Glukometr OSHE

Členové týmu

• Nicki Gallup , biomedicínské inženýrství a strojní inženýr, Michigan Technological University
• Etienne Michels, biomedicínské inženýrství, Michiganská technologická univerzita
• David Hoffman, strojní inženýr, Michigan Technological University

Abstraktní

Každý desátý Američan trpí cukrovkou a musí používat glukometr nebo glukometr k měření hladiny glukózy v krevním oběhu. V současné době je na trhu několik provedení glukometrů, ale jejich zařízení neberou v úvahu podmínky prostředí, nejsou přenosné a nejsou snadno dostupné pro laické uživatele. Účelem tohoto projektu je vytvořit open source glukometr, který lze kalibrovat pro více testovacích proužků a je přenosný, který uživateli nezabere příliš mnoho místa. Byl nastaven kusovník a objednány díly a hlavním mikrokontrolérem je Adafruit pérová deska, kterou použijeme k připevnění našeho displeje a proběhnutí zpracování. Naší současnou výzvou je vytvoření konektoru testovacích proužků, do kterého můžeme vložit testovací proužek. Konektory testovacích proužků je obtížné sehnat, protože se prodávají ve velkém množství a skutečně pouze společnostem vyrábějícím zdravotnické prostředky. Cílem tohoto nadcházejícího semestru je vytvořit vlastní konektor testovacích proužků nebo nějaký způsob, jak připojit testovací proužek k samotnému zařízení.

Problémové prohlášení

Ke každému glukometru na trhu jsou přidruženy specifické testovací proužky. To může být problém, pokud by někdo potřeboval koupit nový glukometr, protože svůj ztratil nebo zapomněl, nebo si potřeboval koupit nové testovací proužky, protože došly.

Cíle

Cílem tohoto projektu je navrhnout, vytvořit a předvést levný glukometr s otevřeným zdrojem. Tento glukometr poskytuje přesné výsledky měření hladiny glukózy v krvi pomocí roztoku glukózy v krvi k testování glukometru a lze jej kalibrovat pro práci s více testovacími proužky.

Omezení projektu

Náš tým identifikoval následující omezení, aby zajistil správné funkce tohoto glukometru.

• Měření teploty přístroje, aby mohl poskytovat přesné výsledky při kompenzaci testovacího proužku.
• Ukládání dat v zařízení v mg/dL
• Možnost přístupu k datům, pokud se někdo chce podívat zpět na předchozí hodnoty.
• Výdrž baterie, která při neustálém používání vydrží minimálně 24 hodin.
• Zařízení by mělo být dostatečně malé, aby se dalo držet v ruce, a dostatečně odolné, aby vydrželo pád z výšky jednoho metru.

Projektové standardy

Následující standardy umožní přesná měření a dosáhnou našich cílů a také se budou řídit pokyny FDA pro zařízení na trhu. ^[1] Tyto normy zahrnují:

• Přesné měření glykémie v rozmezí +/- 15 mg/dl.
• Minimální měření hladiny glukózy v krvi glukometrem by mělo být 50 mg/dl při zachování přesnosti.
• Maximální měření hladiny glukózy v krvi glukometrem by mělo být 400 mg/dl při zachování přesnosti.
• Kalibrace více testovacích proužků tak, aby glukometr mohl používat různé testovací proužky, které jsou aktuálně dostupné na trhu.
• Glukometr by měl adekvátně měřit glukózu v rozsahu 30-55% hematokritu.

Plánování projektu

SEMESTR I

Zahájení projektu

Pro tento projekt byla vytvořena časová osa projektu, aby bylo možné vizuálně znázornit, co by mělo být v tomto projektu dosaženo. První fáze našeho projektu začala prvotním výzkumem. To zahrnuje typy zařízení již na trhu a testovací proužky spojené s těmito zařízeními a způsob, jakým zařízení měří hladiny glukózy v krvi. Následoval výzkum s databází FDA o předpisech a specifikacích pro glukometry. Rovněž byly přezkoumány informace o testovacích proužcích, jako je jejich historie a přesnost. Přezkoumali jsme metody výroby vlastního roztoku glukózy pro testování namísto použití krve a co způsobuje nepřesnosti v testech glukometru. Výzkumná část tohoto projektu trvala prvních pět týdnů, abychom mohli důkladně prozkoumat naše zjištění. I nyní pokračujeme v hledání, když chceme další informace nebo máme nápad. Další podrobnosti naleznete v části Výzkum na pozadí.

Harmonogram projektu

Plánování a projektování

Další fází našeho projektu bylo vytvoření hrubého kusovníku a seznamu dílů. Nebyli jsme si úplně jisti, co přesně bude náš projekt obnášet, ale začali jsme hledat možnosti. Od našich počátečních úvah po objednání jsme plánovali pět týdnů, kdy se to překrývá s naší výzkumnou fází. Jakmile jsme začali přemýšlet o tom, co by naše zařízení obnášelo, začala finalizace designu. Dokončení bylo plánováno na 2 týdny. Návrh našeho projektu může být dále vysvětlen v sekci Concept Design.

Rozpočet projektu

Rozpočet na tento projekt musel být dlouhý pouze jeden týden, jakmile byl dokončen náš kusovník. Náš rozpočet na tento projekt v tomto semestru byl 150 $. Jakmile je kusovník a návrh dokončen, lze objednat díly a strojní a elektrický CAD může začít. Toto objednání a začátek CAD se odhaduje na čtyři týdny. Odhaduje se, že dokončení CAD a zapojení systému bude trvat přibližně šest týdnů, jakmile budou všechny součásti nainstalovány. Odhaduje se, že analýza obvodu a procesu návrhu bude trvat stejně šest týdnů jako CAD a zapojení systému. Odhaduje se, že dokončení CAD úprav a návrhu obvodu bude trvat přibližně devět týdnů.

Projektové testování a přizpůsobení

V této fázi začíná testování. Dva týdny se budou provádět únavové testy a obvodové testy. Testování a úpravy designu potrvají přibližně čtyři týdny, skončí na konci semestru. Zde se začínají spojovat první fáze našeho vlastního designu. Je třeba provést úpravy konektoru testovacího proužku, protože jeho nákup online je téměř nemožný. Tento konektor testovacích proužků je první věcí, kterou budeme řešit na začátku nového roku.

Semestr II

Kde jsme začali

Začátek semestru II přinesl několik výzev. Nejprve jsme potřebovali prozkoumat možnost navrhnout vlastní čtečku testovacích proužků, pořídit si ji nebo najít alternativní řešení. Nakonec, abychom se vyhnuli jakýmkoli problémům s legalitou, rozhodli jsme se najít alternativní řešení k testování krve a schopnosti číst výstupní proud. Našli jsme výzkumnou práci, kterou provedla jiná skupina a která nám poskytla náhled na možnou cestu, kterou se můžeme vydat. ^[2] Pro nás to byla přijatelná alternativa, protože chemické látky a systémy by nebylo příliš obtížné získat.

Rozpočet projektu

Rozpočet na tento semestr byl 150 USD, na kterém jsme přispěli všichni tři, plus vše navíc, které bylo přiděleno pro Open-Source Hardware Enterprise. Tuto extra alokaci lze použít, pokud překročíme 150 $.

Výzkum pozadí

Každý desátý Američan trpí cukrovkou. Diabetes je zdravotní stav, kdy se slinivka břišní snaží produkovat inzulín, aby udržela množství glukózy přítomné v těle. Diabetes 1. typu je stav, kdy tělo nedokáže vyvinout inzulín, aby rozložil glukózu na cukr. Diabetes 2. typu má inzulínovou rezistenci, kdy jejich tělo není schopno efektivně využít inzulín, který produkují. Diabetes se může vyvinout v důsledku kouření, nadváhy nebo fyzické nečinnosti. ^[3]

Domácí měření glykémie na vyžádání je nedílnou součástí každodenního života diabetiků. Přístup ke snadno použitelným a levným glukometrům umožňuje léčbu jejich onemocnění mimo zdravotnické prostředí. Schopností samokontroly hladiny glukózy lze oddálit dlouhodobé zdravotní komplikace včasnou detekcí a řízením hyperglykémie i hypoglykémie. ^[4]

