OSHE Blood Glucose Meter/es

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

Resumen

Uno de cada diez estadounidenses padece diabetes y debe usar un glucómetro para medir sus niveles de glucosa en sangre. Existen algunos diseños de glucómetros en el mercado, pero sus dispositivos no se adaptan a las condiciones ambientales, no son portátiles ni de fácil acceso para usuarios no especializados. El objetivo de este proyecto es crear un glucómetro de código abierto que pueda calibrarse para múltiples tiras reactivas, sea portátil y ocupe poco espacio. Se preparó la lista de materiales y se solicitaron las piezas. Una placa de perfil bajo Adafruit es el microcontrolador principal que usaremos para conectar la pantalla y ejecutar el procesamiento. Nuestro reto actual es crear un conector para tiras reactivas donde podamos insertar la tira deseada. Los conectores para tiras reactivas son difíciles de conseguir, ya que se venden en grandes cantidades y solo 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. Esto puede ser un problema si alguien necesita comprar un medidor nuevo porque lo perdió u olvidó, o si necesita comprar tiras reactivas nuevas porque se le acabaron.

Objetivos

El objetivo de este proyecto es diseñar, crear y demostrar un glucómetro de código abierto y económico. Este glucómetro proporcionará resultados precisos mediante una solución de glucosa en sangre para analizarlo y podrá calibrarse para funcionar con múltiples tiras reactivas.

Restricciones 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 de prueba.
• Almacenamiento de datos en el dispositivo en mg/dL
• Poder 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 con la mano y lo suficientemente resistente como para soportar caídas 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 dispositivos comercializados. ^{[ 1 ]} Estos estándares incluyen:

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

Planificación del proyecto

SEMESTRE I

Iniciación del proyecto

Se desarrolló un cronograma para este proyecto con el fin de tener una representación visual de lo que se debía lograr. La primera fase de nuestro proyecto comenzó con la investigación inicial. Esta incluyó los tipos de dispositivos ya disponibles en el mercado, las tiras reactivas asociadas a ellos y la forma en que miden los niveles de glucosa en sangre. A continuación, se investigó con la base de datos de la FDA sobre las regulaciones y especificaciones de los medidores de glucosa en sangre. También se revisó información sobre las tiras reactivas, como su historial y precisión. Se revisaron los métodos para elaborar nuestra propia solución de glucosa para las pruebas, en lugar de usar sangre, y las causas de las imprecisiones en las pruebas de los medidores. La investigación de este proyecto duró las primeras cinco semanas para que pudiéramos ser exhaustivos con nuestros hallazgos. Incluso ahora, seguimos investigando cuando necesitamos 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 consistió en crear una lista preliminar de materiales y piezas. No estábamos muy seguros de qué implicaría exactamente nuestro proyecto, pero empezamos a considerar opciones. Desde nuestras ideas iniciales hasta el pedido, calculamos una duración de cinco semanas, coincidiendo con la fase de investigación. Una vez que empezamos a pensar en lo que implicaría nuestro dispositivo, comenzaría la finalización del diseño. Se estimó que tardaría dos 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 solo requería una semana, una vez finalizada la lista de materiales. Nuestro presupuesto para este semestre fue de $150. Una vez finalizada la lista de materiales y el diseño, se pueden solicitar las piezas y comenzar el diseño CAD mecánico y eléctrico. Se estima que este proceso de solicitud y el inicio del diseño CAD tomarán cuatro semanas. El diseño CAD y el cableado del sistema tomarán aproximadamente seis semanas una vez que se instalen todas las piezas. El análisis del circuito y el proceso del diseño tomarán las mismas seis semanas que el diseño CAD y el cableado del sistema. Los ajustes CAD y el diseño del circuito tomarán aproximadamente nueve semanas.

Pruebas y ajustes del proyecto

En esta fase comienzan las pruebas. Se realizarán pruebas de fatiga y de circuito durante dos semanas. Las pruebas y ajustes del diseño durarán aproximadamente cuatro semanas, finalizando al final del semestre. Aquí es donde empiezan a tomar forma las primeras etapas de nuestro propio diseño. Es necesario ajustar el conector de la tira reactiva, ya que comprar uno en línea es prácticamente imposible. Este conector de la tira reactiva es lo primero que abordaremos al comienzo del nuevo año.

Semestre II

Donde empezamos

El comienzo del segundo semestre trajo consigo algunos desafíos. Primero, necesitábamos investigar la posibilidad de diseñar nuestro propio lector de tiras reactivas, comprar uno o encontrar una solución alternativa. Finalmente, para evitar problemas de legalidad, decidimos buscar una solución alternativa a los análisis de sangre y poder leer la corriente de salida. Encontramos un trabajo de investigación realizado por otro grupo, que nos dio una idea de una posible solución. ^{[ 2 ]} Esta era una alternativa viable para nosotros, ya que los productos químicos y los sistemas no serían demasiado difíciles de conseguir.

