基于能量守恒法的無創(chuàng)傷血糖檢測(cè)儀的研制

基于能量守恒法的無創(chuàng)傷血糖檢測(cè)儀的研制

糖尿病是一種由體內(nèi)胰島素相對(duì)或絕對(duì)不足引起的慢性疾病，或由于胰島素本身的結(jié)構(gòu)缺陷而導(dǎo)致的養(yǎng)分、脂肪和養(yǎng)分代謝障礙的慢性疾病。主要特點(diǎn)是糖和尿。目前世界各國的糖尿病患者已達(dá)到1.5億之多。我國的糖尿病患者已經(jīng)超過三千萬,與此同時(shí)還有相當(dāng)數(shù)量的葡萄糖耐量減低者(糖尿病的前期)。據(jù)世界衛(wèi)生組織估計(jì),到2025年全世界將有3億糖尿病患者。如此龐大的糖尿病人群不僅給患者及其家庭帶來了痛苦,而且也給國家和社會(huì)帶來了沉重的負(fù)擔(dān),因此預(yù)防和治療糖尿病具有十分積極的意義。由于受到現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展水平的限制,還沒徹底根治糖尿病的方法。目前用于治療糖尿病的方法,主要是通過對(duì)血糖濃度值的頻繁檢測(cè)和相應(yīng)量胰島素注射來對(duì)血糖濃度緊密控制。傳統(tǒng)的技術(shù)都是采用有創(chuàng)血糖檢測(cè)方法,一般都要去醫(yī)院進(jìn)行,造成檢測(cè)技術(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力,并且有痛苦,無法滿足家庭檢測(cè)的要求。因此急需使用新方法開發(fā)新的檢測(cè)儀器,來適應(yīng)患者檢測(cè)頻度的需要。國內(nèi)外無創(chuàng)血糖檢測(cè)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(yuǎn)紅外法、光學(xué)相干斷層掃描法、旋光法、偏振測(cè)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、下頜下和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。近紅外技術(shù)是目前研究比較多的一種方法,但是在實(shí)際應(yīng)用中,干擾成分多、個(gè)體差異大,大部分檢測(cè)方法仍然在實(shí)驗(yàn)室研究階段。所以本文采用了能量守恒法來進(jìn)行新型無創(chuàng)血糖檢測(cè)儀的開發(fā),通過測(cè)量人體代謝產(chǎn)生的熱量、血液流速、血氧飽和度和脈率來估算血糖水平。1檢測(cè)原理和算法1.1人體熱的特性人體內(nèi)物質(zhì)代謝過程就是能量代謝的過程。糖作為主要的能源物質(zhì),在氧供應(yīng)充足的情況下,發(fā)生如下生化反應(yīng)。C6H12O6+O2→H2O+CO2+ATP作為主要能源物質(zhì)的葡萄糖在血液中的濃度的變化,相應(yīng)地會(huì)引起人體代謝的變化,進(jìn)而影響到體溫等生理參數(shù)的變化。因此OkKyungCho等人做出以下假設(shè):①人體產(chǎn)熱=人體散熱;②人體處于靜息狀態(tài),對(duì)外作功=0;③人體產(chǎn)熱量可以通過血糖濃度和氧容量等來描述;④氧容量取決于血紅蛋白濃度、血氧飽和度和毛細(xì)血管的血流量;⑤散熱主要方式是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。根據(jù)上面所敘述的理論假設(shè),能量守恒法認(rèn)為,代謝產(chǎn)生的熱量是血糖水平和氧容量的函數(shù),氧容量是動(dòng)脈血氧飽和度及血液流速的函數(shù),再加入脈率這個(gè)參數(shù)來修正,因此代謝產(chǎn)生的熱量為:H=F(血糖水平[GLU],血液流速BV,動(dòng)脈血氧飽和度POS,脈率PF)因而血糖水平可以表示為:GLU=F(H,BV,POS,PF)只要測(cè)量出代謝產(chǎn)生的熱量、血液流速、血氧飽和度和脈率就可以推算出血糖水平。1.2人體代謝率m、bv、bv、bv、fpf通過流體力學(xué)的相關(guān)理論建立人體表面對(duì)流換熱的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)人體熱平衡數(shù)學(xué)模型,計(jì)算出人體局部(手指)代謝率;根據(jù)改進(jìn)的熱清除法計(jì)算出人體局部(手指)血流速度;根據(jù)能量守恒建立整體理論框架。血糖濃度為人體代謝率、人體血流速度、血氧飽和度、脈率的函數(shù),通過數(shù)學(xué)多元線性回歸分析建立人體血糖濃度的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算出人體局部(手指)的血糖濃度值。