智能微创血糖连续监测系统的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种智能微创血糖连续监测系统。

背景技术：

糖尿病是危害人类健康的四大疾病之一，其症状表现为血液和尿液中葡萄糖含量异常。目前中国确诊的糖尿病患者约为1.1亿，但根据保守估计，糖尿病前期也就是血糖存在糖耐量异常的人群约为1.4亿人，然而，这个人群由于没有进行主动筛查，因此很可能在没有控制的情况下逐步发展成为糖尿病患者。直系亲属中有糖尿病患者、年龄大于45岁、BMI大于23的肥胖人士、体检中血压血脂指数超标、患有心脏、心脑血管疾病、妊娠糖尿病孕妇、多囊卵巢患者、长期缺乏运动、长期服用激素以及肥胖儿童等人群，都属于糖尿病的高危人群，应当及时和按时接受血糖检查。

研究发现，不论是第一型糖尿病还是第二型糖尿病，对血糖进行良好地控制可以减少糖尿病并发症的发生。所以，对血糖的长期有效的监测对于控制和治疗糖尿病具有重要的意义。

糖尿病患者的血糖值受饮食、运动等的影响在一天中会有较大波动，往往需要多次对其进行检测以及时调整给药量和治疗策略。目前主要通过采指血的方法进行体外血糖检测，每天多次检测无疑会给患者带来剧痛和诸多不便。近年来，用于实时连续监测的血糖传感器已经成为研发的热点，其中，针型葡萄糖传感器由于其结构简单、可植入性强等优点而受到广泛的关注。由于体内环境复杂多变和电活性物质的干扰，如何增强传感器的抗干扰能力、提高灵敏度和响应时间与线性范围等已成为植入式检测研发的重点。

为了提高灵敏度、降低响应时间并减小刺入创口与患者疼痛，本专利研制了一种由单针葡萄糖传感器为基础的血糖监测系统。单针结构不仅可以进一步降低对人体的刺人创伤及刺痛感，且因大大缩小了电极间距而提升了灵敏度、降低了响应时间。三电极体系可构成差分结构，能够有效排除一些人体内电活性物质对传感器的干扰，有利于提高抗干扰性。

技术实现要素：

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种智能微创血糖连续监测系统，可完成对人体血糖浓度的快速而连续的检测，并且具有创伤小，疼痛小，有利于病人进行自我监测。

为了实现上述目的，本发明提供一种智能微创血糖连续监测系统，包括：传感器探针、监测终端；所述传感器探针连接所述监测终端；

所述传感器探针用于监测人体的血糖浓度；

所述监测终端用于实时测量人体血糖值，并将血糖值无线传输到移动终端或电脑终端；

所述监测终端包括内核系统、前端放大电路、电源电路、后备电池系统、按键和LED显示电路、USB接口电路；

所述前端放大电路的输入端连接所述传感器探针，所述前端放大电路的输出端接所述内核系统，所述电源电路接所述内核系统的电源端，所述后备电池系统接所述内核系统的电源端，所述内核系统的输出端分别与按键和LED显示电路、USB接口电路连接，所述内核系统无线连接移动终端或电脑终端。

进一步的，还包括外壳，所述外壳内部设有监测终端，所述传感器探针插入在外壳上。

进一步的，所述外壳表面还设有系统运行指示灯和蓝牙连接指示灯，所述系统运行指示灯和所述蓝牙连接指示灯分别连接所述按键和LED显示电路。

进一步的，所述外壳的侧面还安装USB接口。

进一步的，所述内核系统选用集蓝牙通讯为一体的微处理器nRf51822。

进一步的，所述前端放大电路采用MAX4225型号的放大器。

进一步的，所述传感器探针的研磨断面处涂覆一薄层绝缘硅橡胶，将设置在针尖的半圆凹槽上的工作电极与辅助电极固定，工作电极与辅助电极分别贴覆在Ag/AgC1参比电极两侧。

进一步的，所述电源电路选用TPS62260型号的芯片作为系统DC-DC开关稳压电源，选用BQ24040为锂电池充电芯片。

进一步的，所述后备电池系统选用S-8211CCU作为电池放电保护芯片。

进一步的，所述USB接口电路包括USB type C接口保护电路和USB type C接口电路，所述USB type C接口保护电路连接USB type C接口电路。

