Статьи / MICROCHIP TECHNOLOGY

Малопотребляющий амперометрический глюкометр на базе микроконтроллера Microchip

Как известно, глюкометр — это медицинское устройство, которое используется для определения уровня глюкозы в крови людьми, страдающими
диабетом, и является необходимым средством для самостоятельного контроля в домашних условиях. Концентрация глюкозы измеряется в милли-граммах на децилитр (мг/дл) или в миллимолях на литр (ммоль/л), в зависимости от стандартов, установленных в конкретной стране [1].
В статье описан готовый вариант построения амперометрического глюкометра, основанный на малопотребляющем микроконтроллере Microchip
PIC16LF178X серии XLP (eXtreme Low Power) [2].

Краткое описание
микроконтроллеров
PIC16LF178X

PIC16LF178X являются микроконтроллерами общего назначения с низким энергопотреблением и обладают необходимым
для построения глюкометра набором пери-ферийных устройств на борту: операцион-ный усилитель, прецизионный АЦП, ЦАП, часы реального времени (RTCC), EEPROM,а также высокоточный источник опорногонапряжения [3].
Микроконтроллеры PIC16LF178X имеютдо 64 кбайт флэш-памяти и 2 кбайт ОЗУ.
Независимая периферия упрощает реализацию базовых функций устройства — генерацию сигнала, интерфейсы датчиков,связь между узлами устройства и других.
PIC16LF178X имеет режимы низкого потребления, интерфейсы коммуникации, такиекак UART, SPI и I2C.Краткие технические характеристики при-
ведены в таблице.
alt текст

Принцип
и методы измерения глюкозы

В настоящее время многие глюкометры основаны на электрохимическом методе измерения и используют специальные элек-
трохимические тестполоски. Небольшое количество вещества (в данном случае крови) помещается на одноразовую тестовую полоску, которая затем вставляется в глюкометр, и производится измерение.
Существует два наиболее распространенных электрохимических типа измерения глюкозы — колориметрический и амперометрический методы.

Колориметрический метод измерения
Метод основан на принципе отраженного цвета, чья интенсивность изменяется в зависимости от химической реакции, произошедшей на тестовой полоске. LED или фотосенсоры используются для формирования аналогового сигнала, который затем усиливается с помощью трансимпедансного
усилителя (управляемый током усилительнапряжения). После этого глюкометр выдает результат измерений концентрации глюкозы в веществе в виде числового значения [2].

Амперометрический метод измерения
В амперометрическом методе электрохимическая тест-полоска имеет каналы, предназначенные для подачи крови, располагаемой на одном из ее концов. Тест-полоска содержит ферментный электрод с таким реагентом, как глюкооксидаза. Глюкоза, имеющаяся в крови, подвергается окислению при участии глюкозооксидазы и сопровождается восстановлением ферроцианида калия, который при контакте с электродом окисляется, отдавая электрон. В пределах диапазона измерения прибора зависимость электрического тока от концентрации глюкозы имеет линейный характер и может быть измере на аналогово‑цифровым преобразователем глюкометра. В данном методе также применен термодатчик для компенсации влияния
температуры окружающей среды на ход химической реакции [1].

Принцип работы тест-полоски
в амперометрическом методе

Тест-полоска представляет собой главный биохимический сенсор, куда помещается образец анализируемой крови, и содержит три электрода:

  • рабочий электрод, на котором во время химической реакции образуются электроны; электрод подключается к усилителю преобразователя тока в напряжение;
  • опорный электрод, на котором поддерживается постоянное напряжение относительно рабочего электрода для достижения желаемых химических реакций;
  • вспомогательный электрод, подающий ток на рабочий электрод.

alt текст

alt текст

Однако большинство глюкометров оснащено тест-полосками только с двумя электродами — опорным и рабочим.
На рис. 1 приведена схема, иллюстрирующая принцип работы глюкометра с тестполоской. Высокоточное опорное напряжение Uоп подается на опорный электрод,а Uсдвиг — на операционный усилитель,таким образом, поддерживается точная разность потенциалов между опорным и рабо-
чим электродами. Эта разность потенциалов порождает ток в тест-полоске, который используется для подсчета количества произведенных электронов. Образец крови, помещенный на тестполоску, вызывает химическую реакции глюкозы с ферментом, в результате которой образуются электроны. Ток этих электронов зависит от концентрации глюкозы, и после его преобразования в напряжение может быть измерен АЦП, а затем отображен на дисплее глюкометра.

