龔惠紅，王邦輝，胡鑫

（1 湖北科技學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，咸寧 437000；2 中南民族大學(xué) 藥學(xué)院，武漢 430074）

由于遺傳、不合理膳食以及不良的生活習(xí)慣等多種因素引起的糖尿病已經(jīng)成為全球僅次于癌癥的第二大殺手［1］.世界衛(wèi)生組織最新統(tǒng)計(jì)顯示：在過(guò)去的十五年里，我國(guó)的糖尿病患者總數(shù)增加了4倍，并且還在以每年1%的速率高速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)今后十年內(nèi)全球糖尿病患者還將有較大幅度增加，到2025年全球?qū)⒂?.5億名糖尿病患者［2］，因此實(shí)現(xiàn)血糖濃度的監(jiān)測(cè)具有重要的臨床意義.

自從湯姆-克萊曼發(fā)明第一臺(tái)血糖檢測(cè)儀以來(lái)，血糖儀經(jīng)歷了水洗式血糖檢測(cè)儀、擦血式血糖檢測(cè)儀、比色法血糖檢測(cè)儀、電化學(xué)法血糖檢測(cè)儀、微量采血以及多部位采血血糖儀［3］.檢測(cè)方法通常是有創(chuàng)或者微創(chuàng)的檢測(cè)方法［4］，給患者帶來(lái)了痛苦和不便.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，血糖的檢測(cè)技術(shù)不斷的更新，無(wú)創(chuàng)檢測(cè)是血糖檢測(cè)儀的發(fā)展方向，它不僅可以避免糖尿病患者在傳統(tǒng)檢測(cè)血糖時(shí)刺破皮膚組織帶來(lái)的痛苦，同時(shí)可以避免因采血而帶來(lái)的交叉感染風(fēng)險(xiǎn).

利用近紅外光譜分析方法研究無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)具有巨大的應(yīng)用前景［5］.近紅外光譜無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)通常選取指尖部位，采用單一的波長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與測(cè)量，然而單一波長(zhǎng)檢測(cè)會(huì)帶來(lái)很大的誤差.為了減少檢測(cè)誤差，設(shè)計(jì)了4 個(gè)波長(zhǎng)紅外檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)手指指尖進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并以靜脈抽血血糖檢測(cè)結(jié)果作為對(duì)照分析，為便攜式的無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀設(shè)計(jì)與家庭化自我檢測(cè)奠定基礎(chǔ).

1 血糖檢測(cè)原理

近紅外光譜分析技術(shù)能對(duì)物質(zhì)進(jìn)行精確的定量分析，并且無(wú)需樣品的制備，被大量專家學(xué)者應(yīng)用于無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)的研究中，取得了一定的研究成果，是實(shí)現(xiàn)便攜式無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)最有潛力的技術(shù)之一［6-8］.血液中的糖主要是葡萄糖，測(cè)血糖的含量即檢測(cè)血液中葡萄糖的含量.葡萄糖分子中因C─H基團(tuán)和O─H 基團(tuán)具有良好的紅外線活性［9］，這是紅外光譜分析技術(shù)應(yīng)用于無(wú)創(chuàng)血糖的理論基礎(chǔ).選取一部分光對(duì)血糖濃度變化敏感，而另一部分光對(duì)血糖變化敏感度較低，可以最大限度地減少血液復(fù)雜的背景干擾.選擇4 個(gè)波長(zhǎng)區(qū)段的光譜組成傳感器陣列，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，消除譜區(qū)的 重 疊. 這4 個(gè) 波 長(zhǎng) 段 分 別 是660、940、1410、1540 nm.其中前兩者為葡萄糖紅外線吸收光譜非敏感區(qū)，后兩者為敏感區(qū)，能夠高速、高精度、不破壞樣品且無(wú)創(chuàng)檢測(cè).

光束在穿透組織時(shí)會(huì)發(fā)生吸收以及散射，散射回來(lái)的光中同樣包含許多重要的生理信息.血糖濃度的變化會(huì)改變組織的散射系數(shù)和散射相因子，進(jìn)而改變紅外光束的反射光強(qiáng).系統(tǒng)以指尖作為檢測(cè)部位，采用反射式紅外光譜分析，能夠克服紅外光對(duì)含水樣品的強(qiáng)吸收，減少誤差.光譜分析定量計(jì)算基礎(chǔ)是比爾-朗伯定律，在此基礎(chǔ)上衍生出很多方法，偏最小二乘（Partial Least Squares，PLS）是光譜分析中應(yīng)用最為廣泛的模型定標(biāo)方法［10-11］，PLS方法的應(yīng)用主要是為了去除濃度矩陣中的無(wú)用信息，同時(shí)對(duì)光譜數(shù)據(jù)以及濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分解處理，并且將濃度信息引入到了光譜數(shù)據(jù)的分析之中，使光譜數(shù)據(jù)直接與濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而得到血糖的濃度.

