陳真誠， 劉善劍， 朱健銘， 徐北平， 陳志高, 張　楊

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

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基于MSP430F149的NPRQ檢測系統(tǒng)*

陳真誠1， 劉善劍2， 朱健銘1， 徐北平2， 陳志高2, 張楊2

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

摘要:利用CO2,O2、溫度、氣體壓強(qiáng)等感知技術(shù)以及藍(lán)牙技術(shù)，設(shè)計(jì)了呼出氣體數(shù)據(jù)采集終端，再利用LabVIEW2013開發(fā)生理信號接收、顯示、處理和存儲的平臺，研制了一種可準(zhǔn)確便捷檢測人體非蛋白呼吸商(NPRQ)檢測設(shè)備。通過兩部分實(shí)驗(yàn)，表明設(shè)備具有較高的精度和穩(wěn)定性。由于該系統(tǒng)操作簡單、性能可靠,準(zhǔn)確度高，有望用于科研、醫(yī)療、體育、健康管理等諸多領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：MSP430F149; 非蛋白呼吸商； 藍(lán)牙； LabVIEW

0引言

近年來，健康工程已經(jīng)逐漸受到人們的關(guān)注，浙江省醫(yī)學(xué)會健康管理學(xué)分會第七次學(xué)術(shù)年會指出,借助健康物聯(lián)網(wǎng)方式將健康醫(yī)學(xué)模式逐漸替代目前的疾病醫(yī)學(xué)模式[1]。針對目前糖尿病患者逐年遞增的現(xiàn)象，研究表明,呼吸商(respiratory quotient， RQ)能在一定程度上反映體內(nèi)糖脂代謝紊亂的情況，正常情況下體內(nèi)蛋白質(zhì)氧化供能的比例很低，RQ值與非蛋白呼吸商(non protein RQ,NPRQ)值較接近，但NPRQ檢測設(shè)備由于缺少了尿素氮的檢測使得設(shè)備更加小型化,檢測效率更加高效，從而受到人們廣泛關(guān)注和研究[2]。而目前市場上存在的RQ測量設(shè)備主要是以代謝車為主的呼吸測熱設(shè)備，該設(shè)備龐大、價(jià)格昂貴、檢測的成本高，尚未出現(xiàn)成本低廉、便攜使用的呼吸商檢測設(shè)備。

為了推動糖尿病治療模式由疾病醫(yī)學(xué)模式向健康醫(yī)學(xué)模式轉(zhuǎn)變，本文研制了一種成本低廉、便攜式的NPRQ檢測裝置，對了解代謝情況以預(yù)防直接或間接由代謝紊亂而引起的疾病具有重要的意義。

1呼吸商與健康工程的關(guān)系

任建安等學(xué)者研究表明,RQ能反映代謝底物的比例，它對了解代謝異常有很大幫助[3]。糖脂代謝紊亂正是糖尿病的主要癥狀之一[4],由于胰島素的缺乏，使患者體內(nèi)脂肪氧化供能的比例增大,而碳水化合物氧化供能的比例下降。體內(nèi)這三大供能物質(zhì)的代謝平衡是神經(jīng)系統(tǒng)和各種體液激素協(xié)同調(diào)節(jié)的結(jié)果。胰島素是其中重要的調(diào)節(jié)激素之一，也是唯一降血糖的激素，Jose E G等學(xué)者最新的研究表明，NPRQ與胰島素分泌速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.61[5]。張雅楠對初發(fā)Ⅱ型糖尿病患者做了關(guān)于RQ的研究，其研究中還發(fā)現(xiàn),初發(fā)Ⅱ型糖尿病患者的RQ值約為0.79，與進(jìn)食混合性食物者的RQ值0.85相比有明顯降低[6]。雖然利用呼出氣體診斷糖尿病的研究早有報(bào)道[7]，但以呼吸商檢測為手段的糖尿病診斷研究鮮有報(bào)道，基于以上研究提出研制適合家庭使用的NPRQ檢測設(shè)備，使NPRQ檢測成為預(yù)防II型糖尿病等由代謝紊亂引起的疾病的一項(xiàng)措施。

2測量的原理

NPRQ是指在忽略蛋白質(zhì)代謝所得到的釋放的CO2和吸收的O2的分子比。NPRQ現(xiàn)有的測量方法主要有兩種：封閉式測量和開放式測量。封閉式測量要求檢測室完全封閉并且需配有補(bǔ)充O2裝置，有造價(jià)高和維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)。而開放式測量對檢測室的密閉性要求不高，設(shè)計(jì)簡單，造價(jià)低,操作方便。因此,本研究采用國際上通用的開放式測量[8]。程序設(shè)計(jì)中利用以下公式計(jì)算呼吸商

