Medidor de glucosa en sangre OSHE

Miembros del equipo

• Nicki Gallup , ingeniería biomédica e ingeniera mecánica, Universidad Tecnológica de Michigan
• Etienne Michels, Ingeniería Biomédica, Universidad Tecnológica de Michigan
• David Hoffman, ingeniero mecánico, Universidad Tecnológica de Michigan

Abstracto

Uno de cada diez estadounidenses sufre de diabetes y debe utilizar un monitor o medidor de glucosa en sangre para medir sus niveles de glucosa en el torrente sanguíneo. Actualmente existen algunos diseños de medidores de glucosa en el mercado, pero sus dispositivos no tienen en cuenta las condiciones ambientales, no son portátiles y no son de fácil acceso para usuarios no profesionales. El propósito de este proyecto es crear un medidor de glucosa en sangre de código abierto que pueda calibrarse para múltiples tiras reactivas y que sea portátil y que no ocupe demasiado espacio para el usuario. Se configuró la lista de materiales y se ordenaron las piezas, y un tablero de plumas de Adafruit es el microcontrolador principal que usaremos para conectar nuestra pantalla y ejecutar nuestro procesamiento. Nuestro desafío actual es crear un conector de tira reactiva en el que podamos insertar la tira reactiva de nuestra elección. Los conectores para tiras reactivas son difíciles de conseguir ya que se venden en grandes cantidades y en realidad sólo a empresas de dispositivos médicos. El objetivo para este próximo semestre es crear nuestro propio conector para tiras reactivas, o alguna forma de conectar la tira reactiva al dispositivo.

Planteamiento del problema

Cada medidor de glucosa en sangre del mercado tiene tiras reactivas específicas asociadas. Esto puede ser un problema si alguien necesita comprar un medidor nuevo porque perdió u olvidó el suyo o si necesita comprar tiras reactivas nuevas porque se acabaron.

Objetivos

El objetivo de este proyecto es diseñar, crear y demostrar un medidor de glucosa en sangre de código abierto y de bajo costo. Este medidor proporcionará resultados precisos de glucosa en sangre utilizando una solución de glucosa en sangre para probar el medidor y puede calibrarse para funcionar con varias tiras reactivas.

Las limitaciones del proyecto

Nuestro equipo había identificado las siguientes limitaciones para garantizar las capacidades adecuadas de este medidor de glucosa en sangre.

• Medición de temperatura del dispositivo para que pueda proporcionar resultados precisos al compensar la tira reactiva.
• Almacenamiento de datos en el dispositivo en mg/dL
• Pudiendo acceder a los datos si alguien quiere consultar lecturas anteriores.
• Duración de la batería que dura al menos 24 horas en uso constante.
• El dispositivo debe ser lo suficientemente pequeño como para poder sostenerlo en la mano y lo suficientemente resistente como para resistir una caída desde una altura de un metro.

Estándares del proyecto

Los siguientes estándares permitirán realizar mediciones precisas y alcanzar nuestros objetivos, además de seguir las pautas de la FDA para los dispositivos en el mercado. ^[1] Estos estándares incluyen:

• Una medición precisa de glucosa en sangre que se encuentra dentro de +/- 15 mg/dL.
• La medición mínima en sangre del medidor de glucosa en sangre debe ser de 50 mg/dL manteniendo la precisión.
• La medición máxima en sangre del medidor de glucosa en sangre debe ser de 400 mg/dL manteniendo la precisión.
• Calibración de múltiples tiras reactivas para que el medidor pueda utilizar diferentes tiras reactivas disponibles actualmente en el mercado.
• El medidor de glucosa en sangre debe medir adecuadamente la glucosa en el rango del 30 al 55 % del hematocrito.

Planificación de proyectos

SEMESTRE I

Iniciación del proyecto

Se desarrolló un cronograma del proyecto para tener una representación visual de lo que se debe lograr en este proyecto. La primera fase de nuestro proyecto comenzó con la investigación inicial. Esto incluye los tipos de dispositivos que ya están en el mercado y las tiras reactivas asociadas con esos dispositivos y la forma en que los dispositivos miden los niveles de glucosa en sangre. Siguió la investigación con la base de datos de la FDA sobre regulaciones y especificaciones sobre medidores de glucosa en sangre. También se revisó la información sobre las tiras reactivas, como su historial y su precisión. Revisamos los métodos para hacer nuestra propia solución de glucosa para realizar pruebas, en lugar de usar sangre, y las causas de las imprecisiones en las pruebas del medidor. La parte de investigación de este proyecto tomó las primeras cinco semanas para que pudiéramos ser exhaustivos con nuestros hallazgos. Incluso ahora seguimos buscando cuando queremos información adicional o tenemos una idea. Consulte la sección Investigación de antecedentes para obtener más detalles.

