基于DSP技术的便携式无创血糖检测仪

1、第6期基于DSP技术的便携式无创血糖检测仪· 111 ·更多电子资料请登录赛微电子网基于DSP技术的便携式无创血糖检测仪*朱健铭 陈真诚 金星亮 王弟亚(中南大学信息物理工程学院生物医学工程研究所, 长沙 410083)摘 要: 研究了一种基于能量代谢守恒法的便携式无创血糖检测仪, 通过集成无创血糖传感器检测人体手指表面的温度、湿度、辐射以及人体血氧饱和度、脉率等参数, 采用DSP处理器分析计算出血糖浓度。介绍了该血糖仪的检测原理、硬件结构、软件和算法流程。用所研制的血糖仪进行了临床实验, 得到的血糖值与用大型生化分析仪测得的血糖值的相关系数达到0.862, 绝对误差范围是

2、-0.75 mmol/L0.5 mmol/L, 但大部分结果的误差不超过0.3 mmol/L。实验证明, 能量代谢守恒法无创血糖检测技术是可行的。 关键词: 血糖检测; 无创; 能量代谢守恒法; DSP中图分类号: TP212.3文献标识码: A国家标准学科分类代码: 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 言糖尿病是危害人类健康的四大疾病之一, 它是人体内胰岛素相对或绝对不足及靶细胞对胰岛素敏感性降低而引起的一种慢性疾病。目前, 全世界约有10%的成年人身患此病。在我国, 糖尿病患者约有 4 000万, 并且发病率呈上升趋势

7、。据报道, 到2010年全世界糖尿病患者将达到2.2亿。目前还没有彻底根治糖尿病的方法, 临床上主要通过频繁监测血糖浓度来指导用药1。但是现在广泛采用的微创血糖检测方法需要采集手指末端血, 给病人带来痛苦, 并且创口还有感染的危险。目前无创血糖检测技术的研究多集中在光谱检测技术上2-11, 但由于受信号微弱、人体不同部位的组织结构差异大的影响, 这些方法的灵敏度和准确度都比较低。本文介绍了一种基于人体手指能量代谢守恒模型的无创血糖检测技术, 并制作了便携式样机。临床实验表明, 该方法效果良好, 与大型生化分析仪(AMS-AUTOLAB18)对比, 检测准确度达到0.862。2 系统结构与实现方

8、案2.1 能量代谢守恒法无创血糖检测原理概述葡萄糖是人体内的主要能源物质, 在氧供给充足的情况下, 发生如下生化反应: 在人体手指指尖的毛细血管中, 葡萄糖的物质代谢过程就是能量代谢过程, 代谢过程中产生的能量有如下几种转换形式: 1) 积蓄在人体内部, 即人体热负荷; 2) 对外界做功; 3) 与外界发生热交换, 即散热; 4) 其他转换途径, 如供给其他生化反应所需的能量12。能量代谢守恒法的核心思想认为上述4部分能量的总和即为葡萄糖代谢产生的能量。而作为主要能源物质的葡萄糖在血液中浓度的变化, 相应地会引起人体代谢的变化。因此, 只要检测出上述4种转换途径中消耗的能量和血液中氧的供给水平

9、就能计算出手指中的血糖浓度13。在短时间内可以认为手指的热负荷为0, 即代谢产生的能量完全消耗, 没有积蓄在人体内部。人体处于静息状态时可以认为对外做功为0, 此外, 供给其他生化反应所需的能量也相当少, 可以忽略。因此, 代谢产生能量的主要去向是与外界发生热交换, 这种热交换有4种形式: 1) 热传导; 2) 热对流; 3) 热辐射; 4) 蒸发。只要检测出这4部分散热量和血液中氧的供给水平就能计算出血糖浓度。上述4种形式的散热量可以通过无创血糖检测传感器14中的温度传感器、湿度传感器和辐射传感器测得; 血液中氧的供给水平可以通过检测血氧饱和度、血流量和脉率测得。2.2 便携式无创血糖检测仪

10、的硬件设计便携式无创血糖检测仪的硬件结构包括两个部分, 一是检测电路板, 二是集成无创血糖传感器。2.2.1 检测电路板硬件设计检测电路板主要由以下单元电路组成: 1) DSP处理器及其外围电路; 2) 信号调理和滤波电路; 3) 血氧模块; 4) 键盘和LCD显示模块; 5) USB接口电路; 6) 电源及复位电路。系统框图如图1所示。在便携式无创血糖检测仪的设计中, 以数字信号处理器TMS320F2812为核心, 充分发挥了控制和数据处理的作用。整个系统功能是通过键盘输入, DSP控制与数据处理, LCD输出三者配合完成的。启动该便携式无创血糖检测仪后, LCD 显示“System Ini

11、tiatingPlease Wait!”, 系统初始化完成的工作是等待电源电压稳定, 等待晶振稳定和系统配置。大约1.5 s后, LCD显示“Self-testingPlease Wait!”, 系统自检包括以下2部分: 一是检测系统各硬件模块是否正常, 例如RAM和Flash ROM检测、LCD点阵检测、电源电量检测等; 二是检测无创血糖传感器到检测电路板的排线连接是否完好。如果自检发生错误, LCD将提示相应错误信息并给出处理建议。如果自检通过, 蜂鸣器给出提示音, LCD显示系统功能菜单。菜单功能包括: 1) 系统自检; 2) 血糖检测; 3) 历史记录; 4) 详细信息; 5) 结果分

