Anonim

Cukrzyca jest powszechnym na całym świecie problemem zdrowotnym (patrz ramka poniżej). Według statystyk Światowej Organizacji Zdrowia ogólna częstość występowania cukrzycy wynosi około 155 milionów, a do roku 2025 ma wzrosnąć do 300 milionów.

Glukometria to technika uzyskiwania wartości stężenia glukozy we krwi obwodowej lub centralnej. Wartości wyrażone w mg / dl lub mmol mają ważną wartość kliniczną w przypadku zaburzeń metabolicznych, takich jak cukrzyca, niedożywienie i niektóre z ich konsekwencji, takich jak śpiączka hiperosmolarna, zespół złego wchłaniania i najbardziej krytyczny - hipoglikemia, niższy niż normalny poziom glukozy we krwi.

Glukometr jest urządzeniem medycznym do pomiaru poziomów stężenia glukozy we krwi, w zależności od poziomu, pacjent może wymagać podania leku hipoglikemizującego. Glukometr użyje paska testowego do interakcji z kroplą krwi pacjenta. Następuje reakcja chemiczna, a miernik odczytuje poziom glukozy wyrażony w mg / dl lub mmol / l. Glukometr jest zwykle przenośny i jest używany w domu do monitorowania pacjentów z cukrzycą. Glukometr i odpowiednie leczenie farmaceutyczne mają fundamentalne znaczenie dla pacjenta z cukrzycą w utrzymaniu kontroli glikemii w domu.

Sprzęt powinien być przenośny i niskiej mocy. W przypadku pacjentów z cukrzycą typu 1 glukometr powinien zawierać funkcje, które są łatwe w użyciu i poprawiają doznania. Starsi pacjenci mogą preferować urządzenie, które jest łatwe do złapania, aby uniknąć upuszczenia i ma większą liczbę w. Wymagania te mają bezpośredni wpływ na technologię i rynek niszowy glukometru.

Jak to działa: czujniki i amperometria

Pierwszym krokiem do pomiaru glukozy we krwi jest konwersja stężenia glukozy na sygnał napięcia lub prądu, co jest możliwe dzięki specjalnym paskom czujnikowym do amperometrii. Czujnik wykorzystuje platynową i srebrną elektrodę, aby utworzyć część obwodu elektrycznego, w którym nadtlenek wodoru jest elektrolizowany. Nadtlenek wodoru powstaje w wyniku utleniania glukozy na membranie z tlenku glukozy. Prąd przepływający przez obwód zapewnia pomiar stężenia nadtlenku wodoru, dając stężenie glukozy. Należy podkreślić, że wyrażona zależność w równaniu (patrz ryc. 1) jest liniowa. W rzeczywistości jest inaczej, ponieważ w reakcji mogą być również zaangażowane inne substancje biochemiczne.

Image

Czujnik stosowany jako glukometr jest oparty na elektrodzie z tlenkiem glukozy. Tlenki glukozy są unieruchomione w platynowanej elektrodzie z węglem aktywnym. Elektrodę enzymatyczną stosuje się do oznaczania amperometrii za pomocą elektrochemicznego wykrywania nadtlenku wodoru wytwarzanego enzymatycznie. Czujnik składa się z różnych elektrod: warstwy membrany z tlenku glukozy, folii poliuretanowej przepuszczalnej przez glukozę, tlen i nadtlenek wodoru.

Amperometria mierzy prąd elektryczny między parą elektrod, które sterują reakcją elektrolizy. Tlen dyfunduje przez membranę, a do elektrody Pt przykładane jest napięcie redukujące O2 do H2.

Te elektrody reaktywne są czujnikami typu amperometrycznego, które wykorzystują konstrukcję trzech elektrod. Podejście to jest użyteczne przy stosowaniu czujników amperometrycznych ze względu na niezawodność pomiaru napięcia i prądu w tej samej reakcji chemicznej. Trzy modele elektrod wykorzystują elektrodę roboczą (WE), elektrodę odniesienia (RE) i przeciwelektrodę (CE). Po wytworzeniu tego prądu należy go zmienić na napięcie w celu przetworzenia przez mikrokontroler (MCU). Ta czynność jest wykonywana przez wzmacniacz transimpedancji. Wreszcie MCU wykrywa i przetwarza ten sygnał za pomocą modułu ADC.