Cronograma del proyecto

Planificación y diseño de proyectos

La siguiente fase de nuestro proyecto fue crear una lista aproximada de materiales y piezas. No estábamos muy seguros de qué implicaría exactamente nuestro proyecto, pero comenzamos a buscar opciones. Desde nuestras ideas iniciales hasta el pedido, proyectamos cinco semanas, que se superponen con nuestra fase de investigación. Una vez que empezáramos a pensar en lo que implicaría nuestro dispositivo, comenzaría la finalización del diseño. Se proyectó que esto tardaría 2 semanas en completarse. El diseño de nuestro proyecto se puede explicar con más detalle en la sección Diseño conceptual.

Presupuesto del proyecto

El presupuesto para este proyecto sólo necesitaba ser de una semana, una vez finalizada nuestra lista de materiales. Nuestro presupuesto para gastar en este proyecto este semestre fue de $150. Una vez finalizada la lista de materiales y el diseño, se pueden pedir las piezas y comenzar el CAD mecánico y eléctrico. Se estima que este pedido y el inicio del CAD tardarán cuatro semanas. Se estima que el CAD y el cableado del sistema tardarán aproximadamente seis semanas en completarse una vez que todas las piezas estén instaladas. Se estima que el análisis del circuito y del proceso del diseño tardará las mismas seis semanas que el CAD y el cableado del sistema. Se estima que los ajustes CAD y el diseño del circuito tardarán aproximadamente nueve semanas en completarse.

Pruebas y ajustes del proyecto

En esta fase es donde comienza la prueba. Durante dos semanas se realizarán pruebas de fatiga y pruebas en circuito. Las pruebas y ajustes del diseño tomarán aproximadamente cuatro semanas, para finalizar al final del semestre. Aquí es donde empiezan a confluir las primeras etapas de nuestro propio diseño. Es necesario realizar ajustes en el conector de la tira reactiva, ya que comprar una en línea es casi imposible. Este conector de tira reactiva es lo primero que abordaremos a principios de año.

Semestre II

Donde empezamos

El inicio del semestre II vino con algunos desafíos. Primero, necesitábamos investigar la posibilidad de diseñar nuestro propio lector de tiras reactivas, comprar uno o encontrar una solución alternativa. En última instancia, para evitar problemas de legalidad, decidimos buscar una solución alternativa para realizar análisis de sangre y poder leer la corriente de salida. Encontramos un trabajo de investigación que realizó otro grupo, que nos dio una idea de un posible camino a seguir. ^[2] Esta era una alternativa plausible para nosotros, ya que los productos químicos y los sistemas no serían demasiado difíciles de obtener.

Presupuesto del proyecto

El presupuesto para este semestre fueron los $150 que aportamos los tres, más cualquier extra que se asignara para Open-Source Hardware Enterprise. Esta asignación adicional se puede utilizar si superamos los $150.

Investigación de fondo

Uno de cada diez estadounidenses sufre de diabetes. La diabetes es una afección médica en la que el páncreas lucha por producir insulina para mantener la cantidad de glucosa presente en el cuerpo. La diabetes tipo 1 ocurre cuando el cuerpo no puede producir insulina para descomponer la glucosa en azúcar. La diabetes tipo 2 tiene resistencia a la insulina, donde su cuerpo no puede utilizar la insulina que produce de manera efectiva. La diabetes se puede desarrollar con un estilo de vida de fumar, tener sobrepeso o estar físicamente inactivo. ^[3]

Las pruebas de glucosa en sangre en el hogar a pedido son una parte integral de la vida diaria de los diabéticos. El acceso a medidores de glucosa fáciles de usar y económicos permite el manejo de su enfermedad fuera del entorno de atención médica. Al poder autocontrolar los niveles de glucosa, las complicaciones de salud a largo plazo pueden retrasarse mediante la detección temprana y el tratamiento tanto de la hiperglucemia como de la hipoglucemia. ^[4]

Se estima que el coste anual del tratamiento de un diabético tipo 1 es de 4.380 dólares al año, combinado con facturas médicas que oscilan entre 2.811 y 17.564 dólares en caso de hipoglucemia grave que requiera tratamiento. ^[5] Al proporcionar un glucómetro barato y de código abierto, los costos de gestión podrían reducirse potencialmente, ya que las personas no tendrían que usar un solo tipo de tira reactiva y, en su lugar, podrían optar por la opción más barata y, en lugar de reemplazar todo el dispositivo cuando falla, el componente que falló se puede reemplazar por mucho menos.

