基于多信息融合的無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng)設(shè)計

單新治+王冠學(xué)+苗玉+曾祥堉+包穎+隋國榮

摘要： 為了解決糖尿病人血糖檢測的有創(chuàng)問題，以生物特征檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種近紅外透射光譜法的多信息融合無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng)，并測試了系統(tǒng)性能。通過建立數(shù)學(xué)模型對該系統(tǒng)實測的數(shù)據(jù)進行處理，得到人體的血糖值。試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)與傳統(tǒng)血糖儀檢測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)達到了0.854 2。同時該系統(tǒng)可以對人體血糖變化趨勢進行記錄，為連續(xù)監(jiān)測血糖值提供了新方法。

關(guān)鍵詞： 多信息融合； 無創(chuàng)； 血糖檢測； STM32

中圖分類號： TN 216 文獻標(biāo)志碼： A

doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.03.012

The design of low-power consumption non-invasive blood glucose detection system based on multi-information fusion

SHAN Xinzhi， WANG Guanxue， MIAO Yu， ZENG Xiangyu， BAO Ying， SUI Guorong

（School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for

Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： In order to solve the problem of invasive detection of diabetes blood sugar，we design a multi-information fusion and non-invasive detection system of blood glucose based on the characteristics of biological detection technology and the principle of infrared spectroscopy with other human characteristic information，and test the performance of the system parameters.By establishing a mathematical model for the system to process the measured data，we can get blood sugar.According to the experiment，the correlation coefficient of its result with traditional invasive glucose meter has reached 0.854 2.At the same time，the system can record the trend of blood sugar，provides a new method for the study of continuous monitoring of blood sugar concentration.

Keywords： multi-information fusion； noninvasive； blood glucose meter； STM32

引 言

糖尿?。╠iabetes）是一種體內(nèi)胰島素相對或絕對不足及靶細胞對胰島素敏感性降低，或胰島素本身存在結(jié)構(gòu)上的缺陷而引起的碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)代謝紊亂的一種慢性疾病，其主要特點是高血糖、糖尿[1-2]。目前還沒根治糖尿病的有效手段，主要是采取控制血糖濃度以預(yù)防或減輕并發(fā)癥的發(fā)生，特別是通過頻繁地監(jiān)測血糖濃度并及時調(diào)整口服降糖藥物和胰島素的用量。目前的血糖測量方法主要為生化血糖測量方法、微創(chuàng)血糖檢測方法和無創(chuàng)血糖檢測方法。生化血糖檢測方法和微創(chuàng)血糖檢測方法的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，也是目前血糖測量的主要方法，但上述兩種測量方法都需要取血測量，由于抽血（或手指扎針取血）會造成疼痛，而且有感染的危險，這就限制了測定血糖的頻率，使大多數(shù)糖尿病患者不能實現(xiàn)所希望的血糖監(jiān)測。

無創(chuàng)傷血糖檢測技術(shù)的研究就是在這一背景下開展的，國內(nèi)外無創(chuàng)血糖檢測方法可以分為以下幾類：

（1） 光學(xué)和輻射方法，包括近紅外法、中紅外法、遠紅外法、光學(xué)相干斷層掃描法、旋光法、偏振測定法、拉曼光譜法、光聲法、熱輻射光譜法、熒光法；（2） 液體提取法，包括從皮膚提取液體法、組織間液提取法、舌下腺的液體提取法、牙齦溝液提取法；（3） 代謝熱整合法；（4） 阻抗譜法。本文采用了近紅外透射光譜法[3-5]來進行新型無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng)的開發(fā)，通過測量人體的血氧飽和度、心率、輻射熱量、體溫及環(huán)境輻射熱量和溫度來得到人體血糖值。

1 系統(tǒng)檢測原理介紹

近紅外光對于體液和軟組織具有很好的穿透性，是較為理想的檢測光譜段。而隨著計算機技術(shù)和化學(xué)計量理論的發(fā)展，近紅外光譜定量分析的靈敏度、準(zhǔn)確性和可靠性都有較大提高，并被迅速應(yīng)用于無試劑醫(yī)學(xué)檢驗[6-8]。

根據(jù)近紅外光與組織相互作用機理的不同，又有研究者將近紅外光譜法分為近紅外吸收光譜和散射光譜兩種[9-11]。實際上，在人體測量中吸收的作用和散射的作用是分不開的，因此通常所說的近紅外光譜法包含兩者的共同作用[12-13]。

