Измеритель уровня глюкозы в крови OSHE

Члены команды

• Ники Гэллап , биомедицинская инженерия и инженер-механик, Мичиганский технологический университет
• Этьен Михелс, биомедицинская инженерия, Мичиганский технологический университет
• Дэвид Хоффман, инженер-механик, Мичиганский технологический университет

Абстрактный

Каждый десятый американец страдает диабетом и должен использовать глюкометр или глюкометр для измерения уровня глюкозы в крови. В настоящее время на рынке представлено несколько моделей глюкометров, но их устройства не учитывают условия окружающей среды, не являются портативными и недоступны для непрофессионалов. Цель этого проекта — создать глюкометр с открытым исходным кодом, который можно калибровать для нескольких тест-полосок, который является портативным и не занимает слишком много места для пользователя. Спецификация была составлена, детали заказаны, а перьевая плата Adafruit является основным микроконтроллером, к которому мы будем подключать наш дисплей и выполнять всю обработку. Наша текущая задача — создать разъем для тест-полосок, в который мы можем вставить выбранную тест-полоску. Разъемы для тест-полосок найти сложно, поскольку они продаются в больших количествах и на самом деле только компаниям, производящим медицинское оборудование. Цель этого предстоящего семестра — создать собственный разъем для тест-полосок или какой-то способ подключить тест-полоску к самому устройству.

Постановка задачи

К каждому глюкометру, представленному на рынке, прилагаются специальные тест-полоски. Это может стать проблемой, если кому-то понадобится купить новый глюкометр, потому что он потерял или забыл свой, или ему нужно купить новые тест-полоски, потому что они закончились.

Цели

Цель этого проекта — спроектировать, создать и продемонстрировать недорогой глюкометр с открытым исходным кодом. Этот глюкометр дает точные результаты измерения уровня глюкозы в крови с использованием раствора глюкозы в крови для проверки глюкометра и может быть откалиброван для работы с несколькими тест-полосками.

Ограничения проекта

Наша команда выявила следующие ограничения для обеспечения надлежащих возможностей этого глюкометра.

• Измерение температуры устройством, чтобы оно могло давать точные результаты при компенсации тест-полоски.
• Хранение данных в устройстве в мг/дл
• Возможность доступа к данным, если кто-то захочет просмотреть предыдущие показания.
• Срок службы батареи составляет не менее 24 часов при постоянном использовании.
• Устройство должно быть достаточно маленьким, чтобы его можно было держать в руках, и достаточно прочным, чтобы выдержать падение с высоты одного метра.

Стандарты проекта

Следующие стандарты позволят проводить точные измерения и достигать наших целей, а также соответствовать рекомендациям FDA для устройств, имеющихся на рынке. ^[1] Эти стандарты включают в себя:

• Точное измерение уровня глюкозы в крови в пределах +/- 15 мг/дл.
• Минимальное измерение уровня глюкозы в крови с помощью глюкометра должно составлять 50 мг/дл при сохранении точности.
• Максимальное измерение уровня глюкозы в крови с помощью глюкометра должно составлять 400 мг/дл при сохранении точности.
• Калибровка нескольких тест-полосок, чтобы глюкометр мог использовать различные тест-полоски, доступные в настоящее время на рынке.
• Глюкометр должен адекватно измерять уровень глюкозы в диапазоне гематокрита 30–55%.

Планирование проекта

СЕМЕСТР I

Инициирование проекта

Для этого проекта был разработан график реализации проекта, чтобы иметь визуальное представление о том, что должно быть выполнено в этом проекте. Первый этап нашего проекта начался с первоначальных исследований. Сюда входят типы устройств, уже имеющихся на рынке, тест-полоски, связанные с этими устройствами, а также способы измерения уровня глюкозы в крови. Затем последовало исследование базы данных FDA о правилах и спецификациях глюкометров. Также была рассмотрена информация о тест-полосках, такая как их история и точность. Мы рассмотрели методы приготовления собственного раствора глюкозы для тестирования вместо использования крови, а также причины неточностей в измерениях глюкометра. Исследовательская часть этого проекта заняла первые пять недель, чтобы мы могли тщательно подготовить выводы. Даже сейчас мы продолжаем поиск, когда нам нужна дополнительная информация или у нас есть идея. Дополнительную информацию см. в разделе «Фоновые исследования».

