Vércukormérő tervezése
Egy egyszerű, de azért korszerű mikrovezérlő számos olyan funkcióval rendelkezik, amely kis kiegészítéssel akár egy teljes célműszer felépítésére is alkalmassá teszi. A cikk egy „éles” példával, egy vércukormérő tervezésének ismertetésével támasztja alá ezt az állítást.
A világ népességének 8,5%-a cukorbeteg. A diabetes mellitus ma a nyolcadik a halállal járó betegségek gyakorisági listáján, de az Egészségügyi Világszervezet (WHO) becslése szerint 2030-ra a hetedikké „léphet elő”. Ez a növekedés az elmúlt évek statisztikai trendjeiből vezethető le, amely szerint a cukorbetegség következtében 2000-ben egymillióan haltak meg, és ez a szám 2011-re 1,4 millióra növekedett. A diabéteszre visszavezethető halálozás csökkentésének egyik fő módszere a vércukorszint rendszeres ellenőrzése, és ezt felhasználva olyan kezelés alkalmazása, amely a normálishoz a lehető legközelebb tartja ezt a létfontosságú fiziológiai paramétert. Ez a tény tette szükségessé a vércukormérő készülékek kifejlesztését.
A vércukormérő olyan orvosi mérőműszer, amellyel a cukor (glukóz) koncentrációját lehet meghatározni egy oldatban. A glukóz koncentrációját mg/dl (milligramm/deciliter) vagy mmol/l (millimol/liter) mértékegységben szokás kifejezni. A vércukormérő készülék kulcsfontosságú eszköz a rendszeres otthoni glukózellenőrzéshez, amellyel a cukorbetegségben szenvedők figyelemmel kísérhetik az állapotukat, akik ezekkel a személyi eszközökkel akár napjában többször is elvégezhetik a vércukorszintjük ellenőrzését.
A legtöbb vércukormérő készülék elektrokémiai elven működik. A mérés úgy történik, hogy a vizsgált oldat egy cseppjét egy reagenssel átitatott, eldobható vizsgálócsíkra helyezik. A glukózkoncentráció meghatározására a két legáltalánosabban használt módszer a kolorimetria és az amperometeria. A színreflexiós mérési elv szerint a vizsgálócsík reagensrétegének színintenzitását fotometriai módszerrel mérik. A fotoszenzor kimeneti jelét transzimpedanciaerősítő illeszti a feldolgozó elektronikához, amely numerikus érték formájában fejezi ki a glukóz koncentrációját.
Az amperometriai módszernél egy – a tesztcsík végéhez rögzített – kapillárisba szívják fel az oldatot. A tesztcsík maga is tartalmaz egy szerves, enzimalapú reagenst (például glukóz oxidáz enzimet). A glukózban az enzim jelenlétében egy kémiai reakció megy végbe, amelynek során elektronok szabadulnak fel. Az elektródán áthaladó villamos töltés mérhető, és az áram nagysága az oldat glukózkoncentrációjával arányos. Eközben a környezeti hőmérsékletet is mérni kell annak érdekében, hogy kompenzáljuk a kémiai reakciósebesség hőmérsékletfüggését. A legtöbb vércukormérő ezen az elven működik. Az 1. ábra a tesztcsík működési elvét mutatja.
1. ábra A vércukormérő tesztcsík működési elve
A tesztcsík alkotja a fő biokémiai szenzort. Erre helyezik az oldatból vett mintát. A tesztcsík felületén három elektródát alakítanak ki. A kémiai reakció során keletkezett szabad elektronokat a munkaelektróda gyűjti össze, amely egy áram/feszültség-átalakító erősítőre kapcsolódik. A referenciaelektródát állandó feszültségen kell tartani a munkaelektródához képest. A harmadik az ellenelektróda, amely áramot szolgáltat a munkaelektróda részére. A legtöbb glukózmérőben csak a referencia- és a munkaelektródát használják. A referenciaelektródára egy pontos referenciafeszültség (Vref) kapcsolódik, amely a műveleti erősítő számára adja a vonatkoztatási potenciált. Ezen a módon egy pontos potenciálkülönbséget lehet fenntartani a munka- és a referenciaelektróda között. Ez a feszültség „hajtja” a tesztcsík kimeneti áramát, amelynek nagyságából számítható a kémiai reakció során szabaddá vált elektronok száma. Az oldatból vett mintát a tesztcsíkra kell helyezni, ahol a glukóz és az enzim részvételével végbemegy a reakció. Eközben elektronok szabadulnak fel. Az elektronok mennyiségével arányos a munka- és a referenciaelektródák között folyó áram, amely ezáltal a glukózkoncentrációval is arányos. Az áramból egy transzimpedanciaerősítő (áram/feszültség-átalakító) állít elő vele arányos feszültséget, amelyet egy A/D-konverter alakít át az oldat glukózkoncentrációját kifejező numerikus értékké.