如下式:GLU=β*4×M0+β*3BV0+β*2×POS0+β*1×PF0+β*0上式中:Μ0=ΜˉΜM0=MMˉˉˉ;BV0=BVˉBVBV0=BVBVˉˉˉˉˉ;ΡΟS0=ΡΟSˉΡΟSPOS0=POSPOSˉˉˉˉˉˉˉ;ΡF0=ΡFˉΡFPF0=PFPFˉˉˉˉˉ;分別為人體代謝率M、血流速度BV、血氧飽和度POS、脈率PF參數(shù)的歸一化參數(shù)。其中:ˉΜ=1ΝΝ∑i=1ΜiMˉˉˉˉ=1N∑i=1NMi;ˉBV=1ΝΝ∑i=1BViBVˉˉˉˉˉ=1N∑i=1NBVi;ˉΡΟS=1ΝΝ∑i=1ΡΟSiPOSˉˉˉˉˉˉˉ=1N∑i=1NPOSi;ˉΡF=1ΝΝ∑i=1ΡFiPFˉˉˉˉˉ=1N∑i=1NPFi分別為人體代謝率M、血流速度BV、血氧飽和度POS、脈率PF的N維參數(shù)的均值。將已經(jīng)求得的人體代謝率M、血流速度BV、血氧飽和度POS和脈率PF,通過用AMS(意大利)AUTOLAB18全自動(dòng)生化分析儀測(cè)得的真實(shí)血糖值來建立線形關(guān)系。這就是血糖算法最終要求得的結(jié)果,也就是說需要確定β這組數(shù)據(jù)。上式用矩陣形式表示為GLU=β×X式中:GLU=[GLU1GLU2?GLUΝ]GLU=??????GLU1GLU2?GLUN??????;β=[β4β3β2β1β0];X=[Μ1BV1ΡΟS1ΡF11Μ2BV2ΡΟS2ΡF21?????ΜΝBVΝΡΟSΝΡFΝ1]從矩陣運(yùn)算的基本理論可以知道β=GLU×X-1對(duì)于已經(jīng)得到的β矩陣和GLU=β*4×M0+β*3×BV0+β*2×POS0+β*1×PF0+β*0方程,根據(jù)大量實(shí)驗(yàn),再加一修正補(bǔ)償,使得GLU=β*4×M0+β*3×BV0+β*2×POS0+β*1×PF0+β*0+ξ其中ξ為線性補(bǔ)償參數(shù),實(shí)驗(yàn)可知ξ=-10mg/dL其中β*0,β*1,β*2,β*3,β*4可直接由Matlab如上文流程獲得。2接頭的選型整個(gè)傳感器探頭部分是由有機(jī)玻璃加工而成,探頭上安置了溫度傳感器、濕度傳感器、輻射傳感器,以及用鎂材料加工而成特定規(guī)格的金屬片。模型示意圖見圖1所示。由圖1可知,整個(gè)傳感器探頭需要3種傳感器:溫度傳感器,濕度傳感器,輻射傳感器。在傳感器選型上,溫度傳感器需要精度高,耗散系數(shù)小,時(shí)間常數(shù)小,因此選擇:LM系列。濕度傳感器需要精度較高,在相對(duì)濕度的精度在0.2%左右,響應(yīng)時(shí)間較快,輸出低阻抗,低功耗,工作濕度范圍在0%~100%之間,因此選用HIH3610系列。輻射傳感器需要高精度帶有信號(hào)處理功能的熱電堆,自身具有溫度校正電路,響應(yīng)時(shí)間較快,因此選用A2TPMI系列。3用戶數(shù)據(jù)采集處理模塊設(shè)計(jì)該無創(chuàng)血糖儀主要由如下兩個(gè)模塊組成,一是無創(chuàng)血糖傳感器,包括檢測(cè)各種生理量的數(shù)個(gè)傳感器,包括檢測(cè)手指表面溫度、近端溫度和遠(yuǎn)端溫度的溫度傳感器、檢測(cè)手指輻射溫度的熱電堆輻射溫度傳感器、檢測(cè)環(huán)境濕度和手指表面濕度的濕度傳感器;二是檢測(cè)電路板,包括信號(hào)調(diào)理電路、模擬濾波電路、信號(hào)放大電路、串口電路、液晶接口電路、單片機(jī)及其外圍電路、電源電路等。數(shù)據(jù)處理在上位機(jī)上完成,檢測(cè)電路板的主要功能是信號(hào)的采集、調(diào)理、濾波、放大、A/D變換等,然后將數(shù)字信號(hào)通過串口傳送給上位機(jī)。此外,血氧飽和度的檢測(cè)使用了血氧檢測(cè)模塊,該模塊能直接檢測(cè)出血氧飽和度和脈率的數(shù)值,并通過串口傳送給上位機(jī)。最后在上位機(jī)上編寫用戶圖形界面,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和顯示功能。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和血糖濃度的計(jì)算。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。鑒于生理信號(hào)的特點(diǎn),在濾波器設(shè)計(jì)中采用性能較好的低通濾波器和50Hz陷波器來濾除高頻干擾和工頻干擾,提高檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比。電路圖如圖3和圖4。