葡萄糖水溶液阻抗檢測系統的設計應用

周菁楠　朱 立

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葡萄糖水溶液阻抗檢測系統的設計應用

周菁楠①朱 立①

[摘要]目的：設計葡萄糖溶液阻抗檢測系統，分析研究葡萄糖水溶液濃度水平與阻抗的關系，為研究人體血糖檢測與血液阻抗的關系奠定基礎。方法：采用AD5933中的數字頻率合成器(DDS)產生激勵信號，施加在待測阻抗上，模擬數字轉換器(ADC)采集相應信號并送到片內離散傅里葉變換(DFT)模塊進行數字處理，測量結果通過I2C送至單片機，再由單片機與計算機上位機通訊，計算機顯示該阻抗值。結果：該儀器能夠實現電阻、電容、電感及葡萄糖水溶液阻抗快速和準確地測量。實驗驗證，阻抗幅值和相位測量的相對誤差較小，電阻阻抗平均偏差為0.04，相位平均偏差為0.15o。結論：葡萄糖水溶液阻抗檢測系統的應用，可準確測量出葡萄糖水溶液濃度水平；葡萄糖水溶液濃度與阻抗呈線性相關，相關系數＞0.99。

[關鍵詞]AD5933數字頻率合成器；阻抗檢測；STC89C52單片機；上位機I2C；葡萄糖

①浙江省腫瘤醫院設備科 浙江 杭州 310022

周菁楠,女,(1986-),本科學歷，工程師。浙江省腫瘤醫院設備科,從事醫療設備采購和維修工作。

[First-author’s address]Equipment Department,Zhejiang Cancer Hospital,Hangzhou 310022,China.

據世界衛生組織公布，到2025年全世界糖尿病患者人數將上升到3億[1]。目前，我國該病群體規模已超過9240萬人，居全球之首。在中國糖尿病患病率正快速升高，并呈現發病年輕化的趨勢。然而，糖尿病仍然是現代醫學的一個不治之癥，由于血液中的葡萄糖濃度升高，造成對身體諸多系統的損害，尤其是血管和神經，引發許多嚴重的并發癥，如心臟疾病、失明、神經病變、腎功能衰竭以及腳病，故糖尿病已成為人類健康的無情殺手之一[2]。

為了控制疾病，防止并發癥，經常檢測糖尿病患者的血糖水平是必不可少的。目前，醫院中最常用的檢測血糖的方法是采集血樣，處理后加入相關反應試劑，之后再采用大型的生化檢測設備進行分析[3]。該方法雖然準確，但由于其過程繁瑣、操作復雜、耗材量大以及采血量大，不利于多數患者的自我監護。因此，尋找一種新的血糖阻抗檢測方法檢測血糖濃度，對于減少耗材、節約資源極具實際意義。為此，本研究重點對葡萄糖水溶液濃度與阻抗的關系進行分析探討[4]。

1　葡萄糖溶液阻抗檢測系統總體設計

近年來，血糖檢測方法的研究主要體現在無創性血糖測量技術上，其中光纖輻射、體液獲取和生物阻抗3類最具前景[5-6]。相比較于前兩種方法，生物阻抗則具有壓倒性的優勢，因其對血、氣、體液以及其他組織組成的變化非常敏感，可用于早期發現癌癥和身體成分分析[7]。

血液阻抗在不同的頻率下是不同的，因此，可以由選定頻率下的阻抗測量值計算出血液中葡萄糖的濃度[8]。無創血糖監測阻抗與保持低成本的紅外技術相比，測量時間短、精確度高。此外，如果精心選擇當前頻率，可在同一時間測量多組血液。基于這些優勢，本研究設計一款葡萄糖溶液阻抗檢測系統，分析葡萄糖溶液濃度與阻抗的關系。其整體設計如圖1所示。

圖1　葡萄糖溶液阻抗檢測系統整體框圖

阻抗檢測利用AD5933芯片中的直接數字頻率合成(direct digital synthesizer，DDS)產生激勵信號，施加在待測阻抗上，模擬數字轉換器(analog-todigital converta，ADC)采集相應信號并送到片內離散傅里葉變換(discrete fourier transform，DFT)模塊進行數字處理，測量得到阻抗的實部、虛部和相位數據[9]。通過單片機的2個I/O口來實現總線接口，其中一個I/O口模擬SDA數據線的時序，另一個I/O口模擬SCL信號線的時序，以實現I2C通信。即單片機下位機與計算機上位機通訊，計算機顯示該阻抗值。設置起始頻率及步進頻率后，上位機可以繪制將頻率范圍內所測得的阻抗模值及相位與頻率的關系圖。

2　葡萄糖溶液阻抗檢測系統硬件設計

2.17805電源模塊設計

系統設計采用9 V電池與7805穩壓芯片組成的5 V輸出電源。7805穩壓器不僅能輸出較穩定的5 V電壓，而且成本低，電路簡單(如圖2所示)。

圖2　7805電源電路圖

2.2STC89C52單片機最小系統

STC89C52單片機最小系統選取11.05 MHz晶振，因其可準確得到57600波特率，可用于有串口通訊的場合(如圖3所示)[10-11]。

圖3　STC89C52最小系統電路圖

2.3串口模塊

由于最小系統中未直接與計算機互聯的RS232接口，因此需要一個電平轉換模塊完成TTL-RS232之間的電平轉換，將RXD接到單片機的TXD；TXD接到單片機的RXD，即可實現單片機與上位機的連接(如圖4所示)[12]。

