一种提高检测精度的便携血糖仪分段统计平均测量方法

一种提高检测精度的便携血糖仪分段统计平均测量方法 

技术领域

医疗测量器件→便携式血糖仪的精确测量方法。 

背景技术

根据2010年的调查，我国目前有糖尿病患者9200万人，糖尿病前期患者1.48亿人，糖尿病成为严重影响我国公共卫生的主要问题之一。而在血糖的监测领域，我国仅有1.5％的糖尿病患者有自己的血糖监测仪，而欧美国家90％以上的糖尿病患者都有自己的便携式血糖监测仪。目前我国血糖仪产品市场主要由美国强生、德国罗氏等国外品牌所占领，国产品牌仅仅占有不到10%左右的市场份额，且大多数国产品牌的血糖仪和相应的配套试纸插件都存在不同程度上的配合问题。 

我国便携医疗电子产品的出现和推广，源于家庭医疗护理的兴起、消费者对自身健康关注度的增加，以及个人消费者对医疗保健和简单诊断产品的需求。一方面，我国人口老龄化加剧、人们生活水平提高及医疗服务需求增加等因素促使传统医疗方式的变革，便携化和智能化管理成为了影响医疗电子产业市场的关键和必须。另一方面，在快速处理计算、高精度模数转换和不断创新的医学电子测量方法等科学技术进步的带动下，医疗电子产品逐渐走向便携式、小型化和精确化。比如便携式小型血糖仪在提高操作简便化和智能化的同时，更要求通过高精度的算法测量，获得准确血糖值测量结果。 

目前医院采用的精确血糖测量仪器是血糖生化仪，方法是通过抽静脉血后用离心机分离血液得到血浆，血浆通过与葡萄糖氧化酶反应氧化葡萄糖后产生过氧化氢，通过测定过氧化氢的多少，从而得出血糖含量。生化仪的优点主要是测量非常精确，缺点是测量时间慢，通常第二天才能得到结果；用血量多，通常要3000～5000微升；操作复杂，只有受过专业培训的人才能操作；机器价格昂贵，只有部分医院才有配备。 

自从70年代发明袖珍便携式快速血糖仪，可以用一滴血来测定血糖以来，病人可以根据情况自测血糖，并快速得出结果，因而认为是糖尿病史上的一个里程碑。 快速血糖仪由于可由病人自行操作等优点，故糖尿病协会不但推荐使用自测血糖快速血糖仪为病人家居自带用，且定为住院病人床边检查之用，尤其在急诊室、手术室、特护病房等更为适用。目前的情况是，强调要推广快速血糖仪自测血糖，而使用生化仪的静脉血浆测量测定主要作为诊断、校正袖珍血糖仪，科研及做其它生化检查时附带测定。目前强生、罗氏等各大医疗器械厂商出品的便携式血糖仪的主要测量方法是葡萄糖氧化酶电极测量法。 

便携式快速血糖仪产品葡萄糖氧化酶电极测量法的基本测量原理为：通过测量血液中的葡萄糖与试纸中的葡萄糖氧化酶反应产生的电流量测量血糖。具体为：在滴血后5‑10秒内，血液中的葡萄糖与试纸中的葡萄糖氧化酶会产生反应，在反应的过程中，一般取5秒到10秒内的单一任何时间点（各个厂家取得的时间点不一），实测对应的反应电流，通过便携式血糖仪电流传感器获得该反应电流，并通过便携式血糖仪的嵌入式系统的电压放大器电路获得实时放大的电压值，经过嵌入式单片机（8051系列、ARM系列或DSP系列）的模数转换和函数转换获得血糖值的测量值，并在便携式血糖仪上实现快速显示或语音提示。 

显然上述葡萄糖氧化酶电极测量法比较生化仪的化学法具备测量更快（一般不超过20秒），用血量更少（5微升）的优点。其缺点主要有两个方面，一是由于空气中的氧含量比氢含量高得多，试纸容易受空气影响，一般试纸从容器中取出后要在5分钟之内需要使用完毕，试纸受潮而测量不准的可能性很大，再加上嵌入式电子测量设备的电子器件存在固有误差，导致测量准确性下降。二是血糖仪测量算法和配套试纸反应过程存在问题，具体是当前的配套的试纸内的反应药品含量大小和质量优劣存在偏差，即使是同一批试纸也存在这类问题，导致在单一的测量时间点上，试纸药品和虹吸吸入的病人血液反应产生的瞬时电流值与实际血糖反应产生的电流值存在参考误差，导致模数转换后，血糖值的测量不准确欠稳定，和部分医院所用的生化血糖检测仪在稳定度和准确性上存在差距。 

