便携式无创血糖检测仪的研制*

周茗思，陈真诚 ，朱健铭，2

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，长沙 410083;2.桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西桂林 541004)

糖尿病作为世界范围内的流行疾病，是威胁人类健康四大疾病之一。它是一种内分泌障碍性疾病，更可导致感染、心脑血管病变、肾功能衰竭、双目失明等疾病，从而成为致死致残的主要原因。由于糖尿病的遗传性和现阶段人们饮食生活习惯的改变，资源环境受污染程度的增加，使得糖尿病的发病几率呈上升趋势，预计2025年全世界糖尿病患者人数将逾3亿［1－2］。对于糖尿病的预防、检测和治疗成为亟待突破的研究重点。

目前，血糖检测手段分为有创、微创和无创三种，前两种检测手段给患者带来疼痛感，感染机会大。市场急需一种无创伤、精度高的血糖检测仪器［3－4］。本文介绍一种基于能量代谢守恒定律［5］的便携式无创血糖仪的关键技术，采用这种技术研制的仪器可实现多参数、可重复、无创血糖检测，对糖尿病监测具有重要的意义和价值。

1 检测原理

日本Ok Kyung Cho等人提出代谢热整合法［6－7］(Metabolic Heat Conformation，MHC)无创血糖检测。本文以在此基础上改进的能量代谢守恒法为无创血糖检测算法核心，将血糖值与其他生理参数关系表示如下式:

其中GLU为血糖浓度水平，SpO2为动脉血氧饱和度，BF为血液流量，ξ为修正因子。可知，只需得出BF，SpO2，PF便可以推算出血糖水平。

2 系统结构与实现

系统原理图如图1所示。由传感器集成器［8］进行多参数测量，测量量包括双波长光透射衰减量、指表温度、手指近端温度、手指远端温度、环境温度、集成器内部湿度、环境湿度、目标辐射温度、环境辐射温度。测量量通过以TMS320F2812为主控芯片的无创血糖检测系统进行筛选、分析、计算，测量结果由液晶显示，原始数据可选择导出。

图1 系统原理框图

2.1 系统硬件检测电路设计

仪器硬件检测电路分为:电源;复位;USB传输;串口传输;AD校正;光电法测量血氧饱和度、脉率;键盘;液晶显示八部分。

传感器将采集到的十路信号并行传输到检测电路板，检测电路分两部分处理:首先，两路双波长光衰减量信号通过两级放大和光强调制电路，实现对传感器光源强度、显示器件的控制，使测量量在合理范围内。同时指导手指合理放置，从而获得亮度合适、放置时间适宜的手指脉搏波信号;其余八路温度、湿度传感器的电压信号经过硬件分压，从而控制其输入电压值小于3 V以保证满足DSP的I/O口输入电压范围要求，并进行模拟滤波电路工频去噪。

信号经过上述处理后，通过F2812的16通道12位A/D转换器以1 000 Hz频率采样进入DSP，再由软件处理实现算法。最终血糖测量结果通过240×320点阵液晶显示。

2.2 系统软件设计

无创血糖检测软件系统针对DSP分成信号处理和液晶控制两大部分。其中信号处理部分负责A/D转换、A/D校准、数字滤波、D/A转换、算法实现和发送数据控制;液晶控制部分负责液晶菜单显示、外部参数按键输入、传感器测量数据显示、血糖结果显示和诊断结果说明，液晶菜单结构如图2所示。

图2 菜单结构图图

血糖测量软件系统流程图如图3所示。由于目标辐射传感器的响应时间短，一旦手指放入传感器集成器，则目标辐射传感器电压产生突变。因此系统以目标辐射传感器的温度值骤变作为测量开始的判断条件。系统将A/D通道转换完成的8路传感器数据和2路双波长光衰减量信号数据分区域存储到片外存储器中。

两路双波长光衰减量数据表征红光和近红外光透射强度，采用光电法测量血氧饱和度理论［9－11］依据朗伯－比尔(Lambert Beer)法则，应用红光和近红外光检测脉搏波信号原理，血氧饱和度计算如式(2)所示:

图3 测量系统流程图

其中，ΔIrdmax、ΔIirdmax为红光和红外光强最大变化量，Irdmax、Iirdmax为红光和近红外光强最大值，A、B为相关系数值。

本仪器通过手指脉动检测脉搏波信号，判断脉搏波峰计算出脉率，取检测到5个脉搏波峰取平均的方法来计算脉率值。

八路温度、湿度数据表征各传感器电压值，软件系统根据传感器各测量量与目标值间的转换关系得到相应的温度、湿度值。

对于10路输入信号值，TMS320F2812具有2个12位精度的ADC可以实现信号的模数转换，由于这些信号直接影响人体局部代谢率的取值，为提高仪器精度要求数模转换误差尽可能小。一般情况具有12位精度的ADC误差应该控制在0.1%，实际使用中发现 F2812的 ADC误差较大，最大可达到9%。为此，仪器采用两路参考电压1.25 V，2.5 V进行校正，根据式(3)计算得出A/D转换的增益误差系数Gain和失调误差系数Offset:

