摘 要：為了方便患者檢測(cè)血糖值、長(zhǎng)期存儲(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù)并及時(shí)得到醫(yī)生的診斷結(jié)論，設(shè)計(jì)了一種基于智能手機(jī)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由無(wú)線血糖檢測(cè)傳感器、患者智能手機(jī)、醫(yī)生智能手機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程會(huì)診和遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。

　　基于MSP430 單片機(jī)的無(wú)線血糖檢測(cè)傳感器通過(guò)藍(lán)牙與患者智能手機(jī)連接，不僅完成了檢測(cè)功能，還可利用手機(jī)的短信功能發(fā)送檢測(cè)值和接收醫(yī)生的診斷；同時(shí)利用智能手機(jī)強(qiáng)大的軟件平臺(tái)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、維護(hù)等功能。通過(guò)測(cè)試，該設(shè)計(jì)較好地滿足了預(yù)定要求。

　　1 血糖監(jiān)測(cè)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(méi)有根治的辦法，只能通過(guò)血糖監(jiān)測(cè)對(duì)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(cè)血糖。

　　為了能更好地利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源，方便用戶隨時(shí)隨地的測(cè)量，開(kāi)發(fā)了一種基于智能手機(jī)的血糖監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

　　智能手機(jī)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由無(wú)線血糖檢測(cè)傳感器、患者Android 智能手機(jī)、醫(yī)生Android 智能手機(jī)組成。

　　工作模式如圖1 所示。糖尿病患者利用隨身攜帶的無(wú)線血糖檢測(cè)傳感器可隨時(shí)檢測(cè)血糖并通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線發(fā)送，患者智能手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙接收患者的血糖值，利用手機(jī)的鍵盤和液晶屏控制顯示血糖測(cè)試結(jié)果。即智能手機(jī)是在保留手機(jī)原有各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)上，增加了血糖測(cè)試、顯示、數(shù)據(jù)管理的功能。患者可通過(guò)GSM 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送血糖數(shù)據(jù)給自己的"私人醫(yī)生"智能手機(jī)并能獲得反饋適當(dāng)?shù)脑\斷結(jié)論。手機(jī)使用HTC DesireS510,無(wú)線血糖檢測(cè)傳感器是以MSP430 單片機(jī)與酶電極傳感器等為主構(gòu)成，通過(guò)藍(lán)牙連接智能手機(jī)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)智能手機(jī)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作模式

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 無(wú)線血糖檢測(cè)傳感器硬件設(shè)計(jì)

　　基于MSP430 單片機(jī)的無(wú)線血糖檢測(cè)傳感器主要由酶電極傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)數(shù)據(jù)采集處理以及單片機(jī)與手機(jī)的藍(lán)牙通訊幾部分組成，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(duì)極和工作電極。前置信號(hào)處理采用模擬開(kāi)關(guān)對(duì)電極接入電路情況進(jìn)行控制，從而為系統(tǒng)提供不同的工作狀態(tài)，信號(hào)處理采用放大器和低通濾波，將傳感器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)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(zhì)量較高的信號(hào)，血糖濃度的數(shù)據(jù)采集處理采用TI 公司的MSP430 系列單片機(jī)為主控單元完成。

　　另外，系統(tǒng)具有溫度補(bǔ)償功能，能補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的誤差，提高測(cè)試結(jié)果的。

圖2 無(wú)線血糖檢測(cè)傳感器框圖。

　　藍(lán)牙模塊是藍(lán)牙協(xié)議棧的載體，本項(xiàng)目擬使用臺(tái)達(dá)電子生產(chǎn)的DFBM-CSl20 藍(lán)牙模塊，主要面向手機(jī)和移動(dòng)應(yīng)用。為減小軟件負(fù)荷并與手機(jī)固件兼容，DFBM-CSl20 采用嵌入式藍(lán)牙模型，軟件只需使用AT命令便可操作模塊。這樣提高了協(xié)議的封裝程度，降低軟件設(shè)計(jì)難度。對(duì)于嵌入式模型，藍(lán)牙協(xié)議棧位于藍(lán)牙模塊中，應(yīng)用程序單獨(dú)運(yùn)行在智能手機(jī)上，通過(guò)適配協(xié)議與藍(lán)牙模塊通信。嵌入式模型無(wú)需軟件處理藍(lán)牙上層協(xié)議，減少了軟件負(fù)荷和代碼長(zhǎng)度，降低了開(kāi)發(fā)難度。對(duì)于內(nèi)存有限的設(shè)備及應(yīng)用命令的手機(jī)終端而言都是不錯(cuò)的選擇。具體設(shè)計(jì)方案原理圖如圖2 所示。

