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        近紅外光的無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng)

        2021-07-27 06:31:22王曉飛唐海濤張欣怡
        實(shí)驗室研究與探索 2021年6期
        關(guān)鍵詞:脈搏光度波長

        王曉飛, 唐海濤, 張欣怡

        (北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京100192)

        0 引 言

        隨著2008年中國迎來黃金10年的發(fā)展,中國人民的收入水平不斷提高,物質(zhì)生活水平隨之迎來巨大飛躍。得益于中國近些年的飛速發(fā)展,中國擁有龐大的中等收入及以上家庭,但也因此糖尿病病患人數(shù)增長率逐年升高[1]。因此在實(shí)時血糖監(jiān)測方面需要更實(shí)用、便攜、高精度的新技術(shù)新方法?,F(xiàn)有很多無創(chuàng)血糖的光學(xué)檢測方法[2-5],其中最理想的方法為生物醫(yī)學(xué)光譜學(xué)方法中的近紅外光譜法[6-7]。

        基于近紅外光的血糖檢測方法早在上世紀(jì)70~80年代,由Kaiser和Jobsis等最先提出。研究表明,血液中的血紅蛋白在近紅外的波段有吸收特性和明顯的吸收峰[8]。再通過對脈搏波的幅值進(jìn)行測量,可以獲得很多人體生理狀況信息,從此為這一領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

        1 實(shí)驗原理

        采集指尖光電容積脈搏波[9],對其進(jìn)行分析從而預(yù)測人體血液的成分。該方法使用動脈血液的吸光度作為模型建立的基礎(chǔ),能夠有效地消除個體差異對測量結(jié)果的影響,同時降低由外部測量環(huán)境而帶來的變化。

        1.1 光電容積脈搏波描記法(Photo Plethysmo Graphy,PPG)

        如圖1所示,PPG是借助光電手段對人體組織中血液容積變化進(jìn)行檢測的一種無創(chuàng)檢測手段[10]。當(dāng)使用特定波長的光對人體進(jìn)行照射時,光源發(fā)出的光通過手指衰減后穿透手指被光電二極管接收。皮膚、骨骼等人體組織對于光的吸收遮擋作用是相對恒定的,人體血管會隨心臟的變化產(chǎn)生周期性收縮,血液容積隨之改變[11]。

        圖1 光電容積脈搏波示意圖

        1.2 朗伯-比爾定律

        朗伯-比爾定律是無創(chuàng)血糖檢測的主要依據(jù),是吸收光譜的基本定律,也是對近紅外光進(jìn)行定量分析的理論基礎(chǔ)[12]。

        當(dāng)溶液被一束光照射時,溶液對入射光的吸收程度與光的波長,溶液的濃度、厚度有關(guān)。入射光為單色光,在濃度一定的情況下,溶液對光的吸收程度與介質(zhì)厚度成正比;當(dāng)溶液介質(zhì)厚度一定時,溶液對光的吸收程度與濃度成正比。同時考慮物質(zhì)的濃度和厚度時,吸光度用朗伯-比爾定律表示為[13]:

        式中:A表示吸光度;I0表示入射光強(qiáng);It表示出射光強(qiáng);T為透射率;ε為摩爾消光系數(shù);c為被測溶液濃度;d為光程或吸收介質(zhì)厚度;其中比例常數(shù)與介質(zhì)的ε性質(zhì)、入射光波長等因素有關(guān)。在已知ε的前提下,當(dāng)d已知或固定時,則可根據(jù)吸光度A求出濃度c[14]。

        當(dāng)被測溶液為混合物時,存在多個對樣品有吸收作用的物質(zhì),用i表示物質(zhì)的個數(shù),被測樣品的物質(zhì)各組分之間仍滿足朗伯-比爾定律,可表示為

        根據(jù)朗伯-比爾定律以及光電容積脈搏波的產(chǎn)生原理(見圖1),I0穿過人體組織后,光電探測器接收到最大光強(qiáng)Imax時吸光度用Amax表示,接收到最小光強(qiáng)Imin時吸光度用Amin表示,lmax和lmin分別表示在接收到最大光強(qiáng)和最小光強(qiáng)時的平均光路長,λ為入射光波長吸光度,可以表示為:

        根據(jù)光強(qiáng)的最大值和最小值,可以計算得到在特定波長下的吸光度差[15],即:

        式中:A(λ)為波長λ對應(yīng)的動脈血液吸光度值為在波長λ下第i個對光有吸收作用的物質(zhì),物質(zhì)的濃度用c表示;ΔA(λ)為波長λ下的吸光度差;Δl為最大充盈狀態(tài)下的等效光程長[16]。