本发明的智能微创血糖监测系统是一种基于移动互联网的、面向家庭的新型血糖监测仪器，它能为用户提供不间断的，长时间血糖监测，用户配带于臂部，使得用户活动空间更大、提高了血糖监护的便利性。可以完全取代针刺式采血式血糖仪，由于近年来移动网络和微电子技术的迅猛发展，嵌入式技术应用的条件日趋成熟使得血糖监测有了更好的解决方案。嵌入式技术的突出优点在于成本低、体积小、应用灵活方便。

本发明的智能微创血糖监测系统可完成对人体血糖浓度的快速而连续的检测，并且具有创伤小，疼痛小，有利于病人进行自我监测。该智能微创血糖监测系统采用SOC模式的nRF51822蓝牙一体化单片机，配以血糖检测电路、电源及电池电路，具有操作简单、功耗低、测量迅速等优点，并能储存多达1000个历史数据，便于病人掌握自己血糖浓度的变化趋势，采用合理的用药方式。

本发明应用了无线互联网传输技术和嵌入式系统设计，可以给需要血糖监测的患者以较大的活动自由获取患者在正常活动情况下的动态血糖信号。采用嵌入式技术以较低的成本通过无线互联网技术传送血糖数据到移动终端，可以通过手机APP实现了远程血糖监护，对病人所在的位置不再有苛刻的要求，有效克服现有普通血糖测试仪无法联网的缺点。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的结构图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明的监测终端的结构框图；

图4为本发明的内核系统的电路原理图；

图5为本发明的前端放大电路的电路原理图；

图6为本发明的USB type C接口电路的电路原理图；

图7为本发明的USB type C接口保护电路的电路原理图；

图8为本发明的工作流程图；

图9为本发明的软件流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供一种智能微创血糖连续监测系统，参考附图1和2，包括：传感器探针1、监测终端2；传感器探针1连接监测终端2；还包括外壳3，外壳3内部设有监测终端2，传感器探针1插入在外壳3上。外壳3表面还设有系统运行指示灯4和蓝牙连接指示灯5，系统运行指示灯4和蓝牙连接指示灯5分别连接监测终端2中的按键和LED显示电路。外壳3的侧面还安装USB接口2011。

其中，监测终端2和外壳3可以重复使用，传感器探针1供用户一次使用，一个监测周期过程结束，传感器探针1可以从基座上拆卸下来，如果再次使用的话，通过USB充电口充电后，更换新传感器探针1可以再次使用。系统运行指示灯4和蓝牙连接指示灯5可以显示充电及系统运行状态及蓝牙连接指示状态。

下面来进行具体描述：

传感器探针1用于监测人体的血糖浓度；

为了提高灵敏度、降低响应时间并减小刺入创口与患者疼痛，传感器探针1采用单针葡萄糖传感器，传感器探针1的研磨断面处涂覆一薄层绝缘硅橡胶，将设置在针尖的半圆凹槽上的工作电极与辅助电极固定，工作电极与辅助电极分别贴覆在Ag/AgC1参比电极两侧。采用单针结构不仅可以进一步降低对人体的刺人创伤及刺痛感，且因大大缩小了电极间距而提升了灵敏度、降低了响应时间。三电极体系可构成差分结构，能够有效排除一些人体内电活性物质对传感器的干扰，有利于提高抗干扰性。

单针型葡萄糖传感器刺入皮下，单针型葡萄糖传感器是基于酶促反应来实现葡萄糖的电化学检测。葡萄糖在葡萄糖氧化酶(GOD)的催化作用下可被氧分子氧化生成葡萄糖酸和过氧化氢(H2O2)，而H2O2浓度与待测葡萄糖浓度之间具有严格的化学计量关系。通过电学方式测量H2O2的产生量即可获得待测葡萄糖的浓度信息。

