一种用于可穿戴式无创化的血糖检测电路结构及方法

本发明涉及生物阻抗信号处理，具体涉及一种用于可穿戴式无创化的血糖检测电路结构及方法。

背景技术：

1、在生物阻抗信号处理技术领域，人体阻抗信息被广泛应用。一般可穿戴无创化领域中的阻抗信号，范围都处于10mω以下。

2、在一些体脂含量和肺积水等测量领域需要用到阻抗信息，但是由于肌电干扰，当电极是使电路与人体皮肤接触时，会产生半电池电位，从而降低adc的动态范围。因而为了避免肌电信号带来的干扰，提升测量精度，信号处理电路尤为重要。

3、目前的信号处理电路迫切需要进一步优化，包括肌电干扰消除、低噪声模拟前端电路、与后续采集模块的适配等。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种用于可穿戴式无创化的血糖检测电路结构及方法，应用在可穿戴无创化的血糖检测领域中，信号调理电路的性能优越，稳定性高，可以对可穿戴领域中的阻抗信号进行很好的处理。

2、本发明是通过如下技术方案实现的：

3、提供一种用于可穿戴式无创化的血糖检测电路结构，包括依次连接的阻抗转换电路、消除偏置电路、压控电流源电路、跨阻放大器电路、差分运算电路、模拟前端电路和滤波采集电路，其中：压控电流源电路的输出端与跨阻放大器电路的输入端分别连接有用于与人体指尖皮肤接触并导通的双电极，差分运算电路的输入端还设置有用于与距离人体指尖最远端的腿部皮肤接触并收集电信号的肌电电极。

4、在本方案中，阻抗转换电路用于将阻抗信息转化为电压信号，消除偏置电路用于消除偏置电压造成电极极化，压控电流源电路用于产生激励电流信号，跨阻放大器电路用于将电流信号转换为电压信号，采用肌电电极收集人体皮肤表面的肌电信号，进而消除肌电信号对于测量结果的影响。模拟前端电路用于提供极低的输入噪声并且具有阻抗匹配功能，滤波采集电路用于滤除高频信号，并将信号控制在预设的带宽范围内采集信号。

5、进一步的，阻抗转换电路包括串联连接的数模转换器和同相放大器电路，同相放大器电路的反馈电阻r1和匹配电阻r2，具有可调节功能，电阻r1连接于第一运算放大器a1的同相输入端和输出端之间。

6、进一步的，消除偏置电路包括电容c1和同相放大器电路，电容c1的输入端连接至电阻r2，电容c1的输出端连接至第二运输放大器a2的同相输入端，第二运算放大器a2的同相输入端连接至第二运算放大器a2的输出端，第二运算放大器a2的反相输入端接地。

7、进一步的，压控电流源电路由howland电流源电路构成，通过电阻r3与第二运算放大器a2的输出端连接，电阻r3的另一端连接至第三运算放大器a3的同相输入端连接，第三运算放大器a3的同相输入端连接电阻r4的一端，电阻r4的另一端连接双电极，采用符合人体安全标准的电流信号进行激励。恒流源的输出电流约为140ua，符合iec60601的标准。标准表明，人体在正常情况下最大直流漏电流为10ua，能引起人感觉的最小交流电流为1ma(rms)，第三运算放大器a3的同相输入端还通过电阻r5连接至第三运算放大器a3的输出端，第三运算放大器a3的反相输入端通过电阻r6接地，第三运算放大器a3的反相输入端通过电阻r7连接至第三运算放大器a3的输出端。

8、进一步的，跨阻放大器电路包括高带宽低偏置电流放大器构成的跨阻放大器，第四运算放大器a4的反相输入端连接双电极，采集电流激励信号对人体指尖的响应信号，第四运算放大器a4的反相输入端与其输出端之间连接有并联设置的电阻r8和电容c2，第四运算放大器a4的同相输入端接地。

9、进一步的，差分运算电路包括具有高共模抑制比的仪用放大器，电阻r9一端连接至第五运算放大器a5的同相输入端，电阻r9的另一端连接至第四运算放大器a4的输出端，电阻r10一端连接至第五运算放大器a5的反相输入端，电阻r10另一端连接肌电电极，电阻r11一端连接至第五运算放大器a5的增益设置端口，电阻r11另一端连接至另一个增益设置端口，第六运算放大器a6的反相输入端与第五运算放大器a5的参考端之间连接电阻r13，第六运算放大器a6的同相输入端连接至由r14和r15构成的分压网络，第六运算放大器a6的输出端连接电阻r12一端。

10、进一步的，模拟前端电路包括超低噪声的三极管构成的模拟前端电路，第七运算放大器a7形成了单端转差分网络，将单端信号转换为差分信号进而连接至场效应晶体管j1和j2的栅极，场效应晶体管源极通过电阻r18和r19连接至三极管t2的集电极，场效应晶体管j1和j2的源极连接至第八运算放大器a8和第九运算放大器a9的同相输入端，三极管t1和t2的基极连接，并且三极管t1的基极和集电极连接，三极管t1的集电极通过电阻r16连接至正供电电压vcc，三极管t1和t2的射极通过电阻r17和r20连接至负供电电压vee，电阻r21连接至第十运算放大器a10的同相输入端，电阻r25连接至第十运算放大器a10的反相输入端，电阻r22连接至第八运算放大器a8的反相输入端和输出端，电阻r24连接至第九运算放大器a9的反相输入端和输出端，电阻r23连接至第八运算放大器a8的反相输入端和第九运算放大器a9的反相输入端，电阻r26连接至第十运算放大器a10的同相输入端和输出端，电阻r27连接至第十运算放大器a10的反相输入端接地。

