OSHE Blood Glucose Meter/uk

Члени команди

• Нікі Геллап , біомедична інженерія та інженер-механік, Мічиганський технологічний університет
• Етьєн Міхельс, біомедична інженерія, Мічиганський технологічний університет
• Девід Хоффман, інженер-механік Мічиганського технологічного університету

Анотація

Кожен десятий американець страждає на діабет і повинен використовувати монітор або глюкометр для вимірювання рівня глюкози в крові. В даний час на ринку є кілька моделей глюкометрів, але їх пристрої не враховують умови навколишнього середовища, не є портативними та нелегко доступними для неспеціалістів. Метою цього проекту є створення глюкометра з відкритим вихідним кодом, який можна відкалібрувати для кількох тест-смужок і є портативним, який не займає багато місця для користувача. Було складено специфікацію матеріалів і замовлено деталі, а плата Adafruit є основним мікроконтролером, який ми будемо використовувати для підключення нашого дисплея та виконання обробки. Нашим поточним завданням є створення конектора для тест-смужки, у який можна вставити тест-смужку на вибір. З’єднувачі для тест-смужок важко знайти, оскільки вони продаються у великих кількостях і насправді лише компаніям, що займаються медичним обладнанням. Мета цього майбутнього семестру — створити наш власний роз’єм для тест-смужки або якимось чином під’єднати тест-смужку до самого пристрою.

Постановка проблеми

Кожен глюкометр на ринку має спеціальні тест-смужки, пов’язані з ними. Це може бути проблемою, якщо комусь знадобиться придбати новий глюкометр, оскільки він загубив або забув свій, або потрібно придбати нові тест-смужки, оскільки вони закінчилися.

Цілі

Метою цього проекту є розробка, створення та демонстрація недорогого глюкометра з відкритим кодом. Цей глюкометр дасть точні результати рівня глюкози в крові, використовуючи розчин глюкози крові для перевірки глюкометра, і його можна відкалібрувати для роботи з кількома тест-смужками.

Обмеження проекту

Наша команда визначила наступні обмеження, щоб забезпечити належні можливості цього глюкометра.

• Вимірювання температури пристрою, щоб він міг надати точні результати при компенсації тест-смужки.
• Зберігання даних у пристрої в мг/дл
• Можливість отримати доступ до даних, якщо хтось захоче озирнутися на попередні читання.
• Термін служби батареї, який триває щонайменше 24 години при постійному використанні.
• Пристрій має бути достатньо малим, щоб його можна було тримати в руці, і досить міцним, щоб витримати падіння з висоти одного метра.

Стандарти проекту

Наведені нижче стандарти дозволять проводити точні вимірювання та досягти наших цілей, а також відповідати вказівкам FDA для наявних на ринку пристроїв. ^[1] Ці стандарти включають:

• Точне вимірювання рівня глюкози в крові в межах +/- 15 мг/дл.
• Мінімальне вимірювання крові глюкометром має становити 50 мг/дл із збереженням точності.
• Максимальне вимірювання крові глюкометром має становити 400 мг/дл із збереженням точності.
• Калібрування кількох тест-смужок, щоб глюкометр міг використовувати різні тест-смужки, наявні на ринку.
• Глюкометр повинен адекватно вимірювати рівень глюкози в діапазоні 30-55% гематокриту.

Планування проекту

І СЕМЕСТР

Ініціювання проекту

Для цього проекту було розроблено часовий графік, щоб мати візуальне уявлення про те, що має бути досягнуто в рамках цього проекту. Перший етап нашого проекту розпочався з початкових досліджень. Це включає в себе типи пристроїв, які вже є на ринку, і тест-смужки, пов’язані з цими пристроями, а також спосіб вимірювання рівня глюкози в крові. Далі було проведено дослідження з базою даних FDA про правила та специфікації глюкометрів. Також було розглянуто інформацію про тест-смужки, наприклад їх історію та точність. Ми розглянули методи виготовлення власного розчину глюкози для тестування замість використання крові та причини неточностей у тестах глюкометра. Дослідницька частина цього проекту зайняла перші п’ять тижнів, щоб ми могли бути повними з нашими висновками. Навіть зараз ми продовжуємо пошук, коли нам потрібна додаткова інформація чи у нас є ідея. Додаткову інформацію див. у розділі «Дослідження».

