【作者】李晶晶，于洋，呂勇強(qiáng)，劉靜,2＊

1 清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，北京，100084

2 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京，100190

0 引言

糖尿病是一種內(nèi)分泌代謝疾病，主要表現(xiàn)為慢性高血糖，并伴有因胰島素分泌缺陷或作用缺陷引起的碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)代謝紊亂。根據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟(International Diabetes Federation, IDF)2009年的數(shù)據(jù)預(yù)測[1]，2010年全球糖尿病患者超過2.85億，且這一數(shù)字還在以令人觸目驚心的速率不斷增長。

人體若長期處于高血糖狀態(tài)，不僅要承受代謝紊亂造成的傷害，還面臨著諸多并發(fā)癥的威脅，如心血管、視網(wǎng)膜和腎臟等組織的病變，甚至?xí)蛳轮窠?jīng)病變而不得不采取截肢措施。研究表明，經(jīng)過小心的血糖控制，這些并發(fā)癥都能得到延緩，甚至可以避免發(fā)生。而血糖控制涉及常規(guī)血糖水平測量、飲食控制、藥物治療及運(yùn)動(dòng)輔助控制等環(huán)節(jié)，其中隨時(shí)檢測血液中葡萄糖水平是關(guān)鍵。因此，發(fā)展可靠的、便利的低成本血糖檢測方法十分重要。

家庭中常用的血糖測量方法，一般采用針扎指尖，將血液樣本滴在血糖試紙上進(jìn)行血糖測量。但這種針扎采血的方式，不僅給患者造成了肉體上的痛楚，還有可能帶來感染的風(fēng)險(xiǎn)，因此無創(chuàng)血糖檢測一直成為各國醫(yī)療界關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。

與血液標(biāo)本相比，唾液標(biāo)本易于獲取，且對病人無損傷。唾液的化學(xué)成分與血漿密切相關(guān)[3]，因此唾液標(biāo)本已被用于檢測某些血漿成分或治療藥物的濃度。近年來的研究發(fā)現(xiàn)[4-7]，健康人清晨空腹時(shí)，唾液中葡萄糖含量范圍為10～100μmol/L，正常人唾液葡萄糖含量與血液葡萄糖含量之間存在顯著的相關(guān)性；糖尿病患者在注入胰島素后，其血液葡萄糖含量會(huì)下降，唾液葡萄糖含量隨之降低[8]，也存在相關(guān)性。研究表明[9,10]，糖尿病患者腮腺基底膜會(huì)增厚，因而通透性增加，當(dāng)血糖水平上升時(shí)，血液中的葡萄糖在濃度差的作用下透過基底膜進(jìn)入唾液中，這也是引起糖尿病人牙周病的主要原因。所以，檢測唾液中葡萄糖的含量對糖尿病人了解病情有參考意義。但也應(yīng)注意，相對于血糖而言，唾液葡萄糖的含量極低，僅為血糖濃度的1/50～1/100，因此如何提高低濃度葡萄糖的檢測精度及準(zhǔn)確度，是此類方法的難點(diǎn)所在。

