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基于MSP430微處理器和GSM移動通信的血糖監(jiān)護系統(tǒng)設計

時間：2010-04-19 11:22:51

關鍵字：微處理器 GSM MSP430 移動通信

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[導讀]本文基于Java手機實現(xiàn)了與血糖儀在多線程模式下的串行通信，利用手機顯示存儲測量的結果，并且以短信的形式發(fā)送至遠程服務器，從而得到專家的建議與治療方案。今后隨著嵌入式技術、無線網(wǎng)絡技術的繼續(xù)快速發(fā)展，移動式的醫(yī)療儀器會擁有更廣闊的應用和市場前景。

1 血糖監(jiān)護系統(tǒng)概述

　　糖尿病是危害人類健康的四大主要疾病之一，目前沒有根治的辦法，只能通過血糖監(jiān)測對糖尿病加以控制。血糖儀的出現(xiàn)，大大方便了糖尿病患者自行監(jiān)測血糖。為了能更好地利用無線網(wǎng)絡資源，方便用戶隨時隨地的測量，開發(fā)了一種基于移動通信的血糖監(jiān)護系統(tǒng)。

　　基于移動通信的血糖監(jiān)護系統(tǒng)由兩大部分組成：手機血糖儀與糖尿病監(jiān)護中心。工作模式如圖1所示。糖尿病患者利用隨身攜帶的手機血糖儀可隨時監(jiān)測血糖，監(jiān)護中心通過GSM網(wǎng)絡接收患者的血糖值，并反饋適當?shù)脑\斷結論。

圖1 系統(tǒng)工作模式

　　手機使用MotorolA388c，血糖儀是吉林大學儀器學院自主開發(fā)的以MSP430單片機與酶電極傳感器等為主的血糖測試儀，通過串口連接手機，利用手機的鍵盤和液晶屏控制顯示血糖測試結果。即，手機血糖儀是在保留手機原有各項功能的基礎上，增加了血糖測試功能。

　　糖尿病監(jiān)護中心硬件由一臺服務器通過串口連接一個MC35無線通信模塊構成，軟件系統(tǒng)主要負責完成控制MC35接收短信以及患者信息管理及維護。

　　2 手機血糖儀的設計

　　2.1 系統(tǒng)硬件設計

　　基于MSP430單片機的血糖測試儀主要由酶電極傳感器、信號處理、單片機數(shù)據(jù)采集處理以及單片機與手機的串行通訊幾部分組成，如圖2所示。酶電極傳感器采用三電極系統(tǒng)，分為參比電極、對極和工作電極。

圖2 手機血糖儀系統(tǒng)框圖

　　前置信號處理采用模擬開關對電極接入電路情況進行控制，從而為系統(tǒng)提供不同的工作狀態(tài)，信號處理采用放大器和低通濾波，將傳感器的電流信號轉換放大濾去高頻干擾，為后續(xù)電路的數(shù)據(jù)采集提供質量較高的信號，血糖濃度的數(shù)據(jù)采集處理和串口數(shù)據(jù)通訊，采用TI公司的MSP430系列單片機為主控單元完成。另外，系統(tǒng)具有溫度補償功能，能補償環(huán)境溫度對系統(tǒng)測試結果的誤差，提高測試結果的精度。血糖測試模塊體積為3cm*1cm，這樣可以放在手機殼里，做到血糖測試儀和手機融為一體，方便了用戶的攜帶與檢測。

　　2.2 血糖濃度測量原理

　　血糖濃度值的測定通過生物酶電極傳感器，當血液滴入，在葡萄糖酶的催化作用下，傳輸電子物質在碳電極表面被強制性氧化，其氧化還原反應過程中形成的氧化電流跟葡萄糖濃度成線性關系，通過測定氧化電流的強度計算血糖濃度值[1]。

　　在電極上加0.4V的恒定工作電壓, 當被測血樣滴在電極的測試區(qū)后，電極上固定的葡萄糖氧化酶與血樣中的葡萄糖發(fā)生化學反應。經(jīng)過一定的滯后期，酶電極的響應電流將與被測血樣中葡萄糖濃度呈線性關系，如圖3所示。

圖3 酶電極電流變化曲線

　　對應于2.2- 27.8mmol/L的血糖濃度，酶電極的響應電流約為3—50μA。血糖儀就是通過這一對應關系來計算顯示血樣葡萄糖濃度值的。根據(jù)曲線可知酶電極上的反應電流在11s左右出現(xiàn)峰值，因此系統(tǒng)設定前11s為酶電極的反應時間，后5.3s為酶電極的采集時間。對5.3s的電流面積積分，得到電量Q，再根據(jù)已知的血糖的濃度C0可以由公式求出標準系數(shù)K：

Q =∫I(t)dt = K C0

K = Q/ C0

　　從而求出所測試的血糖濃度：

Cx = Q/K

　　溫度是影響酶的活性及酶催化反應速度的重要因素之一[2]。因此要保證測量的精度，必須進行溫度補償。經(jīng)系統(tǒng)測試及相關的結果分析得到溫度補償公式如下：

Kt = 0.0133t + 0.067

　　考慮到溫度補償，因此，血糖濃度計算公式如下：

Cx = Q/（K ×Kt）

　　2.3 通信軟件設計

　　Java手機操作系統(tǒng)都支持標準的J2ME MIDP1.0 Java標準。J2ME是SUN公司推出的針對嵌入式消費類電子產(chǎn)品的開發(fā)平臺。Motorola公司生產(chǎn)的Motorola388，A388C等手機不僅支持標準的J2ME MIDP1.0 Java標準，還推出了Motorola SDK for J2ME，實現(xiàn)了一些CLDC/MIDP提供的接口功能[3]。

