基于DSP技術(shù)的便攜式無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀

1、第6期基于DSP技術(shù)的便攜式無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀· 111 ·更多電子資料請(qǐng)登錄賽微電子網(wǎng)基于DSP技術(shù)的便攜式無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀*朱健銘 陳真誠(chéng) 金星亮 王弟亞(中南大學(xué)信息物理工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所, 長(zhǎng)沙 410083)摘 要: 研究了一種基于能量代謝守恒法的便攜式無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀, 通過(guò)集成無(wú)創(chuàng)血糖傳感器檢測(cè)人體手指表面的溫度、濕度、輻射以及人體血氧飽和度、脈率等參數(shù), 采用DSP處理器分析計(jì)算出血糖濃度。介紹了該血糖儀的檢測(cè)原理、硬件結(jié)構(gòu)、軟件和算法流程。用所研制的血糖儀進(jìn)行了臨床實(shí)驗(yàn), 得到的血糖值與用大型生化分析儀測(cè)得的血糖值的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.862, 絕對(duì)誤差范圍是

2、-0.75 mmol/L0.5 mmol/L, 但大部分結(jié)果的誤差不超過(guò)0.3 mmol/L。實(shí)驗(yàn)證明, 能量代謝守恒法無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)是可行的。 關(guān)鍵詞: 血糖檢測(cè); 無(wú)創(chuàng); 能量代謝守恒法; DSP中圖分類(lèi)號(hào): TP212.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類(lèi)代碼: 460.4Portable non-invasive blood glucose apparatus based on DSPZhu Jianming Chen Zhencheng Jin Xingliang Wang Diya(Department of Biomedical Engineering, School of In

3、fo-physics Engineering, Central South University, Changsha 410083,China)Abstract: A portable non-invasive blood glucose apparatus based on the method of COEM (conservation of energy metabolism) is developed. It can calculate the concentration of the blood glucose with DSP (Digital Signal Processor)

4、by measuring the temperature, humidity, radiation of the finger surface and the local blood oxygen level, and the pulse rate of the body with an integrated non-invasive blood glucose sensor. The principle of this apparatus, the architecture of the hardware, the flow charts of the software and the al

5、gorithm are introduced. As a result, comparing with the test results obtained by large automatic biochemical analyzer (AUTOLAB18), the correlation coefficient of this apparatus equals to 0.862 in clinical tests, and the range of absolute error is from -0.75 mmol/L to 0.5 mmol/L. The errors of most r

6、esults are no more than 0.3 mmol/L. The experiments prove that the proposed method is feasible. Keywords: blood glucose measurement; conservation of energy metabolism; DSP; non-invasive1 引 言糖尿病是危害人類(lèi)健康的四大疾病之一, 它是人體內(nèi)胰島素相對(duì)或絕對(duì)不足及靶細(xì)胞對(duì)胰島素敏感性降低而引起的一種慢性疾病。目前, 全世界約有10%的成年人身患此病。在我國(guó), 糖尿病患者約有 4 000萬(wàn), 并且發(fā)病率呈上升趨勢(shì)

7、。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(méi)有徹底根治糖尿病的方法, 臨床上主要通過(guò)頻繁監(jiān)測(cè)血糖濃度來(lái)指導(dǎo)用藥1。但是現(xiàn)在廣泛采用的微創(chuàng)血糖檢測(cè)方法需要采集手指末端血, 給病人帶來(lái)痛苦, 并且創(chuàng)口還有感染的危險(xiǎn)。目前無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)的研究多集中在光譜檢測(cè)技術(shù)上2-11, 但由于受信號(hào)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(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)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(duì)比, 檢測(cè)準(zhǔn)確度達(dá)到0.862。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方

8、案2.1 能量代謝守恒法無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)原理概述葡萄糖是人體內(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(guò)程就是能量代謝過(guò)程, 代謝過(guò)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(duì)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12。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(huì)引起人體代謝的變化。因此, 只要檢測(cè)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

9、就能計(jì)算出手指中的血糖濃度13。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(méi)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(duì)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(duì)流; 3) 熱輻射; 4) 蒸發(fā)。只要檢測(cè)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(guò)無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)傳感器14中的溫度傳感器、濕度傳感器和輻射傳感器測(cè)得; 血液中氧的供給水平可以通過(guò)檢測(cè)血氧飽和度、血流量和脈率測(cè)得。2.2 便攜式無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀

10、的硬件設(shè)計(jì)便攜式無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)部分, 一是檢測(cè)電路板, 二是集成無(wú)創(chuàng)血糖傳感器。2.2.1 檢測(cè)電路板硬件設(shè)計(jì)檢測(cè)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(hào)調(diào)理和濾波電路; 3) 血氧模塊; 4) 鍵盤(pán)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(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)中, 以數(shù)字信號(hào)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(guò)鍵盤(pán)輸入, DSP控制與數(shù)據(jù)處理, LCD輸出三者配合完成的。啟動(dòng)該便攜式無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀后, LCD 顯示“System Ini

