葉學(xué)儉1，許武軍1,2，范紅1,2

　　(1.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620; 2.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620)

       摘要：主要介紹在基于近紅外光譜法的無創(chuàng)血糖檢測(cè)中對(duì)微弱信號(hào)采集的研究及相關(guān)電路設(shè)計(jì)的工作原理，此設(shè)計(jì)基于CYPRESS公司的PSoC 5LP，通過對(duì)光電二極管采集信號(hào)的濾波，然后經(jīng)過PSoC 5LP內(nèi)部可編程增益放大器放大，再通過模擬定序復(fù)用器將多路信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而獲得較為準(zhǔn)確、穩(wěn)定的電信號(hào)用于后期處理。

　　關(guān)鍵詞：血糖檢測(cè)；近紅外光譜；微弱信號(hào)采集；可編程片上系統(tǒng)

0引言

　　隨著人們生活條件的提高和生活方式的改變，糖尿病發(fā)病率逐年上升，因此血糖監(jiān)測(cè)儀是每一位糖尿病患者必須擁有的。傳統(tǒng)的血糖監(jiān)測(cè)雖十分有效，但需要采集指血，也存在不少隱患及不便，所以非侵入式血糖檢測(cè)裝置愈發(fā)重要?；诮t外光譜的無創(chuàng)血糖檢測(cè)是無創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)重要的研究方向之一，其通過對(duì)透過人體軟組織的一定波長的透射光的采集和對(duì)采集到的多個(gè)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的算法處理及分析得出人體血糖濃度的估值［1］。雖然傳感器技術(shù)及高性能小型處理器的發(fā)展使得非侵入式的血糖實(shí)時(shí)檢測(cè)成為現(xiàn)實(shí)，也使得數(shù)字化醫(yī)療模式越來越受人們歡迎，但是這種模式的血糖檢測(cè)系統(tǒng)離不開對(duì)數(shù)據(jù)的采集與處理，對(duì)微弱信號(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性更是有著較高要求。對(duì)于微弱信號(hào)的檢測(cè)注重的是對(duì)輸出信號(hào)的信噪比的提升和低頻噪聲的干擾減小。良好的信號(hào)采集能力是保證其正確識(shí)別傳感器信號(hào)，獲取算法所需的原始數(shù)據(jù)的關(guān)鍵因素。基于上述要求，本文主要對(duì)微弱信號(hào)的采集電路的相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究探討。

1無創(chuàng)血糖檢測(cè)裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　近紅外光對(duì)于人體軟組織具有很好的穿透性，是理想的檢測(cè)光譜段。而且葡萄糖在近紅外光譜區(qū)（700~1 800 nm）有較明顯的吸收［2］。在本設(shè)計(jì)中，考慮到光透過率的大小，選擇耳垂作為測(cè)量部位。將光源及光電二極管分別放置耳垂兩端，利用透過的近紅外光的光強(qiáng)來計(jì)算該部位的血糖含量?；诮t外光的血糖檢測(cè)技術(shù)最主要的是對(duì)近紅外光信號(hào)的采集。其中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制近紅外光源，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，信號(hào)放大，經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以及數(shù)據(jù)處理五個(gè)部分［3］。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　綜合考慮組織血液中的各種成分的干擾，為最大程度減小其干擾程度，實(shí)驗(yàn)之初選用波長為1 550 nm的發(fā)光二極管(LED)作為光源，并使用PWM來控制LED的發(fā)射功率，并通過調(diào)控PWM模塊的占空比，可使LED的傳輸波長隨著直流電壓平均值的改變而改變，使得近紅外LED的光波波長控制在1 550 nm以上、1 550 nm及1 550 nm以下三個(gè)相近波段，從而獲取多組光源信號(hào)并取平均值，以此降低原始噪聲的影響［4］。實(shí)驗(yàn)主要研究對(duì)微弱信號(hào)的采集，所以以此為信號(hào)源來檢驗(yàn)此采集電路對(duì)微弱信號(hào)的采集能力。

2采集電路的設(shè)計(jì)

　　2.1模擬信號(hào)濾波器的設(shè)計(jì)

　　原始信號(hào)中存在較多高頻噪聲且極不穩(wěn)定，所以使用一個(gè)簡單的二階RC低通濾波器連接到光電二極管的輸出以初步降低高頻噪聲，提升信號(hào)穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)電路的抗干擾能力［5］。經(jīng)過測(cè)試，使用R=10 kΩ，C=10 μF的二階低通濾波器有較好的濾波效果。設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

　　2.2放大電路模塊

可編程增益放大器（PGA）是可以實(shí)現(xiàn)用戶可編程增益的基于運(yùn)算的同相放大器，具有高輸入阻抗，較寬的帶寬及可選擇的輸入?yún)⒖茧妷?。PSoC 5LP自帶模塊PGA由普通SC/CT模塊構(gòu)成，可通過調(diào)整Ra和Rb兩個(gè)電阻來選擇增益，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大以此增加信號(hào)振幅，并具有與反饋電阻Rb并行的可編程電容，主要針對(duì)每次增益選擇進(jìn)行配置以保證其穩(wěn)定性。選擇其作為放大模塊，主要利用到PSoC 5LP高集成度和穩(wěn)定性，并且可以更加直接的控制PGA的增益大小，從而滿足檢測(cè)要求。PGA的原理圖如圖3所示。

