便捷环保式糖尿病智能检测分析仪

作品内容简介设计了一个便捷环保式糖尿病智能检测分析仪，将传感器芯片和智能手机集成与一体的小型检测仪器，包括气体感知和手机反馈两大系统。只需对着该仪器的检测端口呼出一口气，即可实时检测用户是否患有糖尿病，不仅可以作为一种糖尿病预警手段、还可以成为糖尿病长期监控的一种方式，同时避免用户去医院做血液或尿液等侵入式的检查，也弥补了传统糖尿病检测仪需要屡屡更换试纸的缺点，具有绿色环保、操作简单、实时在线监测等优点，为用户提供了极大的便利。2013年《糖尿病新世界》指出，我国血糖试纸的年消耗量接近3亿条。按每年血糖检验仪器市场需求以2%的速度增长计算，本产品每年能够为国家带来175200万元的经济效益。同时减少废弃或待处理的血糖检验试纸2.35万吨，对于节能减排具有重大意义。1研制背景及意义随着生活方式和饮食结构的改变，糖尿病已经由以前的老年病逐渐变为年轻人、儿童青少年都会得的常见病，中国糖尿患者位居世界首位，约1.1亿人[1]。由于早期糖尿病患者并没有明显症状，随着社会技术的进步，经济的发展及各种糖尿病知识的普及教育活动的展开，很多自我保护意识强的人已经开始接受自我检测的概念，购买糖尿病智能检测分析仪进行糖尿病的自我检测和自我监测。目前最常见的糖尿病检测方法仍然是扎手指取血，这种传统的检测方法对用户来说并不方便且带来一定的痛苦。本产品将传感器芯片和智能手机集成与一体的小型检测仪器，包括气体感知和手机反馈两大系统。只需对着该机器的检测端口呼出一口气，即可实时检测出患者的糖尿病的含量水平，不仅可以作为一种糖尿病预警手段、还可以成为糖尿病长期监控的一种方式，同时避免用户去医院做血液或尿液等侵入式的检查，也弥补了传统糖尿病检测仪需要屡屡更换试纸的缺点，具有绿色环保、操作简单、实时在线监测等优点，为广大糖尿病患者提供了极大的便利。同时，与健康紧密相关的医疗器械成为广大用户最核心的消费点，加上医疗器械从医院化逐步转向家庭化使得医疗器械的市场前景值得看好。因此，本产品应用前景广泛。2设计方案2.1产品功能本产品核心检测芯片以In2O3、WO3、石墨烯及其复合物等几种半导体材料为原料，将其通过涂膜法沉积在叉指电极芯片上，组装成传感器阵列。目前，该仪器具有糖尿病预警、实时检测、在线监测三大功能，具体如图1所示：血轮呼气检测系统羅尿病预雯功能实时检测功能在线监测功龍111自动膺自动响应即时检测饮僅方式｝旨导长期监控1患者护豐辅助治疗图1产品功能（1）糖尿病预警功能系统会自动设定一个患有糖尿病的预警值，当用户呼出气体中的丙酮含量超过相应的值之后，手机App界面会出现一个红色预警标识来提醒用户，而未超过此值的用户，则不出现这个红色预警标识。（2）实时检测功能不论何时何地，用户只需对着系统的端口呼出一口气，即可在手机App操作界面上实时显示糖尿病患病程度，这样就避免了用户跑医院做血液或者尿液检测等的麻烦。不仅如此，还可以指导糖尿病患者的饮食种类和方式，防止一次性摄入过多的高糖类食品而引发健康危害。（3）在线监测功能该系统可以作为长期监控用户血糖水平的一种有力工具，能够为糖尿病患者的护理和治疗提供帮助。通过注册时用户可以获得长达半年的监控数据，通过对这些数据的分析，来指导用户如何通过饮食的调节来控制血糖水平。2.2产品结构该产品的结构如图2所示图2产品结构主要组成部件如下：（1） 吹嘴/探头。主要用于将呼出气体引入到传感器芯片上进行检测。吹嘴的形状呈漏斗状，进口的尺寸大小为10mm，管道外径大小为2mm。（2） 过滤膜。过滤膜的作用主要是将呼气中的水蒸气和其他可能存在的干扰性气体组分进行阻止或吸收，防止其沿着管路进入到芯片感知部位，对目标气体（指丙酮蒸气）的检测产生干扰。过滤膜一般是复合型玻璃纤维膜材料，由一层高纯度超细玻璃纤维和两层PP聚丙烯无纺布复合而成，既保证了玻璃纤维滤膜的高效过滤性，又有PP无纺布的强韧性。复合后的滤膜具有化学稳定性好、机械强度高、容尘量大、过滤效率高，阻力小等特点。主要用于吸附水蒸气，吸收一些呼气中的固有有机蒸气（如乙醇、戊烷等）和无机气体（如氮氧化物等）。（3） 芯片。芯片是传感器的核心部件，主要用于感知气体。这部分主要是由1个包含4-6只不同类型的金属氧化物组成的气体传感器阵列，当用户呼出气体通过扩散的方式接触到这个阵列时，可感知用户呼出气体中的组分和浓度。（4） 数据模块。数据模块是由2个主要部件构成，一是信号转换，将其感知到的气体种类和浓度转化为可量化的电学变化信号（如电阻、电流、电压等）；二是数据处理，将传感器阵列所获得的电学信息进行神经网络模式和大数据分析，提取其中的交叉信息来实现对特征气体（丙酮）的浓度检测。