系統(tǒng)采用了透射式紅外光譜法，通過依次驅(qū)動一個紅光LED和一個紅外光LED照射手指。由于還原血紅蛋白對紅光的吸收比較強，而對紅外光的吸收比較弱；血紅蛋白并帶有氧分子的血紅細胞對紅光的吸收比較弱，對紅外光的吸收比較強。因此在測量時，通過檢測還原血紅蛋白和有氧血紅蛋白，對不同波長的光吸收的區(qū)別，得出最基本的數(shù)據(jù)。將接收傳感器返回的數(shù)值通過通訊接口傳輸給系統(tǒng)控制器進行處理，得出人體血氧飽和度和人體心率值，同時采用數(shù)字溫度傳感器、紅外溫度傳感器對手指溫度、輻射能量進行接觸式測量，并用同型號溫度傳感器對系統(tǒng)工作時人體所處的環(huán)境溫度、輻射能量進行測量。根據(jù)由人體血糖與上述參數(shù)建立的數(shù)學(xué)模型，采用最小二乘算法來計算人體血糖值，從而實現(xiàn)對人體血糖的無損檢測。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)主要包含了兩大部分：一是傳感器電路部分，包括用于檢測人體血氧及心率的近紅外傳感器電路、檢測人體和環(huán)境輻射熱量的熱電堆輻射溫度傳感器電路、檢測人體和環(huán)境溫度的溫度傳感器電路；二是數(shù)據(jù)處理部分，包括電源電路、微處理器（microprogrammed control unit，MCU）及外圍電路、液晶觸摸屏電路、數(shù)據(jù)存儲電路、串口通訊接口等幾部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 傳感器電路

2.1.1 人體血氧及心率檢測電路

紅外傳感器電路如圖2所示。其中D1、Q12選用醫(yī)學(xué)用血氧檢測紅外、近紅外二極管和接收管，通過U6設(shè)置LED電流，使其能夠發(fā)射脈沖式紅外光和近紅外光，通過Q12接收透過手指后的兩個波長的光的強度，與原發(fā)射強度進行對比，可以得到計算血氧飽和度的初始數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)U6處理后傳輸?shù)組CU，用于計算血氧和心率值。

2.1.2人體和環(huán)境輻射熱量檢測電路

該部分電路采用了德國HLP公司生產(chǎn)的集成了低噪聲放大器、17位ADC和強大的DSP處理單元的傳感器TS1183。該傳感器精度高，分辨率高（可以達到0.01 ℃），可以將處理好的被測目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度均存儲在傳感器的RAM內(nèi)，并可通過兩種方式讀取，即兩線串行SMBus兼容協(xié)議（分辨率為0.02 ℃）或10位的PWM（pulse width modulated）輸出[14]。

通過不同的時序可以從傳感器中讀取人體輻射能量和環(huán)境輻射能數(shù)據(jù)。其電路如圖3所示。

2.1.3人體和環(huán)境溫度檢測電路

該部分傳感器采用TMP112型溫度傳感器，該溫度傳感器是一款微型兩線制、串行輸出溫度傳感器。無需外部組件，溫度讀取分辨率能夠達到0.062 5 ℃，使用戶能夠針對更高的準(zhǔn)確度進行校準(zhǔn)，I2C接口、特有SMBus、兩線制接口兼容性，并且在一條總線上支持多達四個器件[15]。

通過TMP112對手指溫度進行接觸式測量，并將測得的溫度值經(jīng)I2C接口傳輸?shù)組CU。同時采用同型號傳感器對檢測環(huán)境的溫度進行檢測，用于后期數(shù)據(jù)處理，以便減小因環(huán)境因素帶來的誤差。其電路如圖4所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理電路

2.2.1電源電路

該部分為整個系統(tǒng)供電，采用3.7 V鋰電池和5 V USB兩種供電方式，其中5 V接口可以同時滿足鋰電池充電和系統(tǒng)供電要求，采用電源管理芯片ETA9640對兩種供電方式進行管理，然后ETA9640輸出的5 V經(jīng)由ASMlll73.3 V芯片轉(zhuǎn)為所需要的3.3 V，這樣就可以提供電路所需要的電壓。其電路如圖5所示。

2.2.2MCU及外圍電路

系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103系列增強型芯片作為控制器，該系列采用高性能、低成本、低功耗的嵌入式的ARM CortexM3內(nèi)核，內(nèi)核架構(gòu)先進，性能優(yōu)越，主頻可達72 MHz，執(zhí)行效率高，具有較高的運算能力及數(shù)據(jù)處理功能，擁有豐富的外設(shè)接口。其電路如圖6所示。

2.2.3其他電路

該部分包括液晶觸摸屏電路、存儲設(shè)備電路、通訊接口，其中液晶觸摸屏電路用于系統(tǒng)的信息輸入輸出，存儲設(shè)備電路用于存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)（包括測量的人體、環(huán)境的溫度，輻射能量等有關(guān)數(shù)據(jù)），通訊接口用于控制器和PC之間的通訊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的目的是為各個硬件模塊執(zhí)行提供相關(guān)程序，主要包括主控單元程序設(shè)計，光源驅(qū)動程序設(shè)計，傳感器通訊協(xié)議程序設(shè)計等。調(diào)試平臺基于Keilfor ARM，開發(fā)語言主要采用適于STM32編程的C語言。

