Aproximativ 8,5% din populaţia lumii are diabet, iar acesta este a opta cauză a mortalităţii; Organizaţia Mondială a Sănătăţii estimează că va deveni în 2030 a şaptea. Această creştere poate fi observată şi urmărind statisticile din ultimii ani, cu aproape 1 milion de decese cauzate de diabet în 2000 şi o creştere până la 1,4 milioane în 2011. Una dintre principalele metode de a gestiona diabetul este aceea de a păstra nivelul de glucoză în sânge cât mai aproape de normal posibil. Acest lucru a condus la o creştere a utilizării glucometrelor.
Un glucometru este un dispozitiv medical utilizat pentru determinarea concentraţiei de glucoză într-o soluţie. Concentraţia de glucoză este măsurată în unităţi de miligram pe decilitru (mg/dl) sau millimol pe litru (mmol/l). Glucometrele au devenit elemente cheie, dispozitive casnice de monitorizare a glicemiei utilizate de persoane cu diabet zaharat. Măsurarea poate fi realizată de mai multe ori pe parcursul unei zile.
Majoritatea dispozitivelor de măsurat glicemia se bazează pe o tehnologie electrochimică. Ele utilizează benzi de testare electrochimică pentru realizarea măsurării. Pentru măsurare, pe banda de test de unică folosinţă trebuie plasată o mică picătură de soluţie ce trebuie testată. Cele mai cunoscute două metode utilizate în măsurarea electrochimică a glicemiei sunt metodele colorimetrică şi amperometrică.
În cazul metodei colorimetrice, senzori precum LED-uri sau senzori foto formează o interfaţă analogică. Pentru măsurarea concentraţiei de glucoză se utilizează un amplificator trans-impedanţă. Principiul reflexiei de culoare este utilizat pentru a determina intensitatea culorii în stratul de reacţie al benzii de testare prin fotometrie. Aparatul generează o valoare numerică corespunzătoare concentraţiei de glucoză.
În cazul metodei amperometrice, un capilar este folosit pentru a prelua soluția plasată la un capăt al benzii de testare. Banda de testare dispune de asemenea de un electrod enzimă, care conține un reactiv, cum ar fi glucoză oxidază.
Figura 1: Principiul de lucru al benzii de testare a glucometrului.
Glucoza suferă o reacție chimică în prezența enzimelor, iar în timpul reacţiei chimice se produc electroni. Încărcarea ce trece prin electrod este măsurată, iar aceasta este proporțională cu concentrația de glucoză în soluţie. Pentru compensarea efectului temperaturii asupra vitezei de reacţie, trebuie realizată şi o măsurare a temperaturii ambientale. Majoritatea glucometrelor utilizează această metodă, iar figura 1 prezintă principiul de lucru al benzii de testare.
Banda de testare formează senzorul biochimic principal unde este plasată soluţia eşantion. Banda conţine trei electrozi. Electronii sunt produşi în electrodul de lucru pe durata reacţiei chimice. Acest electrod este conectat la un amplificator curent – tensiune. Electrodul de referinţă este păstrat la o tensiune de referinţă constantă, faţă de electrodul de lucru pentru a forţa reacţia chimică. Al treilea electrod este electrodul de numărare, ce furnizează curent electrodului de lucru. Majoritatea proiectelor de glucometre utilizează numai electrozii de referinţă şi de lucru.
O tensiune de referinţă precisă (Vref) ar trebui aplicată electrodului de referinţă, iar amplificatorului operaţional o tensiune de polarizare (Vbias). În acest mod între electrozii de referinţă şi de lucru se menţine o diferenţă de potenţial precisă. Această tensiune este stimulul care comandă curentul de ieşire al benzii, curent a cărui mărime este apoi utilizată pentru a calcula numărul de electroni produşi.