Расписание проекта

Планирование и дизайн проекта

Следующим этапом нашего проекта было создание примерной спецификации и списка деталей. Мы не совсем были уверены, что именно повлечет за собой наш проект, но начали рассматривать варианты. От наших первоначальных мыслей до заказа мы прогнозировали пять недель, которые совпадают с этапом нашего исследования. Как только мы начали думать о том, что будет представлять собой наше устройство, началась доработка проекта. Планировалось, что на это уйдет 2 недели. Подробное описание нашего проекта можно найти в разделе «Концептуальный дизайн».

Бюджет проекта

Бюджет этого проекта должен был составлять всего одну неделю после того, как наша ведомость материалов была завершена. Наш бюджет, который мы потратили на этот проект в этом семестре, составил 150 долларов. После того, как спецификация материалов и дизайн завершены, можно заказать детали и приступить к механическому и электрическому САПР. По оценкам, этот заказ и начало работы с САПР займут четыре недели. По оценкам, на завершение CAD и подключения системы уйдет примерно шесть недель после того, как все детали будут установлены. По оценкам, анализ схемы и процесса проекта займет те же шесть недель, что и CAD и подключение системы. По оценкам, на выполнение корректировок САПР и проектирования схемы уйдет примерно девять недель.

Тестирование и корректировка проекта

На этом этапе начинается тестирование. Усталостные и кольцевые испытания будут проводиться в течение двух недель. Тестирование и корректировка проекта займут примерно четыре недели и завершатся в конце семестра. Именно здесь начинаются первые этапы нашего собственного дизайна. Необходимо внести изменения в разъем тест-полоски, поскольку купить его онлайн практически невозможно. Этот разъем для тест-полосок — первое, чем мы займемся в начале нового года.

Семестр II

С чего мы начали

Начало второго семестра оказалось непростым. Во-первых, нам нужно было изучить возможность разработки собственного считывателя тест-полосок, приобрести его или найти альтернативное решение. В конечном итоге, чтобы избежать каких-либо проблем с законностью, мы решили найти альтернативное решение для тестирования крови и возможности считывания выходного тока. Мы нашли исследовательскую работу, проведенную другой группой, которая дала нам представление о возможном пути, по которому нам следует идти. ^[2] Для нас это была разумная альтернатива, поскольку достать химикаты и системы не составит большого труда.

Бюджет проекта

Бюджет на этот семестр составлял 150 долларов, внесенные всеми нами троими, плюс любые дополнительные средства, которые были выделены для Open-Source Hardware Enterprise. Это дополнительное распределение можно использовать, если мы превысим 150 долларов.

Фундаментальные исследования

Каждый десятый американец страдает диабетом. Диабет — это заболевание, при котором поджелудочная железа пытается вырабатывать инсулин, чтобы поддерживать количество глюкозы, присутствующей в организме. Диабет 1 типа – это когда организм не может вырабатывать инсулин для расщепления глюкозы на сахар. При диабете 2 типа наблюдается резистентность к инсулину, при которой организм не может эффективно использовать вырабатываемый инсулин. Диабет может развиться при курении, избыточном весе или малоподвижном образе жизни. ^[3]

Тестирование уровня глюкозы в крови на дому по требованию является неотъемлемой частью повседневной жизни диабетиков. Доступ к простым в использовании и дешевым в эксплуатации глюкометрам позволяет контролировать заболевание за пределами медицинского учреждения. Имея возможность самостоятельно контролировать уровень глюкозы, долгосрочные осложнения со здоровьем можно отсрочить за счет раннего выявления и лечения как гипергликемии, так и гипогликемии. ^[4]

Подсчитано, что ежегодные расходы на лечение диабетика 1 типа составляют 4380 долларов США в год, в сочетании с медицинскими счетами от 2811 до 17 564 долларов США в случае тяжелой гипогликемии, требующей лечения. ^[5] Предоставляя дешевый глюкометр с открытым исходным кодом, затраты на управление потенциально могут быть снижены, поскольку людям не придется использовать один тип тест-полосок, а вместо этого они смогут выбрать самый дешевый вариант и вместо замены всего устройства при он выходит из строя, вышедший из строя компонент можно заменить значительно дешевле.

