無創(chuàng)傷人體血糖檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

房東東， 孟立凡， 劉一江

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）

0 引言

糖尿病是一種常見的內(nèi)分泌疾病，發(fā)高病率，是危害人類健康的4大疾病之一。根據(jù)世界衛(wèi)生組織公布，2025年全球糖尿病患者人數(shù)將上升到3億[1]。據(jù)調(diào)查顯示，在我國的糖尿病患者中，合并高血壓者多達(dá)1200萬，冠心病者600萬，雙目失明者45萬，腦卒中者500萬，尿毒癥者50萬[2]。由此可見，預(yù)防和治療糖尿病的意義重大。

本文根據(jù)近紅外光的漫反射原理與比爾定律，利用血流容積周期性變化這一事實(shí)，以某一時(shí)刻的人體光譜背景作為標(biāo)準(zhǔn)背景，其余時(shí)刻光譜與標(biāo)準(zhǔn)背景作差進(jìn)行校正，可以在很大程度上濾去噪聲背景。采用測得電壓與實(shí)際血糖濃度標(biāo)定的方法，能夠大大縮小該系統(tǒng)體積，減少運(yùn)算量和制作成本。

1 系統(tǒng)檢測血糖原理

光在組織中的傳播遵從朗伯-比爾定律：

式（1）中,Aλ為被測樣品對特定波長光的吸光度，I0(λ)和I(λ)分別為入射光強(qiáng)度和透射光強(qiáng)度，ci(λ)為第i種吸收物在對相應(yīng)波長光的吸光系數(shù)，li為光在相應(yīng)吸收物光程長，ci為相應(yīng)吸收物的濃度。

人體組織中所含有的多種組分中的每一種對光的吸收作用均符合該定律。由該定律可知，樣品的吸收度與待測成分濃度之間具有很好的相關(guān)性，樣品成分濃度變化會導(dǎo)致光譜特征吸收的變化[5]。

人體組織中血流容積隨時(shí)間周期性變化這一事實(shí)，早于20世紀(jì)30年代初就已經(jīng)用光電方法記錄下來[6]。以此為基礎(chǔ)研制出的實(shí)用血氧儀也已在醫(yī)學(xué)界廣泛應(yīng)用。在血流容積隨著脈搏發(fā)生變化的一個(gè)或幾個(gè)周期(秒量級)內(nèi)，人體背景組織的物理、化學(xué)參數(shù)和血液成分含量信息幾乎沒有變化，而血流容積一直在變。因此在不同時(shí)刻可以假設(shè)人體的手指模型如圖1所示。

圖1 不同時(shí)刻人體的手指模型

在t1時(shí)刻人體的血液容積如圖1中a所示，經(jīng)過Δt后血液容積如圖1中b所示。對這兩種情況下人體的反光強(qiáng)度進(jìn)行采樣，然后兩者做差便可得消去人體復(fù)雜背景下的強(qiáng)噪聲。最終得出血液容積變化量對于血液成分信息的有效光譜信息[7]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.1 光源波長、檢測人體部位及主要器件的選擇

在活體測量中，主要的吸收成分包括水、紅蛋白、白蛋白和葡萄糖。水的吸收在光波長1450nm附近，紅蛋白的吸收在光波長1100～1300nm，葡萄糖的吸收位于光波長1600nm附近較寬的區(qū)域，而白蛋白在該區(qū)域無明顯吸收。在光波長1550～1650nm區(qū)域出現(xiàn)的吸收則可以認(rèn)為是葡萄糖分子在一級倍頻區(qū)域的特征吸收[8]。因此把信號波長選為1620nm。

人體手指尖端部位分布著高密度的毛細(xì)血管，能迅速反應(yīng)人體內(nèi)血糖濃度的變化。在有創(chuàng)測量時(shí)為了保證測量的準(zhǔn)確度，患者也大都是從手指采血。其次，人體手指尖端具有相對較薄的肌肉組織層和骨骼，干擾信息較少。因此測量部位本文選取手指尖端。