11、进一步的，滤波采集电路包括二阶切比雪夫低通滤波器电路，二阶切比雪夫低通滤波器电路包括第十一运算放大器a11，第十一运算放大器a11的反相输入端与其输出端连接，电阻r28和电阻r29串联连接于第十一运算放大器a11的同向输入端，电容c6一端连接于电阻r28和电阻r29之间，电容c6另一端连接于第十一运算放大器a11的输出端，电容c7一端连接于第十一运算放大器a11的同相输入端，电容c7另一端接地，第十一运算放大器a11的输出端连接模数转换器。

12、一种使用用于可穿戴式无创化的血糖检测电路结构的血糖检测方法，包括以下步骤：

13、s1、将压控电流源电路的输出端的双电极与跨阻放大器电路的输入端的双电极分别与人体左手指尖皮肤接触并导通电路，同时将肌电电极与人体右腿皮肤接触，利用电路结构消除肌电信号干扰后并将获得阻抗电压信号转换为阻抗模值z；

14、s2、将电阻抗信息与血糖数据进行转换：

15、s21、根据阻抗模值z计算介电常数ε；

16、阻抗模值z和介电常数ε的关系如下：

17、

18、其中：ω为血液中的电导率，血液层厚度用δ表示，介电常数用ε表示，电导率为σ，s为电极接触面积；

19、s22、根据介电常数ε计算细胞膜电容c；

20、细胞膜电容c和介电常数ε关系为：

21、

22、其中：φ表示细胞占组织的体积分数，φ值适用于人体血细胞体积在血液中的体积分数为45％的情形，r表示球形细胞的半径，c表示细胞膜电容；

23、s23、根据细胞膜电容c计算出血液中葡萄糖浓度cglu；

24、葡萄糖浓度cglu和细胞膜电容c关系为：

25、

26、其中，c0表示葡萄糖浓度为0时细胞膜的电容，ntot表示激活态下的转运蛋白的体积浓度nglu和激活态下的转运蛋白的体积浓度nfree之和，μglu表示激活态下的偶极矩和μfree表示空闲态下的偶极矩，k是玻尔兹曼常数，t是热力学温度，ε0是真空介电常数，εmem,0是细胞膜的介电常数，常数km是指有一半的转运蛋白与葡萄糖分子绑定时细胞外的葡萄糖浓度。

27、进一步的，在步骤s1中，用于可穿戴式无创化的血糖检测电路结构输出阻抗信号的过程是基于阻抗转换电路将电阻信号转换为电压信号，基于消除偏置电路消除偏置电压造成电极的极化，基于压控电流源电路，产生激励电流进而作用于人体，基于跨阻放大器将电流信号转换为电压信号，基于差分运算电路用于消除人体表面的肌电信号，基于模拟前端电路用于提供极低的输入噪声和高输入阻抗，基于滤波采集电路用于消除高频干扰信号，并将滤波后的信号进行采集。

28、本发明的有益效果：

29、一、通过设置依次连接的阻抗转换电路、消除偏置电路、压控电流源电路、跨阻放大器电路、差分运算电路、模拟前端电路和滤波采集电路，能够实现将阻抗信号转换为电信号，并进行阻抗匹配、放大、滤波，具有稳定低噪声的输出信号，能够消除肌电信号，并且具有良好的兼容性。

30、二、阻抗转换电路通过设置补偿电阻r1和可变电阻的电位器r2，实现不同幅度的激励信号输出，进而提升后续信号的精度。

31、三、消除偏置电路中的电容c3可以有效消除激励信号中的偏置电平，进而提升系统的精度，跟随器电路能够有效提升信号的带载能力，实现电路的阻抗匹配，防止输入信号反射回输入端，进一步提升系统的鲁棒性。

32、四、压控电流源电路采用howland，该电路结构简单，易于集成化。

33、五、跨阻放大器中电阻r8可以决定放大的倍数，电容c2对于跨阻放大器的稳定性至关重要，该电路高频性能良好，带宽和增益可控。

34、六、差分运算电路中的r11能够决定放大的比例，并且具有较高的共模抑制比和输入阻抗，能够消除肌电信号vskin，进而提升测量精度。

35、七、模拟前端电路通过场效应晶体管，实现了转换速度高、极低噪声和高输入阻抗的优势。

36、八、滤波采集电路采用较高滚降的滤波器，可以实现对于高频噪声的抑制，并且在低频区间具有很好的平坦度和动态响应。

37、本发明提供了可以实现穿戴式无创化的血糖检测电路结构及方法，为血糖检测提供了一种新的技术方法。