食源性血糖質(zhì)量計(jì)算裝置設(shè)計(jì)

吳新社，徐志榮，周燕兵，徐天波，何 艷，柳天波，張衛(wèi)東

食源性血糖質(zhì)量計(jì)算裝置設(shè)計(jì)

吳新社，徐志榮，周燕兵，徐天波，何 艷，柳天波，張衛(wèi)東

目的：為建立來(lái)自食物的碳水化合物質(zhì)量與降糖藥物劑量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，開(kāi)展食源性血糖質(zhì)量計(jì)算裝置研究。方法：以《中國(guó)食物成分表（2012版）》為依據(jù)構(gòu)建計(jì)算模型，以單片機(jī)計(jì)算與控制技術(shù)為核心，圍繞食物名稱輸入或食品名稱建立以及質(zhì)量稱重進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，并以運(yùn)行流暢、操作簡(jiǎn)便、食物名稱即點(diǎn)即得為原則編寫控制程序。結(jié)果：經(jīng)初步試驗(yàn)，該設(shè)備能完成食源性血糖質(zhì)量計(jì)算任務(wù)。結(jié)論：食源性血糖質(zhì)量計(jì)算裝置對(duì)于建立糖量與藥量的對(duì)應(yīng)關(guān)系、提高血糖控制精度具有十分重要的意義。

食源性；血糖；計(jì)算裝置

0 引言

糖尿病（diabetes mellitus，DM）是一種患者數(shù)量龐大、持續(xù)高發(fā)、危害嚴(yán)重的糖代謝疾病，致死率和致殘率僅次于惡性腫瘤和心腦血管疾病，居世界第三位。糖尿病已成為公共衛(wèi)生問(wèn)題，世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）、各國(guó)政府以及廣大患者對(duì)此十分重視。按2013年世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)的3.82億患者計(jì)算，全球平均發(fā)病率5.4%，我國(guó)發(fā)病率9.7%，遠(yuǎn)高于世界平均水平，取代印度成為糖尿病患者數(shù)量最多的國(guó)家。

由于糖尿病發(fā)病原因尚不清楚，臨床尚無(wú)根治之策，唯有通過(guò)降糖藥物（如胰島素、二甲雙胍等）控制血糖，以減少糖尿病并發(fā)癥帶來(lái)的危害，提高患者健康水平和生存質(zhì)量。圍繞血糖控制，臨床專家與患者一道，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐研究，提出“宣傳教育、適當(dāng)運(yùn)動(dòng)、合理飲食、血糖檢測(cè)和藥物治療”5條控制策略（即糖尿病治療的“五駕馬車”），摸索出多種治療方法，如血糖指數(shù)（glycemic index，GI）法、血糖負(fù)荷（glycemic load，GL）法、食物交換份（food exchange list，F(xiàn)EL）法和藥量估算（drug dose estimation，DDE）法等，在一定程度上緩解了患者病痛。但令人遺憾的是這些方法取得的血糖控制效果不佳，要么高血糖，要么低血糖[1-2]，高血糖時(shí)增加藥物，低血糖時(shí)增加食物，患者始終處于血糖上下波動(dòng)之中，難以將血糖控制在合格范圍之內(nèi)。這與中華醫(yī)學(xué)會(huì)糖尿病學(xué)分會(huì)發(fā)布的“中國(guó)近8成糖尿病患者血糖控制不合格”的調(diào)查結(jié)論一致，究其原因是這些控制方法沒(méi)有將食物產(chǎn)生的葡萄糖量與降糖藥物劑量直接對(duì)應(yīng)起來(lái)，或者說(shuō)沒(méi)有建立糖量與藥量的定量關(guān)系。因此急需一種可以繞開(kāi)血糖檢測(cè)環(huán)節(jié)，直接針對(duì)食物的血糖控制方法[3]，為此我們提出食源性血糖質(zhì)量計(jì)算裝置研究思想，以期建立藥量與糖量的定量關(guān)系，提高血糖控制精度。

1 技術(shù)方案

本文圍繞產(chǎn)生血糖的關(guān)鍵因素——食物中的碳水化合物開(kāi)展研究，在不改變患者的日常進(jìn)食習(xí)慣前提下進(jìn)行血糖質(zhì)量計(jì)算，先通過(guò)食物稱量[4-5]和含量輸入計(jì)算即將攝入食物的碳水化合物質(zhì)量，進(jìn)而換算成血糖質(zhì)量，然后通過(guò)血糖控制實(shí)驗(yàn)求得藥物控制參數(shù)，用碳水化合物質(zhì)量當(dāng)量乘以藥物控制參數(shù)得到與食物對(duì)應(yīng)的藥量[6]。

