葡萄糖水溶液阻抗检测系统的设计应用

周菁楠　朱 立



葡萄糖水溶液阻抗检测系统的设计应用

周菁楠①朱 立①

[摘要]目的：设计葡萄糖溶液阻抗检测系统，分析研究葡萄糖水溶液浓度水平与阻抗的关系，为研究人体血糖检测与血液阻抗的关系奠定基础。方法：采用AD5933中的数字频率合成器(DDS)产生激励信号，施加在待测阻抗上，模拟数字转换器(ADC)采集相应信号并送到片内离散傅里叶变换(DFT)模块进行数字处理，测量结果通过I2C送至单片机，再由单片机与计算机上位机通讯，计算机显示该阻抗值。结果：该仪器能够实现电阻、电容、电感及葡萄糖水溶液阻抗快速和准确地测量。实验验证，阻抗幅值和相位测量的相对误差较小，电阻阻抗平均偏差为0.04，相位平均偏差为0.15o。结论：葡萄糖水溶液阻抗检测系统的应用，可准确测量出葡萄糖水溶液浓度水平；葡萄糖水溶液浓度与阻抗呈线性相关，相关系数＞0.99。

[关键词]AD5933数字频率合成器；阻抗检测；STC89C52单片机；上位机I2C；葡萄糖

①浙江省肿瘤医院设备科 浙江 杭州 310022

周菁楠,女,(1986-),本科学历，工程师。浙江省肿瘤医院设备科,从事医疗设备采购和维修工作。

[First-author’s address]Equipment Department,Zhejiang Cancer Hospital,Hangzhou 310022,China.

据世界卫生组织公布，到2025年全世界糖尿病患者人数将上升到3亿[1]。目前，我国该病群体规模已超过9240万人，居全球之首。在中国糖尿病患病率正快速升高，并呈现发病年轻化的趋势。然而，糖尿病仍然是现代医学的一个不治之症，由于血液中的葡萄糖浓度升高，造成对身体诸多系统的损害，尤其是血管和神经，引发许多严重的并发症，如心脏疾病、失明、神经病变、肾功能衰竭以及脚病，故糖尿病已成为人类健康的无情杀手之一[2]。

为了控制疾病，防止并发症，经常检测糖尿病患者的血糖水平是必不可少的。目前，医院中最常用的检测血糖的方法是采集血样，处理后加入相关反应试剂，之后再采用大型的生化检测设备进行分析[3]。该方法虽然准确，但由于其过程繁琐、操作复杂、耗材量大以及采血量大，不利于多数患者的自我监护。因此，寻找一种新的血糖阻抗检测方法检测血糖浓度，对于减少耗材、节约资源极具实际意义。为此，本研究重点对葡萄糖水溶液浓度与阻抗的关系进行分析探讨[4]。

1　葡萄糖溶液阻抗检测系统总体设计

近年来，血糖检测方法的研究主要体现在无创性血糖测量技术上，其中光纤辐射、体液获取和生物阻抗3类最具前景[5-6]。相比较于前两种方法，生物阻抗则具有压倒性的优势，因其对血、气、体液以及其他组织组成的变化非常敏感，可用于早期发现癌症和身体成分分析[7]。

血液阻抗在不同的频率下是不同的，因此，可以由选定频率下的阻抗测量值计算出血液中葡萄糖的浓度[8]。无创血糖监测阻抗与保持低成本的红外技术相比，测量时间短、精确度高。此外，如果精心选择当前频率，可在同一时间测量多组血液。基于这些优势，本研究设计一款葡萄糖溶液阻抗检测系统，分析葡萄糖溶液浓度与阻抗的关系。其整体设计如图1所示。

图1　葡萄糖溶液阻抗检测系统整体框图

阻抗检测利用AD5933芯片中的直接数字频率合成(direct digital synthesizer，DDS)产生激励信号，施加在待测阻抗上，模拟数字转换器(analog-todigital converta，ADC)采集相应信号并送到片内离散傅里叶变换(discrete fourier transform，DFT)模块进行数字处理，测量得到阻抗的实部、虚部和相位数据[9]。通过单片机的2个I/O口来实现总线接口，其中一个I/O口模拟SDA数据线的时序，另一个I/O口模拟SCL信号线的时序，以实现I2C通信。即单片机下位机与计算机上位机通讯，计算机显示该阻抗值。设置起始频率及步进频率后，上位机可以绘制将频率范围内所测得的阻抗模值及相位与频率的关系图。

2　葡萄糖溶液阻抗检测系统硬件设计

2.17805电源模块设计

系统设计采用9 V电池与7805稳压芯片组成的5 V输出电源。7805稳压器不仅能输出较稳定的5 V电压，而且成本低，电路简单(如图2所示)。

图2　7805电源电路图

2.2STC89C52单片机最小系统

STC89C52单片机最小系统选取11.05 MHz晶振，因其可准确得到57600波特率，可用于有串口通讯的场合(如图3所示)[10-11]。

图3　STC89C52最小系统电路图

2.3串口模块

由于最小系统中未直接与计算机互联的RS232接口，因此需要一个电平转换模块完成TTL-RS232之间的电平转换，将RXD接到单片机的TXD；TXD接到单片机的RXD，即可实现单片机与上位机的连接(如图4所示)[12]。

图4　RS232-TTL模块电路图

2.4AD5933阻抗检测模块

AD5933是一个高精度的阻抗变换系统，可以计算出在每个扫描频率下的被测目标阻抗的模和相角[13-14]。AD5933阻抗检测模块基本结构如图5所示。

图5　AD5933基本结构图

经过AD5933阻抗变换系统计算后得到的模值并非实际阻抗值，需乘以一增益系数A。已知标定电阻Rref和模值求A为公式1：

已知该频率下增益系数A和待测电阻的模值求实际阻抗Rx为公式2：

对于不同的测量频率点，增益系数不同，因此在不同的频率点上分别计算增益系数。此外，在测量过程中可通过标定电阻的测量范围优化测量性能。测量时在AD5933的RFB和Vin之间接入标定电阻，Vin和Vout之间接入待测电阻，测量之前预估待测电阻所在的范围，选择相应标定电阻，在每个频率点上需先对标定电阻进行测量和计算，再以此为标准计算被测电阻(如图6所示)。

图6　AD5933外围电路图

3　葡萄糖溶液阻抗检测系统软件设计与分析

3.1系统软件框图

设计上位机软件通过Visual Basic6.0开发，可以实现量程的选择、输入电压和输入增益的选择，起始频率、步进频率的设置，阻抗值与相位的画图显示[15]。阻抗检测流程图、上位机软件框图和单个阻抗检测过程软件流程经多次实验软件运行稳定(如图7所示)。

图7　单个阻抗检测过程软件流程图

3.2电容值的计算代码

'虚部＜0，为容性

If(Imaginary≤0)Then

Capacity＝2×3.141592·Val(Text4.Text)· Imaginary'容性值的负倒数

If(Abs(Capacity)＜0.000001)Then'如果倒数很小，则表明容性很大

Text7.Text＝"∞"

Label28.Caption＝"容性(F)"

Exit Sub

End If

3.3电感值的计算

'虚部＞0，为感性

Else

Inductance＝Imaginary/(2×3.141592·Val(Text4.Text))'计算感性值

If(Inductance＜0.000001)Then '＜1 uH，则按单位为nH显示

Label28.Caption＝"感性(nH)"

Inductance＝Inductance*1000000000#

Else

If(Inductance＜0.001)Then'＜1 mH≥1 uH，则按单位uH显示

Label28.Caption＝"感性(uH)"

Inductance＝Inductance·1000000#

Else

If(Inductance＜1)Then'＜1 H≥1 mH，则按单位mH显示

Label28.Caption＝"感性(mH)"

Inductance＝Inductance·1000#

Else '＞1 H，则按单位H显示

Label28.Caption＝"感性(H)"

End If

End If

End If

4　实验结果

本研究对不同浓度的葡萄糖水溶液阻抗进行测试，其结果如图8所示。

图8　不同浓度水平葡萄糖水溶液阻抗图

运用matlab进行线性最小二乘拟合[16]：相关系数为0.9994，显示有很高的相关度。

用标准阻值的电阻进行多次测试，电阻阻值平均误差为0.0411，电阻相位平均误差为0.152；电容阻抗平均误差为0.0721，电容相位平均误差为0.152；葡萄糖浓度与阻抗值呈线性关系，相关系数分别为0.9978，0.9982(如图9、图10所示)。

图9　葡萄糖水溶液浓度与阻抗关系图

图10　葡萄糖水溶液浓度水平与阻抗关系图

5　结论

本研究利用AD5933阻抗芯片进行葡萄糖溶液阻抗检测系统的软件、硬件开发和研制，分析糖尿病的现状及其危害，指出研究实施的意义所在，并对系统的软、硬件进行了探讨，通过调试系统取得了满意的效果。

