人體局部代謝率監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳 剛， 朱健銘， 田樹香， 陳真誠

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；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)

人體局部代謝率監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳 剛1， 朱健銘2， 田樹香1， 陳真誠2

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；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)

在實(shí)現(xiàn)將溫度、濕度及輻射傳感器集成于獨(dú)立檢測探頭基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種人體局部代謝率監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過采集人體指端生理參數(shù)，根據(jù)人體能量代謝守恒法，建立數(shù)學(xué)模型并計(jì)算靜息代謝率。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)代謝率的方便測量，測試結(jié)果能夠反映人體正常的代謝情況。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡便、成本低，可被廣泛用于人體的能量代謝率檢測。

檢測探頭； 代謝率； 能量代謝守恒

0 引 言

基礎(chǔ)代謝率作為一項(xiàng)重要的生理指標(biāo)，是靜息狀態(tài)下人體維持生命所需消耗的最低能量，在人體的熱分析中起著重要的作用。由于基礎(chǔ)代謝率對某些疾病的診斷有重要的意義，對于代謝率的測量研究也成為人們競相探索的重要課題[1～5]。目前常用的測量代謝率的方法有直接測熱、間接測熱、雙標(biāo)水法、心率監(jiān)測法、公式預(yù)測法等。直接測熱的原理簡單，結(jié)果精確，但造價(jià)昂貴，技術(shù)復(fù)雜，應(yīng)用受到限制。間接測熱法即通過測定氣體代謝的方法，間接測定能量消耗，由于測量儀器相當(dāng)昂貴，操作復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)一般性應(yīng)用，最典型的能量代謝測定系統(tǒng)(代謝車)是目前公認(rèn)的臨床上測定基礎(chǔ)代謝率的金標(biāo)準(zhǔn)。由于公式估算基礎(chǔ)代謝率存在地域差異、人體個(gè)體差異等準(zhǔn)確度難以保證。因此,并不適合于估算我國人體基礎(chǔ)代謝率[6～11]。

本文在研究文獻(xiàn)[12，13]的基礎(chǔ)上，修正了王弟亞等人的局部代謝率計(jì)算方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了修正后算法的正確性。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)簡化了測量過程，避免了上述測量方法存在的缺陷，展現(xiàn)了人體代謝率檢測研究的一種新思路。

1 基本原理

糖、脂肪和蛋白質(zhì)在人體內(nèi)氧化釋放能量，根據(jù)能量代謝守恒法，機(jī)體消耗的能量應(yīng)該等于產(chǎn)生的熱量和所做的功。由于人的體溫是恒定的，在機(jī)體不對外做功的情況下，單位時(shí)間的產(chǎn)熱量應(yīng)該等于向外散發(fā)的總熱量，所以，測定機(jī)體一定時(shí)間內(nèi)散發(fā)的總熱量，便可以知道機(jī)體的能量代謝率[14]。其中能量的散失方式主要有對流、輻射、蒸發(fā)，所以，從熱力學(xué)第一定律出發(fā)建立人體熱平衡方程

S=M±E-(±W)±R±C,

(1)

式中 S為人體貯熱率(熱量增加為正)；M為代謝率(恒為正)；E為蒸發(fā)散熱率(失熱為負(fù))；W為作功率(對外作功為正)； R,C為表面輻射和對流換熱(獲得熱量為正)；由于測量環(huán)境需要在人體靜息狀態(tài)下進(jìn)行，所以，方程中的S=0，W=0；通過測量人體局部組織E,R,C的值，即得到人體局部代謝率。

人體大部分體熱(約85 %)是通過皮膚散發(fā)的，故可以通過對人體局部皮膚(本文檢測對象為手指指表)進(jìn)行檢測來獲得人體指端代謝率，根據(jù)人體蒸發(fā)散熱方程建立以下修正后的數(shù)學(xué)模型

E=L+Eres+Ed+Esv,

(2)

L=0.001 4×M×(34-Tw),

(3)

Eres=1.72×10-2×M×(5.867-pa),

(4)

Ed=3.054×(0.256Tf-3.37-pa),

(5)

Esv=Wrsw×16.7×he×(0.256Tf-3.37-pa).

