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Bild: Microchip

Embedded-Systeme & Mikrocontroller Mit 8-Bit-MCU Blutzuckermessgeräte 
flexibel entwerfen

13.06.2014

Ein Diabetes-Patient kann seinen Blutzuckerspiegel mittels eines Blutzuckermessgeräts mit Teststreifen selbst messen. Die Geräte basieren dabei auf elektrochemischen Technologien. 
Ein flexibles und kostengünstiges Design für Blutzuckermessgeräte ist auf Basis eines 8-Bit-Mikrocontrollers möglich.

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Rund 8,5 Prozent der Weltbevölkerung leidet an Diabetes, der achthäufigsten Todesursache. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) schätzt, dass im Jahr 2030 jeder siebte an Diabetes stirbt. Dieser Anstieg bestätigt sich durch Statistiken der vergangenen Jahre, die im Jahr 2000 zirka eine Million Todesfälle und im Jahr 2011 an die 1,4 Millionen Todesfälle auf Diabetes zurückführen. Eine der wichtigsten Methoden, Diabetes in Schach zu halten, ist die Überwachung des Blutzuckerspiegels, der sich stets so nahe wie möglich im Normalbereich befinden sollte. Dies führt zu einem vermehrten Einsatz von Blutzuckermessgeräten.

Blutzuckermessung mittels Teststreifen

Ein Blutzuckermessgerät ist ein medizintechnisches Gerät, das die Glukosekonzentration in einer Flüssigkeit misst. Sie wird in Milligramm pro Deziliter (mg/dl) oder Millimol pro Liter (mmol/l) gemessen. Sie sind heute entscheidende Hilfsmittel für Patienten, die unter Diabetes mellitus (Zuckerkrankheit) leiden, ihren Blutzucker zuhause und unterwegs bestimmen zu können. Die meisten Blutzuckermessgeräte basieren auf elektrochemischer Technologie. Teststreifen werden für die Messung benötigt. Ein kleiner Tropfen Blut wird auf den Einweg-Teststreifen gegeben, den das Gerät zur Messung verwendet. Die zwei gängigsten Verfahren bei der elektrochemischen Glukosemessung sind die kolorimetrische und die amperometrische Methode:

  • Bei der kolorimetrischen Methode bilden Sensoren (LEDs oder Fotosensoren) die analoge Schnittstelle. Ein Transimpedanzverstärker misst die Glukosekonzentration. Über die Farbreflexion lässt sich die Farbintensität in der Reaktionsschicht des Teststreifens photometrisch bestimmen. Das Gerät erzeugt einen numerischen Wert, der ein Maß für die Glukosekonzentration im Blut ist.

  • Bei der amperometrischen Methode wird eine Kapillare verwendet, um Blut aufzusaugen und an einem Ende des Teststreifens zu platzieren. Dieser enthält ebenfalls eine Enzymelektrode, die ein Reagenz wie Glukoseoxidase enthält. Aufgrund der Enzyme durchläuft die Glukose eine chemische Reaktion, bei der Elektronen erzeugt werden. Die Ladung der Elektrode wird gemessen; diese ist proportional zur Glukosekonzentration im Blut. Eine Messung der Umgebungstemperatur erfolgt ebenfalls, um Temperaturauswirkungen auf die Reaktionsgeschwindigkeit zu kompensieren. Die meisten Blutzuckermessgeräte verwenden diese Methode.

Abbildung 1 zeigt das Messprinzip mittels Teststreifen. Der Teststreifen stellt den biochemischen Sensor dar, auf dem das Blut aufgebracht wird. Er enthält drei Elektroden. Während der chemischen Reaktion werden Elektronen in der Arbeitselektrode erzeugt. Diese ist mit einem Strom-Spannungsverstärker verbunden. Die Referenzelektrode wird auf einer konstanten Spannung gehalten und steht im Bezug zur Arbeitselektrode, um die gewünschte chemische Reaktion zu erhalten. Die dritte Elektrode ist die Gegenelektrode, die Strom für die Arbeitselektrode bereitstellt.

Die meisten Blutzuckermessgeräte basieren nur auf der Referenz- und Arbeitselektrode. An die Referenzelektrode wird eine präzise Referenzspannung (Vref) und an den Operationsverstärker eine genaue Vorspannung (Vbias) angelegt. Dadurch bleibt die genaue Potenzialdifferenz zwischen Arbeits- und Referenzelektrode erhalten. Diese Spannung ist der Stimulus, der den Ausgangsstrom des Teststreifens bereitstellt. Dessen Größe wird dann zur Berechnung der Zahl erzeugter Elektronen verwendet.