Si bien existen un par de diseños de código abierto, sus dispositivos no tienen en cuenta las condiciones ambientales, no son portátiles y no son fácilmente accesibles para usuarios no profesionales. ^[6]

Diseño de concepto inicial

El método principal de medición de la glucosa en sangre es a través de una muestra de sangre y, si bien ha habido numerosos intentos de desarrollar métodos de muestreo no invasivos, como la iontoforesis inversa, la espectroscopia de bioimpedancia, la resonancia de microondas y muchos otros, ninguno se ha convertido con éxito en un método de medición de la glucosa en sangre. producto comercializado. ^[7] Por esta razón decidimos que sería más razonable centrarse en aumentar la accesibilidad a un método probado que intentar desarrollar un producto novedoso, por lo que optamos por utilizar el método invasivo de muestreo de sangre.

Existen dos métodos principales para determinar el nivel de glucosa en sangre: mediciones amperométricas o colorimétricas. Ambos dependen de la reacción redox (GOXH3 + O2 = GOX + H2O2) que ocurre entre la glucosa en la sangre y la glucosa oxidasa, una enzima que oxida la glucosa a peróxido de hidrógeno y un subproducto. En la medición colorimétrica, un aceptor cromogénico de oxígeno se une al peróxido y cambia de color, la absorbancia de la muestra se mide mediante colorimetría y la ley de Beer's-Lambert (A=ebC) se utiliza para calcular la concentración de glucosa en la muestra. ^[8] En el método amperométrico, el movimiento de los electrones durante la reacción se mide como una corriente que se convierte en voltaje y se compara con una curva de calibración para calcular el nivel de glucosa. Elegimos utilizar el método amperométrico porque requiere significativamente menos sangre que el método colorimétrico, requiere menos tiempo y es más accesible para el usuario. ^[4] También es el estándar aceptado para la mayoría de los medidores utilizados actualmente por los diabéticos, lo que lo hace más fácil para los nuevos usuarios. ^[1] Un beneficio adicional del método amperométrico es que existen algunos proyectos de código abierto que ya han creado circuitos amperométricos básicos que se pueden modificar y agregar para que coincidan con nuestras especificaciones de diseño. ^[6]

Para nuestro diseño queríamos poder mostrar la medición directamente al usuario, así como tener un historial de las mediciones almacenado en el dispositivo al que se pueda acceder a través de un teléfono o computadora. Por esta razón, elegimos utilizar un microcontrolador ESP32 que tiene capacidades de bluetooth y WiFi, lo que permite múltiples canales de comunicación posibles. Para la interfaz de usuario elegimos una pantalla de tinta electrónica debido a su bajo consumo de energía y factor de forma. Al utilizar las placas Feather de Adafruit para el microcontrolador, la pantalla y la PCB personalizada, ahorramos tiempo y esfuerzo en el diseño y lo dejamos abierto para futuras modificaciones, ya que tendremos un estándar de diseño. Para que nuestro diseño incorpore el uso de múltiples tiras reactivas, las tiras reactivas que se utilizarán con el medidor deberán calibrarse para poder usarse. Esto se hace manualmente para cada tira reactiva.

Diseño electrico

La funcionalidad básica del medidor de glucosa en sangre se logra mediante el uso de una tira reactiva que crea una pequeña corriente proporcional a la concentración de glucosa en sangre. Luego, esa corriente se amplifica y se convierte en voltaje mediante un amplificador operacional (Op-Amp). Luego, un microcontrolador puede leer el voltaje y compararlo con una tabla de pares conocidos de glucosa en sangre/voltaje para determinar una medición final de glucosa en sangre. ^[6]

Figura 1: Esquema del medidor de glucosa en sangre

En este esquema, la tira reactiva está conectada a un circuito integrado de amplificador operacional cuádruple que alimenta un Arduino Uno. Este es un circuito diseñado por M. Bindhammer y nos servirá de base para nuestro diseño. Nos gustaría agregar compensación de temperatura, almacenamiento de datos y un reloj al diseño existente.

