Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Deimic Smart Home
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Glukometry - działanie i wskazówki konstrukcyjne

Kubald 30 Paź 2012 19:31 22251 3
  • Niniejszy artykuł ma stanowić wprowadzenie do podstaw działania różnego rodzaju mierników służących do pomiaru stężenia glukozy we krwi – glukometrów. W artykule wyjaśniono różne sposoby kalibracji w przypadku stosowania pasków testowych i przedyskutowano zadania, które stoją przed projektantami tego typu urządzeń.

    Wstęp
    Zarówno glukometry, jak i inne urządzenia medyczne na użytek domowy, dziś stanowią niewielkie, przenośne i proste w użyciu aparaty. Dobry glukometr to taki, z którego pacjenci korzystają regularnie i który zapewnia dokładne i precyzyjne wyniki pomiaru. Na przestrzeni ostatnich kilku lat w zakresie produkowanych glukometrów postawiono na zmaksymalizowanie komfortu użytkującego go pacjenta i zminimalizowanie ilości krwi potrzebnej do określenia wyniku badania. Obecnie ilość próbki biologicznej jest tak mała, że możliwe jest badanie z alternatywnym miejscem wkłucia. Pozwala to uniknąć pobierania krwi z palców i znacznie zredukować dyskomfort związany z codzienną koniecznością pomiarów. Zwiększenia dokładności i precyzji dokonano za pomocą stworzenia lepszych pasków testowych, zastosowania dokładniejszych elementów elektronicznych i algorytmów pomiarowych. Dodatkowe udogodnienia to np. zwiększenie szybkości badania czy produkowanie urządzeń z podświetlanym gniazdem na pasek testowy.

    Rodzaje mierników
    Na rynku dostępne są mierniki do pomiaru ciągłego i do wykonywania pojedynczych testów; trwają też prace nad urządzeniami do implantacji i miernikami nieinwazyjnymi. Mierniki do pomiaru ciągłego wymagają przepisu lekarza i wszczepienia podskórnego czujnika elektrochemicznego, aby dokonywać pomiaru w określonych odstępach czasu. Mierniki do pojedynczych testów wykorzystują czujniki elektrochemiczne lub optyczną reflektometrię do pomiaru poziomu glukozy we krwi w mg/dL lub mmol/L.

    Większość produkowanych urządzeń stanowią mierniki elektrochemiczne. Paski testowe posiadają elektrody, do których przykładane jest – generowane za pośrednictwem przetwornika DAC – precyzyjne napięcie polaryzujące. Prąd płynący przez próbkę jest proporcjonalny do poziomu glukozy w badanej krwi. Pasek może zawierać jeden lub kilka „kanałów” pomiarowych. Mierzony prąd jest zwykle za pomocą wzmacniacza transimpedancyjnego przekształcany na napięcie mierzone przetwornikiem ADC. Zakresowi wielkości mierzonych odpowiadają prądy od 10 do 50 µA z rozdzielczością pomiaru mniejszą niż 10 nA. Mierzona musi być także temperatura otoczenia, gdyż ma ona wpływ na wynik pomiaru poziomu glukozy.

    Miernik elektrochemiczny
    Glukometry - działanie i wskazówki konstrukcyjne





    Mierniki wykorzystujące optyczną reflektometrię bazują na zależności zmian koloru w funkcji stężenia glukozy. Stały prąd o znanej wartości przepływa przez zwykle dwie diody LED, które cyklicznie, migając, oświetlają pasek pomiarowy. Fotodioda mierzy intensywność światła odbitego, która to zależy od barwy paska – a więc i od zawartości glukozy w próbce. Prąd fotodiody przekształcany jest za pomocą przetwornika I-U na napięcie mierzone przy użyciu przetwornika ADC. Zakresowi wielkości mierzonych odpowiadają prądy od 1 do 5 µA, z rozdzielczością pomiaru lepszą niż 5 nA. W tej metodzie konieczna jest również znajomość temperatury otoczenia.