唾液葡萄糖檢測的關(guān)鍵在于提高電極的靈敏度以適應(yīng)低濃度的葡萄糖檢測，以及開發(fā)可拋棄型電極以滿足市場化需求等。前者可通過調(diào)節(jié)電化學(xué)反應(yīng)中的各反應(yīng)物濃度配比，以及采用納米電極增大反應(yīng)接觸面積等實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[3]采用前人報(bào)道的方法[11]自行合成新色原TBHBA，調(diào)節(jié)試劑配置比例，制作了高靈敏度的唾液葡萄糖試紙，并通過試紙的顯色反應(yīng)及比色法圖像處理的方式進(jìn)行葡萄糖濃度的測定，其制作的試紙靈敏度較血糖試紙?zhí)岣吡?1倍，達(dá)到了檢測唾液葡萄糖濃度的要求。但比色法需要與特定的8種濃度下試紙反應(yīng)顏色進(jìn)行比較，介于這8種濃度之間的數(shù)值，需要進(jìn)行線性插值來計(jì)算最后唾液葡萄糖的濃度，精度尚不高。文獻(xiàn)[12]研究了不同納米顆粒（Au、Ag、SiO2、Al2O3及復(fù)合Al2O3-Au納米顆粒）用于葡萄糖傳感器的酶電極制備中對靈敏度的影響，表明復(fù)合SiO2-Au納米顆粒的增強(qiáng)作用比單獨(dú)使用某種納米顆粒大很多。文獻(xiàn)[13]則研究了一種普魯士藍(lán)金（PB-Au）復(fù)合納米材料制作的新型葡萄糖生物傳感器，具有電催化活性、靈敏度高、操作穩(wěn)定性和重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)。在降低檢測成本方面，文獻(xiàn)[14]針對葡萄糖傳感器研究中貴金屬電極制作成本過高的問題，對可拋棄型葡萄糖電極進(jìn)行了研發(fā)。該類傳感器的設(shè)計(jì)和制作，已引起人們極大的關(guān)注，并成為熱門研究課題[15]。

從技術(shù)的發(fā)展角度來看，手機(jī)幾乎可以實(shí)現(xiàn)對人體所有生理參數(shù)包括血糖在內(nèi)的檢測[16]。專利[17]提出了一種血糖測試和數(shù)據(jù)上傳技術(shù)，Healthpia公司據(jù)此開發(fā)了兩款產(chǎn)品：一體式血糖手機(jī)和可與手機(jī)終端連成一體的血糖測試適配器。但這種技術(shù)依托于特制手機(jī)，一定程度上使其應(yīng)用受限。文獻(xiàn)[18]研制出一種基于移動(dòng)通訊的血糖監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其測試部分與手機(jī)為有線連接，靈活性有待進(jìn)一步提升。

總之，研制精度高、重復(fù)性好和低成本的測試系統(tǒng)尤其是可拋棄型唾液葡萄糖電極，有助于唾液葡萄糖檢測技術(shù)的普及。從這一目標(biāo)出發(fā)，本文結(jié)合唾液檢測的無創(chuàng)優(yōu)勢及手機(jī)醫(yī)療的普適性，研制了一種手機(jī)型唾液葡萄糖檢測儀，并通過原理性試驗(yàn)初步證實(shí)了它的可行性。

1 唾液葡萄糖檢測原理和方法

1.1 電化學(xué)原理

唾液葡萄糖檢測的電化學(xué)原理在于葡萄糖的氧化還原反應(yīng)[19]：

其中，GOD為葡萄糖氧化酶，M為電子介體，下標(biāo)ox表示為氧化態(tài)，下標(biāo)red表示為還原態(tài)。這個(gè)介體循環(huán)過程中產(chǎn)生的電流與葡萄糖濃度之間呈線性關(guān)系。葡萄糖氧化酶對葡萄糖具有高度的特異性，它不能與其他糖類發(fā)生氧化還原反應(yīng)，故可精確測定葡萄糖含量。電子介體如二茂鐵衍生物、鐵氰化物、導(dǎo)電有機(jī)鹽、吩噻嗪或醌類化合物等已廣泛應(yīng)用于葡萄糖氧化酶的電接觸[19]。

1.2 血糖測量原理

借助于特定的葡萄糖試紙，將待測葡萄糖溶液滴于其上，便會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。在恒定電壓的作用下，電化學(xué)產(chǎn)生的自由電子定向移動(dòng)，從而產(chǎn)生電流。將電流轉(zhuǎn)換成電壓后加以放大，對此電壓信號進(jìn)行采集，可以得到電化學(xué)反應(yīng)中電信號的變化[18]。對此變化的電信號進(jìn)行積分運(yùn)算，可以得到與反應(yīng)產(chǎn)生的總電量成正相關(guān)的數(shù)值。在每個(gè)葡萄糖濃度下，可以得到一個(gè)對應(yīng)的數(shù)值，測量出相應(yīng)關(guān)系后，即可獲得葡萄糖溶液的濃度。