本发明专利“一种提高检测精度的便携血糖仪分段统计平均测量方法”，在满足中华人民共和国质检总局发布的国家标准GB/T 19634‑2005【自测用血糖监测系统通用技术条件】规定的前提下，在保证本公司自主研发便携式“测量鱼”2系和3系的系列血糖仪具有携带方便、使用简洁，具备能与计算机和智能手机进行数据通信等特点的基础上，着重改进了对应的测量算法，本专利的创新点主要为：1）改进和区别于市面上主流血糖仪的传统测量算法‑葡萄糖氧化酶电极测量法中的一次测量获得单一血糖测量的结果，在本公司自主研发便携式“测量鱼”2系和3系的系列血糖仪上，通过在测量有效时间段内（一般是血液与试纸插件产生反应5秒‑10秒之内），分时间间隔获取电流对应的瞬间值，使用先求和再计算获取算数平均值的方法，得到更准确更稳定的用户实时血糖值，避免突发误差导致的测量数值偏差。2）在上述改进的测量算法的基础上，进行进一步的算法细化，对不同区间的血糖值，通过血糖仪开发和测试阶段获得的大量测量结果，获得相应的血糖值和反应电流大小的曲线函数，调整相应的嵌入式单片机内嵌入式程序中曲线函数的抽头系数，以保证在不同的血糖值区间中，获得相应的符合国家和国际标准的准确度，更保证关键的血糖区间区分的错误率降低到千分之五以下。 

查看相关最新公布技术、文献及最新的血糖仪测量科技查新报告，对比文件1酶电极法血糖仪是采用酶的固化技术以及电检测的方法研制而成的，测量酶的电极上反应产生的微电流转换获得血糖值，并未提及如何改进具体的测量算法以提高血糖测量精度和稳定度。对比文件2提到了将血糖仪测量数据送到手机上的思想，但是所用的是特定的专用手机，而且数据通信传输是使用现有的电信运营商GPRS网络远距离获取和管理，存在着不小的通信费用，未提到跟精确测量方法有关的问题。对比文件3提供了糖尿病管理的系统和方法，可以通过数据拷贝的方式，用于分析和识别与患者有关的大量血糖浓度测量和其他生理参数模式，不存在实时测量和数据分析的功能。对比文件4提供了一种新的糖尿病管理的系统和方法，可以用于分析和识别与患者有关的大量血糖浓度测量和其他生理参数模式。对比文件5报道了一种便携式血糖仪控制器的硬件设计，包括模数转换器、嵌入式单片机、液晶显示器、存储器、时钟管理器、电压监视器、电平转换器、稳压器等。 

区别于上述对比便携式血糖仪的技术文件和技术专利，由本发明专利“一种提高检测精度的便携血糖仪分段统计平均测量方法”，改进了对应的思路方法和测量算法，开发的快速智能便携式血糖仪器件具有测量更稳定更准确的特点。创新点和改进的指标主要为： 

1）改进和区别于市面上主流血糖仪的传统测量算法‑葡萄糖氧化酶电极测量法中的一次测量获得单一血糖测量的结果，在本公司自主研发便携式“测量鱼”2系和3系的系列血糖仪上，通过在测量有效时间段内，分时间间隔获取电流对应的瞬间值，使用先求和再计算获取算数平均值的方法，避免突发误差导致的测量数值偏差。通过相应配套测试，可以得到改进后的准确度和稳定性指标大大优于国际标准化组织ISO和国内行业标准指标，具体改进后的准确性指标为：当血糖溶度低于4.2mmol/L，检测结果误差在正负0.2mmol/L的范围内；当血糖溶度大于4.2mmol/L ，检测结果误差在正负5%范围内。稳定度指标为：STDEV标准差小于0.1，CV（%）小于2%。

2）在上述的测量算法的基础上，进行进一步的算法细化，对不同区间的血糖值，通过血糖仪开发和测试阶段获得的大量测量结果，获得相应的血糖值和反应电流大小的曲线函数，调整相应的单片机内嵌入式程序中曲线函数的抽头系数，在进一步提高用户实时血糖值准确性的基础上，保证在对关键的血糖区间进行区分时，高血糖/正常血糖/低血糖的区分错误率降低到0.5%（千分之五）以下。 