    Miernik reflektometryczny
    Glukometry - działanie i wskazówki konstrukcyjne

    Sposoby kalibracji pasków testowych
    Paski testowe przed pomiarem wymagają kalibracji z powodu różnic w sposobie produkcji tychże. Proces kalibracji polega na ręcznym wprowadzeniu kodu kalibracyjnego lub wczytaniu tych danych z pamięci dołączonej do opakowania pasków. Zastosowanie pamięci EPROM lub EEPROM pozwala na przekazanie w ten sposób dodatkowych danych, co jest znaczącą zaletą w porównaniu z kodem kalibracyjnym. Zastosowanie elementów z interfejsem 1-Wire pozwala dodatkowo stwierdzić, czy pacjent używa kompatybilnych z miernikiem pasków, dzięki obecnym w układach 1-Wire unikalnym numerom seryjnym.

    Niektóre rozwiązania mierników nie wymagają stosowania kodów do kalibracji. „Auto-kalibracja” paska może być dokonana trzema drogami: dzięki zastosowaniu restrykcyjnych zasad ich produkcji, dzięki wbudowaniu „kalibratora” w każdym pasku lub dołączeniu takowego do opakowania pasków załadowanych do glukometru. Ostatnie rozwiązanie ułatwia kalibrację, dodatkowo małej wielkości paski nie muszą być przekładane i umieszczane w mierniku przez użytkownika.

    Budowa glukometru - kolorem zaznaczono układy f-my Maxim, które mogą być stosowane w tego typu urządzeniach
    Glukometry - działanie i wskazówki konstrukcyjne

    Rozwiązania układowe

    Dokładność i precyzja
    Obie metody pomiaru wymagają dokładnego pomiaru prądu. Aby tego dokonać, podzespoły mierników muszą cechować się wyjątkowo niskim upływem prądu i dryftem napięcia zasilającego, temperatury. Ważny jest też upływ czasu od momentu fabrycznej kalibracji miernika. Stosowane w miernikach wzmacniacze operacyjne powinny charakteryzować się przede wszystkim skrajnie niskim prądem polaryzacji (< 1 nA), wysoką liniowością i stabilnością pracy z obciążeniem pojemnościowym, jakim jest pasek testowy. Wzmacniacz operacyjny w miernikach pracuje zwykle w konfiguracji wzmacniacza transimpedancyjnego. Stosowane napięcia odniesienia muszą odznaczać się współczynnikiem zmian temperaturowych niższym niż 50 ppm/°C, niskim dryftem w czasie i zapewniać stałe napięcie, niezależnie od pobieranego prądu. Do ustalania napięcia polaryzacji paska testowego i prądu zasilania diod LED (w rozwiązaniach reflektometrycznych) wykorzystuje się zwykle 10- bądź 12-bitowy przetwornik DAC. Często stosowany jest też wzmacniacz pracujący jako komparator, który pozwala stwierdzić, czy na pasek została naniesiona już próbka krwi. Pozwala to zaoszczędzić prąd w czasie oczekiwania urządzenia na aplikację próbki. Rodzaj stosowanego przetwornika ADC zależy od klasy miernika, jednak w większości urządzeń stosowane są przetworniki o rozdzielczości równej bądź większej od 14 bitów i o niskich szumach. Możliwe jest stosowanie przetworników 12-biotwych, pod warunkiem stosowania wzmacniacza o programowanym wzmocnieniu przed przetwornikiem.

    Pomiar temperatury
    W idealnym rozwiązaniu powinna zostać zmierzona temperatura próbki naniesionej na pasek, ale zwykle dokonuje się jedynie pomiaru temperatury otoczenia w pobliżu paska. Zakres dokładności pomiaru temperatury jest zmienny, zwykle wynosi ±1 lub ±2°C. Pomiar temperatury dokonywany jest z wykorzystaniem dedykowanych układów scalonych, termistorów lub złącz PN we współpracy z przetwornikiem ADC. Używanie termistora w konfiguracji pół-mostkowej, zasilanego z tego samego napięcia odniesienia, co przetwornik A/D pozwala wyeliminować niedokładności związane z błędami napięć odniesienia. Pomiary z wykorzystaniem wewnętrznego bądź zewnętrznego złącza PN wymagają stosowania układów AFE o wysokiej dokładności.

    Rodzaje pasków - czujników elektrochemicznych
    Większość rozwiązań technicznych w przypadku pasków zależy od producenta miernika. Różnić się mogą one sposobem generowania odczynnika, ilością elektrod, ilością „kanałów” czy sposobem polaryzowania. Najprostszym z rozwiązań jest dwuelektrodowy, samospolaryzowany pasek, gdzie mierzony jest prąd płynący między elektrodą pracującą a uziemioną przeciwelektrodą. Dodatkowe kanały mogą być używane do dokonywania pomiaru odniesienia, wykrywania obecności krwi czy nasycenia próbką części pomiarowej paska.

