人体局部代谢率监测系统设计*

陈 刚， 朱健铭， 田树香， 陈真诚

(1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004；2.桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004)

人体局部代谢率监测系统设计*

陈 刚1， 朱健铭2， 田树香1， 陈真诚2

(1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004；2.桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004)

在实现将温度、湿度及辐射传感器集成于独立检测探头基础上，设计了一种人体局部代谢率监测系统。系统通过采集人体指端生理参数，根据人体能量代谢守恒法，建立数学模型并计算静息代谢率。经过实验验证：该系统可以实现代谢率的方便测量，测试结果能够反映人体正常的代谢情况。由于系统设计简便、成本低，可被广泛用于人体的能量代谢率检测。

检测探头； 代谢率； 能量代谢守恒

0 引 言

基础代谢率作为一项重要的生理指标，是静息状态下人体维持生命所需消耗的最低能量，在人体的热分析中起着重要的作用。由于基础代谢率对某些疾病的诊断有重要的意义，对于代谢率的测量研究也成为人们竞相探索的重要课题[1～5]。目前常用的测量代谢率的方法有直接测热、间接测热、双标水法、心率监测法、公式预测法等。直接测热的原理简单，结果精确，但造价昂贵，技术复杂，应用受到限制。间接测热法即通过测定气体代谢的方法，间接测定能量消耗，由于测量仪器相当昂贵，操作复杂，难以实现一般性应用，最典型的能量代谢测定系统(代谢车)是目前公认的临床上测定基础代谢率的金标准。由于公式估算基础代谢率存在地域差异、人体个体差异等准确度难以保证。因此,并不适合于估算我国人体基础代谢率[6～11]。

本文在研究文献[12，13]的基础上，修正了王弟亚等人的局部代谢率计算方法，并通过实验验证了修正后算法的正确性。该系统的实现降低了生产成本，同时简化了测量过程，避免了上述测量方法存在的缺陷，展现了人体代谢率检测研究的一种新思路。

1 基本原理

糖、脂肪和蛋白质在人体内氧化释放能量，根据能量代谢守恒法，机体消耗的能量应该等于产生的热量和所做的功。由于人的体温是恒定的，在机体不对外做功的情况下，单位时间的产热量应该等于向外散发的总热量，所以，测定机体一定时间内散发的总热量，便可以知道机体的能量代谢率[14]。其中能量的散失方式主要有对流、辐射、蒸发，所以，从热力学第一定律出发建立人体热平衡方程

S=M±E-(±W)±R±C,

(1)

式中 S为人体贮热率(热量增加为正)；M为代谢率(恒为正)；E为蒸发散热率(失热为负)；W为作功率(对外作功为正)； R,C为表面辐射和对流换热(获得热量为正)；由于测量环境需要在人体静息状态下进行，所以，方程中的S=0，W=0；通过测量人体局部组织E,R,C的值，即得到人体局部代谢率。

人体大部分体热(约85 %)是通过皮肤散发的，故可以通过对人体局部皮肤(本文检测对象为手指指表)进行检测来获得人体指端代谢率，根据人体蒸发散热方程建立以下修正后的数学模型

E=L+Eres+Ed+Esv,

(2)

L=0.001 4×M×(34-Tw),

(3)

Eres=1.72×10-2×M×(5.867-pa),

(4)

Ed=3.054×(0.256Tf-3.37-pa),

(5)

Esv=Wrsw×16.7×he×(0.256Tf-3.37-pa).

(6)

2 系统硬件设计

系统硬件由MSP430控制器[15]、LCD液晶显示模块、按键模块、电源模块、USB通信模块等部分组成，检测系统能够实现代谢率的实时监测、大量数据存储、实时显示、USB通信等，本系统采用M25P64数据存储芯片，此芯片为64M低功耗、串行FLASH内存芯片，擦写次数超过10万次，性能可靠。在系统设计中，为用户提供了数据存储、擦除、记忆功能，用户可以翻页查询每次测量的数据，增强了系统的灵活性。

USB数据通信方式具有即插即用、支持热插拔、数据传输可靠、扩展方便、低成本等优点，被广泛应用于嵌入式系统设计中，本设计采用南京沁恒电子有限公司生产型号为CH372的USB总线接口芯片，实现将采集的数据通过USB数据传输方式实时上传给上位机，此芯片为CH371的升级升级产品，在CH375的基础上减少了USB主机方式和USB串口通信等方式，所以,硬件成本更低，但其功能完全兼容CH375，可以直接使用CH375的WDM驱动程序和DLL动态链接库。具体系统设计框图如图1所示。

图1 监测系统结构框图Fig 1 Structure block diagram of monitoring system

在整个系统中传感器探头(如图2)是检测系统中尤为重要的部分，它直接将温度传感器(位置1，3)、湿度传感器(位置2，5)、辐射传感器(位置4)分别焊接于探头相应位置，调试无误之后，将手指放在探头皮垫表面，并保证手指表面与温、湿度传感器一定程度的接触，同时与辐射传感器保持要求距离。测量时保持手指自然干燥，测量过程中手指平放并且避免移动，通过接口(位置6)与控制模块连接。

