便攜式無創(chuàng)血糖檢測儀的研制*

周茗思，陳真誠 ，朱健銘，2

(1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083;2.桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西桂林 541004)

糖尿病作為世界范圍內(nèi)的流行疾病，是威脅人類健康四大疾病之一。它是一種內(nèi)分泌障礙性疾病，更可導(dǎo)致感染、心腦血管病變、腎功能衰竭、雙目失明等疾病，從而成為致死致殘的主要原因。由于糖尿病的遺傳性和現(xiàn)階段人們飲食生活習(xí)慣的改變，資源環(huán)境受污染程度的增加，使得糖尿病的發(fā)病幾率呈上升趨勢，預(yù)計2025年全世界糖尿病患者人數(shù)將逾3億［1－2］。對于糖尿病的預(yù)防、檢測和治療成為亟待突破的研究重點。

目前，血糖檢測手段分為有創(chuàng)、微創(chuàng)和無創(chuàng)三種，前兩種檢測手段給患者帶來疼痛感，感染機會大。市場急需一種無創(chuàng)傷、精度高的血糖檢測儀器［3－4］。本文介紹一種基于能量代謝守恒定律［5］的便攜式無創(chuàng)血糖儀的關(guān)鍵技術(shù)，采用這種技術(shù)研制的儀器可實現(xiàn)多參數(shù)、可重復(fù)、無創(chuàng)血糖檢測，對糖尿病監(jiān)測具有重要的意義和價值。

1 檢測原理

日本Ok Kyung Cho等人提出代謝熱整合法［6－7］(Metabolic Heat Conformation，MHC)無創(chuàng)血糖檢測。本文以在此基礎(chǔ)上改進的能量代謝守恒法為無創(chuàng)血糖檢測算法核心，將血糖值與其他生理參數(shù)關(guān)系表示如下式:

其中GLU為血糖濃度水平，SpO2為動脈血氧飽和度，BF為血液流量，ξ為修正因子?？芍?，只需得出BF，SpO2，PF便可以推算出血糖水平。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)

系統(tǒng)原理圖如圖1所示。由傳感器集成器［8］進行多參數(shù)測量，測量量包括雙波長光透射衰減量、指表溫度、手指近端溫度、手指遠(yuǎn)端溫度、環(huán)境溫度、集成器內(nèi)部濕度、環(huán)境濕度、目標(biāo)輻射溫度、環(huán)境輻射溫度。測量量通過以TMS320F2812為主控芯片的無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng)進行篩選、分析、計算，測量結(jié)果由液晶顯示，原始數(shù)據(jù)可選擇導(dǎo)出。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.1 系統(tǒng)硬件檢測電路設(shè)計

儀器硬件檢測電路分為:電源;復(fù)位;USB傳輸;串口傳輸;AD校正;光電法測量血氧飽和度、脈率;鍵盤;液晶顯示八部分。

傳感器將采集到的十路信號并行傳輸?shù)綑z測電路板，檢測電路分兩部分處理:首先，兩路雙波長光衰減量信號通過兩級放大和光強調(diào)制電路，實現(xiàn)對傳感器光源強度、顯示器件的控制，使測量量在合理范圍內(nèi)。同時指導(dǎo)手指合理放置，從而獲得亮度合適、放置時間適宜的手指脈搏波信號;其余八路溫度、濕度傳感器的電壓信號經(jīng)過硬件分壓，從而控制其輸入電壓值小于3 V以保證滿足DSP的I/O口輸入電壓范圍要求，并進行模擬濾波電路工頻去噪。

信號經(jīng)過上述處理后，通過F2812的16通道12位A/D轉(zhuǎn)換器以1 000 Hz頻率采樣進入DSP，再由軟件處理實現(xiàn)算法。最終血糖測量結(jié)果通過240×320點陣液晶顯示。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

無創(chuàng)血糖檢測軟件系統(tǒng)針對DSP分成信號處理和液晶控制兩大部分。其中信號處理部分負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換、A/D校準(zhǔn)、數(shù)字濾波、D/A轉(zhuǎn)換、算法實現(xiàn)和發(fā)送數(shù)據(jù)控制;液晶控制部分負(fù)責(zé)液晶菜單顯示、外部參數(shù)按鍵輸入、傳感器測量數(shù)據(jù)顯示、血糖結(jié)果顯示和診斷結(jié)果說明，液晶菜單結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 菜單結(jié)構(gòu)圖圖

血糖測量軟件系統(tǒng)流程圖如圖3所示。由于目標(biāo)輻射傳感器的響應(yīng)時間短，一旦手指放入傳感器集成器，則目標(biāo)輻射傳感器電壓產(chǎn)生突變。因此系統(tǒng)以目標(biāo)輻射傳感器的溫度值驟變作為測量開始的判斷條件。系統(tǒng)將A/D通道轉(zhuǎn)換完成的8路傳感器數(shù)據(jù)和2路雙波長光衰減量信號數(shù)據(jù)分區(qū)域存儲到片外存儲器中。

兩路雙波長光衰減量數(shù)據(jù)表征紅光和近紅外光透射強度，采用光電法測量血氧飽和度理論［9－11］依據(jù)朗伯－比爾(Lambert Beer)法則，應(yīng)用紅光和近紅外光檢測脈搏波信號原理，血氧飽和度計算如式(2)所示:

圖3 測量系統(tǒng)流程圖

其中，ΔIrdmax、ΔIirdmax為紅光和紅外光強最大變化量，Irdmax、Iirdmax為紅光和近紅外光強最大值，A、B為相關(guān)系數(shù)值。