    Glukometry - działanie i wskazówki konstrukcyjne

    Inną metodą pomiarową jest zastosowanie rozwiązań trójelektrodowych z obwodem generacyjnym i amperostatem. Prąd mierzony jest pomiędzy elektrodą pracującą a przeciwelektrodą, zaś obwód składający się z elektrody pomocniczej i przeciwelektrody służy kontroli płynącego prądu. Pozwala to na dokładną kontrolę przepływającego ładunku w czasie pomiaru. Wadą tej metody jest znaczne skomplikowanie układu – wymagane jest zastosowanie wzmacniacza w obwodzie amperostatu kontrolującego przepływ prądu.

    Glukometry - działanie i wskazówki konstrukcyjne

    Wyświetlacz
    Większość urządzeń wyposażonych jest w prosty wyświetlacz LCD z ok. 100 segmentami sterowanymi przez dedykowany kontroler (także zintegrowany z mikroprocesorem). Stosowane w niektórych miernikach wyświetlacze matrycowe wymagają dodatkowych peryferii do działania, m.in. pamięci do przechowywania wyświetlanych komunikatów. Stosowanie wyświetlaczy kolorowych wymaga dodatkowego i większego napięcia zasilania niż w poprzednio opisanych przypadkach. Podświetlenie realizowane jest zwykle z pomocą dwu białych diod LED.

    Interfejs danych
    Możliwość przesyłu danych pomiarowych do komputera stosowana jest już od dłuższego czasu, ale użyteczność tego typu rozwiązania jest znikoma. Aby zapewnić jak najniższy koszt samego miernika, interfejs komputerowy realizowany jest zwykle w postaci odpowiedniego, dedykowanego kabla. Obecnie jednak mierniki wyposażane są w powszechnie stosowane interfejsy, jak USB czy Bluetooth. Umożliwia to np. zdalny przesył danych do stacji monitorujących stan zdrowia pacjenta.

    Dźwięk
    W tej dziedzinie stosowane są różnorakie rozwiązania, od prostych buzzerów do zaawansowanych mierników mówiących, przeznaczonych dla osób z dysfunkcją widzenia. Buzzery mogą być sterowane bezpośrednio z mikrokontrolera, z wykorzystaniem jednego lub dwóch jego portów i modulacji szerokością impulsu. Bardziej zaawansowane rozwiązania wymagają stosowania układu kodeka audio oraz głośnika (a także wzmacniacza mikrofonowego, jeśli przewidziano opcję nagrywania).

    BMS i monitor zasilania
    Mierniki wyposażone w typowe wyświetlacze mogą być zasilane z jednej baterii litowej lub dwóch baterii typu AAA. Aby ograniczyć pobór prądu, stosuje się układy mogące pracować w zakresie napięć zasilania od 3,6 do 2,2V (dla ogniw litowych) lub do 1,8V (w przypadku baterii). Jeśli część układów wymaga wyższego lub regulowanego napięcia zasilania, wykorzystuje się zwykle w tym celu przetwornice impulsowe step-up. Wyłączanie pracy przetwornicy w trybie uśpienia pozwala oszczędzać baterii. Zastosowanie podświetlenia lub bardziej zaawansowanego wyświetlacza wymaga stosowania wielu, często wyższych, napięć i bardziej zaawansowanych systemów BM. Stosowanie ładowanych ogniw litowych wymaga dodania obwodów ładowarki i kontrolera napięcia. Ładowanie z portu USB jest dla użytkownika praktyczną możliwością, jeśli takowy port znajduje się w mierniku.

    Ochrona ESD
    Wszystkie mierniki muszą spełniać normy dotyczące ochrony ESD. Używanie układów z wbudowanymi zabezpieczeniami przed ESD lub stosowanie dedykowanych w tym celu elementów pomaga sprostać temu wymaganiu.

