基于能量守恒的无创血糖检测传感器的设计

基于能量守恒的无创血糖检测传感器的设计

糖尿病是一种由胰岛素分泌紊乱引起的不正常血糖。近年来,糖尿病患者的逐年成倍增加,血糖浓度的检测手段也不断发展。血糖检测方法主要为生化血糖检测方法、微创血糖检测方法和无创血糖检测方法。生化血糖检测方法和微创血糖检测方法的技术都已比较成熟,也是目前血糖检测的主要方法。有创检测是最早的、最准确的检测方法,医院使用较多,但不适合长时间对血糖浓度的监测。美国强生生产的一系列微创血糖仪使得血糖检测进入了家庭,但仍然属于有创的检测方法。近几年来也出现了很多无创的检测方法,全球约100多个研究所利用光学方法进行血糖检测。光学方法大都采用光电传感器作为光信号的接受装置,如红外光谱法、拉曼光谱法、声光光谱法、光散射光谱法和偏振光法等等。但是目前由于技术和加工工艺的原因,还没有对血糖排它性敏感波长以及对血糖敏感的声波频率具有很理想的响应光谱特性光电传感器,光学测量大都停留在理论研究阶段,未见到精度较高的产品。另一种研究较多的是电化学方法,如美国CygnusInc.公司生产的手表式血糖仪GlucoseWatchG2,利用皮肤的渗透作用,测量渗出液中糖分子数。日本东京大学的MasakiYamaguchi等人利用唾液测量血糖。电化学方法广泛地采用了葡萄糖氧化酶制作的传感器检测血糖的方法,该方法由于在传感器的制作过程中很难做到酶活量的一致性,从而出现测试中的重复性较差,需要一定的保存条件等缺陷。近来,日本OkKyungCho等人根据人体的基体效应,提出了一种热整合法(MetabolicHeatConformation,MHC)的无创血糖检测方法,但测试精度不高,还处于实验阶段。我们在他们的检测原理基础上进行了改进,在传感器集成上增加了无感蒸发的湿度传感器,设计出了新型的无创血糖检测传感器。该传感器性能稳定,初步实验测试取得了较好的结果。1人体可量代谢遵循遵守规则的血糖浓度测试原理1.1人体热平衡的建立人体为了维持正常的生理功能将体温保持在37℃左右很小的变化范围内。为了达到这个生理活动的最基本要求,人和环境之间要不断进行热量交换,人体新陈代谢会不断产生热量,并通过对流(温差引起的空气流动)和辐射(热量向邻近低温表面辐射)的方式散热。人体消耗能量产生的热量和散热量存在一种动态平衡关系。由此可知人体新陈代谢产生的热量与蒸发、辐射、导热和对流所散失的热量代数和是相等的,这种等量关系被称为人体热平衡。对人体而言,与周围环境的辐射、对流以及导热是得热或失热过程,而蒸发则完全是失热过程。人的热舒适度感主要建立在人和周围环境正常的热交换上,即人的新陈代谢产热量和人向周围环境的散热量之间的平衡关系,可用公式表示如下:Δq=H-qw±qr±qc(1)H——人体新陈代谢产热量,W/m2;qw——人体蒸发散热量,W/m2,与大气的水蒸气分压差、气流等因素有关;qr——人体与周围环境辐射换热量,W/m2,与体表和环境辐射量有关;qc——人体与周围环境对流换热量,W/m2,与体表和环境温度差有关;Δq——人体产热量与散热量之差,即人体热负荷,W/m2。Δq=0时,体温恒定不变;Δq>0时,体温上升;Δq<0时,体温下降。式(1)即为人体的能量守恒平衡方程。人体产热量取决于机体的活动情况。在常温下,处于一般状态的成年人的平均产热量约为90~100W。1.2血糖浓度的测量能源物质在体内氧化时所放出的能量约50%直接转变为热量,用于维持体温,并向外界散发。其余不足50%的能量提供自由能,经储存、转化和利用也最终转变成热能参与体温的维持(除机械外的部分)见图1。一般情况下,糖为机体主要能源物质,总能量的70%以上由糖分解代谢提供。根据能量守恒和转换定理:单位时间内所释放的能量,等于单位时间内消耗的能量,包括热能、完成机械外功和化学储备能三者之和。如果测定能量代谢的时间内,化学储备能极少而忽略不计,骨骼肌处于静息状态不做机械外功,则能量代谢率等于此时间内散发的热量。根据此定理,我们采用了代谢能量守恒法来测量血糖浓度。葡萄糖氧化成水、二氧化碳和能量。氧供应的体积通过血红蛋白浓度和血红蛋白氧饱和度以及血液流动的体积来确定。在另一方面,体内由葡萄糖氧化产生热量通过对流、热辐射、传导和蒸发四种形式从体内耗散。假设体温由体内葡萄糖氧化产生的能量,即热产出和上面所述的热耗散之间的平衡来确定,我们建立了下面的模型:①产热量和热耗散的量被认为是相等的;②产热量是血糖浓度和氧供给体积的函数;③氧供给体积是由血红蛋白浓度、血红蛋白饱和度以及毛细血管中流动的血液体积来确定;④热耗散量主要通过热对流、热辐射和蒸发来确定。根据以上模型的假设,代谢产生的热量是血糖水平和供氧量的函数,供氧量是动脉血氧饱和度及血液流速的函数,因此代谢产生的热量,H=F{[GLU],BF,Hb,HbO2}(2)代谢产生的热量和血糖水平、血液流速、血氧饱和度正相关。只要测量出代谢产生的热量、血液流速、血氧饱和度就可以推算出血糖水平。血糖水平可以表示为[GLU]=F{H,BF,Hb,HbO2}(3)结合指表温度、环境温度、相对湿度、血红蛋白浓度、血氧饱和度、血流量等参数的测量定,通过PLS建模,最终可以通过不取血的方式得到血糖浓度的值。