(1)

(2)

式中coCO2為呼氣后CO2的濃度，ciCO2為呼氣前CO2的濃度，coO2為呼氣后O2的濃度，ciO2為呼氣前O2的濃度，式(2)由式(1)推導(dǎo)而來。式(2)中各氣體濃度單位均用10-6表示。測量穩(wěn)定的O2濃度和CO2濃度的方法，依據(jù)Mclean和Tobin(1987)提出的排氣量達(dá)到呼吸小室3倍時(shí)呼吸小室內(nèi)各氣體濃度達(dá)平衡狀態(tài)的理論[9]來具體設(shè)計(jì)。

3系統(tǒng)方案和軟硬件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)方案

系統(tǒng)框如圖1。

圖1　開放式呼吸商檢測系統(tǒng)框圖Fig 1　Block diagram of open RQ test system

由圖1，該呼吸小室呼吸參數(shù)采集終端包括CO2,O2、溫度、氣體壓強(qiáng)采集部分、藍(lán)牙通信部分。再利用LabVIEW平臺強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能開發(fā)了數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析存儲平臺。

3.2硬件設(shè)計(jì)

硬件主要為呼吸小室呼吸參數(shù)采集終端、呼吸面罩、呼吸氣管以及排氣管，呼吸小室設(shè)計(jì)大小為5 L，氣體入口徑為30 mm，出口徑為30 mm,入口徑高于出口近20 mm。整體RQ檢測采用開放式測量，呼吸小室呼吸參數(shù)采集采用多傳感器組合，傳感器組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　傳感器模塊組實(shí)物圖Fig 2　Physical map of sensor module group

硬件模塊的特點(diǎn)如下：主控器采用MSP430F149的16位處理器，它包含5種低功耗模式，帶雙UART,12位A/D轉(zhuǎn)換；CO2采集用具有測量范圍寬、精度高的COZIR—XM—100，通信方式UART通信接口，測量范圍0～100 %，精度為50×10-6；O2采集用測量線性誤差小于2 %，模擬量輸出分辨率高的M04；溫度氣壓傳感器采用分辨率高、測量精確、I2C通信的BMP085，藍(lán)牙通訊模塊采用通信穩(wěn)定、低功耗XM—15B—SPP。

3.3軟件設(shè)計(jì)

3.3.1系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件是整個(gè)檢測系統(tǒng)各部分協(xié)調(diào)工作的核心，在它的控制下，系統(tǒng)完成了各個(gè)模塊的自檢、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算等工作。本設(shè)計(jì)中下位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境選用IAR Embeded Workbench 5.6，根據(jù)圖3 所示的程序開發(fā)流程，編寫各部分程序代碼，即可在IAR中進(jìn)行編譯、調(diào)試與燒寫。下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)采集4路氣體參數(shù)，MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)最終的檢測算法，并將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送出去。

圖3　系統(tǒng)流程圖Fig 3　Flow chart of system

3.3.2LabVIEW實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺

利用LabVIEW 2013對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接和波形顯示進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先通過調(diào)用VISA 中的VISA serial控件，選擇當(dāng)前正在連接的藍(lán)牙串口通信端口，進(jìn)行初始化設(shè)置。當(dāng)初始化完成后，利用創(chuàng)建隊(duì)列的方法保存每次VISA READ控件從藍(lán)牙串口中讀到的數(shù)據(jù)，之后再從隊(duì)列中將數(shù)據(jù)按順序讀出，使每次讀到的數(shù)據(jù)能按正確的順序顯示在對應(yīng)的圖中[10]。通信的協(xié)議設(shè)計(jì)：每一幀數(shù)據(jù)共29個(gè)，以字符'A'開頭，接著2～7個(gè)數(shù)據(jù)為O2濃度，8～13個(gè)數(shù)據(jù)為CO2濃度，14～17數(shù)據(jù)為溫度，19～23個(gè)數(shù)據(jù)為氣壓，24～29為NPRQ的值。實(shí)驗(yàn)過程中曲線變化如圖4所示。

圖4　LabVIEW呼吸商各參數(shù)監(jiān)測曲線圖Fig 4　Monitoring curves of RQ parameters on LabVIEW

4NPRQ檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1RQ檢測試驗(yàn)

