利用近紅外光譜法實(shí)現(xiàn)非侵入式血糖監(jiān)測(cè)

1、利用近紅外光譜法實(shí)現(xiàn)非侵入式血糖監(jiān)測(cè)血糖監(jiān)測(cè)儀用于測(cè)量患者血液中的葡萄糖量，尤其是出現(xiàn)了糖尿病癥狀或有血糖過高或過低史的 患者。一般來說，血糖監(jiān)測(cè)儀可幫助糖尿病患者控制合適的胰島素劑量。家用血糖儀的出現(xiàn)（非臨床 用設(shè)備）已經(jīng)大大改善了患者的生活質(zhì)量。然而，每次用這種監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不僅需要采集指血， 造成疼痛和不便，而且要使用新的測(cè)試紙，從而增加了設(shè)備的使用成本。要確定最合適的胰島素劑量需要經(jīng)常或持續(xù)監(jiān)測(cè)血糖，但目前的血糖儀無法滿足這一要求。連續(xù) 監(jiān)測(cè)儀確實(shí)存在，但需要植入皮下，植入后會(huì)造成創(chuàng)傷，而且每周都要更換。另外還有一種非侵入式 血糖監(jiān)測(cè)儀。本文將介紹一種使用近紅外（ NIR）光譜技術(shù)

2、的架構(gòu)，根據(jù)耳垂部分的透射光譜來確定 血糖水平。由于要用到組織厚度和血氧飽和度等各種人體參數(shù)以及基于線性回歸分析的校準(zhǔn)系統(tǒng)，因 此建議采用一種精確的實(shí)時(shí)架構(gòu)。本文還給出了采用賽普拉斯可編程片上系統(tǒng)PS0C-5LP控制器的全模擬、數(shù)字和混合信號(hào)功能實(shí)現(xiàn)的示例方案。高血糖與低血糖高血糖和低血糖指的是血糖水平高出或低于正常值的身體狀況。糖尿病是體內(nèi)胰腺停止分泌控制 血糖水平的胰島素而出現(xiàn)的一種身體狀況。糖尿病的成因目前尚未完全被人們所了解，但普遍認(rèn)為糖 尿病可能由遺傳因素和日常飲食攝入糖分過多所導(dǎo)致。一旦被診斷為糖尿病，就要不斷監(jiān)測(cè)血糖水平 以便適時(shí)攝入藥用胰島素。高血糖患者會(huì)表現(xiàn)出持續(xù)的高血糖水平

3、，需要進(jìn)行持續(xù)的血糖監(jiān)測(cè)1 <由于目前的測(cè)量設(shè)備都是通過侵入方式來監(jiān)測(cè)血糖水平，因此需要經(jīng)常提取患者血樣，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致出 血、失血和過敏等其它并發(fā)癥。非侵入式技術(shù)能解決米血I可題。本文將探討并實(shí)現(xiàn)一種非侵入式血糖 監(jiān)測(cè)方案。由于近紅外光譜技術(shù)靈敏度高、選擇性強(qiáng)、成本低而且易于攜帶，所以我們選用了該技術(shù)。同時(shí) 我們選用的波長為1550nm，以為該波長下葡萄糖信號(hào)信噪比（ SNR）較高。采用近紅外透射光譜技術(shù)在耳垂兩側(cè)測(cè)量血糖，在耳垂兩側(cè)分別放置光源和光檢測(cè)器。透過耳垂 的近紅外光總量取決于該區(qū)域的血糖量。選擇耳垂進(jìn)行測(cè)量是因?yàn)槎刮恢脹]有骨組織而且相對(duì)比較 薄。同時(shí)需要將近紅外（NIR）光照

4、射到耳垂的一側(cè)，而另一側(cè)放置的接收器用來接收衰減光，然后 對(duì)衰減光信號(hào)進(jìn)行采樣和處理。選用兩個(gè)Thorlabs LED （LED 1550E）作為光源。由于傳統(tǒng)硅光電二極管的光譜帶寬有限，無法用于接收近紅外光，因此必須使用其他類型的光電二極管。在本案例中我們選用了波長1550nm的高靈敏度Marktech錮鐐碑光電二極管。將 RC低通濾波器連接到光電二極管的輸出以降低高頻噪聲。與 具有相同或更高葡萄糖響應(yīng)能力的其他波長相比，波長為 1550nm的光發(fā)射器和接收器的成本相對(duì)較 低。除了血液中的葡萄糖含量外，近紅外光的透光率還取決于光路中的血液量。也就是在相同葡萄糖 含量下，血液量較大會(huì)導(dǎo)致透光率

