基于MSP430F149的NPRQ检测系统*

陈真诚， 刘善剑， 朱健铭， 徐北平， 陈志高, 张　杨

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



基于MSP430F149的NPRQ检测系统*

陈真诚1， 刘善剑2， 朱健铭1， 徐北平2， 陈志高2, 张杨2

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

摘要:利用CO2,O2、温度、气体压强等感知技术以及蓝牙技术，设计了呼出气体数据采集终端，再利用LabVIEW2013开发生理信号接收、显示、处理和存储的平台，研制了一种可准确便捷检测人体非蛋白呼吸商(NPRQ)检测设备。通过两部分实验，表明设备具有较高的精度和稳定性。由于该系统操作简单、性能可靠,准确度高，有望用于科研、医疗、体育、健康管理等诸多领域。

关键词：MSP430F149; 非蛋白呼吸商； 蓝牙； LabVIEW

0引言

近年来，健康工程已经逐渐受到人们的关注，浙江省医学会健康管理学分会第七次学术年会指出,借助健康物联网方式将健康医学模式逐渐替代目前的疾病医学模式[1]。针对目前糖尿病患者逐年递增的现象，研究表明,呼吸商(respiratory quotient， RQ)能在一定程度上反映体内糖脂代谢紊乱的情况，正常情况下体内蛋白质氧化供能的比例很低，RQ值与非蛋白呼吸商(non protein RQ,NPRQ)值较接近，但NPRQ检测设备由于缺少了尿素氮的检测使得设备更加小型化,检测效率更加高效，从而受到人们广泛关注和研究[2]。而目前市场上存在的RQ测量设备主要是以代谢车为主的呼吸测热设备，该设备庞大、价格昂贵、检测的成本高，尚未出现成本低廉、便携使用的呼吸商检测设备。

为了推动糖尿病治疗模式由疾病医学模式向健康医学模式转变，本文研制了一种成本低廉、便携式的NPRQ检测装置，对了解代谢情况以预防直接或间接由代谢紊乱而引起的疾病具有重要的意义。

1呼吸商与健康工程的关系

任建安等学者研究表明,RQ能反映代谢底物的比例，它对了解代谢异常有很大帮助[3]。糖脂代谢紊乱正是糖尿病的主要症状之一[4],由于胰岛素的缺乏，使患者体内脂肪氧化供能的比例增大,而碳水化合物氧化供能的比例下降。体内这三大供能物质的代谢平衡是神经系统和各种体液激素协同调节的结果。胰岛素是其中重要的调节激素之一，也是唯一降血糖的激素，Jose E G等学者最新的研究表明，NPRQ与胰岛素分泌速率呈负相关关系，相关系数达到0.61[5]。张雅楠对初发Ⅱ型糖尿病患者做了关于RQ的研究，其研究中还发现,初发Ⅱ型糖尿病患者的RQ值约为0.79，与进食混合性食物者的RQ值0.85相比有明显降低[6]。虽然利用呼出气体诊断糖尿病的研究早有报道[7]，但以呼吸商检测为手段的糖尿病诊断研究鲜有报道，基于以上研究提出研制适合家庭使用的NPRQ检测设备，使NPRQ检测成为预防II型糖尿病等由代谢紊乱引起的疾病的一项措施。

2测量的原理

NPRQ是指在忽略蛋白质代谢所得到的释放的CO2和吸收的O2的分子比。NPRQ现有的测量方法主要有两种：封闭式测量和开放式测量。封闭式测量要求检测室完全封闭并且需配有补充O2装置，有造价高和维护费用高等缺点。而开放式测量对检测室的密闭性要求不高，设计简单，造价低,操作方便。因此,本研究采用国际上通用的开放式测量[8]。程序设计中利用以下公式计算呼吸商

(1)

(2)

式中coCO2为呼气后CO2的浓度，ciCO2为呼气前CO2的浓度，coO2为呼气后O2的浓度，ciO2为呼气前O2的浓度，式(2)由式(1)推导而来。式(2)中各气体浓度单位均用10-6表示。测量稳定的O2浓度和CO2浓度的方法，依据Mclean和Tobin(1987)提出的排气量达到呼吸小室3倍时呼吸小室内各气体浓度达平衡状态的理论[9]来具体设计。