式(3)中V2.5，V1.25为参考电压 A/D 转换后得到的数字量值，v2.5，v1.25为参考电压标准模拟量值，根据式(4)进行A/D校正:

由A/D转换结果可以推算出实际输入量，进行数值的校正更新存储。更新存储之后，软件系统提取存储器中各个扇区数据进行算法执行。温、湿度传感器检测各分量结合生理学、传热学、流体力学等相关理论得出检测所需温、湿度值等。根据手指近端、远端温度值对时间的积分差值得出血流量表征值。根据以上各分量获得人体手指局部血糖检测修正参数［12］。

由于各个测量值不直接表征相应的生理参数值，因此需要做归一化处理，以各个量的平均值作为归一化的分母。将所有相关量归一化之后，乘以不同的权重系数，最终约20s液晶显示出血糖浓度。

归一化处理要求仪器建立一个数据库，这个数据库中存储测量相关量的平均值，而且这个均值随着测量对象的增加需要进行更新，因此软件设计中在外部存储器中预留出一个扇区作为仪器的数据库，这部分数据在每次仪器开关、使用过程中不会被擦除，只在每次测量结果得出之后进行静默更新，也就是在使用中可以进一步提高仪器精度，充分体现出智能化的优点。

3 实验结果分析

仪器样机如图4所示。样机实验主要达到两方面目的，一方面进行仪器参数校正，仪器样机实验测量结果与临床生化分析仪测量结果比较，对血氧饱和度、脉率算法中系数进行校准;另一方面丰富仪器自身数据库，进行各分量的权重校正，提高归一化计算中各相关量均值的精度。

图4 无创血糖检测样机

对20名志愿者进行了无创血糖样机检测实验，实验在室内进行，室内温度26℃，室外温度29℃，室内湿度75%，测试者受试前均未进行剧烈运动，未进食，测试前保证手指清洁。表1为样机实验部分具有代表性受试者检测数据。

由表1测试结果可知无创血糖样机检测试验中，结果在3.40 mmol/L～7.07 mmol/L范围内。受试者采用AUTOLAB全自动生化分析仪检测结果在3.29 mmol/L ～7.46 mmol/L 范围内，绝对误差范围在－0.5 mmol/L～0.5 mmol/L范围内，两者的相关系数约为0.87。经分析误差主要来源于以下几方面:各传感器精度导致检测生理信号电压量误差;电路元件及环境噪声干扰;算法模型建立过程中忽略了部分生化反应微量能量;数据处理过程对于浮点数小数部分的舍入误差;受试对象个体差异引起的误差，如手指直径、皮肤厚度等。

表1 便携式无创血糖检测样机实验数据

4 结论

本文以能量代谢守恒法为基础，提出了一种基于TI DSP的便携式无创血糖检测仪器的研制方法。文中介绍了仪器的检测原理，系统软、硬件组成，菜单结构以及算法实现过程。通过20位受试者样机检测实验数据与生化分析仪检测结果比较得出相关系数达到0.87。由此表明，该仪器体积小，操作简便，检测速度快，结果较为准确、可靠，对于实现血糖无创检测有重要意义。

后续研究中，还需改进传感器集成器结构，选取精度合适的传感器，以减小输入量误差;改进手指算法模型，提高算法精度;增加临床实验受试者数量，特别是增加糖尿病患受试者以保证有针对性校正仪器参数，提高疾病的检出率。

［1］姜利英，任丽洁，陈青华，等.血糖检测技术研究进展［J］.传感器世界，2009，10:6－10.

［2］King H，Aubert R E，Herman W H.Global Burden of Diabetes 1995－2025:Prevalence，Numerical Estimates and Projections［J］.Diab.Care，1998，(21):1414－1431.

［3］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.

［4］贺银增，肖宏辉，常凌乾，等.一种低功耗无创血糖仪设计与性能测试［J］.传感技术学报，2010，23(7):903－908.

［5］王弟亚，陈真诚，朱健铭，等.基于无创血糖检测技术的数据处理算法［J］.中国生物医学工程学报，2010，29(1):100－105.

［6］Ok-Kyung Cho，Yoon-Ok Kim，Schwerte(DE).Blood Sugar Level Measuring Apparatus［P］.United States:2004/0225209，2004.

［7］Ok Kyung Cho，Yoon Ok Kim，Hiroshi Mitsumaki，et al.Noninvasive Measurement of Glucose by Metabolic Heat Conformation Method［J］.Clinical Chemistry，2004，50(10):1894－1898.

［8］王弟亚，陈真诚，朱健铭，等.基于无创血糖检测的传感器集成器设计［J］.传感器与微系统，2009，28(12):74－76.

［9］王建军，孙万蓉，张旭，等.通过频谱分析测量血氧饱和度［J］.生物医学工程研究，2004，23(3):167－169.

［10］李作君，张跃.动态血氧监测中脉搏波处理和脉率提取新方法［J］.自动化与仪表，2009，24(12):1－4.

［11］于巍，张宁，姚翔，等.血氧饱和度检测中自动增益控制方法的研究［J］.医疗卫生装备，2006，27(2):7－8.

［12］李俊峰，唐飞，徐效文，等.热传递法无创测量血液流速［J］.仪器仪表学报，2006，27(z2):1178－1180.