Eşantionul de soluţie este plasat pe banda de testare, având loc reacţia chimică dintre glucoză şi enzime. Electronii sunt generaţi pe durata reacţiei chimice. Fluxul de electroni va corespunde curentului prin electrozii de lucru şi de referinţă. Acest curent va varia în acord cu concentraţia de glucoză. Curentul este măsurat prin utilizarea unui amplificator trans-impedanţă (convertor curent – tensiune) şi a unui convertor analog/digital (CAD). Ieşirea amplificatorului trans-impedanţă va fi văzută ca variaţie de tensiune cu concentraţia de glucoză din soluţie.
Implementare digitală
Figura 2: Diagramă bloc a glucometrului.
După cum se poate observa în figura 2, o implementare digitală a glucometrului poate fi obţinută prin utilizarea unui microcontroler PIC16LF178x pe 8 biţi de la Microchip. Acest circuit este recunoscut pentru consumul său energetic extrem de redus. El conţine două amplificatoare operaţionale, două convertoare D/A pe 8 biţi, un convertor analog/digital cu până la 11 canale, EEPROM intern, I2C şi temporizator pe 16 biţi.
Atunci când eşantionul de soluţie este plasat pe banda de testare, glucoza generează o reacţie chimică, producându-se electroni. Fluxul de electroni (curentul ce străbate electrodul de lucru) poate fi măsurat. Acest curent se va schimba în acord cu concentraţia de glucoză. Curentul poate fi măsurat cu ajutorul unei conversii curent – tensiune, prin utilizarea unuia dintre amplificatoarele operaţionale ale dispozitivului PIC şi prin filtrarea semnalelor de frecvenţă ridicată. Semnalul filtrat este apoi trimis către modulul de conversie analog/digital pe 12 biţi.
Microcontrolerul PIC trebuie să înceapă detectarea tensiunii pe canalul convertorului analog/digital după aproximativ 1,5s de la plasarea eşantionului de soluţie. Se achiziţionează 2048 de citiri. Valoarea medie a acestora este înlocuită în ecuaţia de regresie Y = mX + C, unde Y este concentraţia de glucoză în mg/dl, m este panta, X este valoarea medie a citirilor CAD de la ieşirea amplificatorului operaţional, iar C este o constantă.
Concentraţia de glucoză poate fi determinată utilizând această ecuaţie de regresie, iar valoarea este afişată pe LCD în unităţi de mg/dl sau mmol/l. Memoria internă EEPROM poate stoca până la 32 de citiri de valori, acestea putând fi vizualizate ulterior pe LCD. Energia necesară alimentării plăcii demonstrative a glucometrului poate fi furnizată de bateria cu litiu de pe placă (3V, 225mAH, CR2032).
Durata de timp după care se începe captarea valorilor de la convertorul A/D (de la 1 la 1,5 s) şi numărul de citiri efectuate trebuie modificat pentru a se potrivi cu tipul şi caracteristicile benzii de test utilizate.
Design hardware
Specificaţiile de proiectare pentru acest glucometru necesită un domeniu de măsurare de la 20 la 600mg/dl, echivalent de la 1 la 33mmol/l. Rezultatele testării trebuie să fie afişate în 5 secunde. Cele mai recente 32 de citiri sunt înregistrate automat cu data şi momentul determinării. Nu este nevoie de codificarea benzii de testare, deoarece ecuaţia generică de regresie va fi implementată şi modificată pe baza caracteristicilor benzii de testare utilizate.
Placa single utilizează dispozitivul cu 28 de pini PIC16LF178x. Pentru depanare şi programare este utilizată conexiunea serială de programare în circuit.
Pe lângă afişarea măsurătorilor în mg/dl şi mmol/l, LCD-ul prezintă de asemenea mesaje de ghidare precum “Introduceţi banda de testare”, “Bandă introdusă, plasaţi eşantionul” şi “Bandă de testare defectă”.
Sunt de asemenea necesari senzori pentru a detecta banda de testare care a fost introdusă, pentru a măsura temperatura şi pentru a verifica starea bateriei. Există prevăzute două butoane cu apăsare, unul pentru a citi datele anterior memorate şi unul pentru a stabili data şi ora.