由于检测探头是电路板布线,所以,在与主板连接的过程中避免了引进干扰，保证了信号的稳定和准确。

图2 检测探头实物图Fig 2 Physical diagram of detecting probe

3 系统软件开发

本文所开发的软件包括上位机和下位机两部分，下位机软件包括数据采集程序、数据处理程序、LCD显示程序、键盘扫描、FLASH读写以及USB通信程序；上位机软件包括USB通信、显示及数据库存储三个部分。

3.1 下位机软件的开发

下位机软件是整个检测系统各部分协调工作的核心，在它的控制下，系统完成了各个系统自检、数据采集、数据计算等工作。本设计中下位机软件开发环境选用IAR Embeded Workbench，根据图3所示其程序开发流程，编写各部分程序代码，即可在IAR中进行编译、调试与烧写。下位机软件主要实现采集6路人体生理信号，经过多路选择器送到A/D进行模/数转换，MSP430单片机[16]实现最终的检测算法，并将数据存储于外部FLASH。

图3 系统软件流程图Fig 3 Flow chart of system software

3.2 上位机软件的开发

上位机软件模块主要包括：USB通信、人机界面、数据库存储等，用来接收下位机上传来的数据，由于本设计所需数据较多，考虑到后续的数据分析、处理，如果每次都用Matlab软件进行数据转换会给研究工作带来了很大的不便，所以,在程序中已经实现将十六进制的数据自动转换为十进制并显示，同时以十进制形式数据存入数据库，以供后续数据处理。

本论文中的上位机软件采用最新的Qt 5.1.0作为开发环境，并运用C++语言进行程序的编写。通过界面设计、程序编写、调试，完成了数据的接收、显示，并把数据存储在MYSQL数据库的数据表中。

4 实验结果

理论上，人体正常进食后在内分泌激素的调节作用下，会引起血糖浓度升高和血糖利用增强，从而使代谢率增加。所以，可以通过测定局部代谢率，利用其与血液中糖代谢的关系验证结果的正确性。同时，基础代谢率会随着性别、年龄等不同有生理变动，年龄越大，代谢率越低，一般来说，基础代谢率的实际数值与正常平均值相差10 %～15 %都属正常。

在环境25 ℃下，选定7名志愿者在餐后2 h并处于静息状态下，利用该系统进行指部代谢率检测，同时使用雅培血糖仪进行微创血糖测量，得到检测结果如表1所示，两者相关性分析分别如图4所示，R2=0.932 3,表明两者拟合程度较高，局部代谢率随着血糖值的升高而呈现增长趋势，实验测定的数据与理论相符。

表1 血糖值与局部代谢率的测量数据Tab 1 Measurement data of blood glucose value and local metabolic rate

经过实验研究[14](即利用能量代谢监测系统实际测定的人体基础代谢率随年龄变化曲线)证实，随着年龄的增长，人体基础代谢率呈现递减的趋势。如图5为本实验测定的数据分布散点图，此图反映出了与理论一致的递减关系，说明测定局部代谢率的方法是可行的。

图4 血糖值与局部代谢率一致性分析图Fig 4 Consistency analysis diagram of blood glucose value and local metabolic rate

图5 人体指端代谢率随年龄的变化规律Fig 5 Change rules of finger tips metabolic rate with age

5 结 论

本文从人体基础代谢率检测的实际意义出发，根据人体能量代谢守恒法，建立了局部组织代谢率检测的数学模型，通过硬件平台搭建，软件的调试和实验测定人体指部代谢率，证明了检测结果与所用方法的正确性。实验数据显示：人体局部代谢率可以很好地反映人体整体代谢情况，同时表现出代谢率随人体年龄差异的不同而发生明显的变化，与人体能量代谢理论相符合。

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Design of monitoring system for local human body metabolic rate*

CHEN Gang1, ZHU Jian-ming2, TIAN Shu-xiang1, CHEN Zhen-cheng2

(1.School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China； 2.School of Life and Environmental Sciences,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

On the basis of integration of temperature,humidity and radiation sensor in an independant detection probe,design a kind of monitoring system for local human body metabolic rate.By collecting human fingers physiological parameters,according to the law of conservation of energy metabolism,set up mathematical model and calculate the resting metabolic rate of human.After experimental verification,the system can realize convenient measurement of metabolic rate,the test results can reflect human body metabolism. Due to simple and low cost design of system,it can be widely used in measuring human body’s energy metabolic rate.

detection probe; metabolic rate; conservation of energy metabolic

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0073—03

2014—01—08

国家自然科学基金资助项目(61271119)；广西自然科学基金资助项目(2011GXNSFA18183)；国家科技支撑计划资助项目(2013BAI03B01)

R 318.6

A

1000—9787(2014)08—0073—03

陈 刚(1988-)，男，河北保定人，硕士研究生，主要研究方向为生物医学传感器与智能仪器。