Хотя существует несколько проектов с открытым исходным кодом, их устройства не учитывают условия окружающей среды, не являются портативными и недоступны для непрофессионалов. ^[6]

Первоначальный концептуальный проект

Основным методом измерения уровня глюкозы в крови является анализ проб крови, и хотя предпринимались многочисленные попытки разработать неинвазивные методы отбора проб, такие как обратный ионофорез, биоимпедансная спектроскопия, микроволновый резонанс и многие другие, ни одна из них не была успешно развита в качестве основного метода измерения уровня глюкозы в крови. реализуемый продукт. ^[7] По этой причине мы решили, что было бы разумнее сосредоточиться на повышении доступности проверенного метода, чем пытаться разработать новый продукт, поэтому мы решили использовать инвазивный метод забора крови.

Существует два основных метода определения уровня глюкозы в крови: амперометрические и колориметрические измерения. Оба основаны на окислительно-восстановительной реакции (GOXH3 + O2 = GOX + H2O2), которая происходит между глюкозой в крови и глюкозооксидазой, ферментом, который окисляет глюкозу до перекиси водорода и побочного продукта. При колориметрическом измерении хромогенный акцептор кислорода связывается с перекисью и меняет цвет. Оптическая плотность образца измеряется с помощью колориметрии, а для расчета концентрации глюкозы в образце используется закон Бера-Ламберта (A=ebC). ^[8] В амперометрическом методе движение электронов во время реакции измеряется как ток, который преобразуется в напряжение и сравнивается с калибровочной кривой для расчета уровня глюкозы. Мы решили использовать амперометрический метод, поскольку он требует значительно меньше крови, чем колориметрический метод, занимает меньше времени и более доступен для пользователя. ^[4] Это также общепринятый стандарт для большинства глюкометров, используемых в настоящее время диабетиками, что облегчает работу новых пользователей. ^[1] Дополнительным преимуществом амперометрического метода является то, что в некоторых проектах с открытым исходным кодом уже созданы базовые амперометрические схемы, которые можно модифицировать и добавлять в соответствии с нашими проектными спецификациями. ^[6]

В нашем проекте мы хотели иметь возможность отображать измерения непосредственно пользователю, а также иметь историю измерений, хранящуюся на устройстве, к которой можно получить доступ через телефон или компьютер. По этой причине мы решили использовать микроконтроллер ESP32, который имеет возможности Bluetooth и Wi-Fi, что позволяет использовать несколько возможных каналов связи. В качестве пользовательского интерфейса мы выбрали дисплей с электронными чернилами из-за его низкого энергопотребления и форм-фактора. Используя платы Adafruit Feather для микроконтроллера, дисплея и специальной печатной платы, мы экономим время и усилия при проектировании и оставляем возможность будущих модификаций, поскольку у нас будет стандарт проектирования. Чтобы в нашем проекте можно было использовать несколько тест-полосок, тест-полоски, которые будут использоваться с глюкометром, необходимо будет откалибровать для использования. Это делается вручную для каждой тест-полоски.

Электрический Проект

Основные функции глюкометра реализуются за счет использования тест-полоски, которая создает небольшой ток, пропорциональный концентрации глюкозы в крови. Затем этот ток усиливается и преобразуется в напряжение с помощью операционного усилителя (ОУ). Затем напряжение может быть считано микроконтроллером и сравнено с таблицей известных пар глюкоза в крови/напряжение для определения окончательного измерения уровня глюкозы в крови. ^[6]

На этой схеме тест-полоска подключена к интегральной схеме с четырьмя операционными усилителями, которая подключается к Arduino Uno. Эта схема разработана М. Биндхаммером и послужит основой для нашей конструкции. В существующую конструкцию мы хотели бы добавить температурную компенсацию, хранилище данных и часы.