Caracteristici firmware
Firmware-ul trebuie să detecteze curentul prin banda de testare utilizând amplificatorul operaţional intern, CDA şi CAD ale dispozitivului PIC. Citirile CAD trebuie să fie capturate după inserarea benzii de testare şi după verificarea unei creşteri de peste 450mV. Înregistrarea citirilor CAD trebuie să înceapă la 1,5s după ce eşantionul este plasat pe banda de testare, iar apoi trebuie calculată valoarea medie. Concentraţia de glucoză poate fi calculată utilizând ecuaţia de regresie şi valoarea medie determinată.
Modulele firmware sunt disponibile pentru interfaţa LCD şi rutine de afişare, configurarea amplificatorului operaţional, configurarea CDA, memorarea citirilor în memoria internă EEPROM, citirea canalului CAD, calcularea concentraţie de glucoză şi implementarea RTCC (ceas de timp real şi calendar) utilizând temporizatorul pentru baza de timp.
Configurare
Referinţa de tensiune a convertorului digital/analog este conectată la bufferul 2 intern al tensiunilor de referinţă fixe, configurat pentru 2,048V. Tensiunea de ieşire a CDA este stabilită la 400mV.
Ieşirea amplificatorului operaţional (ieşirea convertorului curent-tensiune) este măsurată pe canalul 0 a CAD. Canalul 3 al CAD este utilizat pentru a măsura tensiunea bateriei pentru a indica starea bateriei. Ieşirea senzorului de temperatură este conectată la canalul 8 al CAD pentru a citi temperatura.
Citirile de concentraţie glucoză sunt stocate în memoria internă EEPROM. Pe durata modului de aşteptare, dacă este apăsat comutatorul S1, microcontrolerul PIC intră în modul memorie, iar valorile stocate sunt afişate pe LCD. Pentru a vedea valorile anterior stocate, trebuie apăsat butonul S3. Apăsarea din nou a butonului S1, conduce la ieşirea din modul memorie.
Figura 3: Configurarea amplificatorului operaţional.
Pentru afişarea citirilor şi a mesajelor text este utilizat un display LCD cu 16 × 2 caractere. Alimentarea LCD-ului este întreruptă pe perioada de aşteptare prin controlul VSS pe LCD prin pinul port al microcontrolerului.
Temporizatorul, împreună cu cristalul de cuarţ extern de 32,768kHz este utilizat pentru implementarea RTCC. Data curentă şi ora pot fi reglate pentru RTCC utilizând comutatoarele S1 şi S3.
După cum se poate observa în figura 3, canalul de intrare neinversat al amplificatorului operaţional este conectat la ieşirea CDA stabilită la 400mV. Terminalul inversat al amplificatorului operaţional este conectat la electrodul de lucru. Convertorul curent-tensiune este format cu ajutorul rezistenţei externe şi al condensatorului extern. Ieşirea amplificatorului operaţional este conectată la canalul CAD al dispozitivului PIC.
Consumul de curent al glucometrului în modul activ este de aproximativ 1,1mA, iar în modul de aşteptare de numai 3μA. La o utilizare normală glucometrul este în modul de aşteptare aproape 99,5% din timp.
Concluzie
Măsurările de concentraţie a glucozei sunt afectate de factori externi precum temperatură, umiditate, altitudine şi aşa mai departe, deoarece viteza de reacţie a enzimei depinde de aceşti factori. Suplimentar, benzile de testare cu diferite chimii, vor necesita variaţii în ecuaţia de regresie (calculată cu Matlab sau Microsoft Excel). Aceşti factori trebuie luaţi în considerare la proiectarea unui glucometru pentru utilizarea cu o anumită bandă de testare.
Microcontrolerul PIC16LF178X este echipat cu amplificator operaţional, CAD pe 12 biţi, CDA şi EEPROM, ce realizează o combinaţie potrivită pentru acest tip de aplicaţie cu alimentare de la baterie, ce necesită precizie de măsurare şi consum redus de curent. Acest lucru însemnă că dispozitivul PIC poate fi utilizat pentru implementarea unui proiect de glucometru flexibil şi economic ￭
Microchip Technology
www.microchip.com