对比文件 

[1] 酶电极法血糖仪的研制 仪器仪表学报杂志 于杨春2003年24期

[2] 基于手机的血糖测试仪的研究  吉林大学硕士学位论文 刘俊华 2005年

[3] 在糖尿病管理中用于模式识别的系统和方法 生命扫描有限公司 发明专利 CN200810125865

[4] 用于糖尿病管理的计算机系统 生命扫描有限公司 发明专利 CN200810125872

[5] 便携式血糖仪控制器 上海交通大学 发明专利 CN03116986.4。

发明内容

1、要解决的技术问题（即原“发明目的”） 

具体发明目的主要有以下两个部分：

1）本申请专利中，改进和区别于市面上主流血糖仪的传统测量算法‑葡萄糖氧化酶电极测量法中的一次测量获得单一血糖测量的结果，在本公司研发的便携式“测量鱼”2系和3系的系列血糖仪上，通过在测量有效时间段内，分时间间隔获取电流瞬间值，使用先求和再计算获取算数平均值的方法，避免突发误差导致测量数值偏差。具体方法是通过8051或ARM系列的可编程单片机，分时间间隔获取电流对应瞬间值，使用先求和再计算获取算数平均值的方法，计算和显示出更准确稳定的用户实时血糖值，避免突发误差导致的测量数值偏差。

2）本申请专利中，在上述的测量方法的创新的基础上，进一步的算法细化，对不同区间的血糖值，通过血糖仪开发和测试阶段获得的大量测量结果，获得血糖值和反应电流大小的曲线函数，并调整相应的单片机内嵌入式程序中曲线函数的抽头系数，在进一步提高用户实时血糖值准确性的基础上，保证在对关键的血糖区间进行区分时，高血糖/正常血糖/低血糖的区分错误率降低到0.5%（千分之五）以下。 

基于本申请专利 “一种提高检测精度的便携血糖仪分段统计平均测量方法”研发和生产的“测量鱼”2系和3系血糖仪，在满足中华人民质检总局发布的国家标准GB/T 19634‑2005  【自测用血糖监测系统通用技术条件】规定的前提下，创新性的改进了具体的血糖测量方式和算法，并且能通过血糖仪本身、台式计算机或智能移动终端等器件完成血液的监测、显示储存及分析等功能。实现了便携式血糖仪从简单的血糖测量上升到精确的糖尿病病情的分析的跨越，通过人机交互界面，显示病情分析曲线，为患者准确了解病情，有针对性的采取手段提供定量的参考，是糖尿病患者生活中不可缺少的“帮手”。并且所用的电子器件少，造价低，体积小，可以做成和普通的U盘的大小，便于携带。所以说本申请专利对应的产品的生产和推广是立足于人民日益增长的健康需求，立足于医疗改革的新政策，立足于智能化便携化的科技发展的新方向，具有明显的技术创新性和产品竞争优势。 

2、技术方案（方法发明） 

本申请专利 “一种提高检测精度的便携血糖仪分段统计平均测量方法”，附图1为本申请专利的技术设计方案总图，图中方框1为加入了提高测量精度的本专利创新性血糖测量算法的核心单片机，在公司自主研发的本专利2系便携式智能血糖仪中，该单片机为C8051F330；本专利3系便携式智能血糖仪中，该单片机为ARM9系列单片机。方框2为本专利血糖仪与血糖试纸的测量接口。方框3为本专利血糖仪与数据终端的USB有线连接接口。方框4为本专利血糖仪与数据终端的蓝牙或GPRS无线连接接口。所采用的技术方案，在实现过程中，简要的分为三个部分进行简要描述：

部分一）使用分段统计平均测量方法和对应算法提高测量精度

根据本申请专利 “一种提高检测精度的便携血糖仪分段统计平均测量方法”，设计的2系新型血糖仪的电路外观及外壳设计为附图2，设计的3系新型血糖仪的电路外观为附图3。无论是使用51系列单片机的简要功能的2系血糖仪，还是使用ARM系列单片机的多种功能的3系血糖仪，其核心测量方法和对应算法都是提高了测量精度的“分段统计平均测量方法”。

其发明方法的设计思路为：通过在测量有效时间段内，分时间间隔获取反应电流对应的瞬间电压值，使用先求和再计算获取算数平均值的方法，避免突发误差导致测量血糖数值的偏差。 

设试纸与血液的反应有效期限时长为T（一般是滴血后5秒到10秒间）， 

根据血糖仪测量要求的精度分段子周期时长为，

则测量取样数，

所以，设计的2系和3系血糖仪的电路，可以获得电路放大取样电压值，

因此，根据本专利算法，可得输出测量血糖值所对应的反应电压值为：

在2系血糖仪中，显示的是通过上述算法计算获得的反应电压值Y对应的血糖值。

另外，在实际测量过程中，可以根据以往测量的经验血糖数据对应的取样电压值，在求和算数平均之前，删除一些过大或过小的取样电压值，避免突发误差影响测量的血糖数值。 

部分二）获得血糖值与电压值对应函数，调整区间内的函数抽头系数，提高测量精度

根据本申请专利 “一种提高检测精度的便携血糖仪分段统计平均测量方法”，在部分一所述的测量方法和程序算法的基础上，根据不同血糖区间内多次测量的电压值与实际血糖值的数值关系，获得在血糖值从到对应的电路放大取样电压值到（并且有），每一个根据区间的数值特性获得对应的函数的抽头系数为。