　　輸出公式如下：

　　其中G代表增益大小，參考Vref輸入可以連接外部參考或者內(nèi)部Vss（接地）。

　　基于近紅外光的無創(chuàng)血糖檢測(cè)的準(zhǔn)確度很大程度上取決于對(duì)近紅外光譜信號(hào)的穩(wěn)定準(zhǔn)確的采集，然而近紅外光透光信號(hào)衰減程度高，必須通過對(duì)信號(hào)的放大才能更好地檢測(cè)其信號(hào)變化，所以將光電二極管信號(hào)送入PSoC 5LP中的內(nèi)部可編程增益放大器，以放大微弱的近紅外光譜信號(hào)，將血糖變化中微弱的電壓差通過參考電壓為地和增益為50的可編程放大器進(jìn)行放大，以此更好地觀察到采集信號(hào)的變化。此外，實(shí)際操作中可按照實(shí)際情況，考慮到A/D轉(zhuǎn)換器0~5 V的輸入范圍，可以通過應(yīng)用程序編程接口（API）子程序來配置組件以滿足測(cè)試要求。

　　2.3A/D轉(zhuǎn)換

　　為了將放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，需將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。而且為保證信號(hào)精度，減少模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)引起的量化誤差，需要進(jìn)行高分辨率的轉(zhuǎn)換。PSoC 5LP上的ADC模塊可為精密測(cè)量應(yīng)用提供低功耗、低噪聲前端，其由輸入放大器、三階deltasigma調(diào)制器和抽取濾波器構(gòu)成（如圖4所示）。輸入放大器可提供高阻抗的輸入以及可選擇的輸入增益，濾波器可直接從調(diào)制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，之后選擇性地執(zhí)行簡單的濾波器函數(shù)。這里以軌至軌緩沖模式，使用16位分辨率、256 kHz采樣頻率來采樣近紅外光，達(dá)到高采樣率的要求。

　　2.4采集電路的軟件部分設(shè)計(jì)

　　圖5為驅(qū)動(dòng)單一近紅外光的軟件控制模塊圖，利用PSoC Creator實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的軟件控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的調(diào)控，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)也在軟件中進(jìn)行處理分析及顯示。對(duì)于整個(gè)基于近紅外光譜的血糖檢測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)，是以此為基礎(chǔ)控制電路添加更多對(duì)硬件的控制程序、信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊以及信號(hào)采集放大模塊。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　基于近紅外光譜的無創(chuàng)血糖檢測(cè)系統(tǒng)中，組織厚度決定近紅外光的路徑長度，所以光滲透深度是一個(gè)關(guān)鍵因素。此實(shí)驗(yàn)?zāi)M不同組織厚度對(duì)于透光率所產(chǎn)生的不同光強(qiáng)。利用小信號(hào)模型求出LambertBeer定律的近似值，進(jìn)而獲得滲透光強(qiáng)與組織厚度的關(guān)系。利用公式［4］：

　　來表示此模型，其中x代表光滲透深度，y代表透光強(qiáng)度，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲得其特性曲線，如圖6所示。擬合曲線方程為：

　　與此同時(shí)獲得光滲透深度與近紅外光光衰減率的關(guān)系，如圖7所示。

　　通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過程中仍存有一些不穩(wěn)定因素，尤其在近紅外光穿透過程中光衰減率過高，極易在一定厚度之后無法采集到穩(wěn)定的信號(hào)，加之環(huán)境因素的干擾，微弱信號(hào)的準(zhǔn)確性受到很大影響，所以后期實(shí)驗(yàn)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)單一波段的光采集能力及光聚焦能力的研究。另外，對(duì)模擬信號(hào)的初次濾波采用二階低通RC濾波，通過對(duì)信號(hào)的觀察，雖然濾波效果較明顯，但仍存有少量噪聲，在透光電壓衰減至十幾毫伏時(shí)會(huì)極不穩(wěn)定，在后期改進(jìn)中建議使用四階巴特沃思有源低通濾波器［6］，其特點(diǎn)是通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最平滑，相比較二階RC低通濾波器，其濾波效果更好。

4結(jié)論

　　本文討論了一種以基于近紅外光譜的無創(chuàng)血糖檢測(cè)系統(tǒng)為背景的微弱信號(hào)采集裝置的設(shè)計(jì)方法，提出整體設(shè)計(jì)方案。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出其漂移小，且利用PSoC 5LP高集成度且抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，提高對(duì)微弱信號(hào)采集的精確度。同時(shí)，此設(shè)計(jì)也可用于其他微弱信號(hào)的檢測(cè)之中。

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