(6)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由MSP430控制器[15]、LCD液晶顯示模塊、按鍵模塊、電源模塊、USB通信模塊等部分組成，檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)代謝率的實(shí)時(shí)監(jiān)測、大量數(shù)據(jù)存儲、實(shí)時(shí)顯示、USB通信等，本系統(tǒng)采用M25P64數(shù)據(jù)存儲芯片，此芯片為64M低功耗、串行FLASH內(nèi)存芯片，擦寫次數(shù)超過10萬次，性能可靠。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為用戶提供了數(shù)據(jù)存儲、擦除、記憶功能，用戶可以翻頁查詢每次測量的數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

USB數(shù)據(jù)通信方式具有即插即用、支持熱插拔、數(shù)據(jù)傳輸可靠、擴(kuò)展方便、低成本等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，本設(shè)計(jì)采用南京沁恒電子有限公司生產(chǎn)型號為CH372的USB總線接口芯片，實(shí)現(xiàn)將采集的數(shù)據(jù)通過USB數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)時(shí)上傳給上位機(jī)，此芯片為CH371的升級升級產(chǎn)品，在CH375的基礎(chǔ)上減少了USB主機(jī)方式和USB串口通信等方式，所以,硬件成本更低，但其功能完全兼容CH375，可以直接使用CH375的WDM驅(qū)動(dòng)程序和DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫。具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of monitoring system

在整個(gè)系統(tǒng)中傳感器探頭(如圖2)是檢測系統(tǒng)中尤為重要的部分，它直接將溫度傳感器(位置1，3)、濕度傳感器(位置2，5)、輻射傳感器(位置4)分別焊接于探頭相應(yīng)位置，調(diào)試無誤之后，將手指放在探頭皮墊表面，并保證手指表面與溫、濕度傳感器一定程度的接觸，同時(shí)與輻射傳感器保持要求距離。測量時(shí)保持手指自然干燥，測量過程中手指平放并且避免移動(dòng)，通過接口(位置6)與控制模塊連接。

由于檢測探頭是電路板布線,所以,在與主板連接的過程中避免了引進(jìn)干擾，保證了信號的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。

圖2 檢測探頭實(shí)物圖Fig 2 Physical diagram of detecting probe

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

本文所開發(fā)的軟件包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，下位機(jī)軟件包括數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、LCD顯示程序、鍵盤掃描、FLASH讀寫以及USB通信程序；上位機(jī)軟件包括USB通信、顯示及數(shù)據(jù)庫存儲三個(gè)部分。

3.1 下位機(jī)軟件的開發(fā)

下位機(jī)軟件是整個(gè)檢測系統(tǒng)各部分協(xié)調(diào)工作的核心，在它的控制下，系統(tǒng)完成了各個(gè)系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算等工作。本設(shè)計(jì)中下位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境選用IAR Embeded Workbench，根據(jù)圖3所示其程序開發(fā)流程，編寫各部分程序代碼，即可在IAR中進(jìn)行編譯、調(diào)試與燒寫。下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)采集6路人體生理信號，經(jīng)過多路選擇器送到A/D進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，MSP430單片機(jī)[16]實(shí)現(xiàn)最終的檢測算法，并將數(shù)據(jù)存儲于外部FLASH。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖Fig 3 Flow chart of system software

3.2 上位機(jī)軟件的開發(fā)

上位機(jī)軟件模塊主要包括：USB通信、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫存儲等，用來接收下位機(jī)上傳來的數(shù)據(jù)，由于本設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)較多，考慮到后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、處理，如果每次都用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換會給研究工作帶來了很大的不便，所以,在程序中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制并顯示，同時(shí)以十進(jìn)制形式數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以供后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