2 血糖檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由穩(wěn)壓電源負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的電力供應(yīng)；由4 種波長(zhǎng)的發(fā)光管以及TSL237 組成的傳感器陣列負(fù)責(zé)血糖信號(hào)的采集；信號(hào)傳輸至STM32F103 C8T6為核心的MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步處理分析［12-13］；采用USART 串口轉(zhuǎn)USB 串口負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳送給PC端，同時(shí)藍(lán)牙模塊通過(guò)廣播將數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)客戶端；手機(jī)客戶端負(fù)責(zé)脈搏波形、血糖濃度顯示［14-15］.硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram of the hardware design

2.1 系統(tǒng)穩(wěn)壓電源

本設(shè)計(jì)電源采用+5 V，需轉(zhuǎn)換為3.3 V給系統(tǒng)供電.+5 V 電源由PC 機(jī)的USB 接口或外部電源提供，電壓轉(zhuǎn)換采取芯片AMS1117 芯片.AMS1117 是一正向低壓降穩(wěn)壓器，在低功耗領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.系統(tǒng)穩(wěn)壓電源電路圖如圖2所示［16］.

圖2 系統(tǒng)穩(wěn)壓電源電路圖Fig.2 Schematic of the regulated power supply circuit

2.2 系統(tǒng)USART串口模塊

STM32采集到的數(shù)據(jù)需要上傳到PC機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理.STM32 接口采用通用同步異步收發(fā)（USART），需經(jīng)接口電平轉(zhuǎn)換才能同PC 機(jī)的USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.使用CH340G 芯片作為USB 異步串口轉(zhuǎn)換芯片，USB轉(zhuǎn)串口原理圖如圖3所示.

圖3 USB轉(zhuǎn)串口電路圖Fig.3 Schematic of USB to serial port circuit

2.3 紅外發(fā)光模塊

系統(tǒng)采集信號(hào)過(guò)程中，需要不同的發(fā)光管按順序發(fā)光，并且光強(qiáng)不斷隨環(huán)境變化自動(dòng)補(bǔ)償變化.紅外發(fā)光模塊采用PWM 調(diào)光原理進(jìn)行調(diào)光，發(fā)光時(shí)序由三極管來(lái)控制.光強(qiáng)不斷調(diào)節(jié)，控制4種波段的LED 光有序發(fā)光.雙波長(zhǎng)紅外管以及紅光發(fā)光管作為發(fā)光管，可以產(chǎn)生4種不同波長(zhǎng)的紅外光.

2.3.1 紅外發(fā)光管

發(fā)光管選用雙波長(zhǎng)紅外、紅光發(fā)光管，其引腳圖如圖4 所示，發(fā)光管集成共陽(yáng)極的660 nm 紅光發(fā)光管和紅外發(fā)光管，光束輻射區(qū)域集中.其中紅光的發(fā)光壓降最小為2.4 V，紅外的最小發(fā)光壓降為1.5 V，它們的最大工作電流均為20 mA.

圖4 發(fā)光管引腳圖Fig.4 LED pin diagram

2.3.2 紅外發(fā)光控制電路

根據(jù)PWM 調(diào)光原理，利用MCU 輸出PWM 波形控制CMOS管的關(guān)斷，從而控制發(fā)光管的發(fā)光亮度，發(fā)光管控制原理圖如圖5 所示.圖中P5 代表發(fā)光管的三個(gè)不同引腳，第2 引腳輸入3.3 V 電源，另外兩個(gè)引腳Redout-1 和IRedout-1-out 分別連接三極管的集電極.Red 和IRed-1 分別連接MCU 的兩個(gè)不同的IO口，輸出特定的PWM脈沖調(diào)制序列.脈沖經(jīng)過(guò)R7和R8 兩個(gè)1 kΩ 的限流電阻輸入三極管的基極，控制三極管的關(guān)斷，輸出需要的電壓波形，從而直接控制發(fā)光管的發(fā)光.

圖5 發(fā)光管控制模塊原理圖Fig.5 Schematic diagram of LED control module

2.4 紅外接收模塊

紅外線穿過(guò)人體組織后會(huì)有部分光反射回去，選用紅外接收管TSL237T 收集反射回來(lái)的光線，電路原理圖如圖6所示.TSL237T集成了硅光電二極管以及電流-頻率轉(zhuǎn)換器.反射回來(lái)的光線被TSL237T接收后，獲得不同頻率的方波輸入到MCU，MCU 對(duì)這些不同頻率的方波進(jìn)行處理，輸出反應(yīng)反射光強(qiáng)度的頻率信號(hào).

圖6 TSL237T接收模塊原理圖Fig.6 Schematic diagram of TSL237T receiving module

2.5 STM32F103C8T6芯片

STM32F103C8T6 擁 有32Bit-ARM Cortex ?-M3內(nèi) 核；總 線 寬 度 為32 位；64 K 或128 K 的flash memory 以及20 K 的SRAM；7 通道的DMA 控制器；外圍資源豐富，支持定時(shí)器、ADC 以及SPIs 等，多達(dá)9個(gè)通訊接口；具有停止、睡眠和待機(jī)3種模式、低功耗、低成本的STM32F103C8T6 廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、應(yīng)用控制、GPS平臺(tái)以及工業(yè)中.