Розклад проекту

Планування та дизайн проекту

Наступним етапом нашого проекту було створення приблизного списку матеріалів і деталей. Ми не були зовсім впевнені, що саме передбачатиме наш проект, але почали шукати варіанти. Від наших початкових думок до замовлення ми спрогнозували п’ять тижнів, де це збігається з нашим дослідницьким етапом. Як тільки ми почнемо думати про те, що передбачатиме наш пристрій, почнеться фіналізація дизайну. За прогнозами, це займе 2 тижні. Розробку нашого проекту можна детальніше пояснити в розділі «Концептуальний дизайн».

Бюджет проекту

Бюджет для цього проекту мав становити лише один тиждень, коли наш перелік матеріалів було завершено. Наш бюджет на цей проект цього семестру становив 150 доларів США. Після завершення опису матеріалів і дизайну можна замовляти деталі та починати механічну та електричну САПР. Очікується, що це оформлення замовлення та початок CAD займе чотири тижні. Передбачається, що CAD і підключення системи займе приблизно шість тижнів після того, як усі частини будуть готові. Очікується, що аналіз схеми та процесу конструкції займе стільки ж шість тижнів, скільки CAD і підключення системи. Коригування САПР і проектування схеми займе приблизно дев’ять тижнів.

Тестування та коригування проекту

На цьому етапі починається тестування. Випробування на втому та ланцюгові випробування проводитимуться протягом двох тижнів. Тестування та коригування дизайну займе приблизно чотири тижні, щоб завершити наприкінці семестру. Саме тут починаються перші етапи нашого власного дизайну. Необхідно відрегулювати роз’єм тест-смужки, оскільки придбати його в Інтернеті майже неможливо. Цей роз’єм для тест-смужки – перше, за що ми візьмемося на початку нового року.

ІІ семестр

З чого ми почали

Початок другого семестру прийшов з деякими проблемами. По-перше, нам потрібно було дослідити можливість розробки власного пристрою для зчитування тест-смужок, придбати його чи знайти альтернативне рішення. Зрештою, щоб уникнути будь-яких проблем із законністю, ми вирішили знайти альтернативне рішення для тестування крові та можливості зчитувати вихідний струм. Ми знайшли дослідницьку роботу, яку провела інша група, яка дала нам уявлення про можливий шлях, яким ми можемо рухатися. ^[2] Це була вірогідна альтернатива для нас, оскільки хімічні речовини та системи не було б надто важко отримати.

Бюджет проекту

Бюджет на цей семестр складав 150 доларів, які ми внесли всі троє, плюс будь-які додаткові кошти, які були виділені для Open-Source Hardware Enterprise. Цей додатковий розподіл можна використати, якщо ми перевищимо 150 доларів.

Фонове дослідження

Кожен десятий американець страждає на діабет. Діабет – це захворювання, при якому підшлункова залоза намагається виробляти інсулін, щоб підтримувати кількість глюкози в організмі. Діабет 1 типу - це коли організм не може виробляти інсулін для розщеплення глюкози до цукру. Діабет 2 типу має резистентність до інсуліну, коли їхній організм не може ефективно використовувати інсулін, який вони виробляють. Діабет може розвинутися через куріння, надмірну вагу або відсутність фізичної активності. ^[3]

Дослідження рівня глюкози в крові на вимогу є невід’ємною частиною повсякденного життя діабетиків. Доступ до простих у використанні та дешевих глюкометрів дозволяє контролювати їхню хворобу поза межами медичного середовища. Завдяки можливості самостійного моніторингу рівня глюкози можна відстрочити довгострокові ускладнення зі здоров’ям шляхом раннього виявлення та лікування як гіперглікемії, так і гіпоглікемії. ^[4]

Підраховано, що річна вартість лікування діабетика 1 типу становить 4380 доларів США на рік разом із рахунками за лікування від 2811 до 17 564 доларів США у випадку важкої гіпоглікемії, яка потребує лікування. ^[5] Забезпечивши дешевий глюкометр із відкритим вихідним кодом, можна потенційно зменшити витрати на управління, оскільки людям не потрібно буде використовувати один тип тест-смужки, а замість цього можна вибрати найдешевший варіант, а не замінювати весь пристрій, коли він виходить з ладу компонент, який вийшов з ладу, можна замінити за значно меншу суму.