3系统方案和软硬件设计

3.1系统方案

系统框如图1。

图1　开放式呼吸商检测系统框图Fig 1　Block diagram of open RQ test system

由图1，该呼吸小室呼吸参数采集终端包括CO2,O2、温度、气体压强采集部分、蓝牙通信部分。再利用LabVIEW平台强大的数据采集功能开发了数据监测与分析存储平台。

3.2硬件设计

硬件主要为呼吸小室呼吸参数采集终端、呼吸面罩、呼吸气管以及排气管，呼吸小室设计大小为5 L，气体入口径为30 mm，出口径为30 mm,入口径高于出口近20 mm。整体RQ检测采用开放式测量，呼吸小室呼吸参数采集采用多传感器组合，传感器组结构设计如图2所示。

图2　传感器模块组实物图Fig 2　Physical map of sensor module group

硬件模块的特点如下：主控器采用MSP430F149的16位处理器，它包含5种低功耗模式，带双UART,12位A/D转换；CO2采集用具有测量范围宽、精度高的COZIR—XM—100，通信方式UART通信接口，测量范围0～100 %，精度为50×10-6；O2采集用测量线性误差小于2 %，模拟量输出分辨率高的M04；温度气压传感器采用分辨率高、测量精确、I2C通信的BMP085，蓝牙通讯模块采用通信稳定、低功耗XM—15B—SPP。

3.3软件设计

3.3.1系统下位机软件设计

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，系统完成了各个模块的自检、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 5.6，根据图3 所示的程序开发流程，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4路气体参数，MSP430单片机实现最终的检测算法，并将数据通过蓝牙发送出去。

图3　系统流程图Fig 3　Flow chart of system

3.3.2LabVIEW实时监测平台

利用LabVIEW 2013对数据采集系统的数据连接和波形显示进行设计，首先通过调用VISA 中的VISA serial控件，选择当前正在连接的蓝牙串口通信端口，进行初始化设置。当初始化完成后，利用创建队列的方法保存每次VISA READ控件从蓝牙串口中读到的数据，之后再从队列中将数据按顺序读出，使每次读到的数据能按正确的顺序显示在对应的图中[10]。通信的协议设计：每一帧数据共29个，以字符'A'开头，接着2～7个数据为O2浓度，8～13个数据为CO2浓度，14～17数据为温度，19～23个数据为气压，24～29为NPRQ的值。实验过程中曲线变化如图4所示。

图4　LabVIEW呼吸商各参数监测曲线图Fig 4　Monitoring curves of RQ parameters on LabVIEW

4NPRQ检测实验结果与讨论

4.1RQ检测试验

检测对象:10位健康志愿者；实验的初始条件：早餐8:00，2 h后10:00进行检测。空调房中设置温度在27 ℃，湿度70 %RH。此时C(O2)=20.66 %，C(CO2)=0.65 %，T=27.0 ℃，p=98.095 kPa。

检测结果通过简单的数据处理后，如图5所示，利用SPSS 19.0作出实验结果散点图(其中NPRQ1为设备测量值，NPRQ2为采用美国森迪斯VmaxTMEncore系列代谢测试系统测量值)。

图5　检测结果的散点图Fig 5　Scatter plot of test results

对实验所得的数据与美国森迪斯代谢系统测量值做双变量Pearson相关性分析，结果表明：相关性系数r为0.974和显著性P<0.05，表明两组测量值显著相关性。实验结果证明基于MSP430F149的NPRQ检测系统具有较高的准确性。

