血糖仪

概述

血糖仪是检测血液样本中血糖含量的手持式仪器,主要供糖尿病患者使用。

当今市场上有连续式和离散式(单次测试)两种血糖仪。此外,连续式血糖仪必须凭处方使用,利用皮下电化学传感器以可编程的间隔进行采样测量。

单次测试血糖仪使用电化学或光学反射法测量血糖水平,单位为mg/dL或mmol/L。绝大多数血糖仪为电化学仪器。电化学试纸具有电极,对其施加高精度偏置电压。施加电压引起试纸发生电化学反应,产生与血液中血糖浓度成比例的电流。然后将电流转换为血糖浓度进行显示。

每组试纸包含校准码,在使用之前必须输入到血糖仪中进行校准,尽管有些新型试纸已经取消了校准步骤。

请点击页面上方的“设计注意事项”、“电路图”和“框图”标签获取更多信息,有助于构建设计。


血糖仪为手持式仪器,包括电化学传感器和电池供电的嵌入式系统,带有显示屏,可读取、处理、显示以及选择性保存传感器读数。

为了确定样本的血糖含量,血糖仪要求非常高精度的模拟处理功能。光学反射法和电化学血糖仪需要解析几纳安范围内的电流。血糖仪一般在很窄的温度范围内具有高精度,所以也要求准确测量温度。

许多新型设计保存读数,并可将读数发送至PC或智能手机,以保存记录。

电化学试纸配置


大多数试纸均为专用配件,且不同血氧仪制造商的试纸有所不同。差异包括试剂配方、电极数量、通道数量和试剂的偏置方式。最简单的配置是自偏置试纸(图1),这种试纸具有两个电极,测量工作电极处的电流,通用电极接地。

图1. 自偏置配置的电化学试纸
图1. 自偏置配置的电化学试纸

一个试纸上可以存在多路通道;附加通道用于基准测量、初始血液检测或确保血液已经填满反应区域。另一种配置采用有源方式驱动两个电极并在共用电极处测量。另一种更先进的设计是计数器配置(图2)。

图2. 计数器配置的电化学试纸
图2. 计数器配置的电化学试纸

此处有三个电极,测量工作电极处的电流,而加载-感应电路驱动公共和基准电极。这种配置有一个重要优势:测量过程中可以更加准确地控制和维持试纸上反映区域的偏压。这种设计的劣势在于更加复杂,并且需要更高的裕量以允许加载-感应放大器负摆幅,以维持电流流动期间的偏压。

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传感器模拟信号链


光学反射法和电化学血糖仪需要解析几纳安范围的电流。如果血糖仪要求在生产过程中校准,为了满足血糖仪的误差指标,器件必须具有极低的漏电流和电源电压、温度以及时间漂移。运算放大器的主要技术指标为连接电容式试纸时应具有极低的输入偏置电流(< 1nA)、高线性度和稳定性。对于两种类型的血糖仪,运算放大器通常均配置为TIA。电压基准的主要技术指标包括:温度系数低于50ppm/°C、低时间漂移和良好的线性、负载调节能力。10位或12位DAC用于设置电化学试纸偏压并设置光反射法试纸的LED电流。有时,电化学试纸采用比较器,以探测血液何时加入试纸,以节省等待采血期间的功耗,确保反应区域填满血液。血糖仪类型不同,ADC要求也不同,但是大多数要求分辨率不低于14位,并要求低噪声,以实现可重复测试结果。有些应用在ADC前增加可编程增益级,以扩展动态范围,这种情况下可使用12位分辨率。

器件选择

Maxim的高精度单片数据采集系统(DAS)集成了上文提及的所有功能,满足血糖仪要求的技术指标和性能。AFE还适合于类似应用,例如凝血仪和胆固醇仪。请点击“框图”中的DAS框图,查看推荐的产品。