（5） 显示输出。根据呼气中丙酮的含量与体内血糖值之间的关联结果，以所得到的呼气中丙酮浓度来反馈用户的血糖水平，直接将丙酮含量标记为血糖值进行输出和显示在智能手机的App操作界面上，以便于用户直接读出。2.3产品工作原理对于糖尿病患者而言，由于胰岛素功能的紊乱，血糖代谢能力降低，因此体内的血糖值较高，此外血糖代谢之后的产物中会存在着丙酮。这些丙酮会随着肺部的呼吸，以呼气的形式出现在人体的呼出气体中［2-3］。并且，呼气中丙酮蒸气含量水平的高低与体内血糖值存在着直接的关系。当呼气中丙酮高于1.8ppm，说明处于高度糖尿病程度；而低于0.9ppm时，则说明无糖尿病症状；在0.9〜1.8ppm时，则需要注意饮食和生活习惯。在传感器的检测方面，丙酮蒸气可以在适当的操作温度下与芯片中的半导体材料发生相互作用，导致半导体材料的自由电子的转移，从而使得芯片的电学信号发生一定程度的变化，并且变化的程度与丙酮气体的浓度呈正相关性。因此，可以通过电学信号的变化程度来实现丙酮气体的浓度反馈。结合呼出丙酮蒸气浓度与体内血糖水平的关联结果，和电信号与丙酮气体浓度之间的关系，以丙酮浓度作为桥梁，可以实现电学信号变化来反馈体内血糖值的变化检测，进而判断是否患有糖尿病。检测过程如图3所示.图3工作原理3创新点及应用（1）采用无损检测技术，不需要试纸和釆血检测，不仅节约资源，减少浪费，还可以不受地域空间的限制，满足众多消费者的需求。（2）具有操作简单、实时在线监测等优点，为广大用户提供了极大的便利。（3）本产品不含针头且过程无痛，能随时随地进行检测，避免了传统指尖釆血检测带来的痛苦。（4）绿色环保，节约能源，能大幅度降低环境污染及资源消耗。（5）智能化，即可在手机App操作界面上实时显示其血糖含量水平，最大限度地检测自身血糖含量变化。（6）测量的医疗数据可以同步到云服务平台，异常情况自动更新给社区医疗或其他医疗专家，对家庭成员实施长期的健康数据监控和分析建议。由于早期糖尿病没有明显症状，且大多数人没有定期体检的习惯，使得许多早期糖尿病患者并没有察觉患有糖尿病，而当出现具体症状时，糖尿病的病情严重。事实上，很多早期糖尿病患者可以通过调整饮食结构来治愈。随着各种糖尿病知识的普及以及糖尿病教育活动的展开，很多自我保护意识强的消费者会购买血糖检测仪进行糖尿病的预防，整个过程需要釆血，操作麻烦且带来一定的痛苦。本产品可有效弥补以上问题，只需对着该仪器的检测端口呼出一口气，即可实时检测用户是否患有糖尿病，不仅可以作为一种糖尿病预警手段、还可以成为糖尿病长期监控的一种方式，同时避免用户去医院做血液或尿液等侵入式的检查。随着互联网技术和远程监控技术的发展，不久的将来，大量的临床检测项目将直接进入千家万户，为广大亚健康人群提供疾病的早期预警，极大地提高人们的健康幸福指数。同时也为患者提供疾病的及时而准确的诊断，大大地提高疾病的治愈率和降低医疗费用。因此，本产品应用前景很广。4.节能效益分析4.1社会效益我国有近1.1亿人口患有糖尿病，居全球首位，成了“糖尿病大国”。其中约15万糖尿病患者每天使用血糖仪监控自己的血糖含量情况，而传统的血糖仪需要配套使用试纸，糖尿病患者每天需要测试多个时间节点的血糖（如午餐前、晚餐前、睡觉前血糖、早餐后2小时、午餐后2小时及晚餐后2小时血糖等），平均一天消耗6条试纸，则每年试纸消耗量可用以下式子计算：试纸年均消耗量P=150000x365x6=3.285亿条从上式可看出，传统血糖检测仪试纸消耗量巨大，而我们所设计的产品，不需配套使用试纸，大大降低产品能耗，具有绿色环保的特点，可大大缓解资源浪费问题。4.2经济效益随着糖尿病患者人数逐年升高以及人们自我检测意识的提高，使得血糖检测仪的需求量急剧上升，而国内此产品的研究很少，普遍采用与手指采血等侵入式检查，并配套使用试纸，价格相对较高。目前，全国血糖检测仪器保底量达2000万台，按每年血糖检验仪器市场需求以2%的速度增长计算，每年需要血糖检测仪40万台，以目前市场上平均每台血糖检测仪每年消耗2190条试纸，平均每条试纸2元计算，每年为国家带来的经济效益为：M=(2000x2%)x(2190>2.5)=175200万元式中M-每年为国家带来的经济效益。从上式可以看出，每年能够为国家带来175200万元的经济效益。5.结论本产品采用无损检测技术，将传感器芯片和智能手机集成，通过检测检测呼气中丙酮含量水平判断用户是否患有糖尿病，改变了传统血糖仪需要进行采血等侵入式检验的方式，使用户享受更方便快捷服务的同时，降低血糖检验试纸消耗量，达到节约能源的效果。通过计算，平均每年能节省血糖检验试纸达3.285亿条。按每年血糖检验仪器市场需求以2%的速度增长