血糖監測儀用于測量患者血液中的葡萄糖量，尤其是出現了糖尿病癥狀或有血糖過高或過低史的患者。一般來說，血糖監測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（非臨床用設備）已經大大改善了患者的生活質量。然而，每次用這種監測儀進行測量時，不僅需要采集指血，造成疼痛和不便，而且要使用新的測試紙，從而增加了設備的使用成本。

　　要確定最合適的胰島素劑量需要經常或持續監測血糖，但目前的血糖儀無法滿足這一要求。連續監測儀確實存在，但需要植入皮下，植入后會造成創傷，而且每周都要更換。另外還有一種非侵入式血糖監測儀。本文將介紹一種使用近紅外（NIR）光譜技術的架構，根據耳垂部分的透射光譜來確定血糖水平。由于要用到組織厚度和血氧飽和度等各種人體參數以及基于線性回歸分析的校準系統，因此建議采用一種精確的實時架構。本文還給出了采用賽普拉斯可編程片上系統PSoC-5LP控制器的全模擬、數字和混合信號功能實現的示例方案。

　　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。糖尿病是體內胰腺停止分泌控制血糖水平的胰島素而出現的一種身體狀況。糖尿病的成因目前尚未完全被人們所了解，但普遍認為糖尿病可能由遺傳因素和日常飲食攝入糖分過多所導致。一旦被診斷為糖尿病，就要不斷監測血糖水平以便適時攝入藥用胰島素。高血糖患者會表現出持續的高血糖水平，需要進行持續的血糖監測［1］。由于目前的測量設備都是通過侵入方式來監測血糖水平，因此需要經常提取患者血樣，有時會導致出血、失血和過敏等其它并發癥。非侵入式技術能解決采血問題。本文將探討并實現一種非侵入式血糖監測方案。

　　由于近紅外光譜技術靈敏度高、選擇性強、成本低而且易于攜帶，所以我們選用了該技術。同時我們選用的波長為1550nm，以為該波長下葡萄糖信號信噪比（SNR）較高。

　　采用近紅外透射光譜技術在耳垂兩側測量血糖，在耳垂兩側分別放置光源和光檢測器。透過耳垂的近紅外光總量取決于該區域的血糖量。選擇耳垂進行測量是因為耳垂位置沒有骨組織而且相對比較薄。同時需要將近紅外（NIR）光照射到耳垂的一側，而另一側放置的接收器用來接收衰減光，然后對衰減光信號進行采樣和處理。

　　選用兩個Thorlabs LED（LED 1550E）作為光源。由于傳統硅光電二極管的光譜帶寬有限，無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 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能力的其他波長相比，波長為1550nm的光發射器和接收器的成本相對較低。

　　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，血液量較大會導致透光率較低，反之亦然。因此需要根據測量時耳垂中的血液量調節葡萄糖的值。血液量可通過血液含氧量來估算。而血液氧含量可使用脈搏血氧儀測量。脈搏血氧儀利用紅光和紅外光來區分血液中的血紅蛋白和氧化血紅蛋白，并以此為基礎獲得氧飽和度。

　　另外一個影響葡萄糖測量的物理參數是耳垂組織厚度。當多個人使用一臺設備時就會出現這個問題，因為這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度，路徑越長，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測量。

　　用來感應近紅外光譜信號的銦鎵砷光電二極管也可用于感應其他波長（例如綠光、紅光和紅外光），因為這種二極管的光譜響應范圍涵蓋以上所用波長。

　　所有這些變量都在PSoC5LP中進行放大、采樣和處理，隨后通過藍牙傳送到一個安卓應用中。圖1為整個系統流程方框圖。

　　圖1.系統結構圖

　　感應和預處理

　　將銦鎵砷光電二極管信號送入放大器，以放大微弱的近紅外光譜信號。紅光、紅外光和綠光信號的衰減不會造成影響，因此無需放大。我們可利用內部可編程增益放大器（PGA）來放大近紅外光譜信號。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的可編程放大器對其進行放大。利用單個Δ∑模數轉換器連同一個模擬多路轉換器對感應信號進行采樣。用18位分辨率采樣近紅外和綠光信號，用16位分辨率采樣紅光和紅外信號，以便提高采樣率，避免心率變化引起信號混淆（見圖2）。

　　圖2.PsoC的外部元件與原理圖

　　可使用脈寬調制（PWM）來控制LED的發射功率。由于使用五個LED（2個近紅外光、1個紅外光、1個紅光和1個綠光），因此需要五個8位PWM模塊，而且占空比不同。近紅外LED的傳輸波長會隨直流電壓平均值而改變。近紅外LED運行于3個不同的占空比，以使光波波長在1550nm上下浮動。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成為主要噪聲源。為了消除心率變化的影響，在打開紅光、紅外和近紅外LED后，應該在100毫秒內對衰減信號采樣。對每個LED輸出采集20個樣本，共采集120個樣本（三個近紅外波長占60個，紅外、紅光和綠光波長各占20個）。環境光源也會產生大量噪聲，并被光學傳感器采集到。為了消除這種噪聲，應該在打開LED之前存儲幾個樣本。隨后從實際信號中減去環境光測量值。所有樣本都用32位整型變量存儲，以應對乘法與加法溢出問題。