陳真誠(chéng)，張　楊，徐北平，朱健銘

(1.桂林電子科技大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004)

近紅外無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳真誠(chéng)1，張楊2，徐北平2，朱健銘1

(1.桂林電子科技大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004)

摘要:根據(jù)近紅外無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種小型近紅外無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)系統(tǒng)。以系統(tǒng)檢測(cè)探頭對(duì)人體食指采取透射方式探測(cè)，由光電傳感器采集四路不同波長(zhǎng)近紅外光的脈搏波信號(hào)。提出一種脈搏波預(yù)處理方法，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和三次樣條插值算法去除原始脈搏波的高頻噪聲和基線漂移。運(yùn)用動(dòng)態(tài)光譜頻域提取法提取對(duì)數(shù)脈搏波的基波分量。采用偏最小二乘法交叉驗(yàn)證的方法，預(yù)測(cè)人體血糖濃度。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，此系統(tǒng)預(yù)測(cè)血糖值與真實(shí)血糖值的相關(guān)性達(dá)到了86.5 %,預(yù)測(cè)均方根誤差為0.56 mmol/L，證明系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果精度較高。

關(guān)鍵詞:近紅外光譜；光電容積脈搏波；無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)；脈搏波預(yù)處理；偏最小二乘法

0引言

糖尿病是威脅人類健康的世界性流行性疾病[1]。由于糖尿病的發(fā)病呈上升趨勢(shì)，而傳統(tǒng)的有創(chuàng)人體血糖檢測(cè)需求采血會(huì)增加病人痛苦，不利病情控制治療。所以，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)傷檢測(cè)人體血糖濃度[2]是當(dāng)今世界的研究熱點(diǎn)。動(dòng)態(tài)光譜頻域提取法[3,4]是近紅外無(wú)創(chuàng)檢測(cè)人體血糖領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。

本文設(shè)計(jì)一種基于近紅外光譜分析技術(shù)的人體血糖濃度無(wú)創(chuàng)檢測(cè)系統(tǒng)，并提出人體容積脈搏波預(yù)處理算法[5～8]和血糖濃度預(yù)測(cè)模型[9,10]，實(shí)現(xiàn)人體血糖濃度的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)達(dá)到較高檢測(cè)精度[11]。

1檢測(cè)原理

1.1動(dòng)態(tài)光譜法

動(dòng)態(tài)光譜法根據(jù)吸光度和動(dòng)脈飽和水平之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)血糖濃度的檢測(cè)，其優(yōu)勢(shì)是去除不同個(gè)體之間的差異。近紅外光穿透人體之后光強(qiáng)度的變化必然會(huì)隨著脈搏血流量的變化而變化。動(dòng)脈血管血流量最小和最大的時(shí)刻對(duì)應(yīng)最強(qiáng)和最弱出射光強(qiáng)，可作為朗博—比爾定律中的入射光強(qiáng) I0和出射光強(qiáng)I，繼而計(jì)算濃度，如式(1)所示

(1)

式中Aλ為脈動(dòng)動(dòng)脈血液吸光度，Imax為最強(qiáng)出射光強(qiáng)，Imin為最弱出射光強(qiáng)，a(λ)為測(cè)試樣品對(duì)光的吸收系數(shù)，l為脈動(dòng)動(dòng)脈血液最大充盈狀態(tài)下的等效光程長(zhǎng)，C為吸收物質(zhì)濃度,mg/dL。

1.2動(dòng)態(tài)光譜頻域提取原理

由于脈搏波信號(hào)信噪比較低和采樣率的局限性等，動(dòng)態(tài)光譜時(shí)域處理法提取波形的峰峰值會(huì)存在較大誤差。本文采用頻域處理方法，信噪比閾值比時(shí)域處理有所降低。將對(duì)數(shù)脈搏波信號(hào)做傅里葉變換，得出的基波和各次諧波分量與對(duì)應(yīng)信號(hào)峰峰值呈線性比例關(guān)系。基波分量幅值的信噪比是最大的，可作為動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)。結(jié)合式(1)，可以精確地推導(dǎo)出人體血糖濃度，如式(2)

(2)