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温度测量


理想情况下,应测量试纸上的血液温度,但是通常测量的是试纸周围的环境温度。温度测量精度随指示类型和化学成分的不同而变化,典型为±1°C至±2°C之间。利用独立的温度传感器IC或远程热敏电阻或带有PN结的ADC进行温度测量。利用与ADC具有同一基准驱动的半桥配置热敏电阻,可提供更准确的结果,因为这种设计消除了电压基准误差。远程或内置PN结可利用高精度集成模拟前端(AFE)进行测量。

器件选择

Maxim的单片式DAS IC具有集成温度传感器,提供满足该应用要求的精度。

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用户界面:显示、音频


大多数血糖仪均使用简单的约100段液晶显示(LCD),可由集成至微处理器的LED驱动器驱动。还具有彩色显示器,要求比段式或点阵LCD更多、更高的电压。可通过使用两个白色LED(WLED)来添加背光照明。

报警器可以是简单的蜂鸣器或便于视力缺陷患者使用的高级语音设备。简单的蜂鸣器可以由具有脉宽调制(PWM)功能的一个或二个微处理器端口引脚控制。通过添加音频编解码器以及扬声器和麦克风放大器,实现更高级的语音报警,或测试结果播报。

器件选择

Maxim的升压型开关调节器可用来为LCD显示屏以及高亮度LED驱动器供电,适用于背光照明应用。请点击“框图”标签查看推荐的产品。

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静电放电


所有血糖仪均须满足61000-4-2静电放电(ESD)要求。使用内置ESD保护的电子器件或在走线上添加ESD线路保护器可帮助满足上述要求。

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电源和电池管理


带有简单显示器的血糖仪可以直接由一节纽扣锂电池或两节AAA碱性电池供电。为了最大程度地延长电池寿命,血糖仪要求使用纽扣锂电池时,电子器件能够工作在3.6V至2.2V;使用AAA碱性电池时,能够在1.8V下运行。如果电子器件要求较高或经过稳压的电源,则可以使用开关型升压转换器。休眠模式下关断开关稳压器,直接由电池供电可以延长电池寿命,休眠电路可以在较低电池电压下运行。添加背光照明或更高级的显示器要求更高电压,有时要求附加电压。此时需要更高级的电源管理方案。通过添加电池充电器和电量计电路,可以使用可充电电池,例如一个锂离子(Li+)纽扣电池。对于用户来说,如果仪器提供USB,则USB充电无疑是方便的选项。

器件选择

Maxim提供多种适合该应用的电源调节器和电池管理电路。设计所用的具体产品与所选的电池类型和大小有关。

请参考“框图“,点击电源和电池符号,了解满足该应用的推荐Maxim IC。

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3.5V至36V、2A/3A、同步Buck转换器,15µA静态电流和低EMI

MAX17242

工作可靠(42V输入瞬态保护)、长电池寿命(15µA IQ)和EN55022 EMI性能

2.75V至4.8V输入、10mA输出、35µVRMS 超低噪声和纹波升压调节器

MAX77231

小尺寸升压器,纹波和噪声仅35µVRMS

300mA、降压转换器,1.1μA IQ

MAX77596

小尺寸、同步降压转换器,内置开关。在3.5V至24V输入电压时,可提供高达300mA电流,而空载时的静态电流仅为1.1μA。

0.4V至5.5V输入、同步升压调节器

MAX17222

提供300nA IQ、95%峰值效率,方案尺寸减小高达50%


ESD Integrated DAS RTC LCD Backlight Speaker Driver ESD Fuel Gauge Battery Charger LDO Step-Up DC-DC Step-Down DC-DC Audio Codec 血糖仪框图
Type Part Number Title
Evaluation Board MAX9617EVKIT Evaluation Kit for the MAX9617
Evaluation Board MAX1358EVKIT Evaluation Kit for the MAX1358
Evaluation Board MAX1724EVKIT Evaluation Kit for the MAX1722, MAX1723, MAX1724