首先，通过单针传感器刺入皮下，在酶膜层发生的化学反应式为：

β-D-葡萄糖+O2----→D-葡萄糖酸+H202

在一定电位下，金属Pt对H202具有催化分解作用，电极处发生的反应式为

H202----→02+2H++2e-

产生的电荷转移到酶电极会形成电流，电流大小与H202浓度呈正比，从而可以得出其与葡萄糖浓度的关系。

然后，利用监测终端2实时测量人体血糖值，并将血糖值无线传输(蓝牙或者WIFI)到移动终端(手机APP)或电脑终端；可以达到实时测量血糖的目的。

如图3所示，监测终端2包括内核系统202、前端放大电路203、电源电路204、后备电池系统205、按键和LED显示电路206、USB接口电路201；

前端放大电路203的输入端连接传感器探针1，前端放大电路203的输出端接内核系统202，电源电路204接内核系统202的电源端，后备电池系统205接内核系统202的电源端，内核系统202的输出端分别与按键和LED显示电路206、USB接口电路201连接，内核系统202无线连接移动终端或电脑终端。

内核系统202选用SOC结构的集蓝牙通讯为一体的微处理器nRf51822。该芯片具有蓝牙通讯芯片及32位内核一体化结构，可以通过蓝牙和移动终端(手机APP)或电脑终端连接，智能设备APP与云平台服务器互联，服务器采用阿里云服务器。当监测终端连接到云服务器之后，用户或者医疗监护人员在任何地方都可以随时利用手机或者电脑端的浏览器网页对用户端的监测终端进行管理和查看及分析，动态网页显示出的生理特征信号可以作为医生诊断的依据。该系统把远程医疗监护与嵌入式系统相结合，可设计出数据采集准确、运行安全可靠、功能丰富的无线远程医疗监控系统。

图4为内核系统的电路原理图。

nRF51822是一个以ARM Cortex-M0为核心的蓝牙芯片，其中Cortex-M0处理器基于一个高集成度、低功耗的32位处理器内核，采用一个3级流水线冯·诺伊曼结构(Von Neumann architecture)。通过简单、功能强大的指令集以及全面优化的设计(提供包括一个单周期乘法器在内的高端处理硬件)，Cortex-M0处理器可实现极高的能效。

nRF51822芯片主要功能包括：

1、256kB片上闪存和16kB RAM；

2、数字和混合信号周边，包括SPI、2-wire、ADC以及正交解码器；

3、PI通道；

4、撘配片上LDO时电源范围为1.8-3.6V，LDO旁路模式为1.75-1.95V；

5、片上下拉DC/DC转换器用于3V电池(例如，纽扣电池)；

6、在蓝牙低功耗应用，不需外部32kHz晶体，可节省成本和电路板空间；

7、6x6mm 48脚QFN封装，提供最多可达32个GPIO；

8、完整的蓝牙协议堆栈(到配置文件的链接层)。

9、nRF51822的S110是可下载、免版税、预编译二进制蓝牙低功耗堆栈，可独立编程和更新。功能包括：

10、异步和事件驱动SVC的API；

11、运行时保护；

12、GATT、GAP和L2CAP级别API；

13、周边和广播器角色；

14、GATT客户端和服务器；

15、和2.4GHz RF专用协议的非并行多协议操作；

16、少于128kB的代码和6kB的RAM，为应用程序留有超过128kB的闪存和10kB的RAM；

17、与使用上一代nRF8001的双芯片应用相比，运行S110堆栈的nRF51822削减了高达50％的功耗。

18、S110堆栈和nRF51822加上nRF518SDK相互配合，nRF518包含全面的蓝牙低功耗配置文件、服务以及示例应用集合。

传感器探针刺入皮肤的部分由外径为450m且表面溅射了20nm/200nm厚Ti/Pt薄膜的不锈钢空心微针固定在模具之中，借助模具沿与针管轴心平行的方向研磨微针，直至磨去1/2针管为止。首先在针尖上固定有GOD的工作电极与辅助电极的半圆凹槽内与研磨断面处分别涂覆一薄层绝缘硅橡胶，然后将工作电极与辅助电极分别贴覆在Ag/AgC1参比电极两侧，并放于洁净培养皿中室温固化24h。各电极之问的绝缘由涂覆的绝缘硅橡胶完成，待完全固化后，在微针后端引线以备测试使用。

在酶电极在血液中会产生自由电子。由于电极两端存在激励电压，就会有定向电流流过电极。该激励电压是由ADC模块提供的1.5V稳压通过电阻分压而产生的，大约在300mV左右，它能产生定向电流。由于A/D转换模块测量的是电压，所以需要将该定向电流转换成电压，并且进行一定的放大。