Protel仿真該陷波器和低通濾波器的結(jié)果表明陷波器的性能較好,50Hz附近的信號(hào)衰減較大,過渡帶狹窄陡峭;濾波器的性能較好,邊緣陡峭,當(dāng)頻率高于100Hz時(shí),信號(hào)衰減接近零。4中斷服務(wù)程序本系統(tǒng)軟件由兩大部分構(gòu)成。第①單片機(jī)底層(無創(chuàng)血糖儀)軟件設(shè)計(jì);第②上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。無創(chuàng)血糖儀軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理、串口發(fā)送。上位機(jī)部分主要包括數(shù)據(jù)的接受,算法的實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)庫的建立。①無創(chuàng)血糖儀的軟件:程序開始,系統(tǒng)先關(guān)閉看門狗,初始化完成之后,開中斷并打開定時(shí)器,隨即就進(jìn)入LPM0低功耗模式,等待定時(shí)器中斷來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣、處理、傳送,完成后馬上進(jìn)入LPM0模式,等待下一次中斷,如此循環(huán)進(jìn)行。在中斷服務(wù)程序中,主要完成的是AD轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。②上位機(jī)軟件:上位機(jī)主要運(yùn)用VisualBasic進(jìn)行數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)庫模塊的設(shè)計(jì)以及運(yùn)用MATLAB進(jìn)行算法設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集模塊中采用MSCOMM控件法實(shí)現(xiàn)對(duì)串口數(shù)據(jù)的接收。系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)串口接收到的數(shù)據(jù)要進(jìn)行不同的處理。串口1接收的是8路傳感器采集的數(shù)據(jù);串口2接收的是血氧模塊的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)庫模塊是用于病人基本信息和血糖值的存儲(chǔ)。5傳感器性能分析①金屬片材料的選擇:根據(jù)材料的特性,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)比規(guī)格為2mm×5mm×50mm和2mm×5mm×40mm的紫銅片、鋁片、鎂片,發(fā)現(xiàn)規(guī)格為2mm×5mm×50mm的鎂片溫度響應(yīng)時(shí)間小(即曲線上升快),恢復(fù)時(shí)間短(即曲線下降快),近端溫度曲線和遠(yuǎn)端溫度曲線的差值最大,因而選擇這個(gè)規(guī)格的鎂片。②溫度傳感器性能分析:通過實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)手指一接觸手指表面溫度傳感器,溫度傳感器的輸出電壓馬上升高,之后,溫度曲線的上升程度有所減緩,開始進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的范圍,當(dāng)手指離開手指表面溫度傳感器后,曲線快速下降。實(shí)驗(yàn)中可得室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定,因此在算法研究中,以室溫作為基準(zhǔn)。將金屬片安裝到傳感器模塊中之后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與安裝之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比較表明,最關(guān)鍵的是遠(yuǎn)端溫度在開始測(cè)量時(shí)比近端溫度要高,這種情況不是理想情況,主要原因是在設(shè)計(jì)和安裝溫度傳感器時(shí),遠(yuǎn)端的溫度傳感器的散熱情況比近端的要差,所以導(dǎo)致這種情況的出現(xiàn),需要在算法上加以補(bǔ)償。