1.1 構(gòu)建計(jì)算模型

食物營(yíng)養(yǎng)成分主要分為蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物（含纖維素）3類，營(yíng)養(yǎng)含量就是指這3類物質(zhì)在食物中分別所占質(zhì)量百分比。對(duì)于已加工好的食物（含預(yù)包裝食物），只需按照食品營(yíng)養(yǎng)標(biāo)簽提供的營(yíng)養(yǎng)成分計(jì)算出碳水化合物質(zhì)量；對(duì)于未加工好的食物，必須在原料清洗切碎后、正式加工前進(jìn)行逐項(xiàng)稱量并分別記錄其質(zhì)量[7-8]，加工完成后再行稱量，并計(jì)算碳水化合物含量。就餐時(shí)患者根據(jù)個(gè)人喜好選擇食物并逐一稱量，再行計(jì)算每種食品的碳水化合物質(zhì)量，求和后得到即將攝入食物的碳水化合物總量。

加工前，某種食物所含碳水化合物質(zhì)量等于該食物原料質(zhì)量與其碳水化合物含量之積，則有：

式中：m0，i為某種食物所含碳水化合物總質(zhì)量（單位：g），m0，j為某種食物原料的質(zhì)量（單位：g），c0，j為同種食物原料的碳水化合物含量（%），i為食品編號(hào)，j為無(wú)重復(fù)的食物編號(hào)（來(lái)自《中國(guó)居民食物營(yíng)養(yǎng)成分表》）。

加工后，通過(guò)加熱和添加調(diào)料及水等烹調(diào)過(guò)程食物轉(zhuǎn)化為食品，食品的碳水化合物含量為

式中：ci為食品碳水化合物含量（%），mi，0為加工前食物原料的質(zhì)量（單位：g），mi，0±Δmi為加工后食物原料的質(zhì)量（單位：g）。

就餐時(shí)逐樣選擇食品，即將食用的食品所含碳水化合物質(zhì)量之和為

式中：m為即將攝入食品的碳水化合物質(zhì)量（單位：g），mi為患者選擇的每樣食品的質(zhì)量（單位：g），i≤100表示就餐時(shí)食品樣數(shù)不大于100。

食品中的碳水化合物主要成分為淀粉和纖維素，水解后的最終產(chǎn)物為單糖，反應(yīng)方程如下：

式中：（C6H10O5）n為碳水化合物通式，n≥10（n∈N）。由于碳水化合物以淀粉、纖維素等多聚糖為主，分子量不定，但水解為單糖后的質(zhì)量增長(zhǎng)率x通過(guò)分子量變化得到。根據(jù)方程式（4）得到如下計(jì)算表達(dá)式：

式中：x為質(zhì)量增長(zhǎng)率。經(jīng)計(jì)算，碳水化合物水解后質(zhì)量增長(zhǎng)率約為11%，以此得到水解最終產(chǎn)物——葡萄糖的質(zhì)量估算式：

式中：M為食物中的碳水化合物水解成單糖的理論質(zhì)量當(dāng)量（單位：g），m為攝入食物的碳水化合物質(zhì)量（單位：g）。

得到食物中的碳水化合物質(zhì)量參數(shù)M后，血糖控制藥物劑量按下式計(jì)算：

式中：V為血糖控制藥物劑量（單位：u），k為藥物控制參數(shù)（單位：u/g）。因個(gè)體差異存在，血糖控制參數(shù)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到。

上述過(guò)程較為復(fù)雜，需要反復(fù)用到質(zhì)量稱量和含量計(jì)算。質(zhì)量稱量由稱重傳感器及接口電路自動(dòng)完成，相應(yīng)的食物名稱與碳水化合物含量通過(guò)點(diǎn)擊屏幕菜單實(shí)現(xiàn)，血糖質(zhì)量計(jì)算由程序自動(dòng)執(zhí)行。