Хоча існує кілька існуючих дизайнів з відкритим кодом, їхні пристрої не враховують умови навколишнього середовища, не є портативними та нелегко доступними для неспеціалістів. ^[6]

Початковий концептуальний дизайн

Основним методом вимірювання рівня глюкози в крові є зразок крові, і хоча було багато спроб розробити неінвазивні методи взяття проб, такі як зворотний іонофорез, біоімпедансна спектроскопія, мікрохвильовий резонанс та багато інших, жодна з них не була успішно розроблена в якості ринковий продукт. ^[7] З цієї причини ми вирішили, що було б розумніше зосередитися на підвищенні доступності перевіреного методу, ніж намагатися розробити новий продукт, тому ми вирішили використовувати інвазивний метод забору крові.

Існує два основні методи визначення рівня глюкози в крові: амперометричні та колориметричні вимірювання. Обидва покладаються на окисно-відновну реакцію (GOXH3 + O2 = GOX + H2O2), яка відбувається між глюкозою в крові та глюкозооксидазою, ферментом, який окислює глюкозу до перекису водню та побічного продукту. Під час колориметричних вимірювань хромогенний акцептор кисню зв’язується з пероксидом і змінює колір, поглинання зразка вимірюється за допомогою колориметрії, а для розрахунку концентрації глюкози в зразку використовується закон Бірса-Ламберта (A=ebC). ^[8] У амперометричному методі рух електронів під час реакції вимірюється як струм, який перетворюється на напругу та порівнюється з калібрувальною кривою для розрахунку рівня глюкози. Ми вирішили використати амперометричний метод, оскільки він вимагає значно менше крові, ніж колориметричний метод, займає менше часу та є більш доступним для користувача. ^[4] Це також прийнятий стандарт для більшості лічильників, які зараз використовуються діабетиками, що полегшує роботу новим користувачам. ^[1] Додатковою перевагою амперометричного методу є те, що є деякі проекти з відкритим кодом, які вже створили базові амперометричні схеми, які можна змінювати та додавати відповідно до наших проектних специфікацій. ^[6]

Для нашого дизайну ми хотіли мати можливість відображати вимірювання безпосередньо користувачеві, а також мати історію вимірювань, що зберігається на пристрої, до якої можна отримати доступ через телефон або комп’ютер. З цієї причини ми вирішили використовувати мікроконтролер ESP32, який має можливості як bluetooth, так і WiFi, що дозволяє використовувати кілька можливих каналів зв’язку. Для інтерфейсу користувача ми вибрали дисплей з електронним чорнилом через низьке енергоспоживання та форм-фактор. Використовуючи плати Feather від Adafruit для мікроконтролера, дисплея та спеціальної друкованої плати, ми економимо час і зусилля на проектуванні та залишаємо його відкритим для майбутніх модифікацій, оскільки ми матимемо стандарт дизайну. Для того, щоб наша конструкція включала використання кількох тест-смужок, тест-смужки, які будуть використовуватися з глюкометром, потрібно буде відкалібрувати для використання. Це робиться вручну для кожної тест-смужки.

Електричний дизайн

Основні функції глюкометра виконуються за допомогою тест-смужки, яка створює невеликий струм, пропорційний концентрації глюкози в крові. Потім цей струм посилюється та перетворюється на напругу за допомогою операційного підсилювача (Op-Amp). Потім напруга може бути зчитана мікроконтролером і порівняна з таблицею відомих пар рівня глюкози в крові/напруги для визначення остаточного вимірювання рівня глюкози в крові. ^[6]

На цій схемі тестова смужка підключена до інтегральної схеми чотирьох операційних підсилювачів, яка подається на Arduino Uno. Це схема, розроблена М. Біндхаммером, яка буде основою для нашого дизайну. Ми хотіли б додати до існуючого дизайну температурну компенсацію, зберігання даних і годинник.