Digitális megvalósítás
A vércukormérő elektronikai megvalósításához példánkban a Microchip 8 bites PIC16LF178x eszközét használtuk. A tömbvázlatot a 2. ábra mutatja. A PIC-eszköz különösen alacsony fogyasztásáról ismert. Két műveleti erősítőt, két nyolcbites D/A-átalakítót, egy (legfeljebb 11 bemenetű) A/D-átalakítót, beépített EEPROM-memóriát, I2C-interfészt és egy 16 bites időzítőt tartalmaz.
2. ábra A vércukormérő tömbvázlata
Amikor egy mintát veszünk az oldatból, és azt a tesztcsíkra helyezzük, a glukóz olyan kémiai reakció részese lesz, amely során elektronok szabadulnak fel. Az elektronok áramlása (a munkaelektródán folyó áram) mérhető. Ez az áram a glukóz koncentrációjától függően változik. Az áram mérésére egy áram/feszültség-átalakítót használhatunk, amelyet a PIC-mikrovezérlő beépített műveleti erősítőjéből lehet kialakítani. A jelek nagyfrekvenciás szűrése után az eszköz 12 bites AD-átalakítójával alakítható át digitális jellé.
A PIC-eszköz AD-konverter csatornájának a minta elhelyezését követő 1,5 s múlva kell elkezdeni az áram mintavételezését. Kb. 2048 minta begyűjtése szükséges. Ezek átlagértékét helyettesítjük be az Y=mX+C regressziós egyenletbe, amelyben az Y a glukózkoncentráció mg/dl egységben kifejezve, X a műveleti erősítő kimenetére kapcsolódó AD-konverterből kiolvasható értékek átlaga, C pedig egy állandó. A glukózkoncentrációt ennek a regressziós egyenletnek a megoldásával lehet meghatározni. A kiszámított érték ezt követően mg/dl vagy mmol/l egységben az LCD-kijelzőn megjeleníthető. A glukózmérő demo változatának energiaellátását a kártyára épített 3 V-os, 225 mAh kapacitású, CR2032 típusjelű lítiumelemmel oldottuk meg.
Az AD-konverter mintavételezésének kezdési késleltetése 1…1,5 s. A mintavételek számát az alkalmazott tesztcsík tulajdonságaihoz igazodva kell megállapítani.
Hardvertervezés
A tervezett glukózmérő specifikált koncentrációmérési tartománya 20…600 mg/dl (1…33 mmol/l). A vizsgálati eredményt 5 s-on belül kell kijelezni. A legutóbbi 32 glukózmérési eredményt automatikusan – dátumot és időpontot tartalmazó időbélyeggel ellátva – tárolni kell. A vizsgálócsík kódolására nincs szükség, az általános regressziós egyenletet kell megvalósítani, amelyet a konkrét tesztcsík tulajdonságainak megfelelően, szükség szerint lehet módosítani.
Az eszköz egyetlen kártyából áll, amely a 28-kivezetéses PIC16LF178x-eszközt hordozza. Egy belső hozzáférésű soros kommunikációt is ki kell építeni a programozás és a hibakeresés funkcióinak megvalósításához.
Az LCD-kijelző funkciója a mérési eredmény mg/dl, illetve mmol/l mértékegységben való kijelzése, de ezenkívül a kezelést megkönnyítő és tájékoztató üzeneteket is meg kell jelenítenie: „Helyezze be a tesztcsíkot”, „Tesztcsík behelyezve, helyezze rá a mintát” és „Hibás tesztcsík”.
Ennek megfelelően szenzorokra is szükség van a tesztcsík behelyezésének érzékelésére, a hőmérséklet mérésére és az elem állapotának ellenőrzésére. A kezelőszervek két nyomógombból állnak: az egyik az előzőleg mért és tárolt adatok kiolvasását indítja, a másikkal a dátumot és az időt lehet beállítani.
