基于能量代謝恒溫法的便攜式無創(chuàng)血糖檢測儀的研究

1無創(chuàng)血糖檢測技術糖尿病是人類健康的四種疾病之一。它是由人體中的胰島素含量相對或絕對不足，以及由于靶細胞酪氨酸酶的敏感性而引起的慢性疾病。目前,全世界約有10%的成年人身患此病。在我國,糖尿病患者約有4000萬,并且發(fā)病率呈上升趨勢。據報道,到2010年全世界糖尿病患者將達到2.2億。目前還沒有徹底根治糖尿病的方法,臨床上主要通過頻繁監(jiān)測血糖濃度來指導用藥。但是現在廣泛采用的微創(chuàng)血糖檢測方法需要采集手指末端血,給病人帶來痛苦,并且創(chuàng)口還有感染的危險。目前無創(chuàng)血糖檢測技術的研究多集中在光譜檢測技術上[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11],但由于受信號微弱、人體不同部位的組織結構差異大的影響,這些方法的靈敏度和準確度都比較低。本文介紹了一種基于人體手指能量代謝守恒模型的無創(chuàng)血糖檢測技術,并制作了便攜式樣機。臨床實驗表明,該方法效果良好,與大型生化分析儀(AMS-AUTOLAB18)對比,檢測準確度達到0.862。2系統(tǒng)結構與實現計劃2.1其他生化反應所需的能量葡萄糖是人體內的主要能源物質,在氧供給充足的情況下,發(fā)生如下生化反應:在人體手指指尖的毛細血管中,葡萄糖的物質代謝過程就是能量代謝過程,代謝過程中產生的能量有如下幾種轉換形式:1)積蓄在人體內部,即人體熱負荷;2)對外界做功;3)與外界發(fā)生熱交換,即散熱;4)其他轉換途徑,如供給其他生化反應所需的能量。能量代謝守恒法的核心思想認為上述4部分能量的總和即為葡萄糖代謝產生的能量。而作為主要能源物質的葡萄糖在血液中濃度的變化,相應地會引起人體代謝的變化。因此,只要檢測出上述4種轉換途徑中消耗的能量和血液中氧的供給水平就能計算出手指中的血糖濃度。在短時間內可以認為手指的熱負荷為0,即代謝產生的能量完全消耗,沒有積蓄在人體內部。人體處于靜息狀態(tài)時可以認為對外做功為0,此外,供給其他生化反應所需的能量也相當少,可以忽略。因此,代謝產生能量的主要去向是與外界發(fā)生熱交換,這種熱交換有4種形式:1)熱傳導;2)熱對流;3)熱輻射;4)蒸發(fā)。只要檢測出這4部分散熱量和血液中氧的供給水平就能計算出血糖濃度。上述4種形式的散熱量可以通過無創(chuàng)血糖檢測傳感器中的溫度傳感器、濕度傳感器和輻射傳感器測得;血液中氧的供給水平可以通過檢測血氧飽和度、血流量和脈率測得。2.2便攜式無創(chuàng)血糖檢測硬件設計便攜式無創(chuàng)血糖檢測儀的硬件結構包括兩個部分,一是檢測電路板,二是集成無創(chuàng)血糖傳感器。2.2.1系統(tǒng)初始化和系統(tǒng)檢測系統(tǒng)的工作過程檢測電路板主要由以下單元電路組成:1)DSP處理器及其外圍電路;2)信號調理和濾波電路;3)血氧模塊;4)鍵盤和LCD顯示模塊;5)USB接口電路;6)電源及復位電路。系統(tǒng)框圖如圖1所示。在便攜式無創(chuàng)血糖檢測儀的設計中,以數字信號處理器TMS320F2812為核心,充分發(fā)揮了控制和數據處理的作用。整個系統(tǒng)功能是通過鍵盤輸入,DSP控制與數據處理,LCD輸出三者配合完成的。啟動該便攜式無創(chuàng)血糖檢測儀后,LCD顯示“SystemInitiating…PleaseWait!”,系統(tǒng)初始化完成的工作是等待電源電壓穩(wěn)定,等待晶振穩(wěn)定和系統(tǒng)配置。大約1.5s后,LCD顯示“Self-testing…PleaseWait!”,系統(tǒng)自檢包括以下2部分:一是檢測系統(tǒng)各硬件模塊是否正常,例如RAM和FlashROM檢測、LCD點陣檢測、電源電量檢測等;二是檢測無創(chuàng)血糖傳感器到檢測電路板的排線連接是否完好。如果自檢發(fā)生錯誤,LCD將提示相應錯誤信息并給出處理建議。如果自檢通過,蜂鳴器給出提示音,LCD顯示系統(tǒng)功能菜單。