鹵鎢燈輸出光的波長為可見光在320nm～2500nm之間，囊括了血糖敏感波長1620nm。因此本文光源選擇20W的鹵鎢燈。系統(tǒng)采用了FEMTO公司的LCA-S-400K-IN光電探測器（Min.NEP=75fW·Hz-1/2）。光電探測器的靈敏度[7]如圖3所示。

圖3 LCA-S-400K-IN光電探測器的靈敏度

2.2 信號處理電路

為了保證信號的純凈和較易采集，本文設(shè)計(jì)了一放大低通濾波電路如圖4所示，經(jīng)過推導(dǎo)得出該電路的傳遞函數(shù)為在MATLAB平臺下得其幅頻特性和相頻特性如圖5所示，由頻率響應(yīng)特性看出電路在-3dB左右時(shí)為27Hz，即該電路的通頻帶為27Hz。

圖4 二階低通濾波電路

經(jīng)過處理后的信號送入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用ADS8343轉(zhuǎn)換器，信號送入AD轉(zhuǎn)換器后，AD轉(zhuǎn)換器以串行方式輸出至微處理器。由于血流容積發(fā)生的變化在秒量級內(nèi)，因此采樣頻率不必過大。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的采樣頻率為50Hz，采集到的信號經(jīng)過微處理器處理，得到被測血糖濃度所對應(yīng)的電壓值，然后在液晶屏上顯示。通過具體查表的方法找出具體溫度環(huán)境下，電壓值所對應(yīng)的實(shí)際血糖濃度。

圖 5 電路的頻率響應(yīng)特性

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

在室溫25℃ 濕度75%，30名測試者在被測試前均未進(jìn)行劇烈運(yùn)動，手指保持干凈，空腹測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，被測者血糖濃度在 3.40～7.07mmol/L，每一血糖濃度值與AD轉(zhuǎn)換后的電壓一一對應(yīng)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

另外改變單個(gè)個(gè)體手指粗糙程度發(fā)現(xiàn)測得血糖值基本不變，所以該系統(tǒng)能夠很好的解決因手指粗糙程度不同所帶來的誤差。初步標(biāo)定發(fā)現(xiàn)，因個(gè)體差異導(dǎo)致標(biāo)定結(jié)果尚不能精準(zhǔn)地反應(yīng)每位被測者的血糖濃度，與臨床要求還有差距。后續(xù)研究中在分析大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)出不同環(huán)境、體重、身高、脈搏頻率等血糖濃度與電壓所對應(yīng)的表格，經(jīng)誤差修正利用查表法進(jìn)一步提高測試精度，以滿足臨床要求。

表1 部分?jǐn)?shù)據(jù)

[1]劉娟,王尚奇,簡水生.血糖濃度檢測技術(shù)的最新進(jìn)展[J].激光生物學(xué)報(bào),2005,14(5):393-396.

[2]Peter S J,Jimmy B.Near-infrared transmission spectroscopy of aqueous solutions: influence of optical path length on signal-to-noise ratio [J].Applied Spectroscopy,2002,56(12):1600-1606.

[3]陳真誠，金星亮，徐效文,等.一種無創(chuàng)血糖儀設(shè)計(jì)的初步研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2008,21(7):1119-1123.

[4]賀銀增,肖宏輝,常凌乾,等.一種低功耗無刨血糖儀設(shè)計(jì)與性能測試[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(7):903-908.

[5]張雯,曹玉珍,劉蓉,徐可欣.基于二維相關(guān)中紅外光譜技術(shù)的無創(chuàng)血糖檢測特異性研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2012,32(6).

[6]Hertzman A B.Proceeding of Soc[M].Exp.Bi01.Med.,1937,37:529.

[7]丁海泉,盧啟鵬,王動民，陳星旦.近紅外光譜無創(chuàng)血糖檢測中有效信號提取方法的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2010,1(1).

[8]劉蓉,陳文亮,徐可欣.人體血糖無創(chuàng)測量中凈信號的提取方法[J].納米技術(shù)與精密工程,2008,6(3).