3.1 主控程序

STM32為整個電路的核心控制單元，通過JLink燒入控制程序，用于控制整個電路系統(tǒng)正常有序的工作。主控程序流程如圖7所示。

3.2 光源驅(qū)動程序

光源驅(qū)動模塊的控制也是由STM32完成，STM32初始化變量后，開啟LED驅(qū)動模塊電源，通過設(shè)置不同工作電流，使LED間歇性地發(fā)出紅光和近紅外光，配合接收傳感器來測量用于分析人體血氧飽和度的特征信息。光源驅(qū)動程序如圖8所示。

3.3 數(shù)據(jù)采集程序

STM32控制相關(guān)模塊開始采集各傳感器檢測到的模擬信號，進行AD轉(zhuǎn)換，對讀取到的各數(shù)值進行處理，并對處理后的有關(guān)信息進行顯示和存儲，數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換程序如圖9所示。

4 測試與分析

在對系統(tǒng)相關(guān)模塊的相關(guān)功能進行測試無誤后，在某三甲醫(yī)院對20～30歲之間的18名健康志愿者（無高血糖）分別進行了測試。被測者在測量前一天晚上保證良好的睡眠，在早上八點半左右接受測試。測量時，要求被測者手指潔凈干燥，保持靜坐姿勢，心情平靜，手指無大幅運動，通過醫(yī)用指夾將傳感器固定在手指上，并保持手掌平直。對系統(tǒng)需檢測的各項特征信息與血糖值進行連續(xù)監(jiān)測，并同時采用醫(yī)院的血液分析儀得到這些志愿者的血糖值，將其作為標(biāo)準(zhǔn)值。測試數(shù)據(jù)如表1所示，對應(yīng)的曲線圖如圖10所示。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種人體血糖值的無損檢測系統(tǒng)，利用該檢測系統(tǒng)對健康人群進行了測試，通過建立的血糖值檢測的數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)學(xué)方法對所采集的數(shù)據(jù)進行處理，得出的血糖值與傳統(tǒng)有創(chuàng)測量結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)能夠達到0.854 2，證實了該系統(tǒng)測試結(jié)果的有效性。

我們將針對系統(tǒng)還存在的問題，提出更好的改進方案。首先，改進傳感器探頭模型，減少環(huán)境光的干擾，提高其抗干擾能力；其次，優(yōu)化算法，在保證準(zhǔn)確度的情況下，提高其檢測效率；最后，進行更多的臨床測試，將不同年齡段的糖尿病患者和健康人群納入到我們的實驗對象當(dāng)中，進一步完善所采用的算法，確保其具有更強的適用性。

參考文獻：

[1] 劉莉茹.餐后2 h血糖檢測對早期發(fā)現(xiàn)隱性糖尿病的臨床意義研究[J].糖尿病新世界，2016（19）：12.

[2] 丁海泉，盧啟鵬，王動民，等.近紅外光譜無創(chuàng)血糖檢測中有效信號提取方法的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2010，30（1）：5053.

[3] 張洪艷.近紅外光譜技術(shù)在人體血糖無創(chuàng)檢測中的應(yīng)用研究[D].長春：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，2005.

[4] 劉創(chuàng).近紅外血糖無創(chuàng)檢測校正模型研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[5] 劉志宏.人體無創(chuàng)血糖檢測方法的研究[J].中國科技信息，2006（2）：91.

[6] 劉慶珍，徐可欣，蔣誠志.近紅外光譜技術(shù)無創(chuàng)測量人體血糖[J].激光生物學(xué)報，2004，13（2）：129135.

[7] 陳文亮，徐可欣，杜振輝，等.人體無創(chuàng)血糖檢測技術(shù)[J].儀器儀表學(xué)報，2003，24（增刊1）：258261.

[8] 孫斐，孔德義，梅濤，等.無創(chuàng)傷法測量血糖濃度的技術(shù)及其發(fā)展前景[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2005，22（1）：171174.

[9] 黃嵐，丁海曙，王廣志.用近紅外漫反射光譜無損檢測血糖的初步研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2002，22（3）：387391.

[10] 任重，劉國棟，黃振.基于可調(diào)諧脈沖激發(fā)的血糖濃度光聲無損檢測研究[J].中國激光，2016，43（2）：204001.

[11] 呂曉鳳，張婷琳，肖鋒，等.基于近紅外反射光譜的無損血糖分析（英文）[J].光譜學(xué)與光譜分析，2016，36（7）：23122317.

[12] TIEMEY M J，TAMADA J A，POTTS R O，et al.Clinical evaluation of the GlucoWatch biographer：a continual，non-invasive glucose monitor for patients with diabetes[J].Biosensors and Bioelectronics，2001，16（9/10/11/12）：621629.

[13] CHO O K，KIM Y O.Blood sugar level measuring apparatus：United States，20040225209[P].20041111.

[14] BANTLE J P，THOMAS W.Glucose measurement in patients with diabetes mellitus with dermal interstitial fluid[J].Journal of Laboratory and Clinical Medicine，1997，130（4）：436441.

[15] CHO O K，KIM Y O，MITSUMAKIH，et al.Noninvasive measurement of glucose by metabolic heat conformation method[J].Clinical Chemistry，2004，50（10）：18941898.