式中X(1)為基波幅度值，k為比例系數(shù)，其他參數(shù)和式(1)相同。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為核心，搭建了包含四波長(zhǎng)近紅外LED 的測(cè)量系統(tǒng)。由光源驅(qū)動(dòng)電路、光電傳感器前置電路、信號(hào)放大電路、濾波電路、控制電路等部分組成。LED的驅(qū)動(dòng)電路基于正弦波振幅光調(diào)制技術(shù)，根據(jù)光電脈搏波信號(hào)的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)頻率范圍，盡可能保證動(dòng)態(tài)光譜法要求的高采樣率。系統(tǒng)選取透射式的測(cè)量方式獲取手指脈搏波信號(hào)，繼而使用相關(guān)算法計(jì)算人體血糖濃度。圖1是實(shí)驗(yàn)裝置的框圖。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig 1　System hardware structure

2.2光電傳感器

檢測(cè)探頭中的光電傳感器采用靈敏度高、噪聲系數(shù)低的光電倍增管，產(chǎn)生人體脈搏波的電流信號(hào)，再通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為達(dá)到檢測(cè)識(shí)別幅度電壓信號(hào)。電路采用單電源供電的LM358運(yùn)放將近百納安的電流轉(zhuǎn)換為毫伏級(jí)的電壓。電路圖如2所示。

圖2　I/V轉(zhuǎn)換電路Fig 2　I/V converting circuit

2.3放大電路

系統(tǒng)電壓放大電路采用AD603運(yùn)放，將I/V轉(zhuǎn)換電路的mV級(jí)電壓放大為V級(jí)電壓，以供MSP430控制器輸入。電路圖如圖3所示。

圖3　電壓放大電路Fig 3　Voltage amplifier circuit

3脈搏波信號(hào)預(yù)處理

本文提出一種脈搏波預(yù)處理方法，處理流程如圖4所示。

圖4　脈搏波信號(hào)預(yù)處理流程Fig 4　Pretreatment process of pulse wave signal

首先，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)算法自動(dòng)將原始脈搏波信號(hào)(圖5)分解成為7個(gè)內(nèi)在模式函數(shù)(IMF)分量和一個(gè)剩余分量res，如圖6所示。

圖5　原始脈搏波信號(hào)波形Fig 5　Waveform of original pulse wave signal

圖6　EMD分解圖Fig 6　EMD decomposition figure

然后，根據(jù)人體脈搏信號(hào)的頻率主要分布在0.5～10 Hz，依次計(jì)算每個(gè)IMF分量的頻譜，使用EMD時(shí)空濾波法濾除只包含高頻噪聲的分量IMF1和IMF2。對(duì)剩余的IMF分量依次進(jìn)行軟閾值去噪再重構(gòu)。繼而采用三次樣條插值算法消除原始信號(hào)中存在的基線漂移，得到最終的平穩(wěn)平滑的脈搏波信號(hào)，如圖7。

圖7　去除基線漂移的脈搏波信號(hào)Fig 7　Pulse wave signal removing baseline drift

4系統(tǒng)性能分析與建模研究

4.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

對(duì)10名志愿者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，年齡22～26歲不等，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持靜息狀態(tài)。連續(xù)采集20組數(shù)據(jù)，早上8點(diǎn)進(jìn)行一次空腹血糖測(cè)量，中午11點(diǎn)進(jìn)行餐后2 h的血糖測(cè)量。每次測(cè)量都用3次的光譜測(cè)量結(jié)果的平均值對(duì)應(yīng)一次微創(chuàng)血糖儀定標(biāo)值。對(duì)照血糖值采用德國(guó)羅氏診斷公司的逸動(dòng)型血糖儀Accu-Chek?Mobile，操作簡(jiǎn)單，能極大程度減少人為操作誤差。

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上分析，對(duì)所測(cè)得的20組不同波長(zhǎng)脈搏波數(shù)據(jù)依次進(jìn)行預(yù)處理，獲取其相應(yīng)的動(dòng)態(tài)光譜圖。采用偏最小二乘法對(duì)脈搏波預(yù)處理之后得到的基波分量數(shù)據(jù)和微創(chuàng)血糖儀測(cè)得的血糖值進(jìn)行交叉驗(yàn)證建模。血糖濃度的擬合結(jié)果及內(nèi)部交叉驗(yàn)證結(jié)果如圖8和表1所示。經(jīng)計(jì)算，相關(guān)系數(shù)為86.5 %，預(yù)測(cè)均方根誤差為0.56 mmol/L。

圖8　血糖真實(shí)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比圖Fig 8　Comparison figure of real and predicted values of blood glucose

類別預(yù)測(cè)值/(mmol/L)真實(shí)值/(mmol/L)絕對(duì)誤差/(mmol/L)相對(duì)誤差/%15.615.80-0.19-3.2825.554.900.6513.3335.375.40-0.030.5645.515.400.112.0456.326.10.223.5765.876.10-0.23-3.7777.177.40-0.23-3.1186.997.10-0.11-1.5597.418.50-1.09-12.82108.228.90-0.68-7.68