Odhaduje se, že roční náklady na léčbu diabetika 1. typu jsou 4 380 USD ročně v kombinaci s poplatky za lékařskou péči v rozmezí od 2 811 do 17 564 USD v případě těžké hypoglykémie, která vyžaduje léčbu. ^[5] Poskytnutím levného a otevřeného glukometru by se náklady na správu mohly potenciálně snížit, protože lidé by nemuseli používat jediný typ testovacího proužku a místo toho by mohli zvolit nejlevnější variantu a místo výměny celého zařízení by selže součást, která selhala, lze vyměnit za podstatně méně.

Přestože existuje několik existujících open source návrhů, jejich zařízení neberou v úvahu podmínky prostředí, nejsou přenosná a nejsou snadno dostupná pro laické uživatele. ^[6]

Počáteční návrh koncepce

Primární metoda měření hladiny glukózy v krvi je prostřednictvím krevního vzorku, a přestože existovalo mnoho pokusů vyvinout neinvazivní metody odběru vzorků, jako je reverzní iontoforéza, bioimpedanční spektroskopie, mikrovlnná rezonance a mnoho dalších, žádný z nich nebyl úspěšně vyvinut. prodávaný produkt. ^[7] Z tohoto důvodu jsme se rozhodli, že by bylo rozumnější zaměřit se na zvýšení dostupnosti osvědčené metody, než zkoušet a vyvíjet nový produkt, a tak jsme zvolili použití invazivní metody odběru krve.

Existují dvě základní metody pro stanovení hladiny glukózy v krvi, amperometrická nebo kolorimetrická měření. Oba spoléhají na redoxní reakci (GOXH3 + O2 = GOX + H2O2), ke které dochází mezi glukózou v krvi a glukózooxidázou, enzymem, který oxiduje glukózu na peroxid vodíku a vedlejší produkt. Při kolorimetrickém měření se chromogenní akceptor kyslíku váže na peroxid a mění barvu, pomocí kolorimetrie se měří absorbance vzorku a pro výpočet koncentrace glukózy ve vzorku se používá Beerův-Lambertův zákon (A=ebC). ^[8] V amperometrické metodě se pohyb elektronů během reakce měří jako proud, který se převádí na napětí a porovnává s kalibrační křivkou pro výpočet hladiny glukózy. Rozhodli jsme se použít amperometrickou metodu, protože vyžaduje výrazně méně krve než kolorimetrická metoda, trvá méně času a je pro uživatele dostupnější. ^[4] Je také uznávaným standardem pro většinu glukometrů v současnosti používaných diabetiky, což usnadňuje novým uživatelům. ^[1] Další výhodou amperometrické metody je, že existují některé projekty s otevřeným zdrojovým kódem, které již vytvořily základní amperometrické obvody, které lze upravovat a přidávat tak, aby odpovídaly našim konstrukčním specifikacím. ^[6]

Pro náš návrh jsme chtěli mít možnost zobrazit měření přímo uživateli a mít také historii měření uloženou v zařízení, ke které lze přistupovat prostřednictvím telefonu nebo počítače. Z tohoto důvodu jsme se rozhodli použít mikrokontrolér ESP32, který má jak bluetooth, tak WiFi schopnosti umožňující více možných komunikačních kanálů. Pro uživatelské rozhraní jsme zvolili e-ink displej kvůli jeho nízké spotřebě energie a tvarovému faktoru. Použitím desek Adafruit's Feather pro mikrokontrolér, displej a vlastní PCB šetříme čas i námahu při návrhu a necháváme to otevřené pro budoucí úpravy, protože budeme mít designový standard. Aby naše konstrukce zahrnovala použití více testovacích proužků, testovací proužky, které mají být použity s glukometrem, musí být zkalibrovány, aby mohly být použity. To se provádí ručně pro každý testovací proužek.