檢測對象:10位健康志愿者；實(shí)驗(yàn)的初始條件：早餐8:00，2 h后10:00進(jìn)行檢測?？照{(diào)房中設(shè)置溫度在27 ℃，濕度70 %RH。此時(shí)C(O2)=20.66 %，C(CO2)=0.65 %，T=27.0 ℃，p=98.095 kPa。

檢測結(jié)果通過簡單的數(shù)據(jù)處理后，如圖5所示，利用SPSS 19.0作出實(shí)驗(yàn)結(jié)果散點(diǎn)圖(其中NPRQ1為設(shè)備測量值，NPRQ2為采用美國森迪斯VmaxTMEncore系列代謝測試系統(tǒng)測量值)。

圖5　檢測結(jié)果的散點(diǎn)圖Fig 5　Scatter plot of test results

對實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)與美國森迪斯代謝系統(tǒng)測量值做雙變量Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果表明：相關(guān)性系數(shù)r為0.974和顯著性P<0.05，表明兩組測量值顯著相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明基于MSP430F149的NPRQ檢測系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性。

4.2RQ檢測穩(wěn)定性測試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法：30 min內(nèi)3次重復(fù)測試；實(shí)驗(yàn)原理：短時(shí)間內(nèi)由于代謝底物相差不大，測試者處于靜息狀態(tài)，呼吸商具有較大的相似性；實(shí)驗(yàn)對象：5名健康志愿者。

對5名志愿者30 min內(nèi)測量3次，每次間隔10 min。如表1所示，利用SPSS 19.0分別為每個(gè)志愿者算出測量的O2濃度，CO2濃度，溫度T，壓強(qiáng)p和NPRQ的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，4組測量中O2濃度標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.153，CO2濃度標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.139，溫度T標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.058，壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.02，NPRQ標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.02。從以上5個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差的大小可以得出：雖然該設(shè)備測量過程中O2濃度和CO2濃度變化較大，但是經(jīng)NPRQ穩(wěn)定算法后NPRQ值的變化幅度得到降低，基本能夠滿足測量需求。檢測結(jié)果的誤差可能與以下因素有關(guān)：1)呼吸小室內(nèi)氣體的流速率，氣體的流速的快慢會給氣體傳感器感知造成誤差；2)NPRQ穩(wěn)定算法中閾值設(shè)置，閾值的確定與最終NPRQ的精度有直接的關(guān)系；3)檢測過程與外界環(huán)境，檢測時(shí)必須要小口平緩呼氣，大口呼氣、心浮氣躁、環(huán)境的O2和CO2濃度等均會給檢測結(jié)果帶來誤差。

表1　30 min內(nèi)3次呼吸商檢測實(shí)驗(yàn)

5結(jié)束語

本文研究成果作為人體代謝檢測設(shè)備，其監(jiān)測參數(shù)選擇合理，操作簡便，各參數(shù)的數(shù)值可以導(dǎo)出到Excel中，便于分析和研究。通過網(wǎng)絡(luò)將檢測結(jié)果上傳到云服務(wù)器中，在云服務(wù)器中建立健康管理檔案，維護(hù)健康，有利于推動利用健康物聯(lián)網(wǎng)方式的健康醫(yī)學(xué)模式在全社會范圍內(nèi)的建立。

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NPRQ detection system based on MSP430F149*

CHEN Zhen-cheng1, LIU Shan-jian2， ZHU Jian-ming1, XU Bei-ping2, CHEN Zhi-gao2, ZHANG Yang2

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

Abstract:Based on sensing technology of carbon dioxide,oxygen,temperature,gas pressure and Bluetooth communication technology, a breath gas data acquisition terminal is designed.A physiological signal receiving,displaying,processing and saving platform is developed with the tool of LabVIEW 2013,an equipment to accurately and conveniently detect NPRQ of human body is developed.It is indicated that the equipment performs with high stability and high precision through two parts of experiment.Because of convenience and reliability,the equipment can be used in scientific research,medical treatment,physical education,health management.

Key words:MSP430F149; nonprotein respiratory quotient(NPRQ)； Bluetooth; LabVIEW

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0124—03

收稿日期：2015—07—27

*基金項(xiàng)目：廣西高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(KY2015YB096)；廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金資助項(xiàng)目(YQ14116)；國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAI03B01)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271119)；桂林電子科技大學(xué)研究生創(chuàng)新性項(xiàng)目(GDYCSZ201479)

中圖分類號：R 318.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)03—0124—03

作者簡介:

陳真誠(1965-),男,湖南永州人，博士，教授，研究方向?yàn)樯飩鞲信c智能儀器。

朱健銘,通訊作者,E—mail:zjmcsu@126.com。