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種基于近紅外方法無(wú)創(chuàng)檢測(cè)人體血糖濃度的系統(tǒng)。對(duì)20組臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明：本系統(tǒng)的檢測(cè)精度較高，測(cè)量相關(guān)系數(shù)達(dá)到了86.5 %,驗(yàn)證了近紅外方法無(wú)創(chuàng)檢測(cè)人體血糖濃度的可行性。后續(xù)的研究工作中，將會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，同時(shí)探尋更多適宜人體光電容積脈搏波預(yù)處理和近紅外檢測(cè)人體血糖濃度的算法，達(dá)到將該技術(shù)應(yīng)用于臨床的標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn):

[1]王弟亞,陳真誠(chéng),朱健銘,等.基于無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)的傳感器集成設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(12):74-79.

[2]Sandeep K V.Non-invasive glucose monitoring technology in diabetes management:A review[J] .Analytica Chimica Acta,2012,750(10):16-27．

[3]陳玲玲.近紅外無(wú)創(chuàng)血糖濃度檢測(cè)技術(shù)的初步研究[D].哈爾濱：黑龍江大學(xué),2010.

[4]王焱,楊威,許軼.近紅外動(dòng)脈血液檢測(cè)中壓力對(duì)脈搏波的影響[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(11):67-69.

[5]Miguel P，Hermann L T，Werner M.Infrared spectroscopic ana-lysis of human interstitial fluid in vitro and in vivo using FT-IR spectroscopy and pulsed quantum cascade lasers(QCL):Establishing a new approach to non-invasive glucose measurement[J].Spectrochimica Acta Part A:Molecular and Bio-molecular Spectroscopy,2012,85(1):61-65.

[6]行鴻彥,許瑞慶.基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的脈搏信號(hào)去噪[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2009,26(8):156-158.

[7]林凌,李威,周梅.EMD算法在動(dòng)態(tài)光譜無(wú)創(chuàng)測(cè)量血紅蛋白濃度中的應(yīng)用[J].光譜學(xué)與光譜析,2014,34(8):2106-2111.

[8]胡愛(ài)琴,袁洪福,宋春風(fēng),等.近紅外離散波長(zhǎng)光譜基線漂移校正方法研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2014,34(10):2606-2611.

[9]傅誼,張擁軍,陳華才.基于偏最小二乘法的板栗近紅外光譜分析模型的建立[J].食品科技,2012,37(5):42-43.

[10] 李朋成,朱軍桃,馬云棟.基于偏最小二乘法的近紅外光譜分析應(yīng)用[J].測(cè)繪地理信息,2015,40(2):53-56.

[11] Chen Z C,Jin X L,Zhu J M,et al.Non-invasive glucose mea-suring apparatus based on conservation of energy method[J].J Cent South Univ Technol,2009,16:982-986.

Design of non-invasive blood glucose detecting system based on near-infrared*

CHEN Zhen-cheng1,ZHANG Yang2,XU Bei-ping2,ZHU Jian-ming1

(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:According to near-infrared non-invasive blood glucose detection technology,miniature near-infrared non-invasive blood glucose detection system is designed.Use system detection probe to detect index finger adopting mode of transmission,collect pulse wave signal of four paths different wavelengths near-infrared light by photoelectric sensor.A pulse wave preprocessing method is proposed,which uses empirical mode decomposition and three times spline interpolation method to delete high frequency noise and baseline drift.Fundamental component of logarithmic pulse wave is extracted by dynamic spectrum frequency domain method.Adopt cross validation method based on partial least square to predict human blood glucose.Analysis on experimental results,correlation of system predicted and real blood glucose reach 86.5 %,predicted RMSEP is 0.56 mmol/L,precision of system is verified to be high.

Key words:near infrared spectroscopy;photoplethysmography;non-invasive blood glucose detection;pulse wave preprocessing;partial least square method

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0103—04

收稿日期：2015—08—19

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271119)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAI03B01)；廣西自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金資助項(xiàng)目(YQ14116)；廣西高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目(KY2015YB096)

中圖分類號(hào):TP 274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)05—0103—04

作者簡(jiǎn)介:

陳真誠(chéng)(1965-)，男，湖南永州人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)傳感技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)等。

朱健銘，通訊作者，E—mail：zjmcsu@126.com。