一种活体多通道生理生化检测仪的设计

陈真诚，魏子宁，严波文，张 悦

（桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林541004）

0 引 言

糖尿病发病率目前尚未得到有效控制，根据国际糖尿病联合会统计，预计到2035年，全球将有近5.92亿人患糖尿病[1]。目前对糖尿病患者的治疗方式主要是针对患者体内的血糖值进行调控，而这种方法具有片面性。临床上，糖尿病患者常常伴有严重的并发症，因此，临床上对糖尿病患者用药后，医生不仅需要测量患者的血糖值，还需要结合患者的多方面综合生理生化参数的变化情况，如血氧饱和度、脉搏波、收缩压、舒张压、心率和血糖值，综合分析后才能对症下药，及时修正治疗方案。

目前国内外有很多人体多参数检测仪的研制方法，但仍存在着一些问题。如：李念使用多传感器测量多种人体生理参数，会为受试者带来诸多不便[2]；赵彦峰和王大任设计的人体多生理参数采集系统[3-4]，由于工作方法复杂，容易增加患者和医生学习的时间成本。更重要的是，上述仪器并不是专门用于糖尿病药效学研究的科学仪器。针对以上问题，本文提出一种用于糖尿病药效学研究的多通道生理生化检测仪器设计方案，该方案采用单一无创检测探头并使用人机交互界面，使生理参数采集更加方便和容易。

1 仪器总体设计

用于糖尿病药效学研究的无创伤多通道生理参数检测仪总体包含两个部分，分别为无创检测血糖探头和嵌入式主机。系统总体结构如图1所示。其中，无创检测血糖探头为指夹式，采用MEMS技术实现对多元生理参数检测传感器集成封装[5]，主要测量指尖光电容积脉搏波（Photolethysmography，PPG）、手指温湿度、手指热辐射值和环境温湿度等参数[5]。主机通过A/D通道采集PPG信号，同时主机通过串口接收其他参数信号。以上参数进入嵌入式主机后通过多元生理信息的融合分析、处理技术[5-10]，实现对人体多种生理信息的测量并显示在屏幕上。该仪器针对糖尿病患者测量的主要生理参数信息为血氧饱和度、脉搏波、收缩压、舒张压、心率和血糖值。

图1 无创伤多通道生理参数检测仪器系统结构

2 硬件电路设计

嵌入式主机主要目的是处理传感器所采集到的数据并显示。主机主要包括以下几个模块：S5PV210核心板、电源模块电路、H桥驱动电路、串口转换电路、储存模块和串口屏。主机的硬件系统如图2所示。

图2 主机的硬件系统

2.1 主控板介绍及电源电路设计

主控板选用九鼎创展科技有限公司设计的X210CV3核心板，这是一款低功耗、高性能、可扩展性强的核心板。核心板采用Cortex-A8架构的S5PV210作为主处理器，主频高达1 GHz，并具有丰富的接口，如4个USART、3个400 Kb/s的I2C接 口 和2个SPI接口 等[11]。这些很好地满足了设计需求同时又节省了设计时间和难度。

X210CV3核心板、无创血糖检测探头、串口电路和串口屏所需电压为5 V，其他电路模块仅需要3.3 V电压就能工作。电流方面，串口屏工作电流为1 A，其他模块的工作电流加一起来为1 A。为此，选用9 V，2 A适配器和MP1482芯片配套使用，输出5 V电压为整个仪器供电。MP1482芯片输入电压范围为4.75～18 V，同时输出电流为2 A，满足设计需求。其具体电路如图3所示。输出的5 V直流电压经ASM1117稳压芯片进行降压[12]后，即可得到3.3 V电压。

图3 电源电路

2.2 H桥驱动电路及串口转换电路设计

为了较好地控制无创检测血糖探头中二极管发光顺序和时长，设计H桥驱动电路如图4所示。Light1与Light2之间相连为发光二极管，当电流由Light2流向Light1时，发光二极管发红光；反之，二极管发红外光。图4中4个二极管都与主控芯片相连，达到控制的目的。

图4 H桥驱动电路

为了向上位机发送仪器所采集的人体生理参数，需要使用串口与上位机进行通信。由于9针串口接口过于庞大并且现在越来越多的计算机淘汰了9针串口，因此需要设计串口转换电路把USART串口的TTL电平转换成计算机USB口可用电平。转换电路主要由FT232RL芯片组成，工作电压为5 V。这样只需要双公头的USB线就可以实现主机与上位机的通信。串口转换电路如图5所示。

图5 串口转换电路

2.3 存储模块设计及串口屏介绍

存储模块主要由M25PX64构成，工作电压为3.3 V，支持50 MHz的时序，可在1.4 ms内存储一页（256 B）信息，通信协议为SPI协议，同时该芯片具有64 MB的存储空间，可以存储8 B的信息1 048 576条。一个人的生理信息需要占用6 000条，而该存储模块能够存储约170个人的生理信息，因此满足设计需要。存储模块如图6所示。