Построение глюкометра
на базе микроконтроллера
PIC16LF178X

В разделе описана разработка аппаратной и программной частей амперометрического глюкометра, основанного на микроконтроллере типа PIC16LF178X. На рис. 2 приведена типовая блок-схема амперометрического глюкометра.
Как уже говорилось, микроконтроллеры PIC16LF178X относятся к серии XLP, отличающейся сниженным энергопотреблением как в рабочем, так и в спящем режиме. Это особенно важно при разработке носимой электроники, имеющей батарейное питание. В PIC16LF178X предусмотрены практически все необходимые для построения глюкометра периферийные устройства:

  • два операционных усилителя;
  • два 8‑битных ЦАП;
  • 12‑битный SAR АЦП, до 11 каналов;
  • память EEPROM;
  • интерфейс I2C;
  • 16‑битный таймер.

Последовательность работы глюкометра можно описать следующим образом: образец крови помещается на тест-полоску,в результате чего вырабатывается электрический ток. Затем при помощи встроенного в PIC16LF178X операционного усилителя ток преобразуется в напряжение, происходит фильтрация высокочастотных помех,далее отфильтрованный сигнал попадает на 12‑битный АЦП. Микроконтроллер начи-
нает захват поступающего на АЦП напряжения спустя приблизительно 1,5 с (задержка зависит от типа используемых тест-полосок).
В среднем АЦП производит порядка 2048 выборок, которые затем используются в уравнении для вычисления концентрации глюкозы. Результат вычисления уравнения выводится на ЖКИ дисплей в заданных единицах — мг/дл или ммоль/л.
PIC16LF178X способен хранить в памяти до 32 результатов измерения, которые в дальнейшем могут быть просмотрены при необходимости. Широкий диапазон рабочего напряжения микроконтроллеров PIC16LF178X (1,8–3,6 В для версии LF) позволяет питать глюкометр напрямую от компактной литиевой батареи типа CR‑2032, без помощи дополнительных преобразователей, что упрощает плату и снижает стоимость изделия.

Аппаратная часть глюкометра
Microchip предоставляет все необходимые документы и схемы для разработки собственного глюкометра. Электрическая схема приведена на рис. 3 [3].
Основные спецификации изделия:

  • диапазон измерений: 20–600 мг/дл (1–33 ммоль/л);
  • выведение результата измерения:в течение 5 с;
  • автоматическое сохранение последних 32 измерений с датой и временем;
  • не осуществлена привязка к конкретному типу тест-полосок, необходимо изменить уравнение согласно типу используемых тест-полосок.

alt текст

Аппаратные спецификации и особенности изделия:

  • количество плат: 1 шт.;
  • 28‑выводной контроллер PIC16LF178X;
  • вывод для внутрисхемного последовательного программирования;
  • терминал для тест-полоски;
  • RTCC (используется внутренний таймер) для штампов времени и даты;
  • память EEPROM: хранение результатов теста; хранение параметров калибровки;
  • ЖКИ: отображение коротких инструкций и результатов теста;
  • детектор присутствия полоски;
  • термодатчик для уменьшения влияния температуры окружающей среды на результат измерения;
  • датчик напряжения батареи;
  • два микровыключателя для просмотра результата измерения и установки даты и времени;
  • элемент питания: CR‑2032 (3 В, 225 мА·ч).

Программная часть глюкометра
Основные функции и принципы работы программной части:

  • обработка данных со встроенного ОУ, ЦАП и АЦП;
  • захват данных выборок с АЦП после того, как тест-полоска вставлена и значение превышает 450 мВ;
  • начало записи значений с АЦП спустя 1,5 с после инсталляции тест-полоски, вычисление среднего значения;
  • вычисление уравнения на основе данных с АЦП путем решения уравнения.

На рис. 4 приведена блок-схема, иллюстрирующая алгоритм работы глюкометра.

Конфигурация блоков глюкометра

В данном разделе приводятся параметры конфигурации основных блоков глюкометра.

Конфигурация ЦАП
Опорное напряжение ЦАП подключается к буферу 2 FVR (Fixed Voltage Reference), настроенному на 2,048 В. Выходное напряжение ЦАП задается равным 400 мВ.