5、較低，反之亦然。因此需要根據(jù)測(cè)量時(shí)耳垂中的血液量調(diào)節(jié)葡萄糖 的值。血液量可通過血液含氧量來估算。而血液氧含量可使用脈搏血氧儀測(cè)量。脈搏血氧儀利用紅光 和紅外光來區(qū)分血液中的血紅蛋白和氧化血紅蛋白，并以此為基礎(chǔ)獲得氧飽和度。另外一個(gè)影響葡萄糖測(cè)量的物理參數(shù)是耳垂組織厚度。當(dāng)多個(gè)人使用一臺(tái)設(shè)備時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問 題，因?yàn)檫@種情況下不同人的耳垂厚度可能不同。組織厚度決定近紅外光的路徑長度，路徑越長，透 光率越低。耳垂組織厚度可采用皮膚衰減率較高的綠光來測(cè)量。用來感應(yīng)近紅外光譜信號(hào)的錮鐐碑光電二極管也可用于感應(yīng)其他波長（例如綠光、紅光和紅外 光），因?yàn)檫@種二極管的光譜響應(yīng)范圍涵蓋以上所用波長。所有這些變

6、量都在 PSoC5LP中進(jìn)行放大、采樣和處理，隨后通過藍(lán)牙傳送到一個(gè)安卓應(yīng)用中。圖 1為整個(gè)系統(tǒng)流程方框圖。圖1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖感應(yīng)和預(yù)處理將錮鐐碑光電二極管信號(hào)送入放大器，以放大微弱的近紅外光譜信號(hào)。紅光、紅外光和綠光信號(hào) 的衰減不會(huì)造成影響，因此無需放大。我們可利用內(nèi)部可編程增益放大器（ PGA）來放大近紅外光譜 信號(hào)。從葡萄糖變化中記錄幾毫伏的電壓變化，再利用1.024V參考電壓和增益為 50的可編程放大器對(duì)其進(jìn)行放大。利用單個(gè)攻數(shù)轉(zhuǎn)換器連同一個(gè)模擬多路轉(zhuǎn)換器對(duì)感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采樣。用 18位分辨率采樣近紅外和綠光信號(hào)，用16位分辨率采樣紅光和紅外信號(hào)，以便提高采樣率，避免心率變化引起信號(hào)混淆（

7、見圖2）。TWMNtR PQA 1P 燦MW"*PWMrrb二I ObF0gIresel * LWIJUMl圖2.PsoC的外部元件與原理圖可使用脈寬調(diào)制（PWM）來控制LED的發(fā)射功率。由于使用五個(gè) LED （2個(gè)近紅外光、1個(gè)紅外 光、1個(gè)紅光和1個(gè)綠光），因此需要五個(gè) 8位PWM模塊，而且占空比不同。近紅外 LED的傳輸波 長會(huì)隨直流電壓平均值而改變。近紅外LED運(yùn)行于3個(gè)不同的占空比，以使光波波長在1550nm上下浮動(dòng)。這樣做是為了降低原始葡萄糖值之間的噪聲。心率引起的耳垂血液量變化如果得不到正確處理就會(huì)成為主要噪聲源。為了消除心率變化的影響， 在打開紅光、紅外和近紅外 LE

8、D后，應(yīng)該在100毫秒內(nèi)對(duì)衰減信號(hào)采樣。對(duì)每個(gè)LED輸出采集20個(gè)樣本，共采集120個(gè)樣本（三個(gè)近紅外波長占60個(gè)，紅外、紅光和綠光波長各占20個(gè)）。環(huán)境光源也會(huì)產(chǎn)生大量噪聲，并被光學(xué)傳感器采集到。為了消除這種噪聲，應(yīng)該在打開LED之前存儲(chǔ)幾個(gè)樣本。隨后從實(shí)際信號(hào)中減去環(huán)境光測(cè)量值。所有樣本都用32位整型變量存儲(chǔ)，以應(yīng)對(duì)乘法與加法溢出問題。信號(hào)處理所有變量存儲(chǔ)完畢后，進(jìn)入處理流程。圖3給出了算法流程。首先，利用線性小信號(hào)模型（與電子設(shè)備IV曲線中所用的類似）求出指數(shù)比爾翻伯定律近似值,進(jìn)而計(jì)算組織厚度，如公式（1）所示。滲到皮膚中的光線成指數(shù)級(jí)衰減，而耳垂皮膚厚度也有微小變 化，一般在2mm至

9、4mm左右。我們用線性公式來體現(xiàn)這一模型，其中泄光滲透深度，建光學(xué)功率，'A h C '爵日初吸收常數(shù)。y = AebxC + E 】）Start1Measure Ear Lobe Thickness1Measure Blood Ox/gen1Initialize NIR Light at Lower Wavelength11InitaUze NIR Light at Higher Wavelength1Store middle NIR Wavelength atte n uated Sign als1Irkitiali珀 NiRLight at middle Waveleng

10、th1Store Lower NER. Wavelength attenuated Signals111Store Higher MIR Wavelength attenuated Signal1Apply first order iiltering to all NIR Signals1Average all variables overx time units1In put Variables to equationsIIFinish1 1Output/Display1 1Calculateftnal Oxygen and Glucose Values1 1Apply best+it li