2人体血流量和辐射度:环境是临床上的人体血流量和辐射度,是人体血流量和辐射度的基根据以上原理,采用不同类型的传感器采集来自体表的温度和湿度,环境的温度和湿度、人体血流量和辐射度。本设计中,以手指作为被测对象,通过测量食指尖处的各项参数,相应地优化出各个传感器放置的位置,完成了各传感器的集成设计以及测试。2.1传感器和检测电路集成在选取传感器的时候,考虑到传感器需要固定在支架上而不是在电路板上,不免会引进一些干扰。传感器检测电路也会对信号的精确性产生影响。因此,我们尽量选用传感器和检测电路集成在一起的器件,以得到稳定、精确的数值。此外,考虑到血氧饱和度的测量技术已经发展的相当成熟,血氧饱和度的测量直接采用血氧模块来完成。(1)rminel明确的采用根据Stefan-Bloltzmann法则,体表与周围环境之间因辐射而交换的热量,需要测量周围环境辐射温度和指表辐射温度两项参数。辐射量的测量采用具有信号处理的小型热电堆传感器。PerkinElmerA2TPMI是一种通用红外热电堆传感器,具有集成配置的ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)。它能够进行信号处理以及环境温度补偿的特点。此集成红外模块能够感知有目标物体发出的热辐射,并将其转换为数字信号,响应时间短。考虑到测量环境较狭窄,我们采用了A2TPMI334-L5.5OAA060为辐射量测量传感器。此型号的传感器具有较大的采集窗,较小的体积适合密闭狭窄环境的使用。传感器输出信号Tobj和Tamb作为目标信号利用Stefan-Bloltzmann法则进行处理。(2)基于lm33的风速测量伴随与身体表面接触的空气对流而转移的热交换量,即对流散热量。根据体表对流换热所交换的热量一般公式Qc=αc(Ta-TS),我们需要测量Ta和TS,即环境温度和体表温度。这里我们选用LM35系列中的LM35CAH。LM35系列是精确集成温度传感器,其输出电压与温度之间成线性比例,所以用户不需要对输出电压进行处理。LM35不需要额外的校准就可以获得10.0mV/℃的典型精度,测量范围-55~+150C、低输出阻抗、低功耗。采用TO-46封装,三管脚。可以胶粘在被测物体表面,温度误差在0.01℃之内。(3)湿度传感器的选用体表面由于不感蒸发及出汗等水分蒸发而引起的散热,即蒸发性散热。蒸发散热与皮肤表面水分蒸发量有关,可以将手指皮肤置于一定大小密闭的空间当中,按式Ed=Vhe(p′a-pa)(he为蒸发传热系数、V有效体积,p′a为指表水蒸气分压,pa为大气水蒸气分压),通过测量这个空间当中水汽压力的变化速度来估算皮肤的水汽蒸发速度。HIH3610系列湿度传感器是是一款电压输出的湿度传感器,具有高精度、低功耗、快相应时间、稳定且较低的漂移等特点,可以直接与控制器相连,典型电流只有200μA,尤其适合低功耗、电池供电的系统。输出电压从0.958V到4.07V,5V供电,与其他传感器供电相同。(4)量热清除法测量血流量皮肤的隔热性以及传热性的变化取决于血流运送热的能力。假若血管收缩,血流减少,则热的运送减少因而隔热性增大。因此,我们采用测量热清除法进行血流量的测量。如图2所示,只要测量金属棒近手指端和远手指端的温度就可以计算血流量。这里我们采用LM35的温度传感器,利用粘合剂粘在金属棒上。在金属棒材料和长度的选择方面,也是通过对导热性较好铜、镁、铝三种材料的测量决定的。我们分别对40mm、50mm的铜片、镁片和铝片进行了300s传热散热测试,如图3示,50mm镁片的传热和散热曲线最为理想。2.2温度和湿度测量如图4所示,测量温度、湿度、血流量和辐射量的七个传感器的放置位置。温度传感器3测量手指表面温度,与温度传感器4位一组为对流换热量提供数据;温度传感器1和温度传感器2位一组,帖附在金属镁片的两端,测量手指通过镁片传导的热量;湿度传感器1和湿度传感器2一组,提供蒸发换热量所需的空气水份气压差;热辐射传感器放置在密闭空腔的底部,测量手指在密闭空间内的红外辐射量。测量时,被测量者只需将手指放止于探头顶端,并将顶端全部覆盖,就可以准确地测量指端各种换热量了。各个传感器由导线连接,与信号传输和控制处理的电路板相连,提供5V工作电压,通过单片机控制数据转换,并通过RS-232将数据送至计算机,以便在计算机上进行数据处理。2.3集成一体传感器的测量数据各个传感器按照图4安装好后,将手指放在探头的顶端,开始计时。测量分两次进行,分别以5s、10s为时间间隔同时测量七个传感器的测试量。最后对测得的所有数据进行了多项式拟合,以便观察传感器的测量数据是否达到预期的效果。下面分别给出了集成一体的各传感器所测得的数据的拟合曲线图。图5中,当食指放置在探头顶端,辐射量明显增加直到手指移开恢复初始状态;图6为多次测量的平均温度电压拟合曲线,当手指靠近探头时,外部传感器输出也受到影响。因此,我们在测量时,避免了呼吸和其它体表蒸发对测量的影响;图7为温度均值拟合曲线,在室内测量,以避免室内风速对测量结果的影响;图8是金属镁片两端温度传感器测量数据拟