基于RF 三層傳感器和Android 的攝入食物糖含量檢測系統(tǒng)設(shè)計

董 賀，李佳欣，張 丹，華 杰，汪 津

非侵入式醫(yī)療設(shè)備由于可無創(chuàng)評估個人健康狀況，迅速成為風(fēng)靡一時的醫(yī)療檢測工具［1-2］.但是，針對糖尿病患者的血糖檢測仍需提取血液，增加了患者的痛苦及感染風(fēng)險.近年來，隨著先進(jìn)的葡萄糖傳感器相繼出現(xiàn)，研究人員開始不斷提出新的葡萄糖含量檢測方式［3-4］.

當(dāng)前皮下植入連續(xù)葡萄糖監(jiān)測方案得到研究者的普遍認(rèn)可［5］，對于糖尿病的診斷和治療具有非常重要的意義.然而，目前廣泛使用的電化學(xué)連續(xù)葡萄糖傳感器在體內(nèi)存在電極退化及信號漂移等難以克服的缺點，并且絕大部分產(chǎn)品中的酶電極需要進(jìn)行頻繁更換，增加了患者生理及心理上的痛苦.隨著納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的光學(xué)監(jiān)測和管理方式在糖尿病的診斷和治療方面展現(xiàn)出巨大的潛力.特別是將熒光納米粒子作為一種熒光探針，與生物酶特異識別系統(tǒng)相結(jié)合，開發(fā)出了性能優(yōu)異的植入型葡萄糖傳感器件.但是，以上方式均是針對患者自身血糖值的檢測，針對患者飲食糖量監(jiān)測的系統(tǒng)還少有報道.本文設(shè)計了一種基于納米材料的射頻識別（RF）葡萄糖傳感器制作的智能筷子，可以對口腔中的食物流體進(jìn)行采樣，利用無源RF 技術(shù)將信號傳遞給手機(jī)，由手機(jī)中的監(jiān)測系統(tǒng)對接收到的信號頻率進(jìn)行分析，進(jìn)而實現(xiàn)對進(jìn)食糖量監(jiān)測的目的.該葡萄糖無線監(jiān)測系統(tǒng)操作簡單，對用戶沒有傷害，在確保最大程度靠近口腔食物的同時，減少對使用者的影響.

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

葡萄糖含量檢測傳感器是本系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件.本文應(yīng)用RF 三層傳感器檢測食物中的葡萄糖含量［6］.該RF 三層傳感器采用基于超材料的方法，改變傳統(tǒng)寬邊耦合裂環(huán)諧振 器（Broadside Coupled Split Ring Resonator，BC-SRR）形狀，在兩個堆疊的、反向SRR 之間插入含有絲膜或響應(yīng)性水凝膠的生物反應(yīng)夾層，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示.

圖1 RF三層傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

BC-SRR 外形尺寸小、諧振頻率較低，非常適合與傳統(tǒng)RF 讀寫器配合使用.中間層通過吸收周圍溶劑發(fā)生膨脹（厚度和介電常數(shù)不斷變化），使得傳感器的諧振頻率和幅度發(fā)生改變，諧振頻率與中間層厚度之間的變化關(guān)系如圖2 所示［7-9］.

圖2 RF三層傳感器諧振頻率隨中間層厚度的變化曲線

系統(tǒng)主要由筷體、RF 葡萄糖傳感器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、無線信息傳輸單元、監(jiān)測分析應(yīng)用系統(tǒng)等組成，具有口腔內(nèi)食物糖含量檢測、進(jìn)食糖量數(shù)據(jù)分析和預(yù)警等功能［10-13］.系統(tǒng)基本組成框圖如圖3 所示.其中，筷體由握持部和夾持部組成.RF 三層傳感器安裝在夾持部，對口腔中的生物流體進(jìn)行采樣，采集傳感器因食物中糖含量濃度變化而產(chǎn)生的頻率變化數(shù)據(jù).在用戶攝入食物時，安裝該傳感器的筷體會置于口腔中，由于食物種類的不同，葡萄糖含量會有相應(yīng)變化，生物反應(yīng)層吸收食物中的葡萄糖會膨脹，其厚度會發(fā)生相應(yīng)改變，使得傳感器的諧振頻率發(fā)生變化.通過分析諧振頻率變化，即可得到食物中糖的含量，從而達(dá)到監(jiān)測攝入糖量的目的.

