Маркетолог по запуску и разработке продуктов компании Freescale, работающий в медицинском сегменте, решил разобраться как можно добиться максимальной эффективности работы глюкометра — устройства, позволяющего измерить концентрацию уровня сахара в крови.
Не хотелось начинать статью со слов о количестве людей, болеющих сахарным диабетом по всему миру. Но это уже традиция. По данным Всемирной Организации Здравоохранения в мире насчитывается более 155 миллионов диабетиков. По самым оптимистичным прогнозам, к 2025 году таких людей будет в два раза больше.
Глюкометрия — техника, позволяющая определить концентрацию сахара капиллярной или венозной крови. Концентрация выражается в единицах измерения — ммоль/л или мг/дл. Превышение показателей нормы свидетельствует о нарушении обмена веществ, сахарном диабете, который может привести к гиперосмолярной коме, синдрому мальабсорбции и к самому критичному состоянию — гипогликемии (понижению сахара в крови уже ниже нормы).
Глюкометр — устройство, измеряющее уровень сахара в крови. Если уровень повышен, то человеку необходимо принять сахаропонижающий препарат. Глюкометр использует тест-полоску, на которую наносится капля крови. В результате химической реакции глюкометр выдает значение в мг/дл или ммоль/л. Компактные размеры большинства глюкометров позволяют пользоваться ими в домашних условиях. Таким образом, глюкометр и верное лечение медикаментами — основа нормальной жизни любого диабетика, который следит за собой и занимается активным самоконтролем.
Оборудование для измерения сахара в крови должно быть компактным и энергоэффективным. Для диабетиков первого типа, глюкометр должен быть максимально простым, а также иметь все необходимые функции. Для людей в возрасте глюкометр должно быть удобно держать в руке (то есть он должен быть достаточно крупным), а экран большим и читабельным. Все эти требования напрямую связаны с современными технологиями разработки глюкометров.
Самое сложное — как же работает глюкометр: сенсоры и амперометрия
Первый шаг для измерения уровня сахара в крови — это перевод концентрации глюкозы в напряжение или электрический ