吳新社，徐志榮，周燕兵，徐天波，何 艷，柳天波，張衛(wèi)東

食源性血糖質(zhì)量計算裝置設(shè)計

吳新社，徐志榮，周燕兵，徐天波，何 艷，柳天波，張衛(wèi)東

目的：為建立來自食物的碳水化合物質(zhì)量與降糖藥物劑量的對應(yīng)關(guān)系，開展食源性血糖質(zhì)量計算裝置研究。方法：以《中國食物成分表（2012版）》為依據(jù)構(gòu)建計算模型，以單片機計算與控制技術(shù)為核心，圍繞食物名稱輸入或食品名稱建立以及質(zhì)量稱重進(jìn)行硬件設(shè)計，并以運行流暢、操作簡便、食物名稱即點即得為原則編寫控制程序。結(jié)果：經(jīng)初步試驗，該設(shè)備能完成食源性血糖質(zhì)量計算任務(wù)。結(jié)論：食源性血糖質(zhì)量計算裝置對于建立糖量與藥量的對應(yīng)關(guān)系、提高血糖控制精度具有十分重要的意義。

食源性；血糖；計算裝置

0 引言

糖尿?。╠iabetes mellitus，DM）是一種患者數(shù)量龐大、持續(xù)高發(fā)、危害嚴(yán)重的糖代謝疾病，致死率和致殘率僅次于惡性腫瘤和心腦血管疾病，居世界第三位。糖尿病已成為公共衛(wèi)生問題，世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）、各國政府以及廣大患者對此十分重視。按2013年世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計的3.82億患者計算，全球平均發(fā)病率5.4%，我國發(fā)病率9.7%，遠(yuǎn)高于世界平均水平，取代印度成為糖尿病患者數(shù)量最多的國家。

由于糖尿病發(fā)病原因尚不清楚，臨床尚無根治之策，唯有通過降糖藥物（如胰島素、二甲雙胍等）控制血糖，以減少糖尿病并發(fā)癥帶來的危害，提高患者健康水平和生存質(zhì)量。圍繞血糖控制，臨床專家與患者一道，經(jīng)過長期實踐研究，提出“宣傳教育、適當(dāng)運動、合理飲食、血糖檢測和藥物治療”5條控制策略（即糖尿病治療的“五駕馬車”），摸索出多種治療方法，如血糖指數(shù)（glycemic index，GI）法、血糖負(fù)荷（glycemic load，GL）法、食物交換份（food exchange list，F(xiàn)EL）法和藥量估算（drug dose estimation，DDE）法等，在一定程度上緩解了患者病痛。但令人遺憾的是這些方法取得的血糖控制效果不佳，要么高血糖，要么低血糖[1-2]，高血糖時增加藥物，低血糖時增加食物，患者始終處于血糖上下波動之中，難以將血糖控制在合格范圍之內(nèi)。這與中華醫(yī)學(xué)會糖尿病學(xué)分會發(fā)布的“中國近8成糖尿病患者血糖控制不合格”的調(diào)查結(jié)論一致，究其原因是這些控制方法沒有將食物產(chǎn)生的葡萄糖量與降糖藥物劑量直接對應(yīng)起來，或者說沒有建立糖量與藥量的定量關(guān)系。因此急需一種可以繞開血糖檢測環(huán)節(jié)，直接針對食物的血糖控制方法[3]，為此我們提出食源性血糖質(zhì)量計算裝置研究思想，以期建立藥量與糖量的定量關(guān)系，提高血糖控制精度。

1 技術(shù)方案

本文圍繞產(chǎn)生血糖的關(guān)鍵因素——食物中的碳水化合物開展研究，在不改變患者的日常進(jìn)食習(xí)慣前提下進(jìn)行血糖質(zhì)量計算，先通過食物稱量[4-5]和含量輸入計算即將攝入食物的碳水化合物質(zhì)量，進(jìn)而換算成血糖質(zhì)量，然后通過血糖控制實驗求得藥物控制參數(shù)，用碳水化合物質(zhì)量當(dāng)量乘以藥物控制參數(shù)得到與食物對應(yīng)的藥量[6]。