1.3 生化傳感器

用于檢測葡萄糖濃度的試紙一般采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)（圖1），將導(dǎo)體和絕緣體按照一定的模式印制在平面基底(塑料或陶瓷)上[20]。每一片試紙上均有印刷好的工作電極、輔助電極和參比電極，其中，工作電極用一些必要的試劑（如酶、電子介體、穩(wěn)定劑、連接劑）修飾。這些試劑的修飾通常采用噴墨印刷技術(shù)來完成。參比電極用來定位零點(diǎn)，工作電極和參比電極構(gòu)成一個(gè)不通或少通電的體系，利用參比電極電位的穩(wěn)定性來測量工作電極的電勢。而工作電極和輔助電極構(gòu)成一個(gè)通電的體系，用來測量工作電極通過的電流。試紙上還提供了固定的反應(yīng)空間，確保每一次血液添加量的一致。

圖1 葡萄糖檢測試紙示意[20]Fig.1 Schematic for glucose test paper [20]

本文重點(diǎn)在于手機(jī)測試軟硬件系統(tǒng)的研制，不過多觸及測量試紙本身。葡萄糖試紙采用了面市的三諾牌安穩(wěn)血糖測試條，其檢測范圍為2.2 mmol/L～27.8 mmol/L，測試精度為0.1 mmol/L。盡管其分辨率存在局限性，但也能用于評估本系統(tǒng)在無線檢測葡萄糖溶液濃度上的可行性。葡萄糖檢測試紙如圖1所示。

2 唾液葡萄糖檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

本文研制的基于手機(jī)的唾液葡萄糖檢測系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集放大與后臺處理三部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 基于手機(jī)的唾液葡萄糖檢測系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Principle frame for the mobile phone based saliva glucose detection system

數(shù)據(jù)采集部分由恒定電壓激勵(lì)模塊、數(shù)據(jù)放大電路模塊、單片機(jī)(MCU)模塊三部分組成。酶電極在恒定電位激勵(lì)下，電極上發(fā)生葡萄糖的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生響應(yīng)電流，經(jīng)過采樣電阻R轉(zhuǎn)換為電壓信號后輸入到數(shù)據(jù)放大模塊。放大電路模塊采用TI公司的單電源供電、低功耗、低噪聲、低漂移、高輸入阻抗的放大器TLV2254和TLV2252。MCU選用了TI公司的MSP430F149芯片，該單片機(jī)工作電壓為1.8 V到3.6 V，有12位AD轉(zhuǎn)換、16位定時(shí)器及32KB+256B閃存和2 KB的RAM。MCU主要用于A/D采樣及串口通信兩個(gè)功能。

16路模擬開關(guān)分別是由IC外部的8路模擬信號輸入和內(nèi)部4路參考源輸入，以及1路內(nèi)部溫度傳感器源及AVCC-AVSS/2電壓源輸入。外部8路從A0-A7輸入，本系統(tǒng)中采用A0通道，進(jìn)行單通道多次轉(zhuǎn)換。

ADC的時(shí)鐘源有ADC12OSC，ACLK，MCLK和SMCLK，本系統(tǒng)中采用2分頻的ACLK。采集與保持電路的作用是確保A/D轉(zhuǎn)換器在完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間內(nèi)，模擬輸入信號保持不變。本系統(tǒng)中采用Timer A作為觸發(fā)源和采樣定時(shí)器，具有自動(dòng)多次采樣和轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)的采樣時(shí)間為：

本系統(tǒng)中設(shè)置TCCR0=7，因此有：

即采樣頻率為512 Hz。

ADC內(nèi)核在每次完成轉(zhuǎn)換時(shí)都會(huì)將相應(yīng)通道上的輸出結(jié)果存貯到緩沖區(qū)單元中，共有16個(gè)通道緩沖單元有對應(yīng)的控制寄存器，便于實(shí)現(xiàn)靈活的控制。本系統(tǒng)將采樣結(jié)果實(shí)時(shí)地通過串口發(fā)送藍(lán)牙。