圖4　RS232-TTL模塊電路圖

2.4AD5933阻抗檢測模塊

AD5933是一個高精度的阻抗變換系統，可以計算出在每個掃描頻率下的被測目標阻抗的模和相角[13-14]。AD5933阻抗檢測模塊基本結構如圖5所示。

圖5　AD5933基本結構圖

經過AD5933阻抗變換系統計算后得到的模值并非實際阻抗值，需乘以一增益系數A。已知標定電阻Rref和模值求A為公式1：

已知該頻率下增益系數A和待測電阻的模值求實際阻抗Rx為公式2：

對于不同的測量頻率點，增益系數不同，因此在不同的頻率點上分別計算增益系數。此外，在測量過程中可通過標定電阻的測量范圍優化測量性能。測量時在AD5933的RFB和Vin之間接入標定電阻，Vin和Vout之間接入待測電阻，測量之前預估待測電阻所在的范圍，選擇相應標定電阻，在每個頻率點上需先對標定電阻進行測量和計算，再以此為標準計算被測電阻(如圖6所示)。

圖6　AD5933外圍電路圖

3　葡萄糖溶液阻抗檢測系統軟件設計與分析

3.1系統軟件框圖

設計上位機軟件通過Visual Basic6.0開發，可以實現量程的選擇、輸入電壓和輸入增益的選擇，起始頻率、步進頻率的設置，阻抗值與相位的畫圖顯示[15]。阻抗檢測流程圖、上位機軟件框圖和單個阻抗檢測過程軟件流程經多次實驗軟件運行穩定(如圖7所示)。

圖7　單個阻抗檢測過程軟件流程圖

3.2電容值的計算代碼

'虛部＜0，為容性

If(Imaginary≤0)Then

Capacity＝2×3.141592·Val(Text4.Text)· Imaginary'容性值的負倒數

If(Abs(Capacity)＜0.000001)Then'如果倒數很小，則表明容性很大

Text7.Text＝"∞"

Label28.Caption＝"容性(F)"

Exit Sub

End If

3.3電感值的計算

'虛部＞0，為感性

Else

Inductance＝Imaginary/(2×3.141592·Val(Text4.Text))'計算感性值

If(Inductance＜0.000001)Then '＜1 uH，則按單位為nH顯示

Label28.Caption＝"感性(nH)"

Inductance＝Inductance*1000000000#

Else

If(Inductance＜0.001)Then'＜1 mH≥1 uH，則按單位uH顯示

Label28.Caption＝"感性(uH)"

Inductance＝Inductance·1000000#

Else

If(Inductance＜1)Then'＜1 H≥1 mH，則按單位mH顯示

Label28.Caption＝"感性(mH)"

Inductance＝Inductance·1000#

Else '＞1 H，則按單位H顯示

Label28.Caption＝"感性(H)"

End If

End If

End If

4　實驗結果

本研究對不同濃度的葡萄糖水溶液阻抗進行測試，其結果如圖8所示。

圖8　不同濃度水平葡萄糖水溶液阻抗圖

運用matlab進行線性最小二乘擬合[16]：相關系數為0.9994，顯示有很高的相關度。

用標準阻值的電阻進行多次測試，電阻阻值平均誤差為0.0411，電阻相位平均誤差為0.152；電容阻抗平均誤差為0.0721，電容相位平均誤差為0.152；葡萄糖濃度與阻抗值呈線性關系，相關系數分別為0.9978，0.9982(如圖9、圖10所示)。

圖9　葡萄糖水溶液濃度與阻抗關系圖

圖10　葡萄糖水溶液濃度水平與阻抗關系圖

5　結論

本研究利用AD5933阻抗芯片進行葡萄糖溶液阻抗檢測系統的軟件、硬件開發和研制，分析糖尿病的現狀及其危害，指出研究實施的意義所在，并對系統的軟、硬件進行了探討，通過調試系統取得了滿意的效果。

本研究尚處于試驗研究階段，葡萄糖溶液阻抗檢測系統雖然實現了電子器件(電阻、電容及電感)阻抗的測量及葡萄糖水溶液的阻抗值，但尚未推廣到人體血糖檢測。然而，人體血液阻抗受葡萄糖以外其他因素的影響，在確定阻抗和血液中的葡萄糖濃度的關系必須要考慮，其中包括血液中的電解質濃度、皮膚狀況、血流和體溫等因素。

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Research on impedance detection device of glucose solution

/ZHOU Jing-nan,ZHU Li//China Medical Equipment,2016,13(3):7-11.

[Abstract]Objective:To analyze the relationship between the concentration of glucose and the impedance of human blood,and study the relationship between human blood glucose detection and human blood impedance.Methods:The system adopts the AD5933 digital frequency synthesizer(DDS)in the excitation signal is produced,imposed on the impedance under test,the ADC acquisition signal and sent to the corresponding chip DFT digital processing module,measurement results through the I2C sent to the microcontroller,again by the single-chip microcomputer and PC computer communication,the computer shows that the impedance values.Results:The instrument can realize the resistor,capacitor,inductance,glucose solution impedance measuring rapidly and accurately,through experimental verify that resistive impedance deviation from the mean is 0.04,phase deviation from the mean is 0.15°.Conclusion:The glucose concentration of aqueous solution was linearly correlated with the impedance,the correlation coefficient greater than 0.99.

[Key words]AD5933 digital frequency synthesizer;impedance measurement;STC89C52 single chip microcomputer;Upper computer I2C;Glucose

收稿日期：2015-11-03

作者簡介

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.03.001

[文章編號]1672-8270(2016)03-0007-05

[中圖分類號]R197.324

[文獻標識碼]A