無創(chuàng)傷人體血糖檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

房東東， 孟立凡， 劉一江

（中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)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(guó)的糖尿病患者中，合并高血壓者多達(dá)1200萬(wàn)，冠心病者600萬(wàn)，雙目失明者45萬(wàn)，腦卒中者500萬(wàn)，尿毒癥者50萬(wàn)[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(cè)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(cè)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(cè)樣品對(duì)特定波長(zhǎng)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(duì)相應(yīng)波長(zhǎng)光的吸光系數(shù)，li為光在相應(yīng)吸收物光程長(zhǎng)，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(duì)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(cè)成分濃度之間具有很好的相關(guān)性，樣品成分濃度變化會(huì)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(jí))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(duì)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(duì)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(zhǎng)、檢測(cè)人體部位及主要器件的選擇

在活體測(cè)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(zhǎng)1450nm附近，紅蛋白的吸收在光波長(zhǎng)1100～1300nm，葡萄糖的吸收位于光波長(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)倍頻區(qū)域的特征吸收[8]。因此把信號(hào)波長(zhǎng)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(cè)量時(shí)為了保證測(cè)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(duì)較薄的肌肉組織層和骨骼，干擾信息較少。因此測(cè)量部位本文選取手指尖端。

鹵鎢燈輸出光的波長(zhǎng)為可見光在320nm～2500nm之間，囊括了血糖敏感波長(zhǎng)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(cè)器（Min.NEP=75fW·Hz-1/2）。光電探測(cè)器的靈敏度[7]如圖3所示。

圖3 LCA-S-400K-IN光電探測(cè)器的靈敏度

2.2 信號(hào)處理電路

為了保證信號(hào)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(tái)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(hào)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(hào)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(jí)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(hào)經(jīng)過微處理器處理，得到被測(cè)血糖濃度所對(duì)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(duì)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(cè)試者在被測(cè)試前均未進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)，手指保持干凈，空腹測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，被測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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(duì)應(yīng)的表格，經(jīng)誤差修正利用查表法進(jìn)一步提高測(cè)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(jiǎn)水生.血糖濃度檢測(cè)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(chéng)，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(cè)試[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(7):903-908.

[5]張?chǎng)?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(cè)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(dòng)民，陳星旦.近紅外光譜無創(chuàng)血糖檢測(cè)中有效信號(hào)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(cè)量中凈信號(hào)的提取方法[J].納米技術(shù)與精密工程,2008,6(3).