    Możliwość dodatkowych funkcjonalności
    Kiedy „rdzeń” miernika jest zaprojektowany jako precyzyjne, zintegrowane urządzenie AFE, ważne jest, aby móc dodawać nowe funkcjonalności bez jego przeprojektowania. Typowe, przenośne urządzenia medyczne dedykowane do jednej funkcjonalności winny pozwalać dodać nową funkcjonalność z minimalnym nakładem zmian. Taki minimalny nakład pozwala zmniejszyć choćby czas wprowadzenia na rynek lub podnieść zgodność ze standardami dla takiego typu urządzeń. Oznacza to, że coraz więcej mierników będzie „doposażonych” w funkcje, które są pożądane przez pacjentów. Określanie zawartości glukozy we krwi będzie częściej stosowane, a przewidywane wyniki będą w większej zgodności z dopuszczalnymi normami zawartości glukozy we krwi i przyczynią się do poprawy zdrowia użytkowników.

    Źródło - na oryginalnej stronie można odnaleźć propozycje układów firmy Maxim/Dallas do stosowania w tego typu urządzeniach.


    Fajne!
  • Deimic Smart Home
  • #2 02 Lis 2012 09:53
    piotrva
    Moderator na urlopie...

    Ale i tak mnie brakuje najciekawszego - opisu "chemii" tych czujników. Bez dokładnego opisu teoretycznego tych zjawisk chemicznych, fotochemicznych i elektrochemicznych nie jest możliwe budowanie jakiegokolwiek czujnika czy urządzenia pomiarowego. A ten aspekt jest tu najbardziej interesujący.

  • Deimic Smart Home
  • #3 02 Lis 2012 12:41
    Kubald
    Poziom 15  

    Takie czujniki elektrochemiczne to miniaturowe celki konduktometryczne, a pomiar bazuje na ogólnym schemacie: reakcja glukozy z enzymem (zw. oksydaza glukozowa) -> reoksydacja enzymu (za pomocą nadmiaru związków żelaza/osmu, które się redukują) -> elektrodowe utlenianie związku pomocniczego. Mierzona jest ilość ładunku w ostatnim etapie, ilość utlenianego związku pomocniczego jest proporcjonalna do ilości zredukowanego enzymu, a więc glukozy.

    Starszej generacji paski do reflektometrii zawierają obok enzymu pochodne np. benzydyny, które utleniają się w czasie reakcji do barwnych produktów, stanowiących podstawę pomiaru.

    Dokładniejszy opis takich metod analitycznych można znaleźć w prawie każdej książce do analizy instrumentalnej :-)

  • #4 09 Gru 2012 13:50
    Tomasz_72
    Poziom 10  

    w pierwszym liście jest na fotografii acucheck active (niebieski). Jest to bardzo stary model, ale bardzo dobry. Do glukometru trzeba wprowadzić pasek, który jest rozpoznawany mechanicznie/elektrycznie, choć metoda pomiaru jest optyczna. Pasek działa podobnie jak paski lakmusowe - zmienia kolor w zależności od stężenia glukozy w próbce.
    Pasek od góry ma miejsce na próbkę, w tym samym miejscu od dołu jest "okienko" zmieniające kolor, od barwy żółtej do zielonej. Po włożeniu paska, "okienko" jest oświetlane przez czerwone diody. Najpierw jest sprawdzenie czy pasek nie został wcześniej użyty. można go wielokrotnie wkładać, byle nie nanieść na niego krwi. Producent gwarantuje dokładność pomiaru tylko przez 30 sekund od wyjęcia paska. Jeśli jest za jasno - pomiar zostanie przerwany (bezpośrednie słońce) Jeśli jest za gorąco lub za zimno - również glukometr nie zadziała. Niemniej jednak można wykonać szacunkowy pomiar nanosząc próbkę krwi na pasek i porównując kolor ze skalą na opakowaniu.

    Teraz parę uwag z użytkowania. W pierwszym liście wiele uwagi poświęcono dokładności. Co dziwne w praktyce nie jest to kluczowy parametr. Prawidłowy poziom glukozy we krwi powinien zawierać się pomiędzy 70 a 170 jednostek. Przy czym obojętnie czy wskaże 70 czy 80 trzeba podjąć mniej więcej te same działania korygujące poziom glukozy. Więc (w większości przypadków) nawet 10% błąd jest akceptowalny. Poza tym, glukometr reflektometryczny jest "nieczuły" na miejsce pobrania krwi. Tak więc osoby których palce nie mogą mieć ran (taki profil pracy) mogą pobierać krew z innych miejsc, np z płatka ucha. Faktycznie nawet nie potrzeba samej "czerwonej" krwi. Miernik zmierzy z wystarczającą dokładnością poziom glukozy z osocza sączącego się ze świeżej rany.