Die Blutprobe wird auf dem Teststreifen platziert, was die Reaktion der Glukose mit den Enzymen in Gang setzt und Elektronen erzeugt. Der Elektronenfluss entspricht dem Stromfluss durch die Arbeits- und Referenzelektroden. Dieser Strom ändert sich entsprechend der Glukosekonzentration. Der Strom wird über einen Transimpedanzverstärker (Strom-Spannungswandler) und einen A/D-Wandler (ADC) gemessen. Der Ausgang des Transimpedanzverstärkers mit seiner variierenden Spannung entspricht dann den unterschiedlichen Glukosekonzentrationen im Blut.

Digitale Implementierung

Die digitale Umsetzung eines Blutzuckermessgeräts kann mit dem 8-Bit-Mikrocontroller (MCU) PIC16LF178x von Microchip erfolgen. Der Baustein ist bekannt für seine niedrige Stromaufnahme. Er enthält zwei Operationsverstärker, zwei 8-Bit-D/A-Wandler, einen 11-Kanal-A/D-Wandler, EEPROM, I2C und einen 16-Bit-Timer.

Sobald sich die Blutprobe auf dem Teststreifen befindet, wird die Glukose einer chemischen Reaktion unterzogen, bei der Elektronen erzeugt werden. Der Elektronenfluss – der Stromfluss durch die Arbeitselektrode – kann gemessen werden. Dieser Strom ändert sich je nach Glukosekonzentration und wird mittels Strom-Spannungswandlung im Operationsverstärker (OPV) der PIC-MCU und Filterung hochfrequenter Signale gemessen. Das gefilterte Signal wird dann in das 12-Bit-ADC-Modul gespeist.Die MCU sollte die Spannung am ADC-Kanal etwa 1,5 s nach dem Platzieren der Blutprobe erfassen. Zirka 2.048 ADC-Werte werden erfasst. Der Durchschnittswert wird in die Regressionsgleichung Y = mX + C eingebracht, wobei Y die Glukosekonzentration in mg/dl, m die Steigung, X der durchschnittliche ADC-Wert der OPV-Ausgangsspannung und C eine Konstante sind.

Die Glukosekonzentration lässt sich über diese Gleichung bestimmen, und der Wert wird auf dem Display in mg/dl oder mmol/l angezeigt. Bis zu 32 Blutzuckermessungen lassen sich im integrierten EEPROM speichern und später am Display anzeigen. Die Stromversorgung des Messgeräte-Demo-Boards kann über eine CR2032 Lithium-Batterie erfolgen. Die Zeit bis zum Erfassen der ADC-Werte (1 bis 1,5 s) und die Zahl der ADC-Abtastungen sollte so angepasst werden, dass sie der Art und den Eigenschaften des Teststreifens entsprechen.

Hardwaredesign

Die Designspezifikationen für dieses Blutzuckermessgerät erfordern einen Glukosemessbereich von 20 bis 600 mg/dl, was 1 bis 33 mmol/l entspricht. Testergebnisse müssen innerhalb von 5 s angezeigt werden. Die letzten 32 Messungen sollten automatisch mit Datum und Uhrzeit gespeichert werden. Eine Kodierung der Teststreifen ist nicht erforderlich, da die generische Regressionsgleichung basierend auf den Eigenschaften des Teststreifens implementiert und angepasst wird.

Auf der Platine befindet sich der 28-polige PIC16LF178x. Ein interner serieller Programmieranschluss dient zum Debuggen und Programmieren. Neben der Anzeige der Messungen in mg/dl und mmol/l zeigt das Display auch Bedienungs- und Statusmeldungen wie „Teststreifen einführen“, „Teststreifen eingeführt, Probe platzieren“ und „fehlerhafter Teststreifen“. Um festzustellen, dass ein Teststreifen eingeführt wurde, sind Sensoren erforderlich. Auch die Temperatur und der Ladezustand der Batterie müssen gemessen werden. Es gibt zwei Bedientasten: eine zum Lesen zuvor gespeicherter Daten und eine zum Einstellen von Datum und Uhrzeit.