4.2RQ检测稳定性测试实验

实验方法：30 min内3次重复测试；实验原理：短时间内由于代谢底物相差不大，测试者处于静息状态，呼吸商具有较大的相似性；实验对象：5名健康志愿者。

对5名志愿者30 min内测量3次，每次间隔10 min。如表1所示，利用SPSS 19.0分别为每个志愿者算出测量的O2浓度，CO2浓度，温度T，压强p和NPRQ的均值和标准差，4组测量中O2浓度标准差最大值为0.153，CO2浓度标准差最大值为0.139，温度T标准差最大值为0.058，压强标准差最大值为0.02，NPRQ标准差最大值为0.02。从以上5个指标的标准差的大小可以得出：虽然该设备测量过程中O2浓度和CO2浓度变化较大，但是经NPRQ稳定算法后NPRQ值的变化幅度得到降低，基本能够满足测量需求。检测结果的误差可能与以下因素有关：1)呼吸小室内气体的流速率，气体的流速的快慢会给气体传感器感知造成误差；2)NPRQ稳定算法中阈值设置，阈值的确定与最终NPRQ的精度有直接的关系；3)检测过程与外界环境，检测时必须要小口平缓呼气，大口呼气、心浮气躁、环境的O2和CO2浓度等均会给检测结果带来误差。

表1　30 min内3次呼吸商检测实验

5结束语

本文研究成果作为人体代谢检测设备，其监测参数选择合理，操作简便，各参数的数值可以导出到Excel中，便于分析和研究。通过网络将检测结果上传到云服务器中，在云服务器中建立健康管理档案，维护健康，有利于推动利用健康物联网方式的健康医学模式在全社会范围内的建立。

参考文献:

[1]俞梦孙.浙江省医学会健康管理学分会第七次学术年会论文汇编[C]∥浙江省医学会健康管理学分会会议录,杭州：2014:2.

[2]李玉珍.简易呼吸商测定法及其应用(附30例慢性肺心病患者的测定结果)[J].河南医学报，1980(2):27-32.

[3]任建安,李宁,黎介寿.能量代谢监测与营养物质需要量[J].中国使用外科杂志，2001,21(10):631-637.

[4]赵锡艳.降糖调脂对2型糖尿病患者的糖脂肥同调疗效分析[D].北京：中国中医科学院，2013:14-16.

[5]Jose E G,Maria L M,Andrea M,et al.Relationship between whole-body macronutrient oxidative partitioning and pancreatic insulin secretion/β-cell function in non-diabetic humans[J].Metabolism Clinical and Experimental,2014,63:1426-1431.

[6]张雅楠.初发2型糖尿病患者静息能量消耗及呼吸商影响因素研究[D].天津:天津医科大学,2011.

[7]张亚.呼出气体糖尿病诊断的初步研究[D].重庆:重庆大学,2012.

[8]班志彬,梁浩,杨华明.大型动物“开放回流式呼吸测热装置”的研制及应用试验[J].中国畜牧兽医文摘,2014,30(2):185-187.

[9]Mclean J A,Tobin G.Animal and human calorimetry[M].Cambridge:Cambridge University Press,1987:108-111.

[10] 杨旭东,徐海亭,王俊.基于LabVIEW被动接收型串口通信数据采集系统[J].计算机与现代化,2013(11):100-103.

NPRQ detection system based on MSP430F149*

CHEN Zhen-cheng1, LIU Shan-jian2， ZHU Jian-ming1, XU Bei-ping2, CHEN Zhi-gao2, ZHANG Yang2

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

Abstract:Based on sensing technology of carbon dioxide,oxygen,temperature,gas pressure and Bluetooth communication technology, a breath gas data acquisition terminal is designed.A physiological signal receiving,displaying,processing and saving platform is developed with the tool of LabVIEW 2013,an equipment to accurately and conveniently detect NPRQ of human body is developed.It is indicated that the equipment performs with high stability and high precision through two parts of experiment.Because of convenience and reliability,the equipment can be used in scientific research,medical treatment,physical education,health management.

Key words:MSP430F149; nonprotein respiratory quotient(NPRQ)； Bluetooth; LabVIEW

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0124—03

收稿日期：2015—07—27

*基金项目：广西高等学校科学研究项目(KY2015YB096)；广西自动检测技术与仪器重点实验室主任基金资助项目(YQ14116)；国家科技支撑计划资助项目(2013BAI03B01)；国家自然科学基金资助项目(61271119)；桂林电子科技大学研究生创新性项目(GDYCSZ201479)

中图分类号：R 318.6

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)03—0124—03

作者简介:

陈真诚(1965-),男,湖南永州人，博士，教授，研究方向为生物传感与智能仪器。

朱健铭,通讯作者,E—mail:zjmcsu@126.com。