無創(chuàng)血紅蛋白檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陸猛 高錚 李莉 夏煦坤 利節(jié) 陳國榮

摘 要：血紅蛋白濃度一直以來都是人體生命特征中的一個(gè)非常重要的參數(shù)，但是傳統(tǒng)的檢測方法都是對人體血液樣本進(jìn)行采集，然后用血紅蛋白濃度計(jì)進(jìn)行分析，不僅檢測程序復(fù)雜還給受測者帶來身體上和心理的痛苦。該文針對無創(chuàng)血紅檢測對光線和溫度的特殊要求，考慮到測量的舒適度和準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種無創(chuàng)檢測人體血紅蛋白濃度的硬件裝置。

關(guān)鍵詞：血紅蛋白 無創(chuàng) 硬件結(jié)構(gòu)

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（b）-0113-03

Design and Implementationof Structure on Noninvasive Detection of HGB

Lu Meng Gao Zheng Li Li Xia Xukun Li Jie Cheng Guorong

（College of Electrical and Information Engineering，Chongqing University of Science and Tecnology，Chongqing，401331，China）

Abstract：Hemoglobin concentration has always been a very important parameter of human body feature， but the traditional detection methods are collecting human body blood samples， and then be analyzed with the hemoglobin concentration meter. However the test procedure not only complicated to participants of the physical and psychological pain.，To satisfy the special requirements of light and temperature with noninvasive blood testing measures， and consider the comfort and the accuracy of measurement， this paper design and develop a kind of noninvasive detection of human hemoglobin concentration of hardware devices.

Key Words：Hemoglobin；Noninvasive；Hardware structure

市場上現(xiàn)有的血紅蛋白濃度檢測方法主要是有創(chuàng)或微創(chuàng)檢測，不僅會(huì)在人身體上留下傷口，還容易發(fā)生傷口感染，且一天不能進(jìn)行多次測量，無法滿足某些疾病須經(jīng)常檢測血紅蛋白濃度的需求。例如：腫瘤患者、嚴(yán)重貧血患者，由于病情的特殊性，不能長期進(jìn)行抽血檢驗(yàn)[1]。為了克服這一缺陷，到目前為止，世界上有幾家公司宣布能無創(chuàng)檢測人體血紅蛋白濃度，但是檢測方法繁雜，且每臺(tái)血紅蛋白的檢測設(shè)備的售價(jià)接近20萬人民幣，價(jià)格昂貴，維修困難，人們無法承受，不適用于大批量的推廣，無法滿足人們的需求[2]。因此，便攜式血紅蛋白無創(chuàng)檢測儀具有很高的實(shí)用性，該文就介紹了一種能夠?qū)崿F(xiàn)無創(chuàng)檢測人體血紅蛋白濃度的檢測裝置。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)是依據(jù)Lambert-Beer定律，即生物組織中個(gè)成分對于光的吸收和散射有著不同的特征，根據(jù)光透過人體手指時(shí)被吸收的量來計(jì)算血紅蛋白濃度值[3]。該文設(shè)計(jì)的裝置由紅外發(fā)射裝置、幾部分構(gòu)成，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。利用至少3個(gè)發(fā)光二極管照射受測者手指指定部位，紅外接收裝置中設(shè)置有與發(fā)光二極管的個(gè)數(shù)相同的光敏二極管，且每一個(gè)發(fā)光二極管一一正對紅外接收裝置的光敏二極管，紅外接收裝置的每一個(gè)光敏二極管均經(jīng)一路信號處理電路與AD采樣模塊連接，該AD采樣模塊的數(shù)字輸出端與單片機(jī)連接，單片機(jī)上還連接有GPRS/GSM模塊，GPRS/GSM模塊用于向服務(wù)器或手機(jī)終端傳送檢測信息。由于血紅蛋白和水對紅外線波的吸收量的不同，光敏二極管接收到的紅外光波有所減少，紅外接收裝置將信號經(jīng)信號處理電路傳送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后，得出人體內(nèi)血紅蛋白的濃度，并通過無線傳送方式傳送到服務(wù)器或手機(jī)終端（見圖1）。