菜單功能包括:1)系統(tǒng)自檢;2)血糖檢測;3)歷史記錄;4)詳細信息;5)結果分析;6)產品信息。有些菜單下面還包括子菜單、二級子菜單等,通過鍵盤上的方向鍵和回車鍵可以方便地選擇相應菜單。無創(chuàng)血糖傳感器將人體手指的生理量信息轉換成模擬電壓信號輸出,這些信號通過排線連接到檢測電路板上。由于各傳感器的輸出電壓范圍不同,為使A/D轉換的精度提高,傳感器輸出信號首先經過信號調理電路以滿足A/D轉換的要求,然后采用模擬濾波電路濾除50Hz工頻和高頻干擾。濾波后的信號進入DSP處理器進行A/D轉換,并將轉換結果存入RAM。與此同時,血氧模塊輸出的數字信號經過電平轉換后進入DSP處理器的SCI引腳,DSP完成數據接收并存入RAM中。為了更好地去除干擾,從無創(chuàng)血糖傳感器采集到的數據還要進行數字濾波,這部分工作在DSP中完成。完成這些數據預處理后,就可以根據能量代謝守恒無創(chuàng)血糖檢測算法分析處理數據并得到血糖濃度值。在鍵盤的控制下,可以顯示、分析和存儲檢測結果。如果要導出檢測的原始數據,可以使用USB接口連接PC機傳送數據。2.2.2檢查樣機的安裝根據能量代謝守恒法無創(chuàng)血糖檢測的基本原理,設計出如圖2所示的集成無創(chuàng)血糖傳感器。集成無創(chuàng)血糖傳感器的底座和外殼選用灰白色PVC材料制成。傳感器左上方是一個可以容納手指的指夾式腔體,腔體上下表面附著硅膠,這樣可以防止外部的光線進入腔體內。在集成無創(chuàng)血糖傳感器的其他部位分別安裝有紅外發(fā)射和接收傳感器、輻射溫度傳感器、4個溫度傳感器、2個濕度傳感器和一條金屬片。基于DSP技術的便攜式無創(chuàng)血糖檢測儀樣機照片如圖3所示。照片上方是集成無創(chuàng)血糖傳感器,傳感器輸出信號通過排線接到檢測電路板上。LCD顯示的是血糖檢測時的參數選擇畫面。2.3儀器控制功能系統(tǒng)軟件是整個檢測儀各部分協(xié)調工作的核心,在它的控制下,儀器完成系統(tǒng)自檢、數據采集、數據計算、結果分析等功能。無創(chuàng)血糖檢測儀的系統(tǒng)流程圖如圖4所示。2.4優(yōu)化算法流程算法設計主要是根據能量代謝守恒法的相關理論,并結合DSP處理器硬件結構的特點以及集成無創(chuàng)血糖傳感器的結構,設計出可行的算法流程,如圖5所示。3檢測結果比較對29名志愿者進行了臨床對比實驗,采用AUTOLAB18全自動生化分析儀測得的血糖值作為標準參考值,同時對志愿者進行無創(chuàng)血糖檢測,受試者年齡18~56歲,其中男性19名,女性10名,均在飯后2小時之后接受檢測。實驗在室內進行,室內溫度25~28℃,室外溫度30~33℃,室內濕度40%。測試前受試者沒有劇烈運動,未進食,并保持手指表面清潔。圖6給出了采用兩種檢測方法測得結果的相關性。圖中男性受試者檢測結果用“*”標識,女性受試者檢測結果用“o”標識。AUTOLAB18檢測結果范圍是3.78~6.11mmol/L;無創(chuàng)方法檢測結果范圍是3.79~6.13mmol/L。絕對誤差范圍是-0.75~0.5mmol/L但大部分結果的誤差不超過0.3mmol/L。最后計算出兩種檢測方法測得結果的相關系數為r=0.862。與實驗誤差有關的因素包括如下幾個方面:1)根據能量代謝守恒法建立手指無創(chuàng)血糖檢測模型時忽略了用于參加生化反應的小部分能量;2)傳感器檢測相關生理信號時存在誤差,導致采集到的電壓信號出現誤差,而影響最終結果;3)由于存在個體差異,例如手指表面粗糙度,角質層厚度等的差異,都會給檢測結果帶來誤差;4)受試者在檢測時必須保持靜息狀態(tài),手指的抖動會給檢測結果帶來誤差。4檢測硬件設計本文根據能量代謝守恒法的有關理論,應用溫度傳感器、濕度傳感器、輻射傳感器和血氧模塊采集手指表面的生理信號,并采用DSP處理器設計并制作了便攜式無創(chuàng)血糖檢測儀。文中給出了檢測儀的硬件結構框圖和軟件流程圖。在與AUTOLAB18全自動生化分析儀的29組對比檢測實驗中,測得該便攜式無創(chuàng)血糖檢測儀與生化分析儀的檢測相關系數r=0.862。實驗表面,用能量代謝守