因此根据本专利算法可得输出调整后的血糖值所对应的反应电压值为： 

在3系血糖仪中，显示的是通过上述算法计算获得的反应电压值对应的血糖值。

另外，在实际测量过程中，可以根据以往测量的经验血糖数据对应的取样电压值，在求和算数平均之前，删除一些过大或过小的取样电压值，避免突发误差影响测量的血糖数值。 

部分三）通过通信接口模块实现血糖值传输和通过台式计算机或智能手机进行控制管理

在公司研发的2系和3系新型血糖仪中，增加了USB控制芯片PL2303和对应的USB接口，电路见附图4，可以对新型血糖仪进行硬件电路改变和嵌入式程序设计，通过普通USB线与台式计算机相连。附图5为通信接口数据控制软件程序流程图，该软件能使台式计算机对血糖仪的控制测量和数据管理。血糖仪与台式计算机的USB通信接口通信波特率为19200，附图6为该台式计算机软件主界面。相应的软件控制功能详细为公司已授权的软件著作权《血糖仪数据交换系统V2.0》，软著登记号2011SR053424，见附图7。

附图8是2系血糖仪与智能手机的USB‑OTG连线方式。附图9智能手机血糖仪软件的EXE文件和手机软件主界面。附图10为血糖仪蓝牙收发模块的工作原理。附图11为智能手机与2系血糖仪实现蓝牙无线数据传输和血糖测量的示意图。附图12为公司已授权的软件著作权《基于智能手机的血糖仪测量数据管理系统V1.0》，软著申请号2011R11L125841。 

 3、有益效果 

基于本申请专利 “一种提高检测精度的便携血糖仪分段统计平均测量方法”研发和生产的“测量鱼”2系和3系血糖仪，在满足中华人民质检总局发布的国家标准GB/T 19634‑2005  【自测用血糖监测系统通用技术条件】规定的前提下，创新性的改进了具体的血糖测量方式和算法，并且能通过血糖仪本身、台式计算机或智能移动终端等器件完成血液的监测、显示储存及分析等功能。实现了便携式血糖仪从简单的血糖测量上升到精确的糖尿病病情的分析的跨越，通过人机交互界面，显示病情分析曲线，为患者准确了解病情，有针对性的采取手段提供定量的参考，是糖尿病患者生活中不可缺少的“帮手”。并且所用的电子器件少，造价低，体积小，可以做成和普通的U盘的大小，便于携带。所以说本申请专利对应的产品的生产和推广是立足于人民日益增长的健康需求，立足于医疗改革的新政策，立足于智能化便携化的科技发展的新方向，具有明显的技术创新性和产品竞争优势。 

基于本发明专利的发明方法，得到创新改进后的2系和3系血糖仪的准确度和稳定性指标大大优于国际标准化组织ISO和国内行业标准指标，具体有益效果可以体现下面医学测量指标参数的改进： 

当血糖溶度低于4.2mmol/L，检测结果误差在正负0.2mmol/L的范围内；

当血糖溶度大于4.2mmol/L ，检测结果误差在正负5%范围内；

医学测量准确度指标为：STDEV标准差小于0.1；

医学测量稳定度度指标为：CV（%）小于2%。

在进一步提高用户实时血糖值准确性的基础上，保证在对关键的血糖区间进行区分时，高血糖/正常血糖/低血糖的区分错误率，降低到0.5%（千分之五）以下。 

附图和附表说明

图1 本申请专利的技术设计方案总图

图2 2系新型血糖仪电路外观及外壳设计图

图3 3系新型血糖仪电路外观图

图4 2系和3系血糖仪USB口的局部电路图与对应电子芯片和原器件

图5通信接口数据控制程序流程图

图6台式计算机的软件主界面

图7软件著作权《血糖仪数据交换系统V2.0》

图8 2系血糖仪通过USB口连接智能手机

图9智能手机血糖仪的软件EXE文件和软件主界面

图10血糖仪蓝牙收发模块的工作原理图

图11智能手机与2系新型血糖仪实现蓝牙无线数据传输和血糖测量的示意图

图12软件著作权《基于智能手机的血糖仪测量数据管理系统V1.0》

 图13智能手机与2系新型血糖仪实现蓝牙无线数据传输和血糖测量的示意图

图14软件著作权《基于智能手机的血糖仪测量数据管理系统V1.0》

具体实施方式

在第三部分发明或实用新型内容中的技术方案和有益效果中，已作具体说明。