利用近紅外光譜法實(shí)現(xiàn)非侵入式血糖監(jiān)測

1、利用近紅外光譜法實(shí)現(xiàn)非侵入式血糖監(jiān)測血糖監(jiān)測儀用于測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)測儀進(jìn)行測量時(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)測血糖，但目前的血糖儀無法滿足這一要求

2、。連續(xù)監(jiān)測儀確實(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)測儀。本文將介紹一種使用近紅外（NIR）光譜技術(shù)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)PSoC5LP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與低血糖高血糖和

3、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，需要進(jìn)行持續(xù)的血糖監(jiān)測［1］。由于目前的測量設(shè)備都是通過侵入方式來監(jiān)測血糖水平，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

4、過敏等其它并發(fā)癥。非侵入式技術(shù)能解決采血問題。本文將探討并實(shí)現(xiàn)一種非侵入式血糖監(jiān)測方案。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)測量血糖，在耳垂兩側(cè)分別放置光源和光檢測器。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)行測量是因?yàn)槎刮恢脹]有骨組織而且相對比較薄。同時(shí)需要將近紅外（

5、NIR）光照射到耳垂的一側(cè)，而另一側(cè)放置的接收器用來接收衰減光，然后對衰減光信號(hào)進(jìn)行采樣和處理。選用兩個(gè)ThlabsLED（LED1550E）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銦鎵砷光電二極管。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1550n

6、m的光發(fā)射器和接收器的成本相對較低。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)致透光率較低，反之亦然。因此需要根據(jù)測量時(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。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)

7、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LED后，應(yīng)該在100毫秒內(nèi)對衰減信號(hào)采樣。對每個(gè)

8、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)境光測量值。所有樣本都用32位整型變量存儲(chǔ)，以應(yīng)對乘法與加法溢出問題。信號(hào)處理信號(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–朗