11、tiatingPlease Wait!”, 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1.5 s后, LCD顯示“Self-testingPlease Wait!”, 系統(tǒng)自檢包括以下2部分: 一是檢測(cè)系統(tǒng)各硬件模塊是否正常, 例如RAM和Flash ROM檢測(cè)、LCD點(diǎn)陣檢測(cè)、電源電量檢測(cè)等; 二是檢測(cè)無(wú)創(chuàng)血糖傳感器到檢測(cè)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(guò), 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(cè); 3) 歷史記錄; 4) 詳細(xì)信息; 5) 結(jié)果分

12、析; 6) 產(chǎn)品信息。有些菜單下面還包括子菜單、二級(jí)子菜單等, 通過(guò)鍵盤(pán)上的方向鍵和回車(chē)鍵可以方便地選擇相應(yīng)菜單。圖1 便攜式高效無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀系統(tǒng)框圖Fig. 1 Block diagram of portable highly efficient non-invasive blood glucose apparatus無(wú)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(hào)輸出, 這些信號(hào)通過(guò)排線連接到檢測(cè)電路板上15。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(hào)首先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路以滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換的要求, 然后采用模擬濾波電路濾除50 Hz工頻和高頻干擾。濾

13、波后的信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)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(wú)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(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)算法16分析處理數(shù)據(jù)并得到血糖濃度值。在鍵盤(pán)的控制下, 可以顯示、分析和存儲(chǔ)檢測(cè)結(jié)果。如果要導(dǎo)出檢測(cè)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 集成無(wú)創(chuàng)血糖傳感器設(shè)計(jì)根據(jù)能量代謝守恒法無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)的基本原理, 設(shè)計(jì)出如圖2所示的集成無(wú)創(chuàng)血糖傳感

14、器。圖2 集成無(wú)創(chuàng)血糖傳感器裝配圖Fig. 2 Sketch map of integrated non-invasiveblood glucose sensor集成無(wú)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(wú)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(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀樣機(jī)照片如圖3所示。圖3 便攜式無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀樣機(jī)Fig. 3 Prototype of portable non-in

15、vasiveblood glucose apparatus照片上方是集成無(wú)創(chuàng)血糖傳感器, 傳感器輸出信號(hào)通過(guò)排線接到檢測(cè)電路板上。LCD顯示的是血糖檢測(cè)時(shí)的參數(shù)選擇畫(huà)面。2.3 便攜式無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件是整個(gè)檢測(cè)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(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀的系統(tǒng)流程圖如圖4所示。圖4 系統(tǒng)流程圖Fig. 4 Flow chart of system圖5 算法流程圖Fig. 5 Flow chart of algorithm2.4 能量代謝守恒法無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)算法設(shè)計(jì)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

16、DSP處理器硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及集成無(wú)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 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)29名志愿者進(jìn)行了臨床對(duì)比實(shí)驗(yàn), 采用AUTOLAB18全自動(dòng)生化分析儀測(cè)得的血糖值作為標(biāo)準(zhǔn)參考值, 同時(shí)對(duì)志愿者進(jìn)行無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè), 受試者年齡1856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(cè)。實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行, 室內(nèi)溫度2528, 室外溫度3033, 室內(nèi)濕度40%。測(cè)試前受試者沒(méi)有劇烈運(yùn)動(dòng), 未進(jìn)食, 并保持手指表面清潔。圖6給出了采用兩種檢測(cè)方法測(cè)得結(jié)果的相關(guān)性。圖中男性受試者檢測(cè)結(jié)果用“*”標(biāo)識(shí), 女性受試者檢測(cè)結(jié)果用“o”標(biāo)識(shí)。AUTOLAB18檢測(cè)結(jié)果范

17、圍是3.786.11 mmol/L; 無(wú)創(chuàng)方法檢測(cè)結(jié)果范圍是3.796.13mmol/L。絕對(duì)誤差范圍是-0.750.5mmol/L, 但大部分結(jié)果的誤差不超過(guò)0.3 mmol/L。最后計(jì)算出兩種檢測(cè)方法測(cè)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(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)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(cè)相關(guān)生理信號(hào)時(shí)存在誤差, 導(dǎo)致采集到的電壓信號(hào)出現(xiàn)誤差, 而影響最終結(jié)果; 3) 由于存在個(gè)體差異, 例圖6 無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 6 Experimental result of non-invasive