本論文中的上位機(jī)軟件采用最新的Qt 5.1.0作為開發(fā)環(huán)境，并運(yùn)用C++語言進(jìn)行程序的編寫。通過界面設(shè)計(jì)、程序編寫、調(diào)試，完成了數(shù)據(jù)的接收、顯示，并把數(shù)據(jù)存儲在MYSQL數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表中。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

理論上，人體正常進(jìn)食后在內(nèi)分泌激素的調(diào)節(jié)作用下，會引起血糖濃度升高和血糖利用增強(qiáng)，從而使代謝率增加。所以，可以通過測定局部代謝率，利用其與血液中糖代謝的關(guān)系驗(yàn)證結(jié)果的正確性。同時(shí)，基礎(chǔ)代謝率會隨著性別、年齡等不同有生理變動(dòng)，年齡越大，代謝率越低，一般來說，基礎(chǔ)代謝率的實(shí)際數(shù)值與正常平均值相差10 %～15 %都屬正常。

在環(huán)境25 ℃下，選定7名志愿者在餐后2 h并處于靜息狀態(tài)下，利用該系統(tǒng)進(jìn)行指部代謝率檢測，同時(shí)使用雅培血糖儀進(jìn)行微創(chuàng)血糖測量，得到檢測結(jié)果如表1所示，兩者相關(guān)性分析分別如圖4所示，R2=0.932 3,表明兩者擬合程度較高，局部代謝率隨著血糖值的升高而呈現(xiàn)增長趨勢，實(shí)驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)與理論相符。

表1 血糖值與局部代謝率的測量數(shù)據(jù)Tab 1 Measurement data of blood glucose value and local metabolic rate

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究[14](即利用能量代謝監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際測定的人體基礎(chǔ)代謝率隨年齡變化曲線)證實(shí)，隨著年齡的增長，人體基礎(chǔ)代謝率呈現(xiàn)遞減的趨勢。如圖5為本實(shí)驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)分布散點(diǎn)圖，此圖反映出了與理論一致的遞減關(guān)系，說明測定局部代謝率的方法是可行的。

圖4 血糖值與局部代謝率一致性分析圖Fig 4 Consistency analysis diagram of blood glucose value and local metabolic rate

圖5 人體指端代謝率隨年齡的變化規(guī)律Fig 5 Change rules of finger tips metabolic rate with age

5 結(jié) 論

本文從人體基礎(chǔ)代謝率檢測的實(shí)際意義出發(fā)，根據(jù)人體能量代謝守恒法，建立了局部組織代謝率檢測的數(shù)學(xué)模型，通過硬件平臺搭建，軟件的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)測定人體指部代謝率，證明了檢測結(jié)果與所用方法的正確性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：人體局部代謝率可以很好地反映人體整體代謝情況，同時(shí)表現(xiàn)出代謝率隨人體年齡差異的不同而發(fā)生明顯的變化，與人體能量代謝理論相符合。

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Design of monitoring system for local human body metabolic rate*

CHEN Gang1, ZHU Jian-ming2, TIAN Shu-xiang1, CHEN Zhen-cheng2

(1.School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China； 2.School of Life and Environmental Sciences,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

On the basis of integration of temperature,humidity and radiation sensor in an independant detection probe,design a kind of monitoring system for local human body metabolic rate.By collecting human fingers physiological parameters,according to the law of conservation of energy metabolism,set up mathematical model and calculate the resting metabolic rate of human.After experimental verification,the system can realize convenient measurement of metabolic rate,the test results can reflect human body metabolism. Due to simple and low cost design of system,it can be widely used in measuring human body’s energy metabolic rate.

detection probe; metabolic rate; conservation of energy metabolic

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0073—03

2014—01—08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271119)；廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011GXNSFA18183)；國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAI03B01)

R 318.6

A

1000—9787(2014)08—0073—03

陳 剛(1988-)，男，河北保定人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)傳感器與智能儀器。