基于能量代謝恒溫法的便攜式無創(chuàng)血糖檢測儀的研究

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(shù)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(xì)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(jù)報(bào)道,到2010年全世界糖尿病患者將達(dá)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(dǎo)用藥。但是現(xiàn)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(xiǎn)。目前無創(chuàng)血糖檢測技術(shù)的研究多集中在光譜檢測技術(shù)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(jié)構(gòu)差異大的影響,這些方法的靈敏度和準(zhǔn)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(shù),并制作了便攜式樣機(jī)。臨床實(shí)驗(yàn)表明,該方法效果良好,與大型生化分析儀(AMS-AUTOLAB18)對比,檢測準(zhǔn)確度達(dá)到0.862。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)計(jì)劃2.1其他生化反應(yīng)所需的能量葡萄糖是人體內(nèi)的主要能源物質(zhì),在氧供給充足的情況下,發(fā)生如下生化反應(yīng):在人體手指指尖的毛細(xì)血管中,葡萄糖的物質(zhì)代謝過程就是能量代謝過程,代謝過程中產(chǎn)生的能量有如下幾種轉(zhuǎn)換形式:1)積蓄在人體內(nèi)部,即人體熱負(fù)荷;2)對外界做功;3)與外界發(fā)生熱交換,即散熱;4)其他轉(zhuǎn)換途徑,如供給其他生化反應(yīng)所需的能量。能量代謝守恒法的核心思想認(rèn)為上述4部分能量的總和即為葡萄糖代謝產(chǎn)生的能量。而作為主要能源物質(zhì)的葡萄糖在血液中濃度的變化,相應(yīng)地會引起人體代謝的變化。因此,只要檢測出上述4種轉(zhuǎn)換途徑中消耗的能量和血液中氧的供給水平就能計(jì)算出手指中的血糖濃度。在短時(shí)間內(nèi)可以認(rèn)為手指的熱負(fù)荷為0,即代謝產(chǎn)生的能量完全消耗,沒有積蓄在人體內(nèi)部。人體處于靜息狀態(tài)時(shí)可以認(rèn)為對外做功為0,此外,供給其他生化反應(yīng)所需的能量也相當(dāng)少,可以忽略。因此,代謝產(chǎn)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(dǎo);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(jì)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(shè)計(jì)便攜式無創(chuàng)血糖檢測儀的硬件結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)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(diào)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(fù)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(shè)計(jì)中,以數(shù)字信號處理器TMS320F2812為核心,充分發(fā)揮了控制和數(shù)據(jù)處理的作用。整個(gè)系統(tǒng)功能是通過鍵盤輸入,DSP控制與數(shù)據(jù)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(diǎn)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(cuò)誤,LCD將提示相應(yīng)錯(cuò)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(xì)信息;5)結(jié)果分析;6)產(chǎn)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(yīng)菜單。無創(chuàng)血糖傳感器將人體手指的生理量信息轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的精度提高,傳感器輸出信號首先經(jīng)過信號調(diào)理電路以滿足A/D轉(zhuǎn)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(jìn)入DSP處理器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入RAM。與此同時(shí),血氧模塊輸出的數(shù)字信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后進(jìn)入DSP處理器的SCI引腳,DSP完成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)還要進(jìn)行數(shù)字濾波,這部分工作在DSP中完成。完成這些數(shù)據(jù)預(yù)處理后,就可以根據(jù)能量代謝守恒無創(chuàng)血糖檢測算法分析處理數(shù)據(jù)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(jié)果。如果要導(dǎo)出檢測的原始數(shù)據(jù),可以使用USB接口連接PC機(jī)傳送數(shù)據(jù)。2.2.2檢查樣機(jī)的安裝根據(jù)能量代謝守恒法無創(chuàng)血糖檢測的基本原理,設(shè)計(jì)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(gè)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(jìn)入腔體內(nèi)。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(gè)溫度傳感器、2個(gè)濕度傳感器和一條金屬片?；贒SP技術(shù)的便攜式無創(chuàng)血糖檢測儀樣機(jī)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(shí)的參數(shù)選擇畫面。2.3儀器控制功能系統(tǒng)軟件是整個(gè)檢測儀各部分協(xié)調(diào)工作的核心,在它的控制下,儀器完成系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、結(jié)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(shè)計(jì)主要是根據(jù)能量代謝守恒法的相關(guān)理論,并結(jié)合DSP處理器硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及集成無創(chuàng)血糖傳感器的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出可行的算法流程,如圖5所示。3檢測結(jié)果比較對29名志愿者進(jìn)行了臨床對比實(shí)驗(yàn),采用AUTOLAB18全自動生化分析儀測得的血糖值作為標(biāo)準(zhǔn)參考值,同時(shí)對志愿者進(jìn)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(shí)之后接受檢測。實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行,室內(nèi)溫度25~28℃,室外溫度30~33℃,室內(nèi)濕度40%。測試前受試者沒有劇烈運(yùn)動,未進(jìn)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(jié)果的相關(guān)性。圖中男性受試者檢測結(jié)果用“*”標(biāo)識,女性受試者檢測結(jié)果用“o”標(biāo)識。AUTOLAB18檢測結(jié)果范圍是3.78~6.11mmol/L;無創(chuàng)方法檢測結(jié)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(jié)果的誤差不超過0.3mmol/L。最后計(jì)算出兩種檢測方法測得結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為r=0.862。與實(shí)驗(yàn)誤差有關(guān)的因素包括如下幾個(gè)方面:1)根據(jù)能量代謝守恒法建立手指無創(chuàng)血糖檢測模型時(shí)忽略了用于參加生化反應(yīng)的小部分能量;2)傳感器檢測相關(guān)生理信號時(shí)存在誤差,導(dǎo)致采集到的電壓信號出現(xiàn)誤差,而影響最終結(jié)果;3)由于存在個(gè)體差異,例如手指表面粗糙度,角質(zhì)層厚度等的差異,都會給檢測結(jié)果帶來誤差;4)受試者在檢測時(shí)必須保持靜息狀態(tài),手指的抖動會給檢測結(jié)果帶來誤差。4檢測硬件設(shè)計(jì)本文根據(jù)能量代謝守恒法的有關(guān)理論,應(yīng)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)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(guān)系數(shù)r=0.862。實(shí)驗(yàn)表面,用能量代謝守