串口通信采用MSP430F149的USART串行異步模式。在此模式下，接收器自身實(shí)現(xiàn)幀的同步，外部的通訊設(shè)備并不使用該時(shí)鐘。異步幀格式有1個(gè)起始位、7個(gè)或8個(gè)數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位（奇/偶/無）、1個(gè)地址位、以及1個(gè)或2個(gè)停止位，一般最小幀為9位，最大為13位。本系統(tǒng)中收發(fā)雙方均采用8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位、無校驗(yàn)位的9位最小幀。A/D采樣得到的數(shù)據(jù)為12位，存儲為兩個(gè)8位的數(shù)據(jù)，傳輸過程中按照先傳高8位，后傳低8位的形式進(jìn)行。

串口通信過程中，要求收發(fā)雙方具有相同的波特率、字符格式及奇偶校驗(yàn)。為了提高收發(fā)雙方的通信可靠性，必須使收發(fā)雙方波特率相差小于4.5%。發(fā)送時(shí)采用2位停止位，接收采用1位停止位或者增加字節(jié)之間的間隔均有助于減少丟包現(xiàn)象，從而提高通信可靠性。本系統(tǒng)中將收發(fā)雙方波特率均設(shè)置為9600bps。

為了降低硬件的功耗，本系統(tǒng)采用中斷方式進(jìn)行A/D采樣和串口通訊。在等待中斷信號的過程中，使MSP430F149進(jìn)入低功耗模式LPM3。

MSP430F149采用開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench 5.3 Evaluation，用C語言進(jìn)行開發(fā)，并通過USB-JTAG接口進(jìn)行程序的燒寫和在線調(diào)試。

電源模塊采用MAXIM公司的MAX604，輸入為4V的電池，輸出穩(wěn)壓3.3V，輸出電流最高可達(dá)500mA。本系統(tǒng)中采用穩(wěn)壓芯片MAX604的經(jīng)典應(yīng)用電路，并在電池的正極添加開關(guān)及通電指示燈，控制電路的供電，并顯示供電的狀態(tài)。

傳感器采用3電極的血糖試紙。三電極是指工作電極、輔助電極及參比電極，工作電極和輔助電極構(gòu)成通電體系，可測量流過工作電極的電流，參比電極用于標(biāo)定零電位，可測量工作電極的電極電勢。在本系統(tǒng)中設(shè)置參比電極與輔助電極為零電位，利用采樣電阻將流經(jīng)工作電極和輔助電極的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，并在后續(xù)的信號處理電路中，對該電壓信號進(jìn)行濾波和放大。

本系統(tǒng)中將MSP430在ADC采樣中使用的內(nèi)部參考源1.5V進(jìn)行分壓后，取200mV作為電壓激勵(lì)，施加于集成運(yùn)放的正輸入端，利用運(yùn)放“虛短”的特性，將電壓施加在試紙上，促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)中電流的形成。由電流電壓關(guān)系可得：

從而可以通過測量的值來推算出血糖試紙上電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流量。

藍(lán)牙模塊采用的是重慶金甌科技發(fā)展有限責(zé)任公司提供的BC04型號，工作電壓為3.3 V，可直接使用單片機(jī)串口輸入輸出的TTL電平。 BC04模塊的波特率可以通過引腳PIO9～PIO11的狀態(tài)來設(shè)定，并默認(rèn)1位停止位，無校驗(yàn)位。本系統(tǒng)中采用的收發(fā)波特率均為9600bps，因此于PIO9腳輸入高電平（3.3 V），將PIO10和PIO11分別置零。此外，可以在PIO0引腳處外接指示燈，在藍(lán)牙未連接設(shè)備時(shí)PIO0會(huì)輸出高低變化的電平，指示燈閃爍；藍(lán)牙與設(shè)備連接后PIO0輸出高電平，指示燈亮而不滅。