12、析; 6) 产品信息。有些菜单下面还包括子菜单、二级子菜单等, 通过键盘上的方向键和回车键可以方便地选择相应菜单。图1 便携式高效无创血糖检测仪系统框图Fig. 1 Block diagram of portable highly efficient non-invasive blood glucose apparatus无创血糖传感器将人体手指的生理量信息转换成模拟电压信号输出, 这些信号通过排线连接到检测电路板上15。由于各传感器的输出电压范围不同, 为使A/D转换的精度提高, 传感器输出信号首先经过信号调理电路以满足A/D转换的要求, 然后采用模拟滤波电路滤除50 Hz工频和高频干扰。滤

13、波后的信号进入DSP处理器进行A/D转换, 并将转换结果存入RAM。与此同时, 血氧模块输出的数字信号经过电平转换后进入DSP处理器的SCI引脚, DSP完成数据接收并存入RAM中。为了更好地去除干扰, 从无创血糖传感器采集到的数据还要进行数字滤波, 这部分工作在DSP中完成。完成这些数据预处理后, 就可以根据能量代谢守恒无创血糖检测算法16分析处理数据并得到血糖浓度值。在键盘的控制下, 可以显示、分析和存储检测结果。如果要导出检测的原始数据, 可以使用USB接口连接PC机传送数据。2.2.2 集成无创血糖传感器设计根据能量代谢守恒法无创血糖检测的基本原理, 设计出如图2所示的集成无创血糖传感

14、器。图2 集成无创血糖传感器装配图Fig. 2 Sketch map of integrated non-invasiveblood glucose sensor集成无创血糖传感器的底座和外壳选用灰白色PVC材料制成。传感器左上方是一个可以容纳手指的指夹式腔体, 腔体上下表面附着硅胶, 这样可以防止外部的光线进入腔体内。在集成无创血糖传感器的其他部位分别安装有红外发射和接收传感器、辐射温度传感器、4个温度传感器、2个湿度传感器和一条金属片。基于DSP技术的便携式无创血糖检测仪样机照片如图3所示。图3 便携式无创血糖检测仪样机Fig. 3 Prototype of portable non-in

15、vasiveblood glucose apparatus照片上方是集成无创血糖传感器, 传感器输出信号通过排线接到检测电路板上。LCD显示的是血糖检测时的参数选择画面。2.3 便携式无创血糖检测仪的软件设计系统软件是整个检测仪各部分协调工作的核心, 在它的控制下, 仪器完成系统自检、数据采集、数据计算、结果分析等功能。无创血糖检测仪的系统流程图如图4所示。图4 系统流程图Fig. 4 Flow chart of system图5 算法流程图Fig. 5 Flow chart of algorithm2.4 能量代谢守恒法无创血糖检测算法设计算法设计主要是根据能量代谢守恒法的相关理论, 并结合

16、DSP处理器硬件结构的特点以及集成无创血糖传感器的结构, 设计出可行的算法流程, 如图5所示。3 实验结果对29名志愿者进行了临床对比实验, 采用AUTOLAB18全自动生化分析仪测得的血糖值作为标准参考值, 同时对志愿者进行无创血糖检测, 受试者年龄1856岁, 其中男性19名, 女性10名, 均在饭后2小时之后接受检测。实验在室内进行, 室内温度2528, 室外温度3033, 室内湿度40%。测试前受试者没有剧烈运动, 未进食, 并保持手指表面清洁。图6给出了采用两种检测方法测得结果的相关性。图中男性受试者检测结果用“*”标识, 女性受试者检测结果用“o”标识。AUTOLAB18检测结果范

17、围是3.786.11 mmol/L; 无创方法检测结果范围是3.796.13mmol/L。绝对误差范围是-0.750.5mmol/L, 但大部分结果的误差不超过0.3 mmol/L。最后计算出两种检测方法测得结果的相关系数为r=0.862。与实验误差有关的因素包括如下几个方面: 1) 根据能量代谢守恒法建立手指无创血糖检测模型时忽略了用于参加生化反应的小部分能量; 2) 传感器检测相关生理信号时存在误差, 导致采集到的电压信号出现误差, 而影响最终结果; 3) 由于存在个体差异, 例图6 无创血糖检测实验结果Fig. 6 Experimental result of non-invasive

18、blood glucose measurement如手指表面粗糙度, 角质层厚度等的差异, 都会给检测结果带来误差; 4) 受试者在检测时必须保持静息状态, 手指的抖动会给检测结果带来误差。4 结 论本文根据能量代谢守恒法的有关理论, 应用温度传感器、湿度传感器、辐射传感器和血氧模块采集手指表面的生理信号, 并采用DSP处理器设计并制作了便携式无创血糖检测仪。文中给出了检测仪的硬件结构框图和软件流程图。在与AUTOLAB18全自动生化分析仪的29组对比检测实验中, 测得该便携式无创血糖检测仪与生化分析仪的检测相关系数r=0.862。实验表面, 用能量代谢守恒法无创检测血糖浓度的方法是可行的。在

19、接下来的研究中, 首先采用MEMS技术将多种传感器集成化, 提高传感器的检测灵敏度和信噪比; 其次进一步减小检测电路板的体积和重量, 提高可靠性, 降低功耗。最后继续改进无创血糖检测的数学模型, 将更多与血糖浓度有关的变量纳入检测的范围, 如手指表面粗糙度和角质层厚度等, 可以预见, 检测的相关系数将有所提高。参考文献: 1 RUIZ E, FEMAT R, CAMPOS D U. Blood glucose control for type I diabetes mellitus: a robust tracking H problemJ. Control Engineering Pract

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