基于DSP技术的便携式无创血糖检测仪研究

基于DSP技术的便携式无创血糖检测仪研究

李仔艳 ,高秀敏

山东沪鲁医疗科技有限公司  山东省临沂市  273300

摘要：以能量代谢守恒法为理论基础，以DSP技术为主控芯片，进行便携式无常血糖检测仪器的研究。通过介绍便携式无创血糖检测仪的检测原理，综合得出血糖的浓度。利用传感器采集的多路湿度、温度等计算出血氧饱和度，并完成最终的算法实现过程。经临床实验得出，测量所得血糖值检测结果保持在±0.5mmol/L范围内，可以得到较高的精确度，对人体的血糖值检测具有临床应用效果。

关键词：DSP技术；便携式；无创；血糖检测仪

    随着人们生活水平的不断提高，工作的繁忙让快餐盛行，高脂肪和高油脂危害着人们的健康，也让糖尿病患者越来越多。糖尿病作为一种长期的高血糖症状，对人们的组织器官造成的危害很多，如果任其发展，将会对患者的生命造成威胁。因此，糖尿病患者如果能在日常生活中对血糖的浓度进行定期检测，再配合药物进行治疗，会对血糖浓度达到较好的控制效果。基于此，血糖检测的手段对于患者而言尤为重要，根据能量代谢守恒定量，在DSP技术的基础上进行便携式无创血糖仪的关键技术分析，对人体血糖值的检测具有一定临床价值。

1. 无创血糖检测部位与检测方式
   1. 检测部位

    在无创血糖的相关研究中，选择合适的测量部位非常重要。不同的人体部位所得到的效果也各不相同，由于人体结构复杂，且随着年龄的增长胶原蛋白会不断流失，因此在进行测量的过程中，不确定的因素得到了增加。因此，在选择检测部位时，尽量选择裸露的肌肤，且测量环境不会受到外界打扰。测量过程中，波长的透射率如果过高，则需要以手指部位为主。

1.2检测方式

当光照从空气照射到皮肤后，皮肤会发生反应，如图1所示。漫反射与透射两种反射方式，在无创血糖的研究中应用较为广泛，入射光源在与接收器发生反应后，同侧为漫反射，两侧为透射。

图1 光子入射图

2. 便携式无创血糖检测仪结构设计
   1. 能量代谢守恒法理论

在人体的手指指尖上，毛细血管中的葡萄糖物质代谢过程就是能量代谢，在整个代谢过程中所产生的能量可以积蓄在人体内部，还可以与外界发生热交换，亦或者通过其他方式进行生化反应。能量代谢守恒的核心是通过葡萄糖代谢所产生的能量，葡萄糖作为人体的主要能源物质，在血液中浓度的变化会相应的引发人体代谢的变化。因此，只要对其进行检测并转换，即可以得出手指中的血糖浓度。在氧供给充足时发生的反应可以表示为：

2.2硬件设计

便携式无创血糖检测仪的硬件设计分为两大内容，检测电路板和集成传感器。

检测电路板主要由DSP处理器、滤波电路、血氧、键盘、LCD、USB以及电源电路组成，在便携式无创血糖检测仪的硬件设计中，数字信号处理器作为核心设备，充分发挥出了自身的控制和处理功能，整个系统通过键盘进行数字输入，DSP进行控制与处理，当启动便携式无创血糖检测仪之后，系统会进行初始化，并等待电源电压稳定后进行系统配置。大约1.5s之后，系统会显示请等待。系统在自检过程中，首先会通过检测系统对各个硬件模块进行检测，检测内存、电源电量，检测电路板的连接是否完好。如果自检过程中发生错误，LCD会显示错误并进行处理；如果检测通过，会发出提示。LCD显示系统通过自检、血糖检测、记录信息、结果分析等步骤，完成整个系统的检测。

无创血糖传感器通过人体的手指进行信号转换，并将信号通过排线连接到电路板中。由于不同传感器所显示的电压有所不同，因此为了保证信号转换的精确度，传感器的输出信号需要通过信号调理电路进行转换，达到转换要求后，通过模拟滤波电路进行滤除。滤波完成后的信号进入DSP中进行信号转换，并将转换的结果存入内存中。同时，血氧模块所输出的信号进入到DSP中后，DSP处理器会自动将数据进行存储。并且为了更好的去除干扰，在无创血糖传感器中所采集到的数据需要进行数字滤波，这些繁杂的工作都需要通过DSP处理器完成。完成以上数据后，就可以根据能量代谢守恒进行血糖浓度值的计算，对显示的结果进行检测和分析。

2.3软件设计

无创血糖检测系统通过DSP完成信号处理与控制两大功能，其中信号处理主要负责信号的转换、校准，并对算法进行数据控制。液晶控制部分主要负责对内容的显示进行存储和控制，并显示传感器的测量数据以及血糖的结果显示，并对显示的结果进行诊断和说明。血糖检测仪系统结构分为：可视化自检、测试模式选择、血糖选择、原始数据导出、诊断意见、传感器目标量显示以及仪器帮助信息。

软件流程如图2所示。由于辐射传感器的响应时间较短，当手指放入传感器中，目标辐射传感器会发生电压突变，因此系统需要以目标辐射传感器为测量条件，将转换通道设置为8路传感器数据和2路双波长，分别对信号数据进行分区域存储。两路双波长光衰数据表示红光和近红外光两种，利用光电进行血氧饱和度的测量，并根据红光和近红外光的信号原理，计算血氧饱和度的结果，得到：

其中，、表示红光和红外光的变化；

表示红光和近红外光的最大值。

该仪器主要通过手指进行信号的获取，来判断脉搏的峰值，取5个脉搏峰值的平均值得出脉率值。

3. 实验结果

对10名志愿者进行无创血糖的检测，测试者测试之前均未进行剧烈运动，空腹，表1危志愿者的检测数据。测试结果显示，血糖均保持在3.40~7.07范围内。

表1 便携式无创血糖检测数据

结束语：

在能量代谢守恒法理论的基础上，引入了各种传感器作为采集手指表面的生理信息，通过DSP技术进行便携式无创血糖检测仪的设计与研究，并实现了检测仪的硬件设计与软件设计。在最后的实验检测中，得出便携式无创血糖仪可以与生化分析仪进行检测实验，并得出在能量代谢守恒法理论的基础上进行无创检测血糖浓度的方法可行。

参考文献：

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[3]吕亚帅. 无创血糖检测系统的研究与设计[D].南京邮电大学,2019.

[4]蔡忠洋,魏鹏琪,马学鸣.基于光纤表面等离子体共振的便携式无创血糖检测[J].纳米技术与精密工程,2016,14(02):94-99.