　　手機與血糖儀通過串口連接，所以使用手機正確、實時地接收血糖儀發(fā)送的數(shù)據(jù)是關鍵。經(jīng)過多次實驗，采用多線程的開發(fā)模式可以準確、快速地讀取血糖儀發(fā)送至手機的數(shù)據(jù)。

　　在編寫串行通信程序時，要用到javax.microedition.io包中的Connector類和StreamConnection、InputStream和OutputStream 接口。在J2ME中所有的連接都是使用Connector類的open(String connect)方法建立的，不同的連接可以通過傳遞不同的參數(shù)connect實現(xiàn)[4,5,6,7,8]。

　　2.4在MotorolaA388上運行

　　基本按以下5個步驟：

　　(1)打包：編譯通過后，使用JBuilder Wizard菜單中的Archive Builder項，選擇Archive type為MIDlet，隨提示即可完成打包。

　　(2)在PC機上運行：運行MIDlet，更新打包文件：.jar與.jad文件。

　　(3)下載：用手機提供的數(shù)據(jù)線把手機和PC機串口相連，選擇手機上“通過數(shù)據(jù)線下載”菜單選項，再通過摩托羅拉388免費提供的一個名為pcjal.exe的下載工具，可很容易地將MIDlet下載到手機上。

　　(4)安裝：一般手機下載完一個J2ME程序后，就會自動進行安裝。將程序存儲在手機的指定位置里。

　　(5)在MotorolaA388C上運行：程序安裝完后，手機就會在程序菜單中顯示該應用程序，用戶選擇該菜單項后就可以運行程序。界面如圖4所示。

圖4 運行界面

　3 糖尿病監(jiān)護中心設計

　　糖尿病監(jiān)護中心的硬件部分主要由一臺服務器連接一個GSM模塊組成。選用的是SIEMENS公司的無線模塊MC35[9]。硬件電路主要分為四個部分:電源電路，用于提供6V-12V的電源；串口電路，用于與計算機串口進行連接；SIM卡電路，用于SIM卡與模塊的連接；MC35模塊驅動電路，用于對MC35無線通信模塊進行點火驅動。

　　軟件系統(tǒng)如圖5所示。其中，人機接口模塊，還增加了由用戶手動輸入數(shù)據(jù)的功能；糖尿病病理數(shù)據(jù)庫包括知識庫和規(guī)則庫，知識庫中存放和管理有關糖尿病診斷的專家經(jīng)驗和知識，規(guī)則庫用于存放糖尿病診斷與鑒別診斷的規(guī)則；患者信息庫用來保存患者的血糖測量值及一些背景信息。系統(tǒng)與GSM模塊的通信采用串行通信協(xié)議，短信管理使用AT指令[10]。

圖5 系統(tǒng)功能框圖

　　4 結果與討論

　　手機血糖儀操作簡單, 測試時，用戶進入血糖測試界面（如圖4所示），點擊運行鍵，屏幕會提示插入血樣試紙，隨后會出現(xiàn)15S倒計時狀態(tài),當?shù)褂嫊r為“0”時顯示血糖濃度測試結果，測試結果可以直接點擊發(fā)送短信鍵，通過GSM網(wǎng)絡發(fā)送至MA35I，再由遠程糖尿病診斷系統(tǒng)接收存儲并給出診斷結論后反饋給患者。

　　目前，最為準確地測量方式還是醫(yī)院的靜脈采血測試，但需要患者抽取大量的靜脈血，所以比對本系統(tǒng)的血糖儀選擇了相對測量較準確的強生血糖儀，表1中給出了絕對誤差值與最大相對誤差值。

表1 測量結果與誤差值

　　從測試結果可以看出，基于手機的血糖儀重復性誤差最大值為1.01﹪，濃度最大相對誤差為5.98﹪，在醫(yī)療器械規(guī)則的誤差范圍內，因此認為自行研制的基于手機的血糖測試儀符合標準。

　　經(jīng)過收發(fā)短信的測試，系統(tǒng)運行正常；測量的數(shù)據(jù)與知識庫中的相比對，按照簡單的規(guī)則，可自動給出診斷結論，也可由醫(yī)生修改或加入建議。

　　后期要繼續(xù)完善本系統(tǒng)，并在并系統(tǒng)的基礎上，繼續(xù)進行人體其他生理參數(shù)的監(jiān)測研究，如血壓、脈搏、心電等，利用無線和有線連接，將數(shù)據(jù)存儲至遠程醫(yī)療中心服務器，并使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡等技術進行個體發(fā)病預測及疾病分類。

　　在移動設備與現(xiàn)代醫(yī)學高速發(fā)展的天，操作簡單，方便，便攜的移動監(jiān)測設備與遠程醫(yī)療中心的配合是醫(yī)療儀器的發(fā)展趨勢。本文基于Java手機實現(xiàn)了與血糖儀在多線程模式下的串行通信，利用手機顯示存儲測量的結果，并且以短信的形式發(fā)送至遠程服務器，從而得到專家的建議與治療方案。今后隨著嵌入式技術、無線網(wǎng)絡技術的繼續(xù)快速發(fā)展，移動式的醫(yī)療儀器會擁有更廣闊的應用和市場前景。

　　本文作者創(chuàng)新點：

　　1．血糖測試模塊的體積只有3cm2，所以可以和移動設備，如手機整合在一起。

　　2．設計了糖尿病監(jiān)護中心，方便社區(qū)醫(yī)院、或糖尿病治療中心直接使用。

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