本儀器通過手指脈動檢測脈搏波信號，判斷脈搏波峰計算出脈率，取檢測到5個脈搏波峰取平均的方法來計算脈率值。

八路溫度、濕度數(shù)據(jù)表征各傳感器電壓值，軟件系統(tǒng)根據(jù)傳感器各測量量與目標(biāo)值間的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到相應(yīng)的溫度、濕度值。

對于10路輸入信號值，TMS320F2812具有2個12位精度的ADC可以實現(xiàn)信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，由于這些信號直接影響人體局部代謝率的取值，為提高儀器精度要求數(shù)模轉(zhuǎn)換誤差盡可能小。一般情況具有12位精度的ADC誤差應(yīng)該控制在0.1%，實際使用中發(fā)現(xiàn) F2812的 ADC誤差較大，最大可達(dá)到9%。為此，儀器采用兩路參考電壓1.25 V，2.5 V進行校正，根據(jù)式(3)計算得出A/D轉(zhuǎn)換的增益誤差系數(shù)Gain和失調(diào)誤差系數(shù)Offset:

式(3)中V2.5，V1.25為參考電壓 A/D 轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量值，v2.5，v1.25為參考電壓標(biāo)準(zhǔn)模擬量值，根據(jù)式(4)進行A/D校正:

由A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果可以推算出實際輸入量，進行數(shù)值的校正更新存儲。更新存儲之后，軟件系統(tǒng)提取存儲器中各個扇區(qū)數(shù)據(jù)進行算法執(zhí)行。溫、濕度傳感器檢測各分量結(jié)合生理學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等相關(guān)理論得出檢測所需溫、濕度值等。根據(jù)手指近端、遠(yuǎn)端溫度值對時間的積分差值得出血流量表征值。根據(jù)以上各分量獲得人體手指局部血糖檢測修正參數(shù)［12］。

由于各個測量值不直接表征相應(yīng)的生理參數(shù)值，因此需要做歸一化處理，以各個量的平均值作為歸一化的分母。將所有相關(guān)量歸一化之后，乘以不同的權(quán)重系數(shù)，最終約20s液晶顯示出血糖濃度。

歸一化處理要求儀器建立一個數(shù)據(jù)庫，這個數(shù)據(jù)庫中存儲測量相關(guān)量的平均值，而且這個均值隨著測量對象的增加需要進行更新，因此軟件設(shè)計中在外部存儲器中預(yù)留出一個扇區(qū)作為儀器的數(shù)據(jù)庫，這部分?jǐn)?shù)據(jù)在每次儀器開關(guān)、使用過程中不會被擦除，只在每次測量結(jié)果得出之后進行靜默更新，也就是在使用中可以進一步提高儀器精度，充分體現(xiàn)出智能化的優(yōu)點。

3 實驗結(jié)果分析

儀器樣機如圖4所示。樣機實驗主要達(dá)到兩方面目的，一方面進行儀器參數(shù)校正，儀器樣機實驗測量結(jié)果與臨床生化分析儀測量結(jié)果比較，對血氧飽和度、脈率算法中系數(shù)進行校準(zhǔn);另一方面豐富儀器自身數(shù)據(jù)庫，進行各分量的權(quán)重校正，提高歸一化計算中各相關(guān)量均值的精度。

圖4 無創(chuàng)血糖檢測樣機

對20名志愿者進行了無創(chuàng)血糖樣機檢測實驗，實驗在室內(nèi)進行，室內(nèi)溫度26℃，室外溫度29℃，室內(nèi)濕度75%，測試者受試前均未進行劇烈運動，未進食，測試前保證手指清潔。表1為樣機實驗部分具有代表性受試者檢測數(shù)據(jù)。

由表1測試結(jié)果可知無創(chuàng)血糖樣機檢測試驗中，結(jié)果在3.40 mmol/L～7.07 mmol/L范圍內(nèi)。受試者采用AUTOLAB全自動生化分析儀檢測結(jié)果在3.29 mmol/L ～7.46 mmol/L 范圍內(nèi)，絕對誤差范圍在－0.5 mmol/L～0.5 mmol/L范圍內(nèi)，兩者的相關(guān)系數(shù)約為0.87。經(jīng)分析誤差主要來源于以下幾方面:各傳感器精度導(dǎo)致檢測生理信號電壓量誤差;電路元件及環(huán)境噪聲干擾;算法模型建立過程中忽略了部分生化反應(yīng)微量能量;數(shù)據(jù)處理過程對于浮點數(shù)小數(shù)部分的舍入誤差;受試對象個體差異引起的誤差，如手指直徑、皮膚厚度等。

表1 便攜式無創(chuàng)血糖檢測樣機實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文以能量代謝守恒法為基礎(chǔ)，提出了一種基于TI DSP的便攜式無創(chuàng)血糖檢測儀器的研制方法。文中介紹了儀器的檢測原理，系統(tǒng)軟、硬件組成，菜單結(jié)構(gòu)以及算法實現(xiàn)過程。通過20位受試者樣機檢測實驗數(shù)據(jù)與生化分析儀檢測結(jié)果比較得出相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.87。由此表明，該儀器體積小，操作簡便，檢測速度快，結(jié)果較為準(zhǔn)確、可靠，對于實現(xiàn)血糖無創(chuàng)檢測有重要意義。

后續(xù)研究中，還需改進傳感器集成器結(jié)構(gòu)，選取精度合適的傳感器，以減小輸入量誤差;改進手指算法模型，提高算法精度;增加臨床實驗受試者數(shù)量，特別是增加糖尿病患受試者以保證有針對性校正儀器參數(shù)，提高疾病的檢出率。

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