本文所研制的數(shù)據(jù)采集硬件最后集成在一塊長約9 cm、寬約3.5 cm的PCB板上，如圖3所示。

圖3 硬件實(shí)物圖Fig.3 Prototype for hardware

2.2 手機(jī)選型

本系統(tǒng)的后臺處理部分由手機(jī)完成，選用HTC公司的T8585智能手機(jī)，采用Windows Mobile 6.5 Professional操作系統(tǒng)，高通Adreno200處理器（1024MHz），512MB ROM及448MB RAM，支持MicroSD卡擴(kuò)展存儲器，屏幕分辨率為480×800像素，支持藍(lán)牙通信。

軟件開發(fā)環(huán)境采用Microsoft Visual Studio 2008，使用MFC智能設(shè)備開發(fā)，需要安裝Microsoft .NET Compact Framework 2.0 SP1及SP2補(bǔ)丁。另外，需要Windows Mobile 6 Professional Emulator Images 和Windows Mobile 6 Professional SDK作為調(diào)試工具。在將編寫好的應(yīng)用程序下載到手機(jī)設(shè)備上運(yùn)行時(shí)，若PC端是Windows XP操作系統(tǒng)，需要安裝Microsoft Activesync，建立與手機(jī)連接及同步；若是Windows Vista或Win 7操作系統(tǒng)，則需要安裝Microsoft Windows Mobile Device Center。本系統(tǒng)的PC端為Windows XP操作系統(tǒng)。

3 唾液葡萄糖檢測系統(tǒng)的軟件開發(fā)

3.1 手機(jī)應(yīng)用程序

本系統(tǒng)選用Windows Mobile開發(fā)。相對于其他智能操作系統(tǒng)，Windows Mobile最大優(yōu)點(diǎn)是能夠與Windows操作系統(tǒng)的電腦實(shí)現(xiàn)無縫連接，對保存于各種電腦或手機(jī)里的信息、資料都可實(shí)現(xiàn)共享。還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是采用Windows Mobile的系統(tǒng)，有大量的應(yīng)用軟件可供選擇，這些應(yīng)用軟件同一般Windows PC操作系統(tǒng)中的程序類似，可利用C++或C#開發(fā)。本文采用VC++進(jìn)行軟件開發(fā)，編程環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2008。

唾液葡萄糖測量裝置作為一個(gè)獨(dú)立的部分，將信號采集之后通過藍(lán)牙方式發(fā)送至手機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、保存和顯示。本文所開發(fā)軟件在分辨率為800×480的屏幕上調(diào)試通過，但軟件控件尺寸不能隨硬件分辨率自動(dòng)調(diào)整。將程序下載至手機(jī)時(shí)，軟件自動(dòng)在資源管理器中生成Glucose Testing文件夾，打開該文件夾后，里面有應(yīng)用程序Glucose Testing.exe、保存數(shù)據(jù)的文件夾GLU_Data和保存截圖的文件夾GLU_ScreenShot。軟件在運(yùn)行過程中，會(huì)自動(dòng)的將接收到的數(shù)據(jù)存儲在txt文檔中，并以“用戶名_年_月_日_時(shí)_分_秒.txt”的格式命名。在txt正文中，保存開始采用的時(shí)間、每秒采樣的點(diǎn)數(shù)和數(shù)據(jù)的最大值及最小值，便于用戶獲取信息。相應(yīng)手機(jī)軟件界面如圖4所示。

圖4 手機(jī)軟件界面Fig.4 Interface for mobile phone software

操作時(shí)，用戶需輸入用戶名（默認(rèn)為user_name），按下“打開串口”鍵進(jìn)行串口設(shè)置，默認(rèn)使用端口COM2，波特率9600bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位。確認(rèn)信息無誤之后，按下“確定”按鈕，隨即自動(dòng)進(jìn)入藍(lán)牙設(shè)備連接界面，選擇本系統(tǒng)的測試模塊建立連接。連接成功后，會(huì)跳出對話框“串口打開成功”，否則連接超時(shí)顯示“串口打開失敗”。

成功連接上測試模塊后，點(diǎn)擊“開始檢測”按鈕正式進(jìn)入測試。將試紙條插入測試模塊的試紙插槽，按照提示“按下后滴加”，按下鍵后，將唾液滴加入試紙。等待20秒左右，即可以得到反應(yīng)結(jié)果，并顯示在手機(jī)屏幕上。