1.1 構(gòu)建計算模型

食物營養(yǎng)成分主要分為蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物（含纖維素）3類，營養(yǎng)含量就是指這3類物質(zhì)在食物中分別所占質(zhì)量百分比。對于已加工好的食物（含預(yù)包裝食物），只需按照食品營養(yǎng)標(biāo)簽提供的營養(yǎng)成分計算出碳水化合物質(zhì)量；對于未加工好的食物，必須在原料清洗切碎后、正式加工前進(jìn)行逐項稱量并分別記錄其質(zhì)量[7-8]，加工完成后再行稱量，并計算碳水化合物含量。就餐時患者根據(jù)個人喜好選擇食物并逐一稱量，再行計算每種食品的碳水化合物質(zhì)量，求和后得到即將攝入食物的碳水化合物總量。

加工前，某種食物所含碳水化合物質(zhì)量等于該食物原料質(zhì)量與其碳水化合物含量之積，則有：

式中：m0，i為某種食物所含碳水化合物總質(zhì)量（單位：g），m0，j為某種食物原料的質(zhì)量（單位：g），c0，j為同種食物原料的碳水化合物含量（%），i為食品編號，j為無重復(fù)的食物編號（來自《中國居民食物營養(yǎng)成分表》）。

加工后，通過加熱和添加調(diào)料及水等烹調(diào)過程食物轉(zhuǎn)化為食品，食品的碳水化合物含量為

式中：ci為食品碳水化合物含量（%），mi，0為加工前食物原料的質(zhì)量（單位：g），mi，0±Δmi為加工后食物原料的質(zhì)量（單位：g）。

就餐時逐樣選擇食品，即將食用的食品所含碳水化合物質(zhì)量之和為

式中：m為即將攝入食品的碳水化合物質(zhì)量（單位：g），mi為患者選擇的每樣食品的質(zhì)量（單位：g），i≤100表示就餐時食品樣數(shù)不大于100。

食品中的碳水化合物主要成分為淀粉和纖維素，水解后的最終產(chǎn)物為單糖，反應(yīng)方程如下：

式中：（C6H10O5）n為碳水化合物通式，n≥10（n∈N）。由于碳水化合物以淀粉、纖維素等多聚糖為主，分子量不定，但水解為單糖后的質(zhì)量增長率x通過分子量變化得到。根據(jù)方程式（4）得到如下計算表達(dá)式：

式中：x為質(zhì)量增長率。經(jīng)計算，碳水化合物水解后質(zhì)量增長率約為11%，以此得到水解最終產(chǎn)物——葡萄糖的質(zhì)量估算式：

式中：M為食物中的碳水化合物水解成單糖的理論質(zhì)量當(dāng)量（單位：g），m為攝入食物的碳水化合物質(zhì)量（單位：g）。

得到食物中的碳水化合物質(zhì)量參數(shù)M后，血糖控制藥物劑量按下式計算：

式中：V為血糖控制藥物劑量（單位：u），k為藥物控制參數(shù)（單位：u/g）。因個體差異存在，血糖控制參數(shù)需要通過實驗測量得到。

上述過程較為復(fù)雜，需要反復(fù)用到質(zhì)量稱量和含量計算。質(zhì)量稱量由稱重傳感器及接口電路自動完成，相應(yīng)的食物名稱與碳水化合物含量通過點擊屏幕菜單實現(xiàn)，血糖質(zhì)量計算由程序自動執(zhí)行。

