无创伤人体血糖检测系统设计

房东东， 孟立凡， 刘一江

（中北大学电子测试技术国家重点实验室 太原 030051）

0 引言

糖尿病是一种常见的内分泌疾病，发高病率，是危害人类健康的4大疾病之一。根据世界卫生组织公布，2025年全球糖尿病患者人数将上升到3亿[1]。据调查显示，在我国的糖尿病患者中，合并高血压者多达1200万，冠心病者600万，双目失明者45万，脑卒中者500万，尿毒症者50万[2]。由此可见，预防和治疗糖尿病的意义重大。

本文根据近红外光的漫反射原理与比尔定律，利用血流容积周期性变化这一事实，以某一时刻的人体光谱背景作为标准背景，其余时刻光谱与标准背景作差进行校正，可以在很大程度上滤去噪声背景。采用测得电压与实际血糖浓度标定的方法，能够大大缩小该系统体积，减少运算量和制作成本。

1 系统检测血糖原理

光在组织中的传播遵从朗伯-比尔定律：

式（1）中,Aλ为被测样品对特定波长光的吸光度，I0(λ)和I(λ)分别为入射光强度和透射光强度，ci(λ)为第i种吸收物在对相应波长光的吸光系数，li为光在相应吸收物光程长，ci为相应吸收物的浓度。

人体组织中所含有的多种组分中的每一种对光的吸收作用均符合该定律。由该定律可知，样品的吸收度与待测成分浓度之间具有很好的相关性，样品成分浓度变化会导致光谱特征吸收的变化[5]。

人体组织中血流容积随时间周期性变化这一事实，早于20世纪30年代初就已经用光电方法记录下来[6]。以此为基础研制出的实用血氧仪也已在医学界广泛应用。在血流容积随着脉搏发生变化的一个或几个周期(秒量级)内，人体背景组织的物理、化学参数和血液成分含量信息几乎没有变化，而血流容积一直在变。因此在不同时刻可以假设人体的手指模型如图1所示。

图1 不同时刻人体的手指模型

在t1时刻人体的血液容积如图1中a所示，经过Δt后血液容积如图1中b所示。对这两种情况下人体的反光强度进行采样，然后两者做差便可得消去人体复杂背景下的强噪声。最终得出血液容积变化量对于血液成分信息的有效光谱信息[7]。

2 系统结构与设计方案

系统设计框图如图2所示。

图2 系统总体设计框图

2.1 光源波长、检测人体部位及主要器件的选择

在活体测量中，主要的吸收成分包括水、红蛋白、白蛋白和葡萄糖。水的吸收在光波长1450nm附近，红蛋白的吸收在光波长1100～1300nm，葡萄糖的吸收位于光波长1600nm附近较宽的区域，而白蛋白在该区域无明显吸收。在光波长1550～1650nm区域出现的吸收则可以认为是葡萄糖分子在一级倍频区域的特征吸收[8]。因此把信号波长选为1620nm。

人体手指尖端部位分布着高密度的毛细血管，能迅速反应人体内血糖浓度的变化。在有创测量时为了保证测量的准确度，患者也大都是从手指采血。其次，人体手指尖端具有相对较薄的肌肉组织层和骨骼，干扰信息较少。因此测量部位本文选取手指尖端。

卤钨灯输出光的波长为可见光在320nm～2500nm之间，囊括了血糖敏感波长1620nm。因此本文光源选择20W的卤钨灯。系统采用了FEMTO公司的LCA-S-400K-IN光电探测器（Min.NEP=75fW·Hz-1/2）。光电探测器的灵敏度[7]如图3所示。

图3 LCA-S-400K-IN光电探测器的灵敏度

2.2 信号处理电路

为了保证信号的纯净和较易采集，本文设计了一放大低通滤波电路如图4所示，经过推导得出该电路的传递函数为在MATLAB平台下得其幅频特性和相频特性如图5所示，由频率响应特性看出电路在-3dB左右时为27Hz，即该电路的通频带为27Hz。

图4 二阶低通滤波电路

经过处理后的信号送入AD转换器进行数据采集。系统采用ADS8343转换器，信号送入AD转换器后，AD转换器以串行方式输出至微处理器。由于血流容积发生的变化在秒量级内，因此采样频率不必过大。本系统设计的采样频率为50Hz，采集到的信号经过微处理器处理，得到被测血糖浓度所对应的电压值，然后在液晶屏上显示。通过具体查表的方法找出具体温度环境下，电压值所对应的实际血糖浓度。

图 5 电路的频率响应特性

3 实验与结论

在室温25℃ 湿度75%，30名测试者在被测试前均未进行剧烈运动，手指保持干净，空腹测试结果发现，被测者血糖浓度在 3.40～7.07mmol/L，每一血糖浓度值与AD转换后的电压一一对应，部分数据如表1所示。

另外改变单个个体手指粗糙程度发现测得血糖值基本不变，所以该系统能够很好的解决因手指粗糙程度不同所带来的误差。初步标定发现，因个体差异导致标定结果尚不能精准地反应每位被测者的血糖浓度，与临床要求还有差距。后续研究中在分析大量数据的基础上，统计出不同环境、体重、身高、脉搏频率等血糖浓度与电压所对应的表格，经误差修正利用查表法进一步提高测试精度，以满足临床要求。

表1 部分数据

[1]刘娟,王尚奇,简水生.血糖浓度检测技术的最新进展[J].激光生物学报,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]陈真诚，金星亮，徐效文,等.一种无创血糖仪设计的初步研究[J].传感技术学报,2008,21(7):1119-1123.

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

[5]张雯,曹玉珍,刘蓉,徐可欣.基于二维相关中红外光谱技术的无创血糖检测特异性研究[J].光谱学与光谱分析,2012,32(6).

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

[7]丁海泉,卢启鹏,王动民，陈星旦.近红外光谱无创血糖检测中有效信号提取方法的研究[J].光谱学与光谱分析,2010,1(1).

[8]刘蓉,陈文亮,徐可欣.人体血糖无创测量中净信号的提取方法[J].纳米技术与精密工程,2008,6(3).