關(guān)閉串口，退出程序，一次唾液葡萄糖測試過程結(jié)束。程序自動(dòng)將測試過程中的所有數(shù)據(jù)保存到txt文檔中，便于下次調(diào)用查看某段時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)情況。

3.2 PC端應(yīng)用程序

除手機(jī)軟件外，本系統(tǒng)還開發(fā)有用于計(jì)算分析的PC軟件。PC機(jī)分析系統(tǒng)是采用MATLAB編寫的PC端的數(shù)據(jù)處理程序，同時(shí)也可以與硬件裝置連接，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、接收、處理和保存，PC機(jī)分析系統(tǒng)的界面如圖5所示。

圖5 PC客戶端軟件界面Fig.5 Software interface at PC client

PC機(jī)分析系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成，分別是數(shù)據(jù)顯示區(qū)、串口設(shè)置區(qū)、數(shù)據(jù)繪圖區(qū)及數(shù)據(jù)處理區(qū)。此外，還有控制檢測的“Start”按鈕及回顧歷史測量記錄的“Review”按鈕。

數(shù)據(jù)顯示區(qū)主要應(yīng)用于測量過程中PC端數(shù)據(jù)接收的實(shí)時(shí)顯示，并將單片機(jī)發(fā)送的2個(gè)8位十六進(jìn)制數(shù)（高位在前，低位在后）轉(zhuǎn)換為1個(gè)十進(jìn)制數(shù)，數(shù)與數(shù)之間以空格分隔。

串口設(shè)置區(qū)也主要應(yīng)用于測量過程。需要說明的是，如果PC客戶端沒有自帶藍(lán)牙傳輸功能的話，需要安裝藍(lán)牙適配器及其驅(qū)動(dòng)程序，并根據(jù)藍(lán)牙所占傳輸串口號或藍(lán)牙適配器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置的藍(lán)牙收、發(fā)端口號來設(shè)置串口信息。為了與單片機(jī)建立通訊聯(lián)系，約定設(shè)置9600 bps波特率，8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗(yàn)位。設(shè)置完畢后，按下“Open the port”按鈕，即可打開串口。若串口被占用導(dǎo)致打開失敗，會(huì)跳出提示窗口“串口不可獲得！”。若串口成功打開，則“Open the port”按鈕自動(dòng)更名為“Close the port”。

數(shù)據(jù)處理區(qū)既可應(yīng)用在測量的過程中，也可單獨(dú)運(yùn)用于數(shù)據(jù)處理?！癝top display”按鈕主要是暫停數(shù)據(jù)顯示用，“Clear buffer”按鈕可以將數(shù)據(jù)顯示區(qū)、Integral及Glucose內(nèi)的數(shù)據(jù)清空，“Save data”按鈕可以將接收到的數(shù)據(jù)存儲為txt格式。為了與手機(jī)客戶端存儲的信息一致，在存儲的txt文檔的前四行對數(shù)據(jù)進(jìn)行了說明，包括數(shù)據(jù)值存儲的時(shí)間、采樣頻率、數(shù)據(jù)大小的說明。“Plot”按鈕，可以讓用戶自主的選擇需要進(jìn)行繪圖及處理的數(shù)據(jù)，以txt文檔的格式進(jìn)行讀取，將PC客戶端或者手機(jī)客戶端存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