18、blood glucose measurement如手指表面粗糙度, 角質(zhì)層厚度等的差異, 都會(huì)給檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)誤差; 4) 受試者在檢測(cè)時(shí)必須保持靜息狀態(tài), 手指的抖動(dòng)會(huì)給檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)誤差。4 結(jié) 論本文根據(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(hào), 并采用DSP處理器設(shè)計(jì)并制作了便攜式無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀。文中給出了檢測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖和軟件流程圖。在與AUTOLAB18全自動(dòng)生化分析儀的29組對(duì)比檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中, 測(cè)得該便攜式無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀與生化分析儀的檢測(cè)相關(guān)系數(shù)r=0.862。實(shí)驗(yàn)表面, 用能量代謝守恒法無(wú)創(chuàng)檢測(cè)血糖濃度的方法是可行的。在

19、接下來(lái)的研究中, 首先采用MEMS技術(shù)將多種傳感器集成化, 提高傳感器的檢測(cè)靈敏度和信噪比; 其次進(jìn)一步減小檢測(cè)電路板的體積和重量, 提高可靠性, 降低功耗。最后繼續(xù)改進(jìn)無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型, 將更多與血糖濃度有關(guān)的變量納入檢測(cè)的范圍, 如手指表面粗糙度和角質(zhì)層厚度等, 可以預(yù)見(jiàn), 檢測(cè)的相關(guān)系數(shù)將有所提高。參考文獻(xiàn): 1 RUIZ E, FEMAT R, CAMPOS D U. Blood glucose control for type I diabetes mellitus: a robust tracking H problemJ. Control Engineering Pract

20、ice, 2004, 12: 1179-1195.2 AMARAL C E, WOLF B. Current development in non-invasive glucose monitoringJ. Medical Engineering & Physics, 2008, 30: 541-549.3 SINGER P, FOSTICK G, SINGER J, et al. Hypoglycemia detection using a non-invasive continuous blood glucose monitoring device in intensive car

21、eJ. Clinical Nutrition Supplements, 2008, 3(1): 6.4 TURA A, MARAN A, PACINI G. Non-invasive glucose monitoring: assessment of technologies and devices according to quantitative criteriaJ. Diabetes Research and Clinical Practice, 2007, 77: 16-40.5 TALATY M S, DEWARRAT F, HUBER D, et al. In vivo life

22、sign application of dielectric spectroscopy and non-invasive glucose monitoringJ. Journal of Non- Crystalline Solids, 2007, 353: 4515-4517.6 TURA A, SBRIGNADELLO S, BARISON S, et al. Impedance spectroscopy of solutions at physiological glucose concentrationsJ. Biophysical Chemistry, 2007, 129: 235-2

23、41.7 HEISE H M, DAMM U, VOGT O, et al. Towards reagent-free blood glucose monitoring using micro-dialysis and infrared transmission spectrometryJ. Vibration Spectroscopy, 2006, 42:124-129.8 CADUFF A, DEWARRAT F, TALARY M, et al. Non-invasive glucose monitoring in patients with diabetes: a novel syst

24、em based on impedance spectroscopyJ. Biosensors and Bioelectronics, 2006, 22: 598-604.9 KLONOFF D C. Continuous glucose monitoring: roadmap for 21st century diabetes therapyJ. Diabetes Care, 2005, 28(5): 1231.10 XU K X, QIU Q J, JIANG J Y, et al. Non-invasive glucose sensing with near-infrared spect

25、roscopy enhanced by optical measurement conditions reproduction techniqueJ. Optics and Lasers in Engineering, 2005, 43: 1096-1106.朱健銘11 李嵐, 曾培, 錢(qián)坤喜. 葉輪式人工心臟輸出流量的無(wú)創(chuàng)性測(cè)量系統(tǒng)J.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào), 2003, 17(1): 53-56.LI L, ZENG P, QIAN K X. Noninvasive output estimation system of a rotary artificial heartJ. Journal

26、of Electronic Measurement and Instrument, 2003, 17(1): 53-56.12 KO J B, CHO O K, KIM Y O, et al. Body metabolism provides a foundation for noninvasive blood glucose monitoringJ. Diabetes Care, 2004, 27(5): 1211.13 CHO O K, KIM Y O, HITSUMAKI H, et al. Noninvasive measurement of glucose by metabolic

27、heat conformation methodJ. Clinical Chemistry, 2004, 50(10): 1894-1898.14 陳真誠(chéng), 龔 瓊, 王弟亞, 等. 基于能量守恒的無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)J. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2008, 21(5): 724-728.CHEN ZH CH, GONG Q, WANG D Y, et al. Design of non-invasive blood sugar measuring sensor based on energy metabolic conversation J. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2008, 21(5): 724-728.15 吳京其, 陳章位. 基于PCI總線和DSP芯片的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)J. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào), 2003, 17(4): 46-52.WU J Q, CHEN ZH W. Data acquisition and processing system based on PCI and DSPJ. Journal of Elec