人體局部代謝率監測系統設計*

陳 剛， 朱健銘， 田樹香， 陳真誠

(1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學 生命與環境科學學院，廣西 桂林 541004)

人體局部代謝率監測系統設計*

陳 剛1， 朱健銘2， 田樹香1， 陳真誠2

(1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學 生命與環境科學學院，廣西 桂林 541004)

在實現將溫度、濕度及輻射傳感器集成于獨立檢測探頭基礎上，設計了一種人體局部代謝率監測系統。系統通過采集人體指端生理參數，根據人體能量代謝守恒法，建立數學模型并計算靜息代謝率。經過實驗驗證：該系統可以實現代謝率的方便測量，測試結果能夠反映人體正常的代謝情況。由于系統設計簡便、成本低，可被廣泛用于人體的能量代謝率檢測。

檢測探頭； 代謝率； 能量代謝守恒

0 引 言

基礎代謝率作為一項重要的生理指標，是靜息狀態下人體維持生命所需消耗的最低能量，在人體的熱分析中起著重要的作用。由于基礎代謝率對某些疾病的診斷有重要的意義，對于代謝率的測量研究也成為人們競相探索的重要課題[1～5]。目前常用的測量代謝率的方法有直接測熱、間接測熱、雙標水法、心率監測法、公式預測法等。直接測熱的原理簡單，結果精確，但造價昂貴，技術復雜，應用受到限制。間接測熱法即通過測定氣體代謝的方法，間接測定能量消耗，由于測量儀器相當昂貴，操作復雜，難以實現一般性應用，最典型的能量代謝測定系統(代謝車)是目前公認的臨床上測定基礎代謝率的金標準。由于公式估算基礎代謝率存在地域差異、人體個體差異等準確度難以保證。因此,并不適合于估算我國人體基礎代謝率[6～11]。

本文在研究文獻[12，13]的基礎上，修正了王弟亞等人的局部代謝率計算方法，并通過實驗驗證了修正后算法的正確性。該系統的實現降低了生產成本，同時簡化了測量過程，避免了上述測量方法存在的缺陷，展現了人體代謝率檢測研究的一種新思路。

1 基本原理

糖、脂肪和蛋白質在人體內氧化釋放能量，根據能量代謝守恒法，機體消耗的能量應該等于產生的熱量和所做的功。由于人的體溫是恒定的，在機體不對外做功的情況下，單位時間的產熱量應該等于向外散發的總熱量，所以，測定機體一定時間內散發的總熱量，便可以知道機體的能量代謝率[14]。其中能量的散失方式主要有對流、輻射、蒸發，所以，從熱力學第一定律出發建立人體熱平衡方程

S=M±E-(±W)±R±C,

(1)

式中 S為人體貯熱率(熱量增加為正)；M為代謝率(恒為正)；E為蒸發散熱率(失熱為負)；W為作功率(對外作功為正)； R,C為表面輻射和對流換熱(獲得熱量為正)；由于測量環境需要在人體靜息狀態下進行，所以，方程中的S=0，W=0；通過測量人體局部組織E,R,C的值，即得到人體局部代謝率。

人體大部分體熱(約85 %)是通過皮膚散發的，故可以通過對人體局部皮膚(本文檢測對象為手指指表)進行檢測來獲得人體指端代謝率，根據人體蒸發散熱方程建立以下修正后的數學模型

E=L+Eres+Ed+Esv,

(2)

L=0.001 4×M×(34-Tw),

(3)

Eres=1.72×10-2×M×(5.867-pa),

(4)

Ed=3.054×(0.256Tf-3.37-pa),

(5)

Esv=Wrsw×16.7×he×(0.256Tf-3.37-pa).

(6)

2 系統硬件設計

系統硬件由MSP430控制器[15]、LCD液晶顯示模塊、按鍵模塊、電源模塊、USB通信模塊等部分組成，檢測系統能夠實現代謝率的實時監測、大量數據存儲、實時顯示、USB通信等，本系統采用M25P64數據存儲芯片，此芯片為64M低功耗、串行FLASH內存芯片，擦寫次數超過10萬次，性能可靠。在系統設計中，為用戶提供了數據存儲、擦除、記憶功能，用戶可以翻頁查詢每次測量的數據，增強了系統的靈活性。

USB數據通信方式具有即插即用、支持熱插拔、數據傳輸可靠、擴展方便、低成本等優點，被廣泛應用于嵌入式系統設計中，本設計采用南京沁恒電子有限公司生產型號為CH372的USB總線接口芯片，實現將采集的數據通過USB數據傳輸方式實時上傳給上位機，此芯片為CH371的升級升級產品，在CH375的基礎上減少了USB主機方式和USB串口通信等方式，所以,硬件成本更低，但其功能完全兼容CH375，可以直接使用CH375的WDM驅動程序和DLL動態鏈接庫。具體系統設計框圖如圖1所示。

圖1 監測系統結構框圖Fig 1 Structure block diagram of monitoring system

在整個系統中傳感器探頭(如圖2)是檢測系統中尤為重要的部分，它直接將溫度傳感器(位置1，3)、濕度傳感器(位置2，5)、輻射傳感器(位置4)分別焊接于探頭相應位置，調試無誤之后，將手指放在探頭皮墊表面，并保證手指表面與溫、濕度傳感器一定程度的接觸，同時與輻射傳感器保持要求距離。測量時保持手指自然干燥，測量過程中手指平放并且避免移動，通過接口(位置6)與控制模塊連接。