數(shù)據(jù)繪圖區(qū)則主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理，可以將保存的數(shù)據(jù)以曲線的形式呈現(xiàn)出來。橫坐標(biāo)表示時(shí)間，單位秒；縱坐標(biāo)表示電壓，單位伏特，并可以根據(jù)數(shù)據(jù)的大小自動(dòng)調(diào)整坐標(biāo)軸。在繪圖過程中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，將接收到的數(shù)據(jù)加以算法處理，即尋找數(shù)據(jù)中的最大值。以最大值為起點(diǎn)，向前尋500個(gè)數(shù)據(jù)，向后尋1500個(gè)數(shù)據(jù)，并對各2001個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行積分運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果顯示于“Integral”中，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查表法運(yùn)算，將測量的葡萄糖濃度顯示于“Glucose”欄中。按下“Start”按鈕，PC客戶端會(huì)向單片機(jī)發(fā)送字符‘u’，使MSP430F149進(jìn)入中斷子程，進(jìn)行A/D采樣并將采樣結(jié)果通過串口傳輸。同時(shí)，PC客戶端通過藍(lán)牙接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示于數(shù)據(jù)顯示區(qū)，做好進(jìn)行后續(xù)處理的準(zhǔn)備。按下“Review”鍵后，用戶可以從保存的txt文檔中選擇任意多個(gè)文檔進(jìn)行數(shù)據(jù)回顧，并繪制出相應(yīng)的唾液葡萄糖測量結(jié)果波動(dòng)曲線。橫坐標(biāo)為精確到小時(shí)的時(shí)間坐標(biāo)，將測量的月份、日期、時(shí)間段轉(zhuǎn)換成以小時(shí)為單位的數(shù)據(jù)，作為橫坐標(biāo)的值，縱坐標(biāo)則以mmol/L為單位，將被選的數(shù)據(jù)的濃度測量值作為縱坐標(biāo)的值，繪制唾液葡萄糖濃度波動(dòng)曲線，這便于糖尿病患者了解病情，并相應(yīng)作出飲食、運(yùn)動(dòng)等方面的調(diào)整來控制病情。

4 唾液葡萄糖無線檢測系統(tǒng)的原理性實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本系統(tǒng)，我們在實(shí)驗(yàn)中采用與唾液葡萄糖含量相當(dāng)?shù)钠咸烟侨芤旱臐舛葋頊y試系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，測量濃度范圍為0.01～0.2 mmol/L，以 0.01 mmol/L為濃度差，共進(jìn)行20組數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)。采用分子量為198的分析純來配制溶液，利用精密天平稱量0.198 g分析純葡萄糖，再將這些葡萄糖溶解于1 ml的水中，獲得1 mol/L的葡萄糖溶液，稀釋1000倍后得到1 mmol/L的較低濃度的葡萄糖溶液。再對1 mmol/L濃度的葡萄糖溶液進(jìn)行相應(yīng)倍數(shù)的稀釋，從而獲得濃度范圍為0.01～0.2 mmol/L的20組葡萄糖溶液。

實(shí)驗(yàn)對每個(gè)濃度進(jìn)行三次測試，將得到的三次電壓積分值進(jìn)行平均值計(jì)算，從而得到葡萄糖濃度與測量得到的電壓積分值之間的關(guān)系，對此線段進(jìn)行拉格朗日插值，從而獲得0.01～0.2 mmol/L的測量值。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，尚未能對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。

由于低濃度溶液配制過程中，0.01 mmol/L的溶液和其他19個(gè)濃度的溶液并不是在同一次配制實(shí)驗(yàn)中配制的，同時(shí)0.18 mmol/L的數(shù)據(jù)缺失，因此有效數(shù)據(jù)為18組，得到電壓積分值與濃度的關(guān)系曲線如圖6所示。從中可見，曲線雖然呈現(xiàn)出一定的漲落現(xiàn)象，但電壓積分值總體上隨著葡萄糖濃度的增大而增大，在一定程度上說明了本系統(tǒng)的合理性?；谶@樣的正相關(guān)性，可以在校正的基礎(chǔ)上采用本系統(tǒng)測量低葡萄糖濃度。限于主題，本系統(tǒng)未開展臨床比對試驗(yàn)，其在實(shí)際應(yīng)用中的性能有待進(jìn)一步評測。

圖6 測量的電壓積分值與葡萄糖濃度關(guān)系曲線Fig.6 Correlation curve between integrated electric voltage value and glucose concentration