　　2.2 血糖濃度測(cè)量原理

　　血糖濃度值的測(cè)定通過(guò)生物酶電極傳感器，當(dāng)血液滴入，在葡萄糖酶的催化作用下，傳輸電子物質(zhì)在碳電極表面被強(qiáng)制性氧化，其氧化還原反應(yīng)過(guò)程中形成的氧化電流跟葡萄糖濃度成線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)定氧化電流的強(qiáng)度計(jì)算血糖濃度值。在電極上加0.4V 的恒定工作電壓，當(dāng)被測(cè)血樣滴在電極的測(cè)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(xué)反應(yīng)。經(jīng)過(guò)一定的滯后期，酶電極的響應(yīng)電流將與被測(cè)血樣中葡萄糖濃度呈線性關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 酶電極電流變化曲線。

　　對(duì)應(yīng)于2.2-27.8mmol/L 的血糖濃度，酶電極的響應(yīng)電流約為3-50μA.血糖儀就是通過(guò)這一對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)計(jì)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(yīng)電流在11s 左右出現(xiàn)峰值，因此系統(tǒng)設(shè)定前11s 為酶電極的反應(yīng)時(shí)間，后5.3s 為酶電極的采集時(shí)間。對(duì)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(biāo)準(zhǔn)系數(shù)K:Q=∫I（t）dt=KC0,K=Q/C0.從而求出所測(cè)試的血糖濃度：Cx =Q/K.

　　溫度是影響酶的活性及酶催化反應(yīng)速度的重要因素之一。因此要保證測(cè)量的，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

　　經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試及相關(guān)的結(jié)果分析得到溫度補(bǔ)償公式如下：Kt=0.0133t+0.067,考慮到溫度補(bǔ)償，因此，血糖濃度計(jì)算公式如下：Cx= Q/（K×Kt）。 

　　2.3 智能手機(jī)血糖軟件功能實(shí)現(xiàn)

　　軟件功能主要分為患者端和醫(yī)生端。患者端有用戶管理、數(shù)據(jù)管理、顯示曲線、發(fā)送的模塊，而醫(yī)生端有接收信息、查看曲線、回復(fù)電話的模塊。在確定了系統(tǒng)的主要工作特點(diǎn)和模塊組成后，對(duì)這些主要模塊進(jìn)行了初步的設(shè)置實(shí)施，具體的軟件結(jié)構(gòu)如圖4 所示：

圖4 系統(tǒng)總體架構(gòu)。

　　曲線顯示是本系統(tǒng)主要的一個(gè)模塊。通過(guò)對(duì)目標(biāo)用戶數(shù)據(jù)的查找，獲得近的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)數(shù)組里面，再調(diào)用自已編寫的畫折線類，將數(shù)組作為參數(shù)，把曲線展現(xiàn)出來(lái)。

　　讓系統(tǒng)能自動(dòng)生成曲線的方法有很多。種，可以調(diào)用google 的api[3]來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然相對(duì)比較美觀，效果比較好，但各個(gè)函數(shù)的調(diào)用和曲線顯示都要有各自規(guī)定的格式，不是很靈活，使用起來(lái)也不是很方便。

　　第二種方法利用的是導(dǎo)入第三方j(luò)ar 包[4]的方式，畫折線需要導(dǎo)入的包是achartengine-0.7.0.jar,導(dǎo)入后可以對(duì)其中已經(jīng)封裝的類和函數(shù)進(jìn)行調(diào)用， 比如有XYMultipleSerieDataset,chart 等類，buildDataset,XYSerious 等函數(shù)。該方法有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是圖片可以沿X 軸和Y 軸方向拖拉，無(wú)論數(shù)值范圍多大都可以實(shí)現(xiàn)。然而，即使有這種效果，卻只是固定對(duì)某個(gè)范圍的顯示，對(duì)峰值的體現(xiàn)不明顯，會(huì)有不真實(shí)的感覺(jué)。另外，由于測(cè)量數(shù)據(jù)的值一般不會(huì)超出某個(gè)范圍，所以這樣設(shè)計(jì)意義也不大。

　　鑒于此，還是考慮采用古老的辦法，逐一畫線，通過(guò)自己定義了一個(gè)類來(lái)畫出自己的曲線，坐標(biāo)上的刻度值大小、個(gè)數(shù)，以及坐標(biāo)注釋等都可以自己定義。

　　雖然這種方法做出來(lái)的效果沒(méi)有種那么美觀，也不能實(shí)現(xiàn)第二種方法那種拖拉的效果，但卻能讓用戶對(duì)數(shù)據(jù)的波動(dòng)更加顯而易見(jiàn)，可以更加靈活地適應(yīng)不同的要求，同時(shí)具備前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。畫折線的類的實(shí)現(xiàn)，代碼大致如下：