本系统采用图5所示的前端放大电路来实现电流到电压的转换和放大。

图5中，前端放大电路采用MAX4225型号的放大器。

电源电路选用TPS62260型号的芯片作为系统DC-DC开关稳压电源，为系统提供稳定直流电压，选用BQ24040为锂电池充电芯片。

后备电池系统选用S-8211CCU作为电池放电保护芯片。

USB接口电路包括USB type C接口保护电路和USB type C接口电路，USB type C接口保护电路连接USB type C接口电路，USB type C接口电路包括USB接口。

图6为USB type C接口电路的电路原理图。

图7为USB type C接口保护电路的电路原理图。

按键和LED显示电路，按键负责开机及无线连接操作，LED显示电路控制系统运行指示灯和蓝牙连接指示灯，提供运行及连接指示。

本发明的智能微创血糖连续监测系统为便携式的硬件结构，合理的硬件电路设计是产品稳定运行的基础。根据手环的功能需求，设计出嵌入式的硬件电路系统及相应的嵌入式C程序。系统采用低功耗的高性能芯片结合分立元件，嵌入式硬件电路以高性能的ARM 32位Cortex-M0系列芯片作为CPU，该芯片为MCU+BLE一体化SOC结构，结合必要的单针传感器及放大电路，外围硬件电路，稳压及充电电路及保护电路等等，共同实现采样、数据交互等功能

本发明的智能微创血糖连续监测系统在程序设计上，采用KEIL公司的MDK进行编程。

Keil C是美国Keil Software公司出品的单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

智能微创血糖连续监测系统具备血糖检测、数据发送与接收，发送紧急报警信息等功能，如图8和图9所示。在程序设计上，采用嵌入式C语言进行设计。

为了实现这些功能，整个系统可以划分成如下几个模式：休眠模式，传感器测试血糖模式。休眠模式是为实现低功耗而设置的。系统在不检测血糖时以及没有上位机召唤时便进入休眠模式，此时nRF51822系统处于低功耗状态，其他外围器件的供电被切断，整个系统的功耗降至最低；测试血糖模式是在定时器需要进行血糖测试时或者上位机进行唤醒时血糖仪所进入的模式。在该模式下，系统将检测传感器电压，并进行温度补偿，然后给出血糖浓度值测量结果；用户可以通过智能手机查询任意时间段内的平均血糖及血糖变化趋势，以便病人采取正确用药方式。为了达到低功耗的目的，更充分地利用电池，本系统还具有自动睡眠功能，当用户停止操作超过20s，不管在哪个模式下，系统都会自动返回休眠模式。

每次测量结束后,都要转向数据上报及报警子程序。先将测量结果与报警上下限值相比较，如未超限,则正常传输检测结果；如越限,则启动报警,并输出测量结果和越限提示符。

C语言部分程序如下：

本发明的智能微创血糖连续监测系统是一种基于移动互联网的、面向家庭的新型血糖监测仪器，它能为用户提供不间断的，长时间血糖监测，用户配带于臂部，使得用户活动空间更大、提高了血糖监护的便利性。可以完全取代针刺式采血式血糖仪，由于近年来移动网络和微电子技术的迅猛发展，嵌入式技术应用的条件日趋成熟使得血糖监测有了更好的解决方案。嵌入式技术的突出优点在于成本低、体积小、应用灵活方便。

本设计制作的智能微创血糖监测系统综合应用了无线互联网传输技术和嵌入式系统设计，可以给需要血糖监测的患者以较大的活动自由获取患者在正常活动情况下的动态血糖信号。采用嵌入式技术以较低的成本通过无线互联网技术传送血糖数据到手机系统，可以通过手机APP实现了远程血糖监护，对病人所在的位置不再有苛刻的要求，有效克服现有普通血糖测试仪无法联网的缺点。

本发明试图通过移动互联网+云数据库平台实现大量的高危人群的血糖数据的长期存储和积累，对于病人的用药及治疗起到良好的辅助作用，同样，对于我国建立一个通用的互联网血糖基础大数据平台起到一个良好的开端。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。