Na przykład tutaj jest praktyczny sposób wyjaśnienia amperometrii. Napięcie jest przykładane do elektrod WE i RE w zakresie od -200 milivots do 8 woltów. Służy to do zdefiniowania napięcia, przy którym czujnik może pracować przy maksymalnym prądzie. Wartość ta wynosi około 4 woltów przy prądzie 18 mikroamperów Po wybraniu 4 woltów jako wartości roboczej uzyskujemy czas stabilizacji między 2 a 4 sekundami. Oznacza to, że w tym czasie można uzyskać wiarygodny pomiar od momentu osiągnięcia maksymalnego prądu.

Czego szukać

Charakterystyka układu glukometru

Z punktu widzenia systemu glukometr składa się z kilku elementów, które oddziałują ze sobą, zapewniając niezbędną funkcjonalność.

Mikrokontroler jest wymagany jako główny koordynator systemu. W zależności od zakresu aplikacji może zostać wybrana wewnętrzna lub zewnętrzna pamięć Flash lub SRAM. Pamięć jest ważna, ponieważ pomiary muszą być przechowywane, aby zapewnić zarządzanie danymi i podstawową funkcjonalność jako średnie pomiary.

Niskie zużycie energii

Należy przestrzegać niskiego zużycia energii. Obecnie większość aplikacji glukometru jest zasilana bateryjnie, więc zużycie energii przez mikrokontroler i wyświetlacz LCD powinno być jak najniższe. Mierniki glukozy spędzają 99% czasu w określonym trybie zatrzymania, który pozwala mu śledzić czas, ale budzi się z zewnętrzną przerwą. Producenci glukometrów analizują częstotliwość pracy MCU i czas budzenia, aby zmaksymalizować żywotność baterii w trybie pracy. Funkcja zegara czasu rzeczywistego jest pożądana, ponieważ większość glukometrów ma system alarmowy, który ostrzega użytkownika o konieczności wykonania pomiaru.

Ważne jest również utrzymanie niskich kosztów. Obejmuje to koszt związany z urządzeniem (glukometr) i przyszłe wydatki poniesione na dodatkowe elementy (paski). Sam glukometr powinien być opłacalny, ponieważ użytkownik będzie nadal kupował paski testowe.

Zarządzanie danymi

Pożądana jest również łączność przez USB i sieć bezprzewodową, ponieważ zarządzanie danymi ma kluczowe znaczenie dla lekarza. Bardzo ważna jest analiza danych pacjenta korzystającego z glukometru, a podłączenie do komputera w celu uzyskania wykresu informacji pomiarowych jest koniecznością. Interfejs powinien być łatwy w użyciu dla pacjenta, ale wystarczająco mocny, aby umożliwić lekarzowi uzyskanie jak największej ilości informacji za pośrednictwem interfejsów łączności. Łączność bezprzewodowa jest ważniejsza na co dzień - nie tylko dla łatwego dostępu do informacji, ale także do łączenia się z innymi urządzeniami, które współdziałają z pomiarami glukometru - takimi jak pompa insulinowa, aby pomóc użytkownikowi w podaniu odpowiedniej dawki insuliny.

Klawiatury i interfejs człowiek-maszyna mogą być implementowane za pomocą przycisków i segmentowego wyświetlacza LCD do interfejsów dotykowych i graficznych wyświetlaczy LCD - a wszystko to jest również zarządzane za pomocą mikrokontrolera.