Elektrický design

Základní funkce glukometru se provádí pomocí testovacího proužku, který vytváří malý proud úměrný koncentraci glukózy v krvi. Tento proud je poté zesílen a převeden na napětí operačním zesilovačem (Op-Amp). Napětí pak může být odečteno mikrokontrolérem a porovnáno s tabulkou známých párů glykémie/napětí pro stanovení konečného měření glykémie. ^[6]

V tomto schématu je testovací proužek připojen k integrovanému obvodu se čtyřmi operačními zesilovači, který se přivádí do Arduino Uno. Toto je obvod navržený M. Bindhammerem a bude sloužit jako základ pro náš návrh. Do stávajícího návrhu bychom rádi přidali teplotní kompenzaci, ukládání dat a hodiny.

Analýza designu a co se stalo

Jednou z výzev, kterým jsme během tohoto projektu čelili, byl konektor testovacího proužku a samotný testovací proužek. Kolíky na testovacím proužku byly neznámé, protože na něm není žádná otevřená dokumentace. Mohli jsme však vidět dovnitř konektoru a s jistotou víme, že existují tři kolíky, které odkazují na referenční, pracovní a protielektrodu, které se připojují k testovacímu proužku. Jak jsme pokračovali ve zkoumání tohoto problému, zjistili jsme, že neexistuje žádný schůdný způsob, jak vytvořit vlastní testovací proužky potřebné pro glukometr, a proto jsme potřebovali najít jinou alternativu k tomu, co bychom mohli udělat. Existuje možný právní problém s reverzním inženýrstvím testovacích proužků a konektoru testovacích proužků.

Kusovník

• LMC6484IM
  • Quad OP-Amp čip
  • Používá se k integraci proudu a zesílení napětí ke čtení glykémie z testovacího proužku
• TPS76925DBVT
  • Napájení lineárního regulátoru 2,5 V
  • Používá se k napájení obvodů OP-Amp
• TPS76901DBVRG4
  • Napájecí zdroj lineárního regulátoru s nastavitelným napětím
  • Používá se k přivedení referenčního napětí k pracovní elektrodě testovacího proužku
  • Programování pomocí externích rezistorů
• CD4066BM96
  • Čtyři digitální spínací čip
  • Používá se k vymazání výstupu integrátoru OP-Amp
• Adafruit HUZZAH32 – ESP32 Péřová deska
  • Mikrokontrolér pro napájení projektu
  • Disponuje integrovaným nabíjením baterie
  • Palubní bluetooth
  • Hardwarový ekosystém s otevřeným zdrojovým kódem ^[9]
• Adafruit 2,9" tříbarevný eInk / ePaper displej FeatherWing – červená černá bílá
  • Displej pro interakci s uživateli
  • Vestavěná čtečka SD karet
  • Malá tlačítka pro zadání uživatele
• baterie
• RTC
• Pouzdro
• Konektor testovacího proužku

Druhý koncept designu

V naší druhé designové iteraci měla být glykémie měřena kolorimetricky. Krev by byla umístěna na testovací proužek vyrobený tiskem chemikálií na filtrační papír pomocí komerční inkoustové tiskárny. Tyto chemikálie, glukózooxidáza (GOX), křenová peroxidáza (HRP) a kyselina 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazolin-6-sulfonová) (ABTS) reagují s glukózou v krvi a způsobují kolorimetrickou změnu. Tato změna barvy, reprezentovaná primárně ve vlnové délce 405 nm, je určena průchodem světla o vlnové délce 405 nm proužkem, jehož intenzita je poté měřena fotodiodou. Pomocí Beer-Lambertova zákona lze tuto změnu intenzity vzhledem ke kontrole použít ke srovnání známé koncentrace glukózy s intenzitou světla procházejícího proužkem.

Mechanické provedení

Jediným mechanickým návrhem glukometru bylo navrhnout 3D tištěný vršek pro zásobník inkoustové kazety. Při sejmutí vršku za účelem testování vody v tiskárně se vršek zlomil a bylo potřeba nové vršek z CAD. Když došlo na použití tiskárny k šíření chemikálií, plán byl přilepit filtrační papír na papír tiskárny a poté chemikálie na tomto místě vytisknout přes sebe. Tiskárna však nemohla vytisknout žádnou látku podobnou vodě, protože nemá stejnou konzistenci jako inkoust, a bylo třeba použít jiné prostředky, více v části testování a ověřování.