Análisis de diseño y qué sucedió

Un desafío al que nos enfrentamos durante este proyecto fue el conector de la tira reactiva y la propia tira reactiva. Se desconocían las clavijas de la tira reactiva, ya que no hay documentación abierta sobre ella. Sin embargo, pudimos ver el interior del conector y sabemos con certeza que hay tres pines que hacen referencia al electrodo de referencia, de trabajo y contraelectrodo que se conectan a la tira reactiva. A medida que continuamos investigando este problema, determinamos que no había una forma factible de crear nuestras propias tiras reactivas necesarias para funcionar con el medidor de glucosa en sangre y, por lo tanto, necesitábamos encontrar otra alternativa a lo que podíamos hacer. Existe una posible preocupación legal con la ingeniería inversa de las tiras reactivas y el conector de las tiras reactivas.

Lista de materiales

• LMC6484IM
  • Chip de amplificador operacional cuádruple
  • Se utiliza para integrar corriente y amplificar el voltaje para leer la glucosa en sangre de la tira reactiva.
• TPS76925DBVT
  • Fuente de alimentación del regulador lineal de 2,5 voltios.
  • Se utiliza para alimentar el circuito OP-Amp.
• TPS76901DBVRG4
  • Fuente de alimentación del regulador lineal de voltaje ajustable
  • Se utiliza para suministrar un voltaje de referencia al electrodo de trabajo de la tira reactiva.
  • Programado usando resistencias externas.
• CD4066BM96
  • Chip de interruptor cuádruple digital
  • Se utiliza para borrar la salida del integrador OP-Amp.
• Adafruit HUZZAH32 - Tablero de plumas ESP32
  • Microcontrolador para alimentar el proyecto.
  • Tiene carga de batería a bordo.
  • Bluetooth integrado
  • Ecosistema de hardware de código abierto ^[9]
• Adafruit Pantalla tricolor de tinta electrónica / papel electrónico de 2,9" FeatherWing - Rojo Negro Blanco
  • Display para interactuar con los usuarios.
  • Lector de tarjetas SD incorporado
  • Botones pequeños para entrada del usuario.
• Batería
• RTC
• Caso
• Conector de tira reactiva

Segundo concepto de diseño

En nuestra segunda iteración de diseño, la glucosa en sangre debía medirse colorimétricamente. La sangre se colocaría en una tira reactiva producida imprimiendo productos químicos en papel de filtro utilizando una impresora de inyección de tinta comercial. Estos químicos, la glucosa oxidasa (GOX), la peroxidasa de rábano picante (HRP) y el ácido 2,2'-azino-bis(3-etilbenzotiazolina-6-sulfónico) (ABTS) reaccionan con la glucosa en la sangre y provocan un cambio colorimétrico. Este cambio de color, representado principalmente en la longitud de onda de 405 nm, se determina haciendo pasar una luz de 405 nm a través de la tira cuya intensidad luego se mide mediante un fotodiodo. Utilizando la ley de Beer-Lambert, este cambio de intensidad con respecto a un control se puede utilizar para relacionar la concentración de glucosa conocida con la intensidad de la luz que pasa a través de la tira.

Diseño mecanico

El único diseño mecánico del medidor de glucosa fue diseñar una parte superior impresa en 3D para el contenedor del cartucho de tinta. Al quitar la tapa para realizar pruebas de agua en la impresora, la tapa se rompió y se necesitaba una tapa nueva para CAD. Cuando se trataba de usar la impresora para esparcir los químicos, el plan era pegar un papel de filtro con cinta adhesiva al papel de la impresora y luego imprimir los químicos en ese lugar, uno encima del otro. Sin embargo, la impresora no pudo imprimir ninguna sustancia similar al agua ya que no tiene la misma consistencia que la tinta, y fue necesario recurrir a otros medios, de los que se hablará más en el apartado de pruebas y validación.