Аналіз дизайну та те, що сталося

Однією з проблем, з якою ми зіткнулися під час цього проекту, були роз’єм тест-смужки та сама тест-смужка. Булавки на тестовій смужці були невідомі, оскільки на неї немає відкритої документації. Однак ми змогли побачити всередині роз’єм і ми точно знаємо, що є три контакти, які відносяться до еталонного, робочого та протиелектроду, який під’єднується до тест-смужки. Продовжуючи досліджувати цю проблему, ми дійшли висновку, що для нас неможливо створити власні тест-смужки, необхідні для роботи з глюкометром, і тому нам потрібно знайти іншу альтернативу тому, що ми могли б зробити. Можливе юридичне занепокоєння щодо зворотного проектування тест-смужок і роз’єму для тест-смужок.

Перелік матеріалів

• LMC6484IM
  • Чіп Quad OP-Amp
  • Використовується для об’єднання струму та посилення напруги для зчитування рівня глюкози в крові з тест-смужки
• TPS76925DBVT
  • Джерело живлення лінійного регулятора 2,5 В
  • Використовується для живлення схеми операційного підсилювача
• TPS76901DBVRG4
  • Джерело живлення лінійного регулятора напруги
  • Використовується для подачі еталонної напруги на робочий електрод тест-смужки
  • Програмується за допомогою зовнішніх резисторів
• CD4066BM96
  • Чіп цифрового комутатора Quad
  • Використовується для очищення виходу інтегратора OP-Amp
• Adafruit HUZZAH32 – ESP32 Feather Board
  • Мікроконтролер для живлення проекту
  • Має вбудовану зарядку акумулятора
  • Вбудований блютуз
  • Екосистема обладнання з відкритим кодом ^[9]
• Adafruit 2,9" Tri-Color eInk / ePaper Display FeatherWing - Червоний Чорно-Білий
  • Дисплей для взаємодії з користувачами
  • Вбудований зчитувач SD-карт
  • Маленькі кнопки для введення користувачем
• Акумулятор
• RTC
• Справа
• Роз'єм для тест-смужки

Другий концептуальний дизайн

У нашій другій ітерації дизайну рівень глюкози в крові мав вимірюватися колориметрично. Кров буде поміщено на тест-смужку, отриману шляхом друку хімічних речовин на фільтрувальному папері за допомогою комерційного струменевого принтера. Ці хімічні речовини, глюкозооксидаза (GOX), пероксидаза хрону (HRP) і 2,2'-азино-біс(3-етилбензотіазолін-6-сульфонова кислота) (ABTS) реагують з глюкозою в крові та викликають колориметричні зміни. Ця зміна кольору, представлена ​​головним чином на довжині хвилі 405 нм, визначається шляхом пропускання світла 405 нм через смужку, інтенсивність якого потім вимірюється фотодіодом. Використовуючи закон Бір-Ламберта, ця зміна інтенсивності відносно контролю може бути використана для зв’язку відомої концентрації глюкози з інтенсивністю світла, що проходить через смужку.

Механічний дизайн

Єдина механічна конструкція глюкометра полягала в створенні 3D-друкованої верхньої частини для контейнера чорнильного картриджа. Під час зняття верхньої частини, щоб провести перевірку води в принтері, верхня частина зламалася, і для CAD потрібна була нова верхня частина. Коли справа дійшла до використання принтера для рознесення хімікатів, план полягав у тому, щоб приклеїти фільтрувальний папір до паперу принтера, а потім надрукувати хімікати в цьому місці один на одному. Однак принтер не міг надрукувати будь-яку речовину, схожу на воду, оскільки вона не має такої консистенції, як чорнило, і потрібно було вжити інших засобів, докладніше в розділі тестування та перевірки.