11、near regression圖3.非侵入式血氧儀算法流程然后，利用紅光計(jì)算血氧飽和度，以確定血液量。皮膚厚度和血液量這兩個(gè)變量共同確定耳垂中 的血液是否達(dá)到所需值。非侵入式測(cè)量儀對(duì)嬰兒來說并不可靠，因?yàn)槎蛊つw厚度太薄（2mm）。同樣，任何可抑制血液向耳垂流動(dòng)的身體狀況都會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤。血液中的氧含量通過脈搏血氧定量 法計(jì)算，如公式（2）所示，而血液測(cè)量則簡單地通過吸收引起的谷底瞬間電壓縮減（ trough voltage spike reduction ）來實(shí)現(xiàn)。使用截止頻率為5Hz的高通濾波器將兩個(gè)變量的交流成分從原始信號(hào)中過濾掉，直流分量則通過低通濾波器來計(jì)算。公式（2）中的未擴(kuò)展 O

12、2水平從0擴(kuò)展至100,用以確定氧飽和度百分比。02 Level) = %?最后，計(jì)算葡萄糖水平。近紅外區(qū)域有3種不同波長，每個(gè)波長包含 20個(gè)樣本，因此得到一個(gè)3x20矩陣。根據(jù)公式（1）,針對(duì)不同波長應(yīng)用單個(gè)寄存器一階濾波器能減少噪聲，并可將三種波長調(diào)整為相同水平，以便實(shí)行相同處理。用C代碼構(gòu)建PSoC有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器。對(duì)經(jīng)過濾波的樣本進(jìn)行插值計(jì)算，以利用線性回歸法形成線性最優(yōu)擬合線。該線的中心值代表有偏差的葡萄糖值。隨后映射到55至355mg/dL的范圍內(nèi)。隨后對(duì)結(jié)果實(shí)行針對(duì)組織厚度和氧含量的線性補(bǔ)償。組織厚度 增大1mm需要將葡萄糖水平增大 10倍。此信號(hào)處理需要幾毫秒的計(jì)

13、算時(shí)間，以確保高精確度。血糖水平:低血糖=0-70mg/dL正常血糖=70-135mg/dL高血糖=135-450mg/dL血液氧含量：低氧飽和度=0-90%正常氧飽和度=90-99%一氧化碳中毒=100%在該配置中使用近紅外光譜的最低檢測(cè)極限為55mg/dL。低于該值則無法精確測(cè)量葡萄糖值。通過增大LED的功率輸出可加以改善。最高限值設(shè)為355,但高于該值也很容易測(cè)量。顯示最后的葡萄糖值可以用簡單的LCD顯示，但本設(shè)計(jì)中也可用安卓手機(jī)通過藍(lán)牙連接顯示，即把PSoC的通用異步收發(fā)機(jī)(UART )連接到藍(lán)牙設(shè)備。在 PSoC和移動(dòng)設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)簡單的通信協(xié)議。當(dāng) 用戶想要獲得葡萄糖值時(shí)，安卓平臺(tái)會(huì)向

14、PSoC發(fā)送一個(gè)ge指令。PSoC等待葡萄糖計(jì)算，隨后返回葡萄糖值和確認(rèn)信息。安卓設(shè)備在收到后顯示葡萄糖值。整個(gè)過程大約耗時(shí)2秒。Q 11:10v Ji n；io! CarController* CarControllerGet GlucoseGe GfucoseGet OxygenGet OxygenDisconnectDisconnectBlood Sugar = 90 nrg/dLBw Glum#。livtlHypojlyctrftifl) i 0 > 70NormGluco配 LpvpI : 70 -135High Glucose Level 135 450BICKid Oxyg

15、en Level 三 95 常Low Oxygen Saturation 0 -90Normal Oxy pen Saturation ； 90 - 99Carbon Mon-owide Poisoning : 1QQ圖4:安卓設(shè)備截圖圖5:完整方案結(jié)果為了確定上述設(shè)備的精確度，需要將讀數(shù)與市場中現(xiàn)有的手提式家用侵入式血糖儀的結(jié)果進(jìn)行對(duì) 比。Clarkson誤差網(wǎng)格1 是用于確定血糖監(jiān)測(cè)儀精確度的標(biāo)準(zhǔn)方法。Y軸代表非侵入設(shè)備的讀數(shù)，x軸代表已有的浸入式設(shè)備對(duì)相同患者在相同時(shí)間內(nèi)的記錄值。針對(duì)80位患者獲得了超過 100個(gè)測(cè)試點(diǎn)。誤差網(wǎng)格如圖 4所示。75%左右的數(shù)據(jù)點(diǎn)都位于區(qū)域 A,剩余點(diǎn)則處于區(qū)域 B,其他區(qū)域沒有數(shù) 據(jù)點(diǎn)。非侵入式血糖儀和參考血糖儀測(cè)量值之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)等于0.85,體現(xiàn)出了非常好的關(guān)聯(lián)效果。這里的精確性高于文獻(xiàn)中大多數(shù)非侵入式血糖儀（盡管本次研究所用樣本尺寸可能不夠大并需要進(jìn)一步測(cè)試和校準(zhǔn)）。高性能的實(shí)現(xiàn)在一定程度上要?dú)w功于PSoC-5lp的高集成度模擬與數(shù)字功能以及低本底噪聲