Presupuesto del proyecto

El presupuesto para este semestre fue de $150 que aportamos los tres, más cualquier cantidad adicional asignada para la Empresa de Hardware de Código Abierto. Esta asignación adicional se puede utilizar si superamos los $150.

Investigación de antecedentes

Uno de cada diez estadounidenses padece diabetes. La diabetes es una afección médica en la que el páncreas tiene dificultades para producir insulina y así mantener la cantidad de glucosa presente en el cuerpo. La diabetes tipo 1 se produce cuando el cuerpo no puede producir la insulina necesaria para descomponer la glucosa en azúcar. La diabetes tipo 2 presenta resistencia a la insulina, donde el cuerpo no puede utilizar eficazmente la insulina que produce. La diabetes puede desarrollarse con un estilo de vida que incluye fumar, tener sobrepeso o estar físicamente inactivo. ^{[ 3 ]}

Las pruebas de glucosa en sangre a demanda en casa son parte integral de la vida diaria de las personas con diabetes. El acceso a glucómetros fáciles de usar y económicos permite el manejo de la enfermedad fuera del ámbito sanitario. Al poder automonitorear los niveles de glucosa, las complicaciones de salud a largo plazo pueden retrasarse mediante la detección y el manejo tempranos tanto de la hiperglucemia como de la hipoglucemia. ^{[ 4 ]}

Se estima que el costo anual de la gestión para un diabético tipo 1 es de $4,380 por año, combinado con facturas médicas que van desde $2,811 a $17,564 en caso de hipoglucemia severa 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 estarían obligadas a usar un solo tipo de tira de prueba 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 puede reemplazarse 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 comunes. ^{[ 6 ]}

Diseño conceptual inicial

El método principal de medición de 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 desarrollado con éxito hasta convertirse en un producto comercializado. ^{[ 7 ]} Por este motivo, decidimos que sería más razonable centrarnos en aumentar la accesibilidad a un método probado que intentar desarrollar un producto novedoso, por lo que optamos por utilizar el método de muestreo de sangre invasivo.

Hay dos métodos principales para determinar el nivel de glucosa en sangre, mediciones amperométricas o colorimétricas. Ambos se basan en 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 usando colorimetría y la ley de Beer's-Lambert (A=ebC) se usa 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 a voltaje y se compara con una curva de calibración para calcular el nivel de glucosa. Elegimos usar el método amperométrico ya que requiere significativamente menos sangre que el método colorimétrico, toma menos tiempo y es más accesible para el usuario. ^{[ 4 ]} También es el estándar aceptado para la mayoría de los medidores que actualmente usan los diabéticos, lo que lo hace más fácil para los nuevos usuarios. ^{[ 1 ]} Un beneficio adicional del método amperométrico es que hay algunos proyectos de código abierto que ya han creado circuitos amperométricos básicos que se pueden modificar y ampliar para que coincidan con nuestras especificaciones de diseño. ^{[ 6 ]}

Para nuestro diseño, buscamos mostrar las mediciones directamente al usuario, además de tener un historial de mediciones almacenado en el dispositivo, accesible desde un teléfono o computadora. Por esta razón, optamos por un microcontrolador ESP32 con Bluetooth y WiFi, lo que permite múltiples canales de comunicación. Para la interfaz de usuario, optamos por una pantalla de tinta electrónica debido a su bajo consumo y diseño. Al usar las placas Feather de Adafruit para el microcontrolador, la pantalla y la PCB personalizada, ahorramos tiempo y esfuerzo en el diseño y permitimos futuras modificaciones, ya que contamos con un estándar de diseño. Para que nuestro diseño incorpore el uso de múltiples tiras reactivas, es necesario calibrar las tiras que se utilizarán con el medidor. Esto se realiza manualmente para cada tira reactiva.

Diseño eléctrico

La funcionalidad básica del glucómetro se logra mediante una tira reactiva que genera una pequeña corriente proporcional a la concentración de glucosa en sangre. Esta corriente se amplifica y se convierte en voltaje mediante un amplificador operacional (OP-Amp). El voltaje puede ser leído por un microcontrolador y comparado con una tabla de pares glucosa/voltaje conocidos para determinar la medición final de glucosa en sangre. ^{[ 6 ]}

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

Análisis del diseño y lo sucedido

Un desafío que enfrentamos durante este proyecto fue el conector de la tira reactiva y la propia tira. Desconocíamos las clavijas de la tira, ya que no hay documentación disponible al respecto. Sin embargo, pudimos ver el interior del conector y sabemos con certeza que hay tres clavijas que hacen referencia a los electrodos de referencia, de trabajo y de contraelectrodo, que se conectan a la tira. Al continuar investigando este problema, determinamos que no había forma viable de crear nuestras propias tiras reactivas necesarias para el medidor de glucosa en sangre, por lo que tuvimos que buscar una alternativa. Existe un posible problema legal con la ingeniería inversa de las tiras reactivas y su conector.

Lista de materiales

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

Segundo diseño conceptual

En nuestra segunda iteración de diseño, la glucosa en sangre se mediría colorimétricamente. La sangre se colocaría en una tira reactiva producida mediante la impresión de sustancias químicas sobre papel de filtro con una impresora de inyección de tinta comercial. Estas sustancias químicas, 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 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 se mide posteriormente con un fotodiodo. Utilizando la ley de Beer-Lambert, este cambio de intensidad con respecto a un control puede utilizarse para relacionar la concentración de glucosa conocida con la intensidad de la luz que pasa a través de la tira.

Diseño mecánico

El único diseño mecánico del medidor de glucosa consistía en imprimir en 3D la tapa del contenedor del cartucho de tinta. Al retirar la tapa para realizar pruebas de agua en la impresora, esta se rompió y fue necesario diseñar una nueva. Para distribuir los productos químicos con la impresora, el plan era pegar un papel de filtro al papel de la impresora con cinta adhesiva y luego imprimir los productos químicos en ese punto, uno sobre otro. Sin embargo, la impresora no podía imprimir ninguna sustancia similar al agua, ya que no tiene la misma consistencia que la tinta, por lo que se requirieron otros métodos, que se detallan en la sección de pruebas y validación.

Diseño eléctrico

El componente eléctrico de este diseño era muy similar al nuestro anterior. En ambos casos, se debía amplificar una pequeña corriente mediante un amplificador operacional y medirla con la pluma. Para medir la cantidad de luz de 405 nm absorbida por la tira, utilizamos un fotodiodo S-5420A-P6T2S de ABLIC acoplado a un LED de 405 nm. El fotodiodo tiene dos salidas de corriente que deben convertirse en voltaje y restarse entre sí. Estas funciones se realizaron con un amplificador operacional MCP6004 y la salida se alimentó a una pluma ESP32 de Adafruit. A continuación se incluyen imágenes del diagrama del circuito y la disposición de la PCB.

Análisis del diseño y lo sucedido

Lamentablemente, no hubo tiempo suficiente para realizar un análisis completo del circuito debido a la falta de tiempo. El proyecto sufrió retrasos imprevistos. Al configurar este circuito manualmente con pocos conocimientos previos, se ha aprendido mucho sobre esta configuración y el proyecto. Esperamos que, con esto, se puedan realizar mediciones 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. Con un Contour Next Link, se tomó una lectura de referencia de la concentración de glucosa en sangre. Posteriormente, se almacenó la sangre en un refrigerador, un congelador o a temperatura ambiente y se volvieron a tomar las mediciones.

En el caso de la sangre congelada, tras el primer ciclo de congelación y descongelación, la lectura de glucosa aumentó, pero luego se estabilizó para las lecturas posteriores. Esto probablemente se deba a la lisis de los eritrocitos, que libera glucosa a la sangre entera. Si bien esto significa que la medición no representa con precisión el nivel original de glucosa en sangre, sigue siendo útil para analizar el medidor utilizando la lectura posterior al 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 refrigerada.

También se realizaron pruebas para determinar el tamaño de poro del papel de filtro en el que se realizarían las pruebas. Se colocó 1 ml de sangre sobre el papel de filtro y se dejó que se extendiera. Para nuestros fines, la sangre debía extenderse por toda la tira reactiva, por lo que se seleccionó el papel de filtro que permitiera la mayor dispersión. El papel de filtro seleccionado fue el 4 Qualitative de 90 mm y 20-25 micrómetros.

Para la producción de las tiras reactivas, debido a problemas con la impresora, se realizaron a mano. Se trazó una cuadrícula de 2 cm x 3 cm sobre el papel de filtro con cinta adhesiva transparente. Los productos 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. Con un hisopo, se pintó ABTS en todas las regiones, seguido de HRP. A continuación, se pintó GOX en la mitad de las regiones. Se colocaron gotas de sangre individuales en cada sección.

archivos de código

Las versiones actuales del código se pueden encontrar en:

https://github.com/ebmichel/OSHE-Medidor-de-glucosa-en-sangre

Agradecimientos

Clínica veterinaria del condado de Copper para suministrar la sangre animal utilizada en las pruebas.

Referencias