圖1硬件原理示意圖

圖2 接口電路原理圖

1.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件設(shè)計圍繞食物名稱輸入或食品名稱建立以及質(zhì)量稱量進(jìn)行研究，采用質(zhì)量與名稱對應(yīng)輸入方式，如圖1所示。食物或食品質(zhì)量為絕對量。食物或食品名稱包含碳水化合物含量信息，名稱輸入后含量自動輸入。質(zhì)量與含量之積即為碳水化合物質(zhì)量。首先選擇宏晶STC12C5A60S2微處理器（單片機）作為計算和控制元件，滿足質(zhì)優(yōu)價廉和便于開發(fā)的產(chǎn)品開發(fā)要求；其次選擇觸摸屏為輸入設(shè)備，液晶顯示屏為輸出設(shè)備，解決因食物和食品種類多、單片機按鍵難以輸入的技術(shù)難題；然后選擇稱重傳感器作為質(zhì)量稱量組件，直接將質(zhì)量參數(shù)轉(zhuǎn)換為電子信號，經(jīng)信號放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后送入單片機[9]。如圖2所示，食物質(zhì)量信號被AD623和AD705放大合適倍數(shù)后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片PCF8591轉(zhuǎn)換，通過I2C總線送入單片機P2.0（接SDA線）口和P2.1（接SCL線）口。觸摸屏[10]與液晶顯示屏上下重疊合二為一，分別占用P0、P1的全部I/O口以及P2、P3的14個I/O口，共30個I/O口。觸摸屏選擇電阻型，表征坐標(biāo)位置的電壓信號由P1口進(jìn)入單片機，經(jīng)單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后供控制程序使用。菜單分三級設(shè)置，第一級不多于10個按鈕，第二級不多于25個按鈕，第三級不多于20個按鈕。

1.3 編寫控制程序

估算過程需要反復(fù)用到質(zhì)量稱量和名稱輸入（點菜操作），稱量與點菜成對使用缺一不可。程序設(shè)計的主要原則是運行流暢、操作簡便、食物名稱即點即得。在不到3 in（1 in=25.4 mm）的顯示屏上選擇1 500多種食物，菜單分級不能超過3級，每級不得多于25種，點擊操作不能太多；點菜完畢后能夠列出清單，供使用者核對和修改，沒有問題后予以確認(rèn)。對碳水化合物含量不同的同名食物分級顯示，便于區(qū)分和選擇，程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖

將控制程序刷進(jìn)單片機后，就成為一臺完整的血糖計算裝置，如圖4所示。在血糖控制實驗中，需要使用食物單糖計算裝置進(jìn)行食物稱量和名稱輸入，并自動計算食物或食品中的碳水化合物質(zhì)量，得到食源性血糖質(zhì)量。

2 結(jié)語

本文以《中國食物成分表（2012版）》提供的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以單片機計算與控制技術(shù)為核心，在控制程序控制下通過食物質(zhì)量稱量和食物名稱輸入完成單一食物血糖質(zhì)量計算并自動求和，得到患者單次攝入食物產(chǎn)生的血糖總量。該研究結(jié)果對于建立食物血糖質(zhì)量與降糖藥物劑量對應(yīng)關(guān)系具有重要意義。

圖4 食源性血糖質(zhì)量計算裝置照片

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（收稿：2015-03-26 修回：2015-07-12）

Design of calculation apparatus for glucose mass from food intake

WU Xin-she1,XU Zhi-rong1,ZHOU Yan-bing1,XU Tian-bo1,HE Yan1,LIU Tian-bo2,ZHANG Wei-dong1
（1.Kunming General Hospital of Chengdu Military Area Command,Kunming 650032,China; 2.School of Information and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650050,China）

Objective To develop a calculation apparatus for food-originated glucose mass to determine the relationship between food glucose mass and drug dosage for glycemic control.Methods The calculation model was constructed based on China Food Composition Table(2012),and MCU control technology was used for hardware design focusing on food name input and mass weighing.The principles of smooth running and one-click operation were adopted for programming. Results The apparatus realized the calculation of food-originated glucose mass.Conclusion The apparatus can establish the corresponding relationship between drug dosage and glucose mass,and thus is of great significance for enhancing glucose control accuracy.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（11）：33-35]

food intake;blood glucose;calculation apparatus

R318.6；TH776

A

1003-8868（2015）11-0033-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.11.033

云南省科技廳重點新產(chǎn)品開發(fā)項目（2012BC014）

吳新社（1965—），男，工程師，主要從事醫(yī)用電子設(shè)備開發(fā)方面的研究工作，E-mail：wuxinshe11@163.com。

650032昆明，成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院（吳新社，徐志榮，周燕兵，徐天波，何 艷，張衛(wèi)東）；650050昆明，昆明理工大學(xué)信息與自動化學(xué)院（柳天波）

張衛(wèi)東，E-mail：zhodon@163.com