圖3 口腔內(nèi)食物糖含量檢測系統(tǒng)基本組成框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于以上硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)軟件設(shè)計分為3 大模塊：糖含量檢測控制模塊、數(shù)據(jù)存儲與分析模塊和用戶交互模塊.糖含量檢測控制模塊用來控制RF 讀寫器與智能筷子上RF 葡萄糖傳感器交互并采集數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲與分析模塊是將傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)存儲到云端數(shù)據(jù)中心，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和比對分析；用戶交互模塊主要實現(xiàn)人機(jī)交互體驗，發(fā)布檢測及數(shù)據(jù)分析、查詢等指令.

2.1 糖含量檢測控制模塊設(shè)計

糖含量檢測控制模塊的核心是Android 系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)分析儀與RF 三層傳感器之間的通信傳輸.本文設(shè)計采用可通過藍(lán)牙連接到Android 系統(tǒng)的便攜式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（mini-VNA Tiny）實現(xiàn)通信傳輸［14-15］.該VNA 本質(zhì)上是一種高頻源測量單元，它可以將RF 三層傳感器激發(fā)到一系列RF 頻率，測量反射回的響應(yīng)幅度和相位，其測量范圍為1～3 GHz.檢測控制模塊流程如圖4 所示.

圖4 糖含量檢測控制模塊流程圖

便攜式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通電后，通過藍(lán)牙模塊與Android 系統(tǒng)終端應(yīng)用程序進(jìn)行握手連接，通信成功后反饋有效標(biāo)識并啟動VNA初始化命令，完成糖含量檢測的硬件準(zhǔn)備.在應(yīng)用程序中選擇傳感器的通道（可手動設(shè)置或使用系統(tǒng)默認(rèn)通道），確定RF 三層傳感器與VNA 通信的數(shù)據(jù)通道，完成糖含量檢測的數(shù)據(jù)通道設(shè)置.然后設(shè)定VNA 對RF 進(jìn)行測量的諧振頻率范圍，并啟動糖含量數(shù)據(jù)實時采集程序.數(shù)據(jù)采集過程中，VNA 首先需要在頻率范圍內(nèi)以一定步長調(diào)整功率并向RF 傳遞能量，直至獲取傳感器返回信號，成功建立數(shù)據(jù)通信鏈路.之后，持續(xù)實時采集RF 三層傳感器的數(shù)據(jù)信息，等待數(shù)據(jù)采集結(jié)束命令，完成糖含量檢測控制模塊任務(wù).

2.2 數(shù)據(jù)存儲與分析模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲與分析模塊將傳感器持續(xù)采集的食物糖含量數(shù)據(jù)通過VNA 收集后，實時發(fā)送給應(yīng)用程序進(jìn)行存儲并完成糖含量分析.VNA 收集的數(shù)據(jù)中同時包含有效數(shù)據(jù)和噪聲，可通過數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除野值，獲得有效數(shù)據(jù).對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析、標(biāo)準(zhǔn)庫對比等操作可得出葡萄糖濃度參考值，完成數(shù)據(jù)存儲與分析模塊的功能需求.數(shù)據(jù)存儲與分析模塊流程如圖5 所示.

圖5 數(shù)據(jù)存儲與分析模塊流程圖

VNA 將收集到食物糖含量數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送給應(yīng)用程序，并轉(zhuǎn)存至云端數(shù)據(jù)中心.由于環(huán)境污染、食物多樣化等問題，VNA收集的數(shù)據(jù)中同時包含有效數(shù)據(jù)和噪聲信息，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再存儲到數(shù)據(jù)中心.數(shù)據(jù)預(yù)處理可選用閾值篩選、頻率剔除、相關(guān)性分析、多項式擬合等多種方式剔除野值，實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)的提取與識別.

啟動數(shù)據(jù)分析命令可對數(shù)據(jù)預(yù)處理后的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.按照不同的食物類別分類讀取有效數(shù)據(jù)，擬合同一類食物的諧振頻率值，通過比對標(biāo)準(zhǔn)庫數(shù)據(jù)可獲取該類食物的諧振頻率參考值，進(jìn)而計算出該類食物的葡萄糖濃度參考值.此參考值可應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法實時更新到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫.同時，食物的葡萄糖含量參考值以友好界面推送給用戶，完成分析任務(wù).利用此數(shù)據(jù)存儲與分析模塊，可不斷擴(kuò)充知識庫，完善新品種食物的葡萄含量分析.