Конфигурация ОУ
Как показано на рис. 5, не инвертирующий вход ОУ подключается к ЦАП, сконфигурированный на выходной сигнал 400 мВ. Инвертирующий вход соединяется с рабочим электродом тест-полоски. Конвертер тока в напряжение формируется при помощи внешнего резистора и конденсатора.
Выходной сигнал ОУ соединяется с входом АЦП.

Конфигурация АЦП
Выходной сигнал ОУ измеряется каналом 0 АЦП (RA0/AN0), канал 3 (RA3/AN3) АЦП используется для измерения напряжения батареи. Выход канала 8 (RB2/AN8) АЦП предназначен для подключения термодатчика (MCP9700A) для определения температуры окружающей среды.

alt текст

Память EEPROM
Результаты измерений сохраняются во встроенной памяти EEPROM. Если в режиме сна нажата кнопка S1, микроконтроллер PIC16LF178X считывает из памяти данные и выводит на дисплей. Для просмотра предыдущих записей необходимо нажать кнопку S3. Для выхода из режима просмотра следует снова нажать S1.

Интерфейс ЖКИ
Для отображения информации используется монохромный дисплей NHD_C0216CZFSWFBWLCD размером 162 от NHD. Питание дисплея отключено во время режима сна и контролируется отдельным выводом микроконтролера.

Часы реального времени RTCC
Для работы RTCC предусмотрен таймер Timer1 и внешний часовой кварцевый генератор. Дата и время устанавливаются кнопками S1 и S3.

Вычисление уравнения регрессии
Для определения уравнения регрессии были сделаны следующие шаги:

  • сняты профили напряжений на АЦП для образцов крови с различным содержанием глюкозы;

  • сняты средние показания приблизительно 2048 выборок АЦП, произведенных спустя 1,5 с после инсталляции тест-полоски в разъем; эти показания использовались для определения линейной зависимости напряжения от концентрации глюкозы в крови в различных образцах;

  • найдено оптимальное уравнение при помощи функции poly-fit в MATLAB, а также функции регрессии в Microsoft Excel; было выбрано линейное уравнение, давшее хорошие результаты [2]:

    Y = mX+C,

где Y — концентрация глюкозы (мг/дл); m — крутизна; X — среднее значение АЦП выходного напряжения ОУ; C — константа.

Энергопотребление глюкометра

Потребление глюкометра в активном режиме составляет приблизительно 1,1 мА, а в режиме сна — 1 мкА. Можно предположить, что основное время глюкометр находится в режиме сна (99,5% времени), тогда средний ток потребления можно подсчитать:
0,995x0,003+0,005x1,1 = 0,008485 мА,
то есть 8,485 мкА.
Следовательно, 3‑В батарея CR‑2032 емкостью 225 мА·ч позволит устройству проработать 26517 ч, или 3,03 года.

Заключение

Скорость реакции фермента зависит от внешних факторов, таких как температура, влажность, высота, и других, а следовательно, от этого зависят и измерения глюкозы. Кроме того, тест-полоски с различными химическими веществами потребуют изменений в уравнении регрессии, определяемом
с помощью MATLAB или Microsoft Excel. Данные факторы необходимо учитывать при разработке глюкометра и выборе типа используемых тест-полосок.
Микроконтроллеры PIC16LF178X имеют встроенные ОУ, 12‑битный АЦП, ЦАП, память EEPROM и прочие периферийные устройства, что позволяет минимизировать размер платы, упростить схемотехнику, снизить энергопотребление и удешевить устройство. Устройства PIC16LF178X могут быть использованы для разработки дешевого глюкометра, при этом на сайте производителя в свободном доступе приведена вся необходимая документация, а также ПО [4].

Литература

  1. Эмануэль В. Л., Карягина И. Ю., Эмануэль Ю. В.
    Портативные системы самоконтроля и лабораторный анализ концентрации глюкозы в крови.
    Сравнительное исследование // Лабораторная медицина. 2003. № 6.
  2. AN1560 Glucose Meter Reference Design.
    http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00001560A.pdf
  3. Low-Cost Glucose Meter Reference Design.
    http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/30010055a.pdf
  4. Low Cost Glucose Meter Demonstration. http://www.microchip.com/promo/glucose-meter

Автор статьи :
Намрата Далви (Namrata Dalvi)
Сергей Горьков
sergey.gorkov@eltech.spb.ru