由于檢測探頭是電路板布線,所以,在與主板連接的過程中避免了引進干擾，保證了信號的穩定和準確。

圖2 檢測探頭實物圖Fig 2 Physical diagram of detecting probe

3 系統軟件開發

本文所開發的軟件包括上位機和下位機兩部分，下位機軟件包括數據采集程序、數據處理程序、LCD顯示程序、鍵盤掃描、FLASH讀寫以及USB通信程序；上位機軟件包括USB通信、顯示及數據庫存儲三個部分。

3.1 下位機軟件的開發

下位機軟件是整個檢測系統各部分協調工作的核心，在它的控制下，系統完成了各個系統自檢、數據采集、數據計算等工作。本設計中下位機軟件開發環境選用IAR Embeded Workbench，根據圖3所示其程序開發流程，編寫各部分程序代碼，即可在IAR中進行編譯、調試與燒寫。下位機軟件主要實現采集6路人體生理信號，經過多路選擇器送到A/D進行模/數轉換，MSP430單片機[16]實現最終的檢測算法，并將數據存儲于外部FLASH。

圖3 系統軟件流程圖Fig 3 Flow chart of system software

3.2 上位機軟件的開發

上位機軟件模塊主要包括：USB通信、人機界面、數據庫存儲等，用來接收下位機上傳來的數據，由于本設計所需數據較多，考慮到后續的數據分析、處理，如果每次都用Matlab軟件進行數據轉換會給研究工作帶來了很大的不便，所以,在程序中已經實現將十六進制的數據自動轉換為十進制并顯示，同時以十進制形式數據存入數據庫，以供后續數據處理。

本論文中的上位機軟件采用最新的Qt 5.1.0作為開發環境，并運用C++語言進行程序的編寫。通過界面設計、程序編寫、調試，完成了數據的接收、顯示，并把數據存儲在MYSQL數據庫的數據表中。

4 實驗結果

理論上，人體正常進食后在內分泌激素的調節作用下，會引起血糖濃度升高和血糖利用增強，從而使代謝率增加。所以，可以通過測定局部代謝率，利用其與血液中糖代謝的關系驗證結果的正確性。同時，基礎代謝率會隨著性別、年齡等不同有生理變動，年齡越大，代謝率越低，一般來說，基礎代謝率的實際數值與正常平均值相差10 %～15 %都屬正常。

在環境25 ℃下，選定7名志愿者在餐后2 h并處于靜息狀態下，利用該系統進行指部代謝率檢測，同時使用雅培血糖儀進行微創血糖測量，得到檢測結果如表1所示，兩者相關性分析分別如圖4所示，R2=0.932 3,表明兩者擬合程度較高，局部代謝率隨著血糖值的升高而呈現增長趨勢，實驗測定的數據與理論相符。

表1 血糖值與局部代謝率的測量數據Tab 1 Measurement data of blood glucose value and local metabolic rate

經過實驗研究[14](即利用能量代謝監測系統實際測定的人體基礎代謝率隨年齡變化曲線)證實，隨著年齡的增長，人體基礎代謝率呈現遞減的趨勢。如圖5為本實驗測定的數據分布散點圖，此圖反映出了與理論一致的遞減關系，說明測定局部代謝率的方法是可行的。

圖4 血糖值與局部代謝率一致性分析圖Fig 4 Consistency analysis diagram of blood glucose value and local metabolic rate

圖5 人體指端代謝率隨年齡的變化規律Fig 5 Change rules of finger tips metabolic rate with age

5 結 論

本文從人體基礎代謝率檢測的實際意義出發，根據人體能量代謝守恒法，建立了局部組織代謝率檢測的數學模型，通過硬件平臺搭建，軟件的調試和實驗測定人體指部代謝率，證明了檢測結果與所用方法的正確性。實驗數據顯示：人體局部代謝率可以很好地反映人體整體代謝情況，同時表現出代謝率隨人體年齡差異的不同而發生明顯的變化，與人體能量代謝理論相符合。

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Design of monitoring system for local human body metabolic rate*

CHEN Gang1, ZHU Jian-ming2, TIAN Shu-xiang1, CHEN Zhen-cheng2

(1.School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China； 2.School of Life and Environmental Sciences,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

On the basis of integration of temperature,humidity and radiation sensor in an independant detection probe,design a kind of monitoring system for local human body metabolic rate.By collecting human fingers physiological parameters,according to the law of conservation of energy metabolism,set up mathematical model and calculate the resting metabolic rate of human.After experimental verification,the system can realize convenient measurement of metabolic rate,the test results can reflect human body metabolism. Due to simple and low cost design of system,it can be widely used in measuring human body’s energy metabolic rate.

detection probe; metabolic rate; conservation of energy metabolic

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0073—03

2014—01—08

國家自然科學基金資助項目(61271119)；廣西自然科學基金資助項目(2011GXNSFA18183)；國家科技支撐計劃資助項目(2013BAI03B01)

R 318.6

A

1000—9787(2014)08—0073—03

陳 剛(1988-)，男，河北保定人，碩士研究生，主要研究方向為生物醫學傳感器與智能儀器。