　　軟件另外一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)代碼建庫(kù)，主要是在一個(gè)java 包里聲明數(shù)據(jù)庫(kù)的版本、名稱、以及數(shù)據(jù)表，可以在文件受到調(diào)用的時(shí)候自動(dòng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，并且還可以根據(jù)版本號(hào)等的不同自動(dòng)更新。如果利用手動(dòng)建庫(kù)，也完全可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，但是在次創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，是從DDMS向模擬器手動(dòng)地導(dǎo)入，并且每次安裝到新的模擬器或真機(jī)之前，必須先導(dǎo)入才能使用，可移植性比較差。使用代碼建庫(kù)后，上面出現(xiàn)的問(wèn)題完全可以忽略，還可以減少出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況。

　　在發(fā)送模塊中，是將數(shù)據(jù)庫(kù)里取出的數(shù)據(jù)存入一個(gè)字符串中并加入分隔符",",以字符串作為發(fā)送短信的內(nèi)容。

　　醫(yī)生手機(jī)軟件根據(jù)電話號(hào)碼或姓名查找相應(yīng)病人的一條短信記錄，關(guān)鍵代碼如下：

　　在這里，是要將上一步所讀到的短信內(nèi)容重新轉(zhuǎn)化成所需要的數(shù)組。利用字符串處理函數(shù)split,將分隔符","去掉。

　　如果醫(yī)生在查看曲線圖的時(shí)候發(fā)現(xiàn)異常，需通知病人上門診斷或者作出特別囑咐的話，可以直接點(diǎn)擊撥號(hào)鍵或"回復(fù)電話"按鈕給病人撥打電話。與發(fā)送短信一樣，程序要撥打電話，需授予程序撥打電話的權(quán)限，只需在AndroidMenifest.xml 中插入如下代碼：

　　3 結(jié)果與討論

　　智能手機(jī)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，測(cè)試時(shí)，用戶進(jìn)入血糖測(cè)試界面，點(diǎn)擊菜單，顯示血糖濃度測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果可以直接點(diǎn)擊發(fā)送短信鍵，通過(guò)GSM 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，很快就能獲得醫(yī)生的反饋結(jié)果。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)截圖如圖5、圖6 所示。

圖5 患者端主界面。

圖6 醫(yī)生端曲線圖。

　　目前，為準(zhǔn)確地測(cè)量方式還是醫(yī)院的靜脈采血測(cè)試，但需要患者抽取大量的靜脈血，所以比對(duì)本系統(tǒng)的血糖儀選擇了相對(duì)測(cè)量較準(zhǔn)確的強(qiáng)生血糖儀，表1 中給出了誤差值與相對(duì)誤差值。

　　從測(cè)試結(jié)果可以看出，智能手機(jī)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重復(fù)性誤差值為1.01%,濃度相對(duì)誤差為5.98%,在醫(yī)療器械規(guī)則的誤差范圍內(nèi)，因此認(rèn)為自行研制的物聯(lián)網(wǎng)智能手機(jī)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)符合標(biāo)準(zhǔn)。

　　經(jīng)過(guò)收發(fā)短信的測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行正常；測(cè)量的數(shù)據(jù)與知識(shí)庫(kù)中的相比對(duì)，按照簡(jiǎn)單的規(guī)則，可自動(dòng)給出診斷結(jié)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(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行人體其他生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)研究，如血壓、脈搏、心電等，利用無(wú)線和有線連接，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至遠(yuǎn)程醫(yī)療中心服務(wù)器，并使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)進(jìn)行個(gè)體發(fā)病預(yù)測(cè)及疾病分類。

表1 測(cè)量結(jié)果與誤差值

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　在移動(dòng)設(shè)備與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)高速發(fā)展的天，操作簡(jiǎn)單，方便，便攜的移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備是醫(yī)療儀器的發(fā)展趨勢(shì)。本文智能手機(jī)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用手機(jī)顯示存儲(chǔ)測(cè)量的結(jié)果，并且以短信的形式發(fā)送至醫(yī)生智能手機(jī)，從而得到的建議與治療方案。系統(tǒng)的應(yīng)用不但將方便患者就醫(yī)，而且將極大的改變當(dāng)前趨于緊張的醫(yī)患關(guān)系。今后隨著嵌入式技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的繼續(xù)快速發(fā)展，移動(dòng)式的醫(yī)療儀器會(huì)擁有更廣闊的應(yīng)用和市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn):

[1]. MSP430  datasheet http://hbjingang.com/datasheet/MSP430+_490166.html.