2.6 客戶端架構(gòu)

數(shù)據(jù)經(jīng)MCU 處理后由藍(lán)牙Bluetooth 4.0上傳給手機(jī)客戶端，藍(lán)牙HM11 模塊橋接模式連接MCU 與手機(jī)客戶端，實(shí)現(xiàn)二者間的通訊，藍(lán)牙模塊原理如圖7所示.手機(jī)操作系統(tǒng)要求支持安卓系統(tǒng)4.0或者蘋果系統(tǒng)7.0以上版本，支持藍(lán)牙BLE4.0等.

圖7 藍(lán)牙模塊原理圖Fig.7 Schematic diagram of Bluetooth module

3 血糖檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)發(fā)光管發(fā)光后，檢測(cè)光強(qiáng)是否為手指，并對(duì)其進(jìn)行濾波放大以及脈博波提取.由MCU 定時(shí)器TIM3控制發(fā)光管的發(fā)光頻率，并根據(jù)固定時(shí)序發(fā)出中斷.血糖的數(shù)據(jù)采集和處理由中斷處理程序進(jìn)行.TIM4 來(lái)控制PWM 的基準(zhǔn)頻率，TSL237T 接收光強(qiáng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲l率信號(hào)后，發(fā)回給MCU 的定時(shí)器中斷口，并將中斷設(shè)置為輸入捕獲模式.兩個(gè)上升沿之間的間隔由TIM2計(jì)數(shù)器標(biāo)記捕獲.計(jì)數(shù)器在高電平上升沿時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，在下一個(gè)上升沿時(shí)停止計(jì)數(shù)，接收到的頻率值由計(jì)數(shù)器的輸出值決定，使MCU 獲得帶光強(qiáng)信息的頻率值［17-18］.由于頻率值本身疊加了一個(gè)巨大的基線值，并且基線隨著環(huán)境光以及人體皮膚光滑程度等的不同而變化，因此采用一種自適應(yīng)濾波的算法來(lái)抑制基線漂移.另外簡(jiǎn)化的FIR濾波算法濾除工頻干擾在內(nèi)的高頻干擾，程序代碼執(zhí)行效率更高.發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)采用串口輸出的DMA方式，工作速度大大加快.

4 系統(tǒng)樣品及臨床測(cè)試

本系統(tǒng)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送至手機(jī)端客戶端，手機(jī)客戶端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析，并將數(shù)據(jù)返回手機(jī)客戶端，負(fù)責(zé)顯示血糖相關(guān)數(shù)據(jù).客戶端APP 主界面如圖8 所示.其中GLU 框內(nèi)表示實(shí)時(shí)血糖值112，下方顯示實(shí)時(shí)脈搏波［19］.同時(shí)，MCU 檢測(cè)到的數(shù)據(jù)亦可以傳送到PC 端進(jìn)行存儲(chǔ)處理.

圖8 手機(jī)客戶端界面和硬件系統(tǒng)圖Fig.8 Photography of the mobile client interface and hardware system

本系統(tǒng)樣機(jī)對(duì)不同人群進(jìn)行空腹測(cè)試，首先進(jìn)行靜脈抽血檢測(cè)，與此同時(shí)在同樣環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)樣機(jī)檢測(cè)，選取部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Comparison of data test results

被測(cè)人員分別為20名，數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果表明樣機(jī)測(cè)試的數(shù)據(jù)與靜脈血糖濃度的數(shù)據(jù)相關(guān)性ρ=0.9442，并且與靜脈血糖濃度的檢測(cè)誤差約9%.根據(jù)美國(guó)糖尿病協(xié)會(huì)（American Diabetes Association，ADA）的標(biāo)準(zhǔn)，血糖檢測(cè)系統(tǒng)與大型生化檢測(cè)儀的結(jié)果相比較，誤差需控制在15%以內(nèi).本系統(tǒng)基本達(dá)到了實(shí)驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)，儀器的性能總體比較好.該檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)人血糖的檢測(cè)、檢查、篩查等功能，使血糖檢測(cè)多樣化、無(wú)創(chuàng)化，同時(shí)還可以進(jìn)行心率以及血氧的檢測(cè).后期需要對(duì)該系統(tǒng)的穩(wěn)定性做進(jìn)一步研究，進(jìn)行必要的遮光處理，以減少誤差，提高精度.

5 結(jié)語(yǔ)

利用STM32F103C8T6 作為MCU 對(duì)采集的紅外光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到血糖、血氧以及心率等相關(guān)生理參數(shù)，并能在手機(jī)客戶端顯示.本系統(tǒng)能夠綠色地?zé)o創(chuàng)檢測(cè)血糖、血氧以及心率等生理指標(biāo)，檢測(cè)過(guò)程無(wú)創(chuàng)傷，高速高效且成本低廉.