圖1硬件原理示意圖

圖2 接口電路原理圖

1.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)圍繞食物名稱輸入或食品名稱建立以及質(zhì)量稱量進(jìn)行研究，采用質(zhì)量與名稱對(duì)應(yīng)輸入方式，如圖1所示。食物或食品質(zhì)量為絕對(duì)量。食物或食品名稱包含碳水化合物含量信息，名稱輸入后含量自動(dòng)輸入。質(zhì)量與含量之積即為碳水化合物質(zhì)量。首先選擇宏晶STC12C5A60S2微處理器（單片機(jī)）作為計(jì)算和控制元件，滿足質(zhì)優(yōu)價(jià)廉和便于開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要求；其次選擇觸摸屏為輸入設(shè)備，液晶顯示屏為輸出設(shè)備，解決因食物和食品種類多、單片機(jī)按鍵難以輸入的技術(shù)難題；然后選擇稱重傳感器作為質(zhì)量稱量組件，直接將質(zhì)量參數(shù)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后送入單片機(jī)[9]。如圖2所示，食物質(zhì)量信號(hào)被AD623和AD705放大合適倍數(shù)后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片PCF8591轉(zhuǎn)換，通過(guò)I2C總線送入單片機(jī)P2.0（接SDA線）口和P2.1（接SCL線）口。觸摸屏[10]與液晶顯示屏上下重疊合二為一，分別占用P0、P1的全部I/O口以及P2、P3的14個(gè)I/O口，共30個(gè)I/O口。觸摸屏選擇電阻型，表征坐標(biāo)位置的電壓信號(hào)由P1口進(jìn)入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后供控制程序使用。菜單分三級(jí)設(shè)置，第一級(jí)不多于10個(gè)按鈕，第二級(jí)不多于25個(gè)按鈕，第三級(jí)不多于20個(gè)按鈕。

1.3 編寫控制程序

估算過(guò)程需要反復(fù)用到質(zhì)量稱量和名稱輸入（點(diǎn)菜操作），稱量與點(diǎn)菜成對(duì)使用缺一不可。程序設(shè)計(jì)的主要原則是運(yùn)行流暢、操作簡(jiǎn)便、食物名稱即點(diǎn)即得。在不到3 in（1 in=25.4 mm）的顯示屏上選擇1 500多種食物，菜單分級(jí)不能超過(guò)3級(jí)，每級(jí)不得多于25種，點(diǎn)擊操作不能太多；點(diǎn)菜完畢后能夠列出清單，供使用者核對(duì)和修改，沒(méi)有問(wèn)題后予以確認(rèn)。對(duì)碳水化合物含量不同的同名食物分級(jí)顯示，便于區(qū)分和選擇，程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖

將控制程序刷進(jìn)單片機(jī)后，就成為一臺(tái)完整的血糖計(jì)算裝置，如圖4所示。在血糖控制實(shí)驗(yàn)中，需要使用食物單糖計(jì)算裝置進(jìn)行食物稱量和名稱輸入，并自動(dòng)計(jì)算食物或食品中的碳水化合物質(zhì)量，得到食源性血糖質(zhì)量。

2 結(jié)語(yǔ)

本文以《中國(guó)食物成分表（2012版）》提供的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以單片機(jī)計(jì)算與控制技術(shù)為核心，在控制程序控制下通過(guò)食物質(zhì)量稱量和食物名稱輸入完成單一食物血糖質(zhì)量計(jì)算并自動(dòng)求和，得到患者單次攝入食物產(chǎn)生的血糖總量。該研究結(jié)果對(duì)于建立食物血糖質(zhì)量與降糖藥物劑量對(duì)應(yīng)關(guān)系具有重要意義。

圖4 食源性血糖質(zhì)量計(jì)算裝置照片

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（收稿：2015-03-26 修回：2015-07-12）

Design of calculation apparatus for glucose mass from food intake

WU Xin-she1,XU Zhi-rong1,ZHOU Yan-bing1,XU Tian-bo1,HE Yan1,LIU Tian-bo2,ZHANG Wei-dong1
（1.Kunming General Hospital of Chengdu Military Area Command,Kunming 650032,China; 2.School of Information and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650050,China）

Objective To develop a calculation apparatus for food-originated glucose mass to determine the relationship between food glucose mass and drug dosage for glycemic control.Methods The calculation model was constructed based on China Food Composition Table(2012),and MCU control technology was used for hardware design focusing on food name input and mass weighing.The principles of smooth running and one-click operation were adopted for programming. Results The apparatus realized the calculation of food-originated glucose mass.Conclusion The apparatus can establish the corresponding relationship between drug dosage and glucose mass,and thus is of great significance for enhancing glucose control accuracy.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（11）：33-35]

food intake;blood glucose;calculation apparatus

R318.6；TH776

A

1003-8868（2015）11-0033-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.11.033

云南省科技廳重點(diǎn)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（2012BC014）

吳新社（1965—），男，工程師，主要從事醫(yī)用電子設(shè)備開(kāi)發(fā)方面的研究工作，E-mail：wuxinshe11@163.com。

650032昆明，成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院（吳新社，徐志榮，周燕兵，徐天波，何 艷，張衛(wèi)東）；650050昆明，昆明理工大學(xué)信息與自動(dòng)化學(xué)院（柳天波）

張衛(wèi)東，E-mail：zhodon@163.com