程均由操作者通过键盘进行操作．ＬｃＤ同步显示操作进　程．最后显示采集的数据经过一系列处理转换成的血糖值　ＡＤＣ０进行初始化。如前文所述．ＳＰＲ工作需要一定频率的驱　动脉冲．所以我们选取Ｃ８０５１Ｆ０６０中具有方波输出功能的定　时器３产生所需的驱动脉冲．当ＴｎＯＥ位为逻辑１时．正确配　图２系统总体结构框图　ＳｐｒｅｅｔａＴＭ　ＳＰＲ传感器中集成了３片１２８像元的ＴＳＬ１４０１　光电二极管阵列．其工作分为３个周期，分别是：复位周期、　数据输出周期和测量周期　将单片机和ＳＰＲ传感器按图３所　示相连．由Ｓｔａｒｔ信号驱动器开始工作．同时数据输出的周期　也开始．要完成全部数据的输出工作需要１２８个时钟脉冲。　每一个时钟脉冲完成一次将相应的数据位送到Ｏｕｔｐｕｔ引脚　上的工作　其驱动时序如图４所示　图３　ＳＰＲ与单片机连接示意图　山山山Ｕ　Ｌｕｊ山Ｌｕ　ＬＬｕ【Ｊ　Ｌｕ　ＬｕＪ【Ｊ＿　．ｊＩ———————　一　Ｃｙｃｌｅｓ　Ｉ广　瓦　『］　　｝ｒ　—————叶———　Ｉ　厂　｝１２９　Ｃｌｏｃｋ　Ｐｕｌｓｅｓ————————————　Ｄａｔａ　Ｍｅａｓｕｒ　ｅｍｅ　ｎｔ—　—　丑ｌ——＿一Ｊ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ：　Ｌ＿－　｝　ｉ　ＬＥＤ　ｏｒＩ｝＿－．．一．：坚旦　一．｛　ＬＥＤｔｃ＇－ｏ－＇ｎ－＇－　Ｌ一　Ｉ：　图４　ＳＰＲ传藏器驱动时序　其中．需要特别注意的是Ｓｔａｒｔ脉冲信号需要在数据输出　周期的第２个时钟脉冲之前变为低电平。在前１８个时钟脉　冲后复位周期完成，测量周期开始，测量周期至少需要持续　１１１个时钟脉冲。　３．２系统软件设计　医疗卫生装备・２００８年８月第２９卷第８期　／－　ＣｈｉｒｍｓｏＭｅｄｌｃａＩＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪｏｕｍａ卜Ｖｏｌ２９Ｎｏ．８Ａｕｇｕｓｔ２００８　置定时器的初值．即可使其在Ｔ３输出引脚产生２５　ｋＨｚ的方　波的驱动脉冲。由于ＳＰＲ传感器的每个测量数据都是在驱动　脉冲的上升沿后开始输出．所以我们利用可编程计数器阵列　ＰＣＡ的捕捉功能来实现对驱动脉冲上升沿的捕捉．从而在　ＰＣＡ的中断服务程序中启动Ａ／Ｄ转换采集．同时对脉冲计　数．如图５所示。当所有１２８个数据采集完毕后自动结束测　量．所有转换后的２５６Ｂ数据通过ＤＭＡ方式直接存储在内　部的ＸＲＡＭ中．从而大大减轻ＭＣＵ的负担　中断服务程序人口　ＡＤＯＢＵＳＹ置１　启动Ａ／Ｄ转换　否　竺　：　ｌ是　、、一　．．．．．．．．．．．．．．．．】Ｉ　．．。．一　—计数值＝ｌ８７＝：＝＞　—＝　——，　ＳＰＲ启动引脚　●是　ＳＩ置Ｏ．完成启动　测量周期开始Ｉ　ｃｃＦＯ清零　中断返回　图５　ＳＰＲ中断服务程序　３．３测量流程　整个测量的工作流程分为３个阶段：分别为蛋白质绑　定、系统标定和血糖测量。　（１）依次通入乙醇和去离子水对管路进行清洗．然后通　入一定时间的空气使ＳＰＲ表面充分干燥．启动ＳＰＲ传感器　获得空气曲线和暗电流曲线．之后再依次通入去离子水和　ＧＧＢＰ蛋白对ＳＰＲ传感器表面进行受体绑定　（２）用两种不同浓度的葡萄糖对系统进行标定，按照先　通ＰＢＳ缓冲液再通葡萄糖的顺序．分别得到两组ＰＢＳ和葡萄　糖的ＳＰＲ响应曲线．最后通入去离子水冲洗管路。　（３）通入ＰＢＳ缓冲液，启动ＳＰＲ采集测量值和暗电流；　再次打开真空泵给抽取腔制造负压．抽取组织液．调整步进　电动机让组织液流过ＳＰＲ测量表面．启动ＳＰＲ得到测量值　和暗电流　４结果　首先．采集的测量结果需要通过下式的处理消除暗电流　维普资讯 http://www.cqvip.com