Електричний дизайн

Електричний компонент цієї конструкції був дуже схожий на нашу попередню конструкцію, в обох випадках вимірювання невеликого струму повинно було посилюватися операційним підсилювачем і вимірюватися пером. Для вимірювання кількості світла 405 нм, поглиненого смужкою, ми використовували фотодіод S-5420A-P6T2S від ABLIC у поєднанні зі світлодіодом 405 нм. Фотодіод має два виходи струму, які потрібно перетворити на напругу та відняти один від одного. Ці функції були виконані за допомогою операційного підсилювача MCP6004, а вихідний сигнал подавався в ESP32 Feather від Adafruit. Зображення електричної схеми та компонування друкованої плати наведено нижче.

Аналіз дизайну та те, що сталося

На жаль, через час не вистачило часу, щоб провести повний аналіз схеми. У проекті були непередбачені затримки. Налаштувавши цю схему вручну з невеликими попередніми знаннями, ми багато дізналися про це налаштування та проект. Ми сподіваємося, що завдяки цьому хтось зможе провести вимірювання в майбутньому за допомогою аналізів крові та визначити рівень глюкози.

Тестування та перевірка

Спочатку були проведені випробування, щоб визначити ефективний термін придатності та оптимальний спосіб зберігання крові тварин, отриманої з місцевої ветеринарної клініки. За допомогою Contour Next Link було отримано базове значення концентрації глюкози в крові. Потім ми зберігали кров у холодильнику, морозильній камері або при кімнатній температурі та повторювали вимірювання.

Для замороженої крові після першого циклу заморожування та розморожування показник глюкози зріс, але потім стабілізувався для наступних показань. Це, швидше за все, пов’язано з лізисом еритроцитів, що вивільняє глюкозу в цільну кров. Хоча це означає, що вимірювання не точно відображає початковий рівень глюкози в крові, воно все одно працюватиме для перевірки глюкометра, використовуючи показання після першого циклу заморожування та розморожування як базове, а не початкове показання. Це забезпечує набагато довший термін зберігання порівняно зі зберіганням при кімнатній температурі чи в холодильнику.

Тестування також було проведено для вибору розміру пор для фільтрувального паперу, на якому мали проводитися випробування. 1 мл крові поміщали на фільтрувальний папір і давали розтектися. Для наших цілей кров повинна поширюватися по всій тестовій смужці, щоб було вибрано фільтрувальний папір, який забезпечує найбільше поширення. Був обраний фільтрувальний папір 4 Qualitative на 90 мм і 20-25 мікрометрів.

Для виготовлення тест-смужок, через проблеми з принтером, їх виготовляли вручну. Сітка розміром 2 см на 3 см була окреслена поверх фільтрувального паперу за допомогою прозорої стрічки. Хімічні речовини були відновлені у воді з наступними концентраціями: GOX = 0,29 мг/дл, HRP = 1,45 мг/дл і ABTS = 0,004 мг/дл. Використовуючи Q-tip, ABTS було намальовано на всіх ділянках, а потім HRP. Тоді GOX розписали на половині регіонів. Потім у кожну з секцій поміщали окремі краплі крові.

Файли коду

Поточні версії коду можна знайти за адресою:

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

Подяки

Ветеринарна клініка округу Коппер для постачання крові тварин, яка використовується для тестування.

Список літератури

Дані сторінки

Автори	Ніколь Геллап
Ліцензія	CC-BY-SA-4.0
Мова	англійська (en)
Переклади	чеська , російська , іспанська
Пов'язані	3 підсторінки , 6 сторінок посилання тут
Вплив	238 переглядів сторінок ( більше )
Створено	22 вересня 2021 р. Ніколь Геллап
Востаннє змінено	1 липня 2024 р. Ірен Дельгадо
Цитувати як	Ніколь Геллап (2021–2024). «Глюкометр OSHE» . Апропедія . Процитовано 23 листопада 2024 р .
API запити	базовий , семантичний , html , файли тощо​