图6 存储模块

屏幕采用淘晶驰公司出品的TJC1060X57_011C 7.0英寸的电容显示屏，工作电压为5 V，分辨率为1 024×600。这种屏幕的最大优点是可以快速简单地完成界面设计，由于该屏幕的通信接口为USART串行接口，屏幕可直接与主控芯片的USART接口相连，即完成通信。同时界面设计是通过USART HMI软件进行设计并烧录到屏幕上，可以实现界面程序与主机程序的完全隔离，互不干扰，降低了调试和设计难度，同时又完成了所需要求。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括人机交互界面设计和嵌入式主机设计。

3.1 人机交互界面设计

界面主要分为两部分：功能选择和数值显示。功能选择主要包括开始测量、选择通道、保存、读取和擦除。开始测量即仪器开启测量功能。通道号也就是受试者的编号，不同的受试者测量时分配不同的编号，同时对存储器进行分区，这样方便存储和提取所需要的受试者数据。保存功能主要为保存该通道下测量到的PPG数据和生理信号值。读取功能为提取所选通道的PPG数据和测量值，通过串口向PC传输。擦除功能为删除所选通道下所存储的所有信息。数值显示界面可显示所测量到的多种人体生理参数。用户通过系统操作界面可以轻松完成对该仪器的操作。操作界面及样机如图7所示。

图7 操作界面及样机

3.2 嵌入式主机设计

嵌入式主机设计主要包括系统初始化和测量程序设计这两部分。系统初始化主要包括电源置锁、关看门狗、初始化DDR、I/O口初始化、定时器初始化、串口初始化、A/D初始化和SPI初始化等必要的初始化。测量程序设计主要包括脉搏波滤波采样程序设计、血氧饱和度算法软件设计、血压算法软件设计和血糖算法软件设计。

本设计的具体的测量过程为：设定整个测量时间为60 s，前30 s控制传感器中的红灯和红外灯以200 Hz交替发光，开启两路A/D分别采集直流信号和交流信号，采样率为200 Hz，即每5 ms采集一个信号点，计算血氧饱和度并加以显示；后30 s工作流程为，主机向传感器发送标志信号，传感器接收到后将环境温湿度、手指温湿度和手指热辐射值打包，传回主机，主机确定接收后仅开启传感器中的红灯，A/D采样率设定为200 Hz采集PPG信号，对PPG信号进行处理并结合多元参数进行计算得出血压、心率和血糖值。

测量流程如图8所示。

图8 测量流程

4 仪器性能实验

4.1 准确性实验

设计实验步骤如下：首先，召集10名志愿者进行空腹实验，志愿者中有3名糖尿病患者，使受试者在温度26℃的房间休息10 min；其次，使用酒精棉擦拭受试者手指，等待酒精挥发完全；最后，使用样机和对比仪器对受试者进行测量，测量时保证受试者端坐，并使手指与心脏保持齐平。对比仪器为迈瑞公司生产的PM-9000 Express多参数生理监护仪和德国罗氏诊断公司的Accu-Chek®Mobile逸动型血糖仪。得到10组数据，对比得到的血压、心率、血氧饱和度和血糖的测量结果分别如图9～图12所示，计算得到的各参数相关系数表如表1所示。

舒张压和收缩压的绝对误差在±5 mmHg，相关系数均在0.9以上，满足AAMI国际电子血压计标准[13]和YY060标准。心率和血糖的相对误差均在10%以内，相关系数均在0.9以上。血氧饱和度相对误差在1%以内，满足YY0784标准。实验结果表明，本仪器具有一定的精准性和可靠性。

图9 血压测量值与真实值对比

图10 心率测量值与真实值对比

图11 血氧饱和度测量值与真实值对比

图12 血糖测量值与真实值对比

表1 相关系数表

4.2 稳定性实验

采用第4.1节所述的测量方法，在10:00—11：00内，每隔10 min对同一个人进行测量，测量5天，从中选取同一个真实值下的测量值进行稳定性计算。仪器稳定性公式为：

式中：stb为稳定性；Xmax为最大测量值；Xmin为最小测量值；Xrel为真实值。稳定性结果如表2所示，表明本仪器具有较好的稳定性。

表2 稳定性数据

5 结 语

本文设计一种基于无创检测血糖探头的活体多通道生理生化检测仪，并在文中阐述了软硬件的具体实施方案。该仪器采用单一无创检测血糖探头完成对人体多种参数的测量，并将结果显示在串口屏上。实际测量结果表明，该仪器具有很好的可操作性、精准性和稳定性，符合设计预期。在接下来的研究中添加更多人体重要生理参数的测量来拓宽使用范围，如血红蛋白、呼吸信号和心电信号等，为辅助糖尿病药效学研究提供更多帮助。