Firmware-tulajdonságok
A firmware feladata a tesztcsík áramának mérése a PIC-mikrovezérlő beépített műveleti erősítőjéből, a DA- és AD-konverterből álló összeállítással. Az AD-konverter méréseit azt követően kell elindítani, hogy a tesztcsíkot behelyezte a felhasználó, és a rajta mérhető feszültség 450 mV fölé emelkedett. Az AD-konverter mérési eredményeinek tárolását 1,5 s-mal később kell indítani attól számítva, hogy a mintát a tesztcsíkra helyezték. Az átlagot ezekből a tárolt értékekből kell kiszámítani. A glukózkoncentrációt a regressziós egyenlet segítségével ennek az átlagolt értéknek a felhasználásával kell meghatározni. A szükséges firmware-modulok feladata az LCD-interfész kezelése és a megjelenítés, a műveleti erősítő és a DA-konverter konfigurálása, a glukózkoncentráció-mérés eredményeinek tárolása a belső EEPROM-ban, a beolvasás az AD-konverter csatornáról, a glukózkoncentráció kiszámítása, valamint a tárolási időbélyeg előállításához szükséges valósidejű óra megvalósítása a PIC-eszköz beépített időzítőjének felhasználásával.
Konfigurálás
A DA-konverter feszültségreferenciáját a 2. számú belső, fix referenciapuffer-erősítőre kell csatlakoztani, 2,048 V-os feszültségre beállítva. A DA-konverter kimeneti feszültségét 400 mV-ra állítottuk be.
A műveleti erősítővel megvalósított áram/feszültség-átalakító kimenetét az AD-konverter 0 sorszámú csatornájával mértük. A 3-as csatornát használtuk az elem feszültségének mérésére annak érdekében, hogy az elem kimerüléséhez közeli állapotát jelezni tudjuk. A hőmérséklet-érzékelő kimenetét az AD-konverter 8-as csatornájával mérjük. A glukózmérések eredményét a belső EEPROM-ban tároljuk. Ha alvó állapotban megnyomjuk az S1 nyomógombot, a készülék memória-üzemmódba kapcsolódik. Ezt követően az S3-nyomógomb ismételt megnyomására a tárolt glukózmérési eredmények sorra megjelennek az LCD-kijelzőn. Ha eközben bármikor az S1-nyomógombot nyomjuk meg, a készülék kilép a memória-üzemmódból.
Egy kétsoros, soronként 16 karakteres LCD-t használtunk a glukózmérési eredmények és a szöveges üzenetek megjelenítésére. Az LCD tápfeszültségét a készülék alvó üzemmódjában kikapcsoljuk, amelyhez az LCD tápfeszültség-vezérlő kivezetését kell a VSS feszültségre kapcsolni a mikrovezérlő párhuzamos portjának egy kimenetével.
A valósidejű naptár és óra megvalósítására a beépített időzítőt használjuk, amelyhez az órajel frekvenciáját egy külső 32768 Hz-es órakristállyal határozzuk meg. Az aktuális dátum és idő beállítására az S1- és az S3-nyomógombot használjuk.
Amint az a 3. ábrán is látható, a műveleti erősítő neminvertáló bemenete a 400 mV-os kimenet előállítására használt DA-konverterre kapcsolódik. A műveleti erősítő invertáló bemenetét a tesztcsík munkaelektródájához kapcsoljuk. Az áram/feszültség-átalakítót egy külső ellenállás és egy kondenzátor felhasználásával alakítottuk ki.
3. ábra A műveleti erősítő konfigurálása
A műveleti erősítő kimenete a PIC-eszköz beépített AD-konverterének 0-s bemenetéhez kapcsolódik.
Az elkészült glukózmérő aktív üzemmódban kb. 1,1 mA-t, alvó állapotban 3 μA-t fogyaszt. Normál használat mellett a glukózmérő a teljes idő 99,5%-át alvó üzemmódban tölti.
Összefoglalás
A glukózmérés folyamatát számos külső tényező befolyásolja: a hőmérséklet, a légnedvesség, a tengerszint feletti magasság és mások, mivel az alkalmazott enzim reakciósebessége függ mindezektől a környezeti paraméterektől. Ezenkívül a különböző kémiai reagenssel átitatott tesztcsíkok változtatásokat igényelnek a regressziós egyenletben. A változó paramétereket a Matlab vagy a Microsoft Excel programmal lehet meghatározni. Ezeket a jellemzőket mindig figyelembe kell venni, ha egy adott tesztcsík fajtához akarunk glukózmérő készüléket tervezni.
A PIC16LF178X mikrovezérlőben rendelkezésre áll minden lényeges elektronikai építőelem: a műveleti erősítő, egy 12 bites AD-konverter, egy DA-konverter és egy EEPROM. Ez alkalmas kombináció egy elemről táplált, precíziós vércukormérésekre is használható, elemről táplált, kis fogyasztású glukózmérő kialakításához. A projekt alaposan kihasználja a PIC-mikorvezérlő sokoldaló és rugalmas képességeit, olcsó árát és kis fogyasztását.
www.microchip.com
Még több Microchip
Címkék: PIC | mikrovezérlő | mikrokontroller | MCU | vércukor | glukóz | mérés