③濕度傳感器性能分析:從眾多數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果分析圖中選出均值濕度相對(duì)曲線來進(jìn)行簡要分析,濕度傳感器的精度還是很高的,內(nèi)部濕度在手指接觸時(shí)輸出電壓上升很快,注意對(duì)于這兩個(gè)濕度傳感器的輸出,都已經(jīng)是得到了調(diào)整的電壓輸出,并沒有轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的相對(duì)濕度的百分比輸出,所以留在算法當(dāng)中處理。④輻射溫度傳感器性能分析:選用6次項(xiàng)的多項(xiàng)式擬合方法和spline方法進(jìn)行傳感器所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可以看出輻射傳感器的響應(yīng)時(shí)間是相當(dāng)小的,不到5s就上升達(dá)到了穩(wěn)態(tài),因此利用這一性質(zhì)來判定手指開始接觸和手指離開的時(shí)間。⑤傳感器組裝后的傳感器模型性能分析當(dāng)所有的傳感器組裝完畢之后,就要對(duì)整個(gè)傳感器模型進(jìn)行性能分析。從圖5中(a),(c),(d)三幅圖中,可以看出傳感器的性能沒有受到影響,各自的分析在前面已經(jīng)給出;圖5(b)表明了當(dāng)金屬片安裝完畢之后,在沒有測(cè)試之前,金屬片遠(yuǎn)端溫度與近端溫度要高;圖5(e),(f)的測(cè)量值完全滿足實(shí)驗(yàn)需要。6檢測(cè)結(jié)果比較有20名健康的志愿者參加本次實(shí)驗(yàn),其中8個(gè)女生,12個(gè)男生,大約都是22歲。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前的兩個(gè)小時(shí)內(nèi),他們需要待在空調(diào)房里面,不許劇烈運(yùn)動(dòng),不準(zhǔn)吃東西,并且要保持指面整潔。圖6給出了實(shí)驗(yàn)的原理結(jié)構(gòu)圖。在實(shí)驗(yàn)過程中,我們需要對(duì)志愿者的兩個(gè)手指進(jìn)行生理量的采集。一個(gè)手指放在傳感器模型上進(jìn)行8個(gè)數(shù)據(jù)的采集;另外一個(gè)手指用血氧模塊的探頭夾住,用來采集血氧飽和度和脈率。如圖中所示,傳感器模型采集的8路數(shù)據(jù)傳入到無創(chuàng)血糖儀中做進(jìn)一步數(shù)據(jù)的處理,而后傳入PC機(jī),其他兩路信號(hào)通過血糖模塊傳入PC機(jī)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中,檢測(cè)時(shí)間大約需要3~4min。為了減少誤差,實(shí)驗(yàn)將在空調(diào)房間進(jìn)行,以盡量保持恒溫恒濕。圖7給出了運(yùn)用兩種檢測(cè)方法所得結(jié)果的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明中,兩種檢測(cè)方法結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.807。實(shí)驗(yàn)過程中,各種因素影響著實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,主要的影響因素有:①傳感器在設(shè)計(jì)時(shí),內(nèi)部的通透性不好,以此引起在計(jì)算血流速度時(shí)的不準(zhǔn)確;②在實(shí)驗(yàn)前,要求測(cè)試者保持平靜的狀態(tài),但是在實(shí)驗(yàn)過程中,手指的抖動(dòng)等運(yùn)動(dòng)引入了檢測(cè)的誤差。7傳感器模塊的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)血糖儀;本文研究了一種基于能量守恒法的無創(chuàng)血糖儀器。在硬件部分設(shè)計(jì)上,引進(jìn)了濾波器以提高信噪比,設(shè)計(jì)出了傳感器探頭用于數(shù)據(jù)的采集。在軟件部分設(shè)計(jì)上,采用上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)框架,下位機(jī)軟件部分充分運(yùn)用了MSP430F149單片機(jī)的低功耗的特點(diǎn);上位機(jī)軟件部分,針對(duì)測(cè)試步驟的要求,實(shí)現(xiàn)了提醒和自動(dòng)化控制功能。實(shí)驗(yàn)表明,傳感器模塊能正確地將數(shù)據(jù)采集后,傳入無創(chuàng)血糖儀。無創(chuàng)血糖儀能將數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后,通過串口傳入上位機(jī)進(jìn)行算法