1、第 23 卷 第 6 期 电 子 测 量与 仪 器学 报 Vol. 23 No. 6 108 JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT 2009 年 6 月 本文于 2008 年 12 月收到。 *基金 项 目 : 国家 863 计 划 (编 号 : 2007AA022000)资 助 项 目。 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
2、 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 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
3、 : 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 : 460.4 Portable non-invasive blood glucose apparatus based on DSP Zhu Jianming Chen Zhencheng Jin Xingliang Wang Diya (Department of Biomedical Engineering, School of Info-physics Engineering, Central South University, Changsha 4
4、10083,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) by measuring the temperature, humidity, radiation of the fi
5、nger 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 algorithm are introduced. As a result, comparing with the tes
6、t 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 results are no more than 0.3 mmol/L. The experiments prove th
7、at the proposed method is feasible. Keywords: blood glucose measurement; conservation of energy metabolism; DSP; non-invasive 1 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 。据 报 道 , 到 2010 年全世界糖尿病患者将达到
8、 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
9、良好 , 与大型生化 分析 仪 (AMS-AUTOLAB18)对 比 , 检测 准确度达到 0.862。 第 6 期 基于 DSP 技 术 的便携式无 创 血糖 检测仪 109 2 系统结构与实现方案 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 : 6122CHO+C+ATP 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
10、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
11、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.
12、2 便携式无创血糖检测仪的硬件设计 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 ,
13、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 InitiatingPlease 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 、
14、 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
15、 。 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
16、 50 Hz 工 频 和高 频 干 扰 。滤 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
17、、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 感器。 110 电 子 测 量 与 仪 器 学 报 2009 年 图 2 集成无 创 血糖 传 感器装配 图 Fig. 2 Sketch map of integrated non-invasive blood 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
18、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-invasive blood glucose apparatus 照片上方是集成无 创 血糖 传 感器 , 传 感器
19、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 algorithm 2.4 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
20、谢 守恒法的相关理 第 6 期 基于 DSP 技 术 的便携式无 创 血糖 检测仪 111 论 , 并 结 合 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 ,
21、 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 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
22、 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 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
23、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
24、 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. Bloo
25、d glucose control for type I diabetes mellitus: a robust tracking H problemJ. Control Engineering Practice, 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. H
26、ypoglycemia detection using a non-invasive continuous blood glucose monitoring device in intensive careJ. 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
27、Research and Clinical Practice, 2007, 77: 16-40. 5 TALATY M S, DEWARRAT F, HUBER D, et al. In vivo life 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 sp
28、ectroscopy of solutions at physiological glucose concentrationsJ. Biophysical Chemistry, 2007, 129: 235-241. 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 CA
29、DUFF A, DEWARRAT F, TALARY M, et al. Non- invasive glucose monitoring in patients with diabetes: a 112 电 子 测 量 与 仪 器 学 报 2009 年 novel system based on impedance spectroscopyJ. Biosensors and Bioelectronics, 2006, 22: 598-604. 9 KLONOFF D C. Continuous glucose monitoring: roadmap for 21st century diab
30、etes 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 spectroscopy enhanced by optical measurement conditions reproduction techniqueJ. Optics and Lasers in Engineering, 2005, 43: 1096-1106. 11 李 岚 , 曾 培 , 钱 坤 喜 . 叶 轮 式
31、人 工 心 脏 输 出 流 量 的 无 创 性 测 量 系 统 J.电 子 测 量 与 仪 器 学 报 , 2003, 17(1): 53-56. LI L, ZENG P, QIAN K X. Noninvasive output estimation system of a rotary artificial heartJ. Journal 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 f
32、oundation 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 heat conformation methodJ. Clinical Chemistry, 2004, 50(10): 1894-1898. 14 陈 真 诚 , 龚 琼 , 王弟 亚 , 等 . 基于能量守恒的无 创 血糖 检测传 感器的 设计
33、 J. 传 感技 术 学 报 , 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 吴京其 , 陈 章位 . 基于 PCI 总线 和 DSP 芯片的高速 实 时 数据采集 处 理系 统 J. 电 子 测 量与
34、仪 器学 报 , 2003, 17(4): 46-52. WU J Q, CHEN ZH W. Data acquisition and processing system based on PCI and DSPJ. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2003, 17(4): 46-52. 16 陈 真 诚 , 金星亮 , 徐效文 , 等 . 一种无 创 血糖 检测仪 的初步研究 J. 传 感技 术 学 报 , 2008, 21(7): 1119-1123. CHEN ZH CH, JIN X L, XU X W, et al
35、. A primary research of non-invasive glucose measuring apparatus J. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2008, 21(7): 1119-1123. 作者简介 : 朱健铭 : 男 , 1984 年出生 , 2007 年在中南大学 获 得学士 学位 , 现为 中南大学生物医学工程 专业硕 士研究生。主要研 究方向 为 生物 传 感器与智能 仪 器。 E-mail: zjmcsu Zhu Jianming: male, born in 1984. He received BSc f
36、rom Central South University in 2007. Now he is a MS candidate in the Department of Biomedical Engineering, Central South University. His research direction includes biological sensors and intelligent instrument. 陈真诚 : 男 , 1965 年出生 , 中南大学教授 , 博士生 导师 。 主要研究方向 为 生物 传 感器与智能 仪 器。 Chen Zhencheng: male, born in 1965. He is a professor and supervisor for PhD in Central South University. His main research direction includes biological sensors and intelligent instrument. 朱健 铭