Firmware-Funktionen

Die Firmware muss den Teststreifenstrom mithilfe des im PIC-Baustein integrierten OPV, DAC und ADC erfassen. ADC-Abtastungen müssen erfasst werden, nachdem der Teststreifen eingeführt wurde. Dabei erfolgt eine Prüfung, ob die Werte auf über 450 mV steigen. Das Aufzeichnen der ADC-Werte sollte nach 1,5 s beginnen, nachdem die Blutprobe auf dem Teststreifen platziert und der Durchschnittswert berechnet wurde. Die Glukosekonzentration kann über die Regressionsgleichung und den Durchschnittswert der ADC-Messungen berechnet werden. Firmware-Module stehen für die LCD-Schnittstelle und Display-Routinen, die Konfiguration des OPV und des DAC, für die Speicherung der Glukosewerte in das interne EEPROM, für das Lesen des ADC-Kanals, die Berechnung der Glukosekonzentration und für die Implementierung der RTCC (Echtzeit-Uhr und Kalender) zur
Verfügung.

Konfiguration

Die Spannungsreferenz des DAC wird an den internen festen Spannungsreferenzpuffer 2 angeschlossen, der für 2,048 V konfiguriert ist. Die DAC-Ausgangsspannung wird auf
400 mV eingestellt. Der OPV-Ausgang (Strom-Spannungswandler) wird mit dem ADC-Kanal 0 gemessen. Der ADC-Kanal 3 misst die Batteriespannung, um niedrige Batteriezustände anzuzeigen. Der Ausgang des Temperatursensors wird mit dem ADC-Kanal 8 verbunden, um die Temperatur zu messen. Blutzuckermessungen werden im internen EEPROM gespeichert. Wird im Sleep-Modus die Taste S1 gedrückt, geht die PIC-MCU in den Speicher-Modus über und der gespeicherte Glukosewert wird am Display angezeigt. Um den vorherigen Wert anzuzeigen, muss S3 gedrückt werden. Nochmaliges Drücken auf S1 beendet den Speicher-Modus.

Ein LCD mit 16 x 2 Zeichen stellt Messwerte und Textnachrichten dar. Im Sleep-Modus wird die Versorgung des LCD abgeschaltet. Die VSS des LCD wird dabei über den Port-Pin der MCU gesteuert. Der Timer wird zusammen mit einem externen 32,768-kHz-Uhrenquarz für die RTCC verwendet. Das aktuelle Datum und die Zeit für die RTCC lassen sich über die Tasten S1 und S3 einstellen. Abbildung 3 zeigt, dass der nicht-invertierende Eingang des OPV mit dem DAC-Ausgang (400 mV) verbunden ist. Der invertierende Eingang des OPV ist mit der Arbeitselektrode verbunden. Der Strom-Spannungswandler wird mithilfe eines externen Widerstands und Kondensators gebildet. Der OPV-Ausgang wird mit dem ADC-Kanal der PIC-MCU verbunden. Der Stromverbrauch des Blutzuckermessgeräts beträgt im Aktivmodus in etwa
1,1 mA und im Sleep-Modus etwa 3 μA. Das Gerät befindet sich zu 99,5 Prozent der Zeit im Sleep-Modus.

Auf die Teststreifen kommt es an

Die Blutzuckermessung hängt von den Größen Temperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck und so weiter ab, da die Enzymreaktion von diesen und anderen Faktoren beeinflusst wird. Hinzu kommt, dass Teststreifen mit verschiedenen Zusammensetzungen abgeänderte Regressionsgleichungen erfordern, die mittels Matlab oder Microsoft Excel bestimmt werden.

Diese Faktoren müssen beim Design eines Blutzuckermessgeräts berücksichtigt werden, wenn bestimmte Teststreifen zum Einsatz kommen. Die PIC16LF178X MCU enthält einen Operationsverstärker, einen 12-Bit-ADC, DAC und EEPROM, was eine geeignete Kombination für diese batteriebetriebene Anwendung mit präziser Messfunktion und geringem Stromverbrauch ist. Mit dieser PIC-MCU lässt sich als ein flexibles und kostengünstiges Design für ein Blutzuckermessgerät implementieren.
Weitere Informationen zu Hy-Line Computer Components finden Sie im Business-Profil auf der Seite 45.

Bildergalerie

  • Abbildung 1: Messprinzip eines Blutzuckermessgeräts mit Teststreifen

    Bild: Microchip

  • Abbildung 2: Blockdiagramm eines Blutzuckermessgeräts

    Bild: Microchip

  • Abbildung 3: Konfiguration des Operationsverstärkers (OPA, OPV)

    Bild: Microchip

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