2 硬件構(gòu)成

2.1 發(fā)射光源

該設(shè)計(jì)中，由于不同波長的光源對人體的穿透能力不同，所以，在LED發(fā)射電路中選擇了3種波長LED集成光源[4]。結(jié)合入射光源波長選擇的原則：盡可能的使除血紅蛋白外的物質(zhì)吸收率低，而血蛋白的吸收率高，從而提高信噪比。選用了LED光源如圖2所示。

2.2 光電接收器和前置放大電路

光電接收器又名光電二極管，在該設(shè)計(jì)中，與LED發(fā)射光源相對應(yīng)，將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，輸出的電流信號為微安級，而AD采集的信號大小為0～3 V電壓，因此，余姚將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并進(jìn)一步放大。為此根據(jù)以上新能要求，選擇了AD公司的AD820運(yùn)放放大器置于每個(gè)光電接收器所在電路如圖3所示。

2.3 參數(shù)選擇

近紅外光的波長范圍為700～1400 nm，選用的波長個(gè)數(shù)越多，得到的結(jié)果會(huì)越準(zhǔn)確，但是系統(tǒng)的分析能力會(huì)下降，穩(wěn)定性降。所以，對于測量波長參數(shù)的選擇，參考日本Sysrnex的astrim，選擇3個(gè)波長：660 nm、805 nm、880 nm[5]。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到該裝置多場景的應(yīng)用，對裝置結(jié)果進(jìn)行了精密的設(shè)計(jì)。該裝置材質(zhì)采用的是PA66聚碳酸酯保證了強(qiáng)度的同時(shí)又能保持較輕的質(zhì)量，兩側(cè)的弧度設(shè)計(jì)充分的考慮到了各類人群手指的不同尺寸都能舒適的放置的同時(shí)又確保密不透光。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示[4]。

在該裝置中，信號處理電路、AD采樣模塊7、單片機(jī)8與GPRS/GSM模塊9均設(shè)置在電路安裝腔3內(nèi)。檢測口2的端面面積小于電路安裝腔3的端面面積，檢測口2的口壁與電路安裝腔3的腔壁之間的左、右連接面通過凹弧型曲面過渡。而在檢測口2的口壁上相對設(shè)置有兩塊長條狀的電路安裝板，其中一塊電路安裝板安裝一排紅外發(fā)射裝置4，另一塊電路安裝板安裝一排紅外接收裝置5。最后在檢測口2的口壁處相對開設(shè)有兩個(gè)缺口10作為觀察口。

4 結(jié)語

裝置具有體積小，重量輕，應(yīng)用場景廣，無創(chuàng)檢測，避免了傷口感染的問題，且在檢測過程中，無需化學(xué)過程和醫(yī)療器具，檢測速度快、成本低。意義，該設(shè)計(jì)的裝置優(yōu)點(diǎn)。能夠非常方便衛(wèi)生的實(shí)時(shí)檢測出人體血紅蛋白濃度，具有較高的醫(yī)療價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙顯峰，蔭士安.測定血紅蛋白含量的兩種方法[J].衛(wèi)生研究，2003，12（5）：217-218.

[2] 袁洪福，陸婉珍.近紅外光譜技術(shù)正在掀起一場分析效率革命[J].現(xiàn)代裝置，1999（5）：19-24.

[3] 劉慶珍.近紅外光譜法無創(chuàng)測量人體血紅蛋白濃度的研究[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[4] 曾博.基于分布式近紅外多波長傳感信息融合的無創(chuàng)血糖監(jiān)測系統(tǒng)[D].蘭州大學(xué)，2012.

[5] 李國軍.多波長無創(chuàng)測量血紅蛋白濃度的研究[D].四川：西南科技大學(xué)，2013.