圖6中曲線出現(xiàn)漲落的原因，并非來自測量本身，而更多可能出自于人工稀釋配制溶液的過程中引進(jìn)的誤差所致。本實(shí)驗(yàn)中，由于受條件限制，配置過程中采用量筒作為定容工具，采用的量筒有100 ml、50 ml和25 ml。我們首先通過精密天平的稱量獲得了0.198 g的一水合葡萄糖，并將其溶解于10 ml的水中，從而獲得了0.1 mol/L的葡萄糖溶液。取5 ml該溶液置于800 ml容積的大燒杯中，加水定容至500 ml，則獲得了濃度為1 mmol/L的葡萄糖溶液。取5 ml的1 mmol/L的溶液再定容至50ml，從而得到了0.1 mmol/L的葡萄糖溶液，并在這0.1mmol/L濃度的基礎(chǔ)上對溶液進(jìn)行再稀釋，得到目標(biāo)中的0.01～0.10 mmol/L共10種濃度的溶液。從0.1 mmol/L稀釋至0.02 mmol/L、0.04 mmol/L、0.05 mmol/L、0.08 mmol/L，都可以有精確的定容方式。例如，0.02 mmol/L的葡萄糖溶液可以利用50ml量筒進(jìn)行定容，取10 ml的0.1mmol/L的溶液，加水定容至50 ml就可以稀釋5倍，獲得0.02 mmol/L的濃度。而從0.1 mmol/L稀釋至 0.03mmol/L，0.06 mmol/L，0.07 mmol/L、0.09mmol/L則并非易事，從0.1mmol/L稀釋3.3倍到0.03 mmol/L，就需要把10 ml的0.1 mmol/L的溶液定容到33.333ml，這對于容積為50 ml、精度為1 ml的量筒來說，有些力不從心。這也是為什么圖6關(guān)系曲線中奇數(shù)據(jù)和偶數(shù)據(jù)呈現(xiàn)小的漲落的原因所在。

5 小結(jié)

本文研制出一個(gè)基于手機(jī)的唾液葡萄糖檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無線采集、實(shí)時(shí)傳輸、存儲及分析等功能，同時(shí)提供了一個(gè)供用戶在PC端進(jìn)行采集、存儲和分析的軟件。PC端的軟件還可以為用戶提供自定義長度的時(shí)間內(nèi)唾液葡萄糖濃度的變化曲線。在此基礎(chǔ)上，本文還進(jìn)行了初步的測試，證實(shí)了技術(shù)的可行性。該方法的新意在于，將唾液葡萄糖無創(chuàng)檢測、可拋棄型葡萄糖試紙及手機(jī)結(jié)合起來，建立了基于手機(jī)的唾液葡萄糖無線檢測系統(tǒng)。進(jìn)一步提升該系統(tǒng)的關(guān)鍵可從硬件電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分辨率及可靠性的提高、電路體積及功耗的控制、軟件設(shè)計(jì)及算法效率與速度的提升，以及實(shí)驗(yàn)中低濃度葡萄糖溶液的配制等方面著手，進(jìn)行深入研究。

今后，若能采集到足夠多的血糖及對應(yīng)的唾液葡萄糖濃度數(shù)據(jù)，形成一個(gè)數(shù)據(jù)庫，按每個(gè)人新陳代謝的速度快慢，分成若干個(gè)級別，并在每個(gè)級別下對應(yīng)地設(shè)置血糖和唾液葡萄糖的函數(shù)關(guān)系，有望可將唾液葡萄糖的測量值從參考意義升華為診斷意義。應(yīng)用于臨床時(shí)，首先測定病人的若干組血糖及唾液葡萄糖數(shù)據(jù)，判斷其新陳代謝級別，選擇其合適的關(guān)系曲線，可省去不少測量，避免頻繁檢測血糖所帶來的痛楚，從而享受安全、無創(chuàng)、可靠的唾液葡萄糖檢測。

手機(jī)葡萄糖測試代表著未來低成本醫(yī)療的一個(gè)重要發(fā)展方向。隨著IT技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)功能和高靈敏度試紙的逐漸完善，更多的葡萄糖檢測技術(shù)或者醫(yī)療監(jiān)護(hù)功能將在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)，用戶將能更方便地建立自己的血糖信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)健康的自我管理。

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