本研究尚处于试验研究阶段，葡萄糖溶液阻抗检测系统虽然实现了电子器件(电阻、电容及电感)阻抗的测量及葡萄糖水溶液的阻抗值，但尚未推广到人体血糖检测。然而，人体血液阻抗受葡萄糖以外其他因素的影响，在确定阻抗和血液中的葡萄糖浓度的关系必须要考虑，其中包括血液中的电解质浓度、皮肤状况、血流和体温等因素。

参考文献

[1]King H，Aubert RE，Herman WH.Global burden of diabetes，1995-2025：prevalence，numerical estimates，and projections[J].Diabetes Care，1998，21(9)：1414-1431.

[2]张芸.老年糖尿病并发症的综合防治与临床观察[J].中国实用医药，2011，1(6)：73-74.

[3]Maruo K，Tsurugi M，Tamura M，et al.In vivo noninvasive measurement of blood glucose by near-infrared diffuse-reflectance spectroscopy[J].Applied Spectroscopy，2003，57(10)：1236-1244.

[4]季忠，秦子辉，程星星，等.血糖无创检测原理及仪器实现研究[J].生物医学工程学杂志，2010，27(1)：222-226.

[5]Ren Chao-shi.Medical Impedance Technology and its Clinical Applications[J].World Medical Equipment，2003，9(2)：50-53.

[6]席强，赵敏，杨华元，等.基于AD5933阻抗测量芯片的人体经穴阻抗动态监测系统研制[J].中国医学装备，2014，11(11)：7-9.

[7]Caduff A，Hirt E，Yu F，et al.First Human Experiments with a Novel Non-Invasive，Non-Optical Continuous Glucose Monitoring System[J].Biosensors&Bioelectronics，2003，19(3)：209-217.

[8]Richardson EH，Stig O，Randall WR.Method and apparatus for non-invasive determination of glucose in body fluids[P].Official Gazette of the United States Patent Trademark Office Patents，2003.

[9]Pous SP，Carton X，Lazure P.Realization of Complex Impedance Measurement System Based on the Integrated Circuit AD5933[C]//Telecommunications Forum(TELFOR)，2013 21st.IEEE，2013：573-576.

[10]Nikawa Y，Someya D.Application of millimeter waves to measure blood sugar level[J].Proceedings of APM，2001，3(3)：1303-1306.

[11]李广弟.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，1993.

[12]马玉春，宋瀚涛.串行通信协议的研究及应用[J].计算机应用研究，2004，21(4)：228-230.

[13]李静，陈世利.基于AD5933的阻抗分析仪的设计和实现[J].现代科学仪器，2009，4(2)：28-30.

[14]Ferreira J，Seoane F，Ansede A，et al.AD5933-based spectrometer for electrical bioimpedance applications[C]//Journal of Physics：ConferenceSeries，2010.

[15]恒扬科.Visual Basic6.0程序设计学与用教程[M].北京：机械工业出社，2003.

[16]张志涌.MATLAB教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001：142-145.

[17]谢显中，马彬.认知与协作无线通讯网络[M].北京：人民邮电出版社，2011.

Research on impedance detection device of glucose solution

/ZHOU Jing-nan,ZHU Li//China Medical Equipment,2016,13(3):7-11.

[Abstract]Objective:To analyze the relationship between the concentration of glucose and the impedance of human blood,and study the relationship between human blood glucose detection and human blood impedance.Methods:The system adopts the AD5933 digital frequency synthesizer(DDS)in the excitation signal is produced,imposed on the impedance under test,the ADC acquisition signal and sent to the corresponding chip DFT digital processing module,measurement results through the I2C sent to the microcontroller,again by the single-chip microcomputer and PC computer communication,the computer shows that the impedance values.Results:The instrument can realize the resistor,capacitor,inductance,glucose solution impedance measuring rapidly and accurately,through experimental verify that resistive impedance deviation from the mean is 0.04,phase deviation from the mean is 0.15°.Conclusion:The glucose concentration of aqueous solution was linearly correlated with the impedance,the correlation coefficient greater than 0.99.

[Key words]AD5933 digital frequency synthesizer;impedance measurement;STC89C52 single chip microcomputer;Upper computer I2C;Glucose

收稿日期：2015-11-03

作者简介

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.03.001

[文章编号]1672-8270(2016)03-0007-05

[中图分类号]R197.324

[文献标识码]A