Diseño electrico

El componente eléctrico de este diseño era muy similar a nuestro diseño anterior; en ambos casos, una pequeña medida de corriente debía ser amplificada por un OpAmp y medida por la pluma. Para medir la cantidad de luz de 405 nm absorbida por la tira utilizamos un fotodiodo S-5420A-P6T2S de ABLIC junto con un LED de 405 nm. El fotodiodo tiene dos salidas de corriente que deben convertirse en voltaje y restarse entre sí. Estas funciones se lograron con un OpAmp MCP6004 y la salida se introdujo en un ESP32 Feather de Adafruit. A continuación se incluyen imágenes del diagrama del circuito y el diseño de la PCB.

El esquema del circuito

Análisis de diseño y qué sucedió

Desafortunadamente, no hubo tiempo suficiente para realizar un análisis completo del circuito debido al tiempo. Hubo retrasos en el proyecto que no fueron previstos. Al configurar este circuito a mano con pocos conocimientos previos, se ha aprendido mucho sobre esta configuración y proyecto. Esperamos que con esto alguien pueda tomar medidas en el futuro con los análisis de sangre y determinar los niveles de glucosa.

Pruebas y Validación

Primero se realizaron pruebas para determinar la vida útil efectiva y la modalidad óptima de almacenamiento de la sangre animal obtenida de una clínica veterinaria local. Utilizando un Contour Next Link se tomó una lectura inicial de la concentración de glucosa en sangre. Luego almacenamos la sangre en un refrigerador, un congelador o a temperatura ambiente y volvimos a tomar las mediciones.

Tubos de sangre animal extraídos de Copper Country Humane Society.

Tome una muestra de sangre de un tubo de ensayo a 20 mg/dL de glucosa.

Tome una muestra de sangre de un tubo de ensayo a 40 mg/dL de glucosa.

Tome una muestra de sangre de un tubo de ensayo a 109 mg/dL de glucosa.

Tome una muestra de sangre de un tubo de ensayo a 100 mg/dL de glucosa.

Para la sangre congelada, después del primer ciclo de congelación y descongelación, la lectura de glucosa aumentó, pero luego se estabilizó para las lecturas posteriores. Lo más probable es que esto se deba a la lisis de los eritrocitos que liberan glucosa a la sangre total. Si bien esto significa que la medición no representa con precisión el nivel de glucosa original en la sangre, aún funcionará para probar el medidor utilizando la lectura después del primer ciclo de congelación y descongelación como referencia en lugar de la lectura original. Esto permite una vida útil mucho más larga en comparación con el almacenamiento a temperatura ambiente o en el refrigerador.

También se realizaron pruebas para elegir un tamaño de poro para el papel de filtro en el que se iban a realizar las pruebas. Se colocó 1 ml de sangre sobre el papel de filtro y se dejó esparcir. Para nuestros propósitos, la sangre tendría que esparcirse por toda la tira reactiva, por lo que se eligió el papel de filtro que permitiera la mayor dispersión. El papel de filtro elegido fue el 4 Cualitativo de 90 mm y 20-25 micrómetros.

Muestra de gotas de sangre del día 2 en 3 tipos diferentes de papel de filtro.

Gotas de temperatura ambiente y sangre refrigerada día 2.

Gotas de Sangre Día 2.

Gotas de sangre el día 3.

Para la producción de las tiras reactivas, debido a problemas con la impresora, se produjeron a mano. Se delineó una cuadrícula de 2 cm por 3 cm encima del papel de filtro usando cinta transparente. Los químicos se reconstituyeron en agua con las siguientes concentraciones, GOX = 0,29 mg/dL, HRP = 1,45 mg/dL y ABTS = 0,004 mg/dL. Usando un hisopo, se pintó ABTS en todas las regiones, seguido de HRP. Luego se pintó GOX en la mitad de las regiones. Luego se colocaron gotas de sangre individuales en cada una de las secciones.

La configuración para esparcir los productos químicos sobre el papel de filtro.

Gotas de sangre en el papel de filtro con lados GOX y No GOX.

Archivos de código

Las versiones actuales del código se pueden encontrar en:

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

Agradecimientos

Clínica Veterinaria del Condado de Copper por el suministro de sangre animal utilizada en las pruebas.

Referencias

Datos de la página

Autores	Nicole Gallup
Licencia	CC-BY-SA-4.0
Idioma	Inglés (es)
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Creado	22 de septiembre de 2021 por Nicole Gallup
Modificado	9 de junio de 2023 por el bot StandardWikitext
Citar como	Nicole Gallup (2021-2023). "Medidor de glucosa en sangre OSHE" . Apropedia . Consultado el 26 de enero de 2024 .
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