Elektrický design

Elektrická součást tohoto návrhu byla velmi podobná našemu dřívějšímu návrhu, v obou případech mělo být malé měření proudu zesíleno operačním zesilovačem a měřeno perem. Pro měření množství světla 405 nm absorbovaného proužkem jsme použili fotodiodu S-5420A-P6T2S od ABLIC spojenou s 405 nm LED. Fotodioda má dva proudové výstupy, které je potřeba převést na napětí a vzájemně je odečíst. Tyto funkce byly provedeny s operačním zesilovačem MCP6004 a výstup byl přiveden do ESP32 Feather od Adafruit. Obrázky schématu zapojení a rozložení PCB jsou uvedeny níže.

Analýza designu a co se stalo

Bohužel nebylo dost času na provedení úplné analýzy obvodu kvůli času. V projektu došlo k nepředvídatelným zpožděním. Díky ruční konfiguraci tohoto obvodu s malými předchozími znalostmi jsme se o tomto nastavení a projektu hodně naučili. Doufáme, že s tím někdo může v budoucnu provést měření pomocí krevních testů a určit hladiny glukózy.

Testování a ověřování

Nejprve byly provedeny testy, aby se určila účinná doba použitelnosti a optimální způsob skladování zvířecí krve získané z místní veterinární kliniky. Pomocí Contour Next Link byla provedena základní hodnota koncentrace glukózy v krvi. Poté jsme krev uložili buď do lednice, mrazáku nebo při pokojové teplotě a znovu provedli měření.

U zmrazené krve se po prvním cyklu zmrazení a rozmrazení hodnota glukózy zvýšila, ale poté se stabilizovala pro následující hodnoty. To je s největší pravděpodobností způsobeno lýzou erytrocytů, které uvolňují glukózu do plné krve. I když to znamená, že měření nereprezentuje přesně původní hladinu glukózy v krvi, bude stále fungovat pro účely testování glukometru s použitím odečtu po prvním cyklu zmrazení a rozmrazení jako základní čáry, nikoli původního měření. To umožňuje mnohem delší životnost ve srovnání s skladováním při pokojové teplotě nebo teplotě v lednici.

Testování bylo také provedeno za účelem výběru velikosti pórů pro filtrační papír, na kterém měly být testy prováděny. 1 ml krve se umístil na filtrační papír a nechal se rozprostřít. Pro naše účely by se krev musela rozprostřít po celém testovacím proužku, aby se vybral filtrační papír, který umožňoval největší roztírání. Filtrační papír, který byl vybrán, byl 4 kvalitativní při 90 mm a 20-25 mikrometrech.

Pro výrobu testovacích proužků byly kvůli problémům s tiskárnou vyrobeny ručně. Na horní straně filtračního papíru byla pomocí průhledné pásky nakreslena mřížka 2 cm x 3 cm. Chemikálie byly rekonstituovány ve vodě s následujícími koncentracemi, GOX = 0,29 mg/dl, HRP = 1,45 mg/dl a ABTS = 0,004 mg/dl. Pomocí Q-tipu byl ABTS natřen na všechny oblasti a následně HRP. GOX byl poté natřen na polovinu oblastí. Jednotlivé kapky krve byly poté umístěny do každého z řezů.

Soubory kódu

Aktuální verze kódu najdete na:

https://github.com/ebmichel/OSHE-Blood-Glucose-Meter

Poděkování

Copper County veterinární klinika pro dodávání zvířecí krve používané při testování.

Reference

Údaje o stránce

Autoři	Nicole Gallupová
Licence	CC-BY-SA-4.0
Jazyk	angličtina (en)
Překlady	Španělština , ruština
Příbuzný	2 podstránky , 5 stránek odkaz zde
Dopad	397 zobrazení stránky
Vytvořeno	22. září 2021 od Nicole Gallupové
Upraveno	9. června 2023 od robota StandardWikitext
Citovat jako	Nicole Gallup (2021–2023). "OSHE krevní glukometr" . Appropedia . Staženo 10. června 2024 .
API dotazy	základní , sémantický , html , soubory , další