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(guò)高或過(guò)低史的患者。一般來(lái)說(shuō)，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)?；虺掷m(xù)監(jiān)測(cè)血糖，但目前的血糖儀無(wú)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)的架構(gòu)，根據(jù)耳垂部分的透射光譜來(lái)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)PSoC-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(guò)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，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(guò)侵入方式來(lái)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(guò)敏等其它并發(fā)癥。非侵入式技術(shù)能解決采血問(wèn)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(zhǎng)為1550nm，以為該波長(zhǎng)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(guò)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](méi)有骨組織而且相對(duì)比較薄。同時(shí)需要將近紅外（NIR）光照射到耳垂的一側(cè)，而另一側(cè)放置的接收器用來(lái)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(wú)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(zhǎng) 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(zhǎng)相比，波長(zhǎng)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(guò)血液含氧量來(lái)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(lái)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(wèn)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(zhǎng)度，路徑越長(zhǎng)，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(lái)測(cè)量。

　　用來(lái)感應(yīng)近紅外光譜信號(hào)的銦鎵砷光電二極管也可用于感應(yīng)其他波長(zhǎng)（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(zhǎng)。

　　所有這些變量都在PSoC5LP中進(jìn)行放大、采樣和處理，隨后通過(guò)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

　　將銦鎵砷光電二極管信號(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(wú)需放大。我們可利用內(nèi)部可編程增益放大器（PGA）來(lái)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)Δ∑模數(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（見(jiàn)圖2）。

　　圖2.PsoC的外部元件與原理圖

　　可使用脈寬調(diào)制（PWM）來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)紅光、紅外和近紅外LED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(zhǎng)占60個(gè)，紅外、紅光和綠光波長(zhǎng)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(kāi)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(wèn)題。