        2 無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng)設(shè)計

        實(shí)驗平臺系統(tǒng)框圖如圖2所示,主控芯片采用ARM公司的STM32F103C8T6。通過單片機(jī)I/O口控制繼電器開合控制發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode,LED)通斷。LED波段首次使用了近紅外光波波段。PD(Photo Diode)接收到的信號通過前級跨導(dǎo)放大器實(shí)現(xiàn)I-U轉(zhuǎn)換,電壓信號通過濾波放大后進(jìn)入ADC。

        圖2 系統(tǒng)框圖

        屏幕選擇800×480分辨率的電阻屏,通過串口實(shí)現(xiàn)與ARM通信,屏幕可以實(shí)時顯示脈搏波波形,并將血糖真值輸入到ARM。EEPROM芯片選用ATMLH917芯片,大小為256K-Bit,IIC通信方式。以及通過I/O口控制蜂鳴器工作,蜂鳴器在采集過程中開啟,提示受試者保持穩(wěn)定的姿態(tài)。

        3 軟件設(shè)計

        程序流程圖如圖3所示。串口屏通過串口將指令發(fā)送到ARM,通過識別協(xié)議的首位的值,選擇將要執(zhí)行的程序。預(yù)測模式表示輸入測量值,根據(jù)已有的樣本數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合的曲線,得出預(yù)測值并顯示。采集模式中,開始采集后屏幕實(shí)時顯示脈搏波波形,采集完成后,通過鍵盤輸入由有創(chuàng)血糖儀測得的真值,并傳回單片機(jī)。也可通過屏幕對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存或刪除操作。輸入血糖首先要根據(jù)協(xié)議判斷輸入的位數(shù),再判斷小數(shù)點(diǎn)所在位置。

        圖3 工作程序流程圖

        4 實(shí)驗數(shù)據(jù)采集及分析

        脈搏波信號的頻率為0.7~3.0 Hz,硬件上采用4階巴特沃斯低通濾波器濾去高頻噪聲。為了能更準(zhǔn)確地提取特征信息,應(yīng)盡可能提高采樣率,所以將定時器設(shè)置為2 ms進(jìn)行一次中斷,每進(jìn)一次定時器中斷就采集1個點(diǎn),即采樣率為500 Hz。圖4為經(jīng)過處理后的脈搏波信號,可以看出其形態(tài)比較完整并且干擾噪聲不明顯。

        圖4 脈搏波信號

        用于血糖預(yù)測的數(shù)據(jù)中,所采集到的數(shù)據(jù)在低血糖范圍內(nèi)一組,相對誤差為12.2%;正常血糖范圍內(nèi)51組,平均相對誤差為3.5%;高血糖范圍內(nèi)14組,平均相對誤差為7.6%。實(shí)驗所采集的被測者在日常生活中血糖處于正常范圍內(nèi),采集的數(shù)據(jù)處于血糖正常范圍的數(shù)據(jù)量最多,用于建立預(yù)測模型的數(shù)據(jù)大部分為正常血糖范圍內(nèi)且數(shù)據(jù)分布較為均衡,因此,在正常血糖范圍內(nèi)的預(yù)測結(jié)果最為準(zhǔn)確,相對誤差最小。對于不同被測者,日常血糖濃度分布范圍會存在差異,預(yù)測模型建立時用于訓(xùn)練的數(shù)據(jù)普遍處于何種范圍內(nèi),會對不同范圍的預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生影響。通過建立模型,分別將采集模式下的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集,作為模型的訓(xùn)練樣本,預(yù)測模式下的數(shù)據(jù)作為預(yù)測集,用于驗證預(yù)測模型精度。預(yù)測集數(shù)據(jù)通過模型進(jìn)行運(yùn)算,得到預(yù)測結(jié)果如圖5所示,其中紅色表示血糖真實(shí)值,藍(lán)色表示血糖預(yù)測值。為方便觀察,將所有數(shù)據(jù)按照血糖濃度高低進(jìn)行排序。

        圖5 預(yù)測集預(yù)測結(jié)果

        根據(jù)預(yù)測結(jié)果可得到預(yù)測集相關(guān)系數(shù)為0.976,均方根誤差為0.357。血糖預(yù)測值相對誤差如圖6所示。

        圖6 血糖預(yù)測值相對誤差

        5 結(jié) 語

        根據(jù)國家質(zhì)量監(jiān)督局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定血糖檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確率在測量結(jié)果偏差的95%應(yīng)符合血糖濃度≤4.2 mmol/L(75 mg/dL)的情況下,允許偏差不超過±0.83 mmol/L(±15 mg/dL),血糖濃度>4.2 mmol/L(75 mg/dL)的情況下,允許偏差不超過±20%。無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng)預(yù)測結(jié)果相對誤差為±15%,滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。通過上述實(shí)驗及數(shù)據(jù)分析,無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行,得到良好的預(yù)測結(jié)果,達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計要求,驗證使用此種方法進(jìn)行無創(chuàng)血糖檢測的可能性。

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