Анализ дизайна и что произошло

Одной из проблем, с которой мы столкнулись в ходе этого проекта, был разъем для тест-полосок и сама тест-полоска. Контакты на тест-полоске были неизвестны, так как на нее нет открытой документации. Однако нам удалось заглянуть внутрь разъема и мы точно знаем, что есть три контакта, которые относятся к эталонному, рабочему и противоэлектроду, которые подключаются к тест-полоске. Продолжая изучать эту проблему, мы пришли к выводу, что у нас нет реального способа создать собственные тест-полоски, необходимые для работы с глюкометром, и поэтому необходимо найти другую альтернативу тому, что мы могли бы сделать. Возможна юридическая проблема, связанная с обратным проектированием тест-полосок и разъема для тест-полосок.

Спецификация материалов

• LMC6484IM
  • Четырехъядерный чип операционного усилителя
  • Используется для интеграции тока и усиления напряжения для считывания уровня глюкозы в крови с тест-полоски.
• ТПС76925ДБВТ
  • Блок питания линейного регулятора 2,5 Вольт
  • Используется для питания схемы операционного усилителя.
• TPS76901DBVRG4
  • Источник питания с линейным регулятором напряжения с регулируемым напряжением
  • Используется для подачи опорного напряжения на рабочий электрод тест-полоски.
  • Программируется с использованием внешних резисторов
• CD4066BM96
  • Чип четырехъядерного цифрового переключателя
  • Используется для очистки выхода интегратора операционного усилителя.
• Adafruit HUZZAH32 – Перьевая доска ESP32
  • Микроконтроллер для питания проекта
  • Есть встроенная зарядка аккумулятора
  • Встроенный Bluetooth
  • Аппаратная экосистема с открытым исходным кодом ^[9]
• Трехцветный дисплей Adafruit 2,9 дюйма с электронными чернилами и электронной бумагой FeatherWing — красный, черный, белый
  • Дисплей для взаимодействия с пользователями
  • Встроенный считыватель SD-карт.
  • Маленькие кнопки для пользовательского ввода
• Батарея
• РТК
• Случай
• Разъем для тест-полосок

Второй концептуальный дизайн

В нашей второй итерации дизайна уровень глюкозы в крови должен был измеряться колориметрически. Кровь будет помещена на тест-полоску, полученную путем печати химических веществ на фильтровальной бумаге с помощью коммерческого струйного принтера. Эти химические вещества, глюкозооксидаза (GOX), пероксидаза хрена (HRP) и 2,2'-азино-бис(3-этилбензотиазолин-6-сульфоновая кислота) (ABTS) вступают в реакцию с глюкозой в крови и вызывают колориметрические изменения. Это изменение цвета, представленное в основном длиной волны 405 нм, определяется путем пропускания света с длиной волны 405 нм через полоску, интенсивность которого затем измеряется фотодиодом. Используя закон Бера-Ламберта, это изменение интенсивности относительно контроля можно использовать для связи известной концентрации глюкозы с интенсивностью света, проходящего через полоску.

Механический дизайн

Единственная механическая конструкция глюкометра заключалась в разработке напечатанной на 3D-принтере верхней части контейнера с чернильным картриджем. Когда снимали верхнюю часть для тестирования воды в принтере, верхняя часть сломалась, и потребовалась новая верхняя часть, изготовленная в САПР. Когда дело дошло до использования принтера для распространения химикатов, план заключался в том, чтобы приклеить фильтровальную бумагу к бумаге для принтера, а затем напечатать химикаты в этом месте друг на друге. Однако принтер не мог напечатать какое-либо водоподобное вещество, поскольку оно не было такой же консистенции, как чернила, и необходимо было использовать другие средства, о которых подробнее говорится в разделе тестирования и проверки.

Электрический Проект

Электрический компонент этой конструкции был очень похож на нашу предыдущую конструкцию: в обоих случаях небольшой измеренный ток должен был усиливаться операционным усилителем и измеряться пером. Для измерения количества света с длиной волны 405 нм, поглощаемого полоской, мы использовали фотодиод S-5420A-P6T2S от ABLIC в сочетании со светодиодом с длиной волны 405 нм. Фотодиод имеет два выхода тока, которые необходимо преобразовать в напряжение и вычесть друг из друга. Эти функции выполнялись с помощью операционного усилителя MCP6004, а выходной сигнал подавался на ESP32 Feather от Adafruit. Изображения принципиальной схемы и разводки печатной платы приведены ниже.

Анализ дизайна и что произошло

К сожалению, из-за времени не хватило времени провести полный анализ схемы. Были непредвиденные задержки в реализации проекта. Благодаря настройке этой схемы вручную с небольшими предварительными знаниями, многое удалось узнать об этой установке и проекте. Мы надеемся, что в будущем кто-нибудь сможет проводить измерения с помощью анализов крови и определять уровень глюкозы.

Тестирование и проверка

Сначала были проведены испытания для определения эффективного срока годности и оптимального режима хранения крови животных, полученной в местной ветеринарной клинике. Используя Contour Next Link, были сняты базовые показания концентрации глюкозы в крови. Затем мы хранили кровь в холодильнике, морозильной камере или при комнатной температуре и повторно проводили измерения.

Для замороженной крови после первого цикла замораживания-оттаивания показания уровня глюкозы увеличились, но затем стабилизировались для последующих показаний. Скорее всего, это связано с лизисом эритроцитов, выделяющих глюкозу в цельную кровь. Хотя это означает, что измерение неточно отражает исходный уровень глюкозы в крови, оно все равно будет пригодно для целей тестирования глюкометра, используя в качестве базовой линии показания, полученные после первого цикла замораживания-оттаивания, а не исходные показания. Это обеспечивает гораздо более длительный срок хранения по сравнению с хранением при комнатной температуре или в холодильнике.

Также было проведено тестирование для выбора размера пор фильтровальной бумаги, на которой должны были проводиться испытания. 1 мл крови помещали на фильтровальную бумагу и давали ей растекаться. Для наших целей кровь должна была распределиться по всей тест-полоске, поэтому была выбрана фильтровальная бумага, обеспечивающая наибольшее распространение. Была выбрана фильтровальная бумага 4-го качества, 90 мм и 20-25 микрометров.

Тест-полоски для производства из-за проблем с принтером производились вручную. Сетку размером 2х3 см наносили на фильтровальную бумагу с помощью прозрачной ленты. Химические вещества были восстановлены в воде со следующими концентрациями: GOX = 0,29 мг/дл, HRP = 1,45 мг/дл и ABTS = 0,004 мг/дл. С помощью ватной палочки на всех участках было нанесено ABTS, а затем HRP. Затем GOX был нанесен на половину регионов. Затем в каждый из срезов помещали отдельные капли крови.

Файлы кода

Текущие версии кода можно найти по адресу:

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

Благодарности

Ветеринарной клинике округа Коппер за поставку крови животных, использованной в исследованиях.

Рекомендации

Данные страницы

Авторы	Николь Гэллап
Лицензия	CC-BY-SA-4.0
Язык	английский (англ.)
Переводы	испанский , чешский , русский
Связанный	3 подстраницы , 6 страниц, ссылка здесь
Влияние	397 просмотров страниц
Созданный	22 сентября 2021 г. , Николь Гэллап
Модифицированный	9 июня 2023 г. , автор StandardWikitext bot
Цитировать как	Николь Гэллап (2021–2023 гг.). «Глюкометр ОШЭ» . Аппропедия . Проверено 15 июня 2024 г.
API-запросы	базовый , семантический , HTML , файлы и многое другое