2.3 用戶交互模塊設(shè)計

用戶交互模塊基于Android 系統(tǒng)開發(fā)，具有交互性強(qiáng)、界面美觀、易于操作、按用戶類別推送等特點.應(yīng)用程序中將用戶分為一般用戶和家庭醫(yī)生兩類.應(yīng)用程序為一般用戶建立包括個人基本情況、健康狀況、糖含量攝入情況、飲食結(jié)構(gòu)建議等信息的健康檔案，用戶使用具有唯一標(biāo)識號的傳感器進(jìn)行糖含量獲取，并通過應(yīng)用程序查看個人的糖含量攝入量、近期健康狀況分析及飲食結(jié)構(gòu)建議等.糖含量攝入量由數(shù)據(jù)中心通過分析直接獲得，近期健康狀況分析和飲食結(jié)構(gòu)建議由家庭醫(yī)生通過分析數(shù)據(jù)，結(jié)合專業(yè)知識給出.家庭醫(yī)生用戶通過數(shù)據(jù)中心查詢用戶的個人基本信息、健康狀況信息、近期的糖含量攝入情況，結(jié)合專業(yè)知識給出用戶飲食結(jié)構(gòu)建議，為用戶健康提供服務(wù).Android 程序結(jié)構(gòu)及用戶交互過程如圖6 所示.

應(yīng)用程序通過用戶手動啟動，登錄用戶名、密碼進(jìn)行身份確定，完成用戶的身份識別，并開啟相應(yīng)的功能；根據(jù)用戶的設(shè)置通過藍(lán)牙與VNA 通信，確認(rèn)傳感器的糖含量檢測功能是否開啟；同時通過互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心握手，為用戶讀取數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備.應(yīng)用程序為多線程結(jié)構(gòu)，各模塊功能可并行實現(xiàn).

圖6 用戶交互方式示意圖

當(dāng)用戶為一般用戶時，可設(shè)置傳感器開啟或關(guān)閉糖含量檢測模塊，添加或修改個人基本情況、既往病史、最近健康狀況、生活習(xí)慣信息，也可根據(jù)個人需要訪問數(shù)據(jù)中心查詢個人糖含量攝入情況及家庭醫(yī)生給出的飲食結(jié)構(gòu)建議等.

當(dāng)用戶為家庭醫(yī)生時，可通過數(shù)據(jù)中心查詢用戶的基本情況、既往病史、最近健康狀況、生活習(xí)慣、糖含量攝入情況，并根據(jù)數(shù)據(jù)中心的糖含量分析，結(jié)合專業(yè)知識給出適合用戶的飲食結(jié)構(gòu)建議，為用戶健康提供服務(wù).

3 系統(tǒng)測試

為了評估系統(tǒng)對口腔內(nèi)液態(tài)食物糖含量響應(yīng)的可重復(fù)性和穩(wěn)定性，對系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試.首先，將安裝傳感器的筷子，反復(fù)浸入去離子水和葡萄糖（0.5 g·L-1）溶液中，采集傳感器諧振頻率和幅度的變化，如圖7（a）所示.數(shù)據(jù)結(jié)果表明，隨著溶液的變化，系統(tǒng)的幅度和頻移沒有明顯變化，具有可重復(fù)性.

之后，逐漸改變?nèi)芤旱钠咸烟菨舛龋ㄔ诖诉^程中，保持筷子上的傳感器一直浸入在溶液中），采集到的傳感器諧振頻率變化如圖7（b）所示.結(jié)果表明傳感器的諧振頻率會隨著葡萄糖濃度的增加而增加，這是因為葡萄糖的增加會降低溶液的有效介電常數(shù).可推算出傳感器在1 g·L-1葡萄糖中的靈敏度約為0.8 MHz，滿足口腔中食物糖分檢測所需的范圍.

圖7 系統(tǒng)性能測試數(shù)據(jù)分析圖

4 結(jié)論

本文提供了一種基于RF 三層傳感器和Android 的口腔內(nèi)食物糖含量檢測系統(tǒng)設(shè)計方案，給出了實現(xiàn)此方案的硬件組成及檢測軟件設(shè)計.初步實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)操作便捷，對人體口腔內(nèi)食物糖含量檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，具有較高的可靠性和可重復(fù)性.另外，從初步測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，若改變RF 傳感器的生物活性層，此系統(tǒng)可以快速實現(xiàn)更多流體敏感特性目標(biāo)（如酒精含量、鹽量、溫度）的檢測.