Kolejnym podstawowym składnikiem systemu jest silnik pomiarowy, który jest grupą analogowych i cyfrowych modułów IP, które współdziałają z czujnikami, dostarczając napięcie do mikrokontrolera i przetwarzając pomiar. Proponowany silnik pomiarowy składa się z następujących elementów:

a) Przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC): Zapewnia polaryzację sygnału. DAC wysyła określone napięcia do czujników polaryzacji (pasków). Krytycznym parametrem przetwornika DAC jest czas ustalania, który musi być mniejszy lub równy 1 mikrosekundom dla trybu wysokiej mocy i 5us dla trybu niskiej mocy. Należy zagwarantować monotoniczność, co pozwoli odpowiednim formom fal na odchylenie od biosensora.

b) Wzmacniacz transimpedancyjny: Służy do przekształcania wejściowych prądów w napięcia, które mogą być odczytane przez przetwornik ADC, dokonuje warunkowania sygnału. Krytycznym parametrem jest prąd obciążenia, który musi wynosić poniżej 500 pikoamperów (typowo w 25 ° C), aby zmierzyć niewielkie zmiany powstałe w biosensorze podczas reakcji chemicznej.

c) Wzmacniacze operacyjne: Tryb porównania ustawiony na „większy niż zakres”, który inicjuje algorytm pomiaru. Tryb porównania ustawiony dla „zakresu wewnętrznego” łatwo identyfikuje pik reakcji chemicznej. Krytycznym parametrem wzmacniacza ogólnego zastosowania jest prąd polaryzacji, który musi być mniejszy lub równy 2uA (typowo przy 25 ° C), aby umożliwić prawidłowe zaprojektowanie buforów wzmocnienia jedności, filtra dolnoprzepustowego, wzmacniaczy wzmocnienia, falownika i programowalnego wzmocnienia bez falownika wzmacniacz (PGA)

d) Konwerter analogowo-cyfrowy (ADC): Dodaj wiersz wprowadzający, aby wyjaśnić ADC (na przykład, patrz pierwsze zdanie pod DAC powyżej. Co to zapewnia? Krytycznym parametrem ADC jest dokładność, która powinna być wyższa lub równa 13, 5 bitowa efektywna liczba bitów (ENOB), co pozwala na pomiar małych sygnałów w biosensorze. Siła i wartość sygnału zależą od specyfikacji i technologii producenta. Techniki pomiaru (własność intelektualna klienta) wpływają na poziomy dokładności.

e) Dodatkowe moduły (VREF, programowalny blok opóźnienia i pora dnia): VREF jest trymowalnym napięciem odniesienia stosowanym jako odniesienie dla analogowych urządzeń peryferyjnych. Programowalny blok opóźniający to logika kleju, która kontroluje taktowanie i wyzwalanie modułów ADC i DAC. Programowalny blok opóźniający wraz z ADC służą do wykonywania pomiarów w ustalonych odstępach czasu i obliczania poziomów glukozy. Moduł czasu jest używany do śledzenia czasu i dlatego rejestruje czas, w którym wykonano pomiar.

Wbudowane silniki pomiarowe

Zaletą byłoby wbudowanie wszystkich silników pomiarowych w mikrokontroler. 8-bitowy 9S08MM128 i 32-bitowy MCF51MM256 firmy Freescale Semiconductor mają wbudowany silnik pomiarowy, co zmniejsza koszty i minimalizuje liczbę komponentów. Musisz dodać 1-2 kolejne zdania wyjaśniające, dlaczego jest to korzystne.

Image

Ryc. 3. Układ glukometru

Oprogramowanie i łączność USB

Komponenty oprogramowania są również niezbędne dla rozwoju systemu glukometru. Glukometr może być bardziej wydajny w zależności od zastosowanego algorytmu oprogramowania. Zgodność ze standardami medycznymi i organizacjami pozwala na łączenie urządzeń medycznych, nawet jeśli zostały wyprodukowane przez różnych dostawców.

Jedną z najsilniejszych organizacji normalizujących wyroby medyczne jest Continua Health Alliance. Organizacja ta łączy inteligentne technologie i urządzenia medyczne z liderami branży opieki zdrowotnej, aby umożliwić pacjentom nie tylko wymianę istotnych informacji, ale także zmianę sposobu zarządzania zdrowiem i zdrowiem.

Podczas adresowania łączności USB ważnym standardem, który należy wziąć pod uwagę, jest IEEE 11073. Zapewnia to strukturę interfejsu komunikacyjnego poprzez definiowanie poleceń dostępu do danych, strukturyzowanie danych do przesłania i definiowanie stanów komunikacji.

Kolejnym ważnym standardem jest sam USB. Organizacja USB zdefiniowała Personal Health Care Device Class (PHDC), która jest standardową implementacją komunikacji USB dla urządzeń medycznych w branży.

Te indywidualne bloki wiedzy zapewniają narzędzia niezbędne do opracowania konkretnej implementacji medycznej łączności USB dla określonego dostawcy. Freescale zapewnia te poszczególne elementy składowe, ułatwiając projektowanie do zastosowań medycznych, takich jak glukometr.

Gotowe do użycia oprogramowanie do użytku zewnętrznego dla konkretnego mikrokontrolera skraca czas programowania. Sterowniki te byłyby używane do sterowania wyświetlaczem LCD, analogowymi urządzeniami peryferyjnymi i interfejsami łączności. Jeśli jest to zapewnione przy wyborze mikrokontrolera, jest to z pewnością zaletą dla twórcy aplikacji medycznych.

Zaczynać właściwą drogę

Cukrzyca jest światowym problemem zdrowotnym i narasta. Na szczęście glukometry ułatwiają opiekę nad cukrzycą, mierząc ilość glukozy we krwi, dzięki czemu pacjenci mogą podejmować decyzje dotyczące przyjmowania niezbędnych leków. Paski glukometru oddziałują z obwodami czujnika i krwią, wytwarzając prąd, który może być mierzony za pomocą glukometru. Glukometry wyróżniają się dokładnością, funkcjami łączności, wyświetlaczami LCD i opcjami zarządzania danymi. Kluczowe cechy, takie jak funkcjonalność niskiej mocy i włączenie oprogramowania medycznego, są bardzo ważne przy projektowaniu glukometru. Właściwy mikrokontroler integrujący funkcje cyfrowe i analogowe, przy jednoczesnym koszcie równoważenia jest zalecany do wdrożenia glukometrów o małych rozmiarach, niskiej mocy i wysokiej wydajności.

Cuauhtemoc Medina Rimoldi, Freescale

Cukrzyca

Cukrzyca charakteryzuje się niezdolnością organizmu do wytwarzania wystarczającej ilości insuliny lub niezdolnością do prawidłowego metabolizmu hormonu insuliny wytwarzanego w trzustce. Insulina jest odpowiedzialna za umożliwienie komórkom wchłaniania glukozy z pożywienia.

Cukrzyca typu 1 jest spowodowana zaburzeniem autoimmunologicznym, które błędnie omawia komórki beta z najeźdźcami i atakuje je, co uniemożliwia organizmowi pobieranie energii z pożywienia, ponieważ insulina nie jest wytwarzana. Objawy cukrzycy pojawiają się, gdy komórki beta są niszczone masowo. W przypadku cukrzycy typu 2 komórki beta nadal są w stanie wytwarzać insulinę, ale komórki nie są w stanie odpowiedzieć na insulinę lub naturalnie wytwarzana insulina może nie wystarczyć do zaspokojenia potrzeb organizmu. Cukrzyca typu 2 jest łatwiejsza w leczeniu niż typ 1. Typ 1 wymaga od pacjenta regularnego podawania zastrzyków insuliny, podczas gdy typ 2 może być kontrolowany przez utratę wagi, zmianę diety pacjenta i zwiększenie wysiłku. Ostatecznie większość z tych pacjentów będzie wymagać zastrzyków z insuliny.

Bibliografia:

Nota aplikacyjna Freescale: AN4025 - Wdrożenie urządzeń medycznych do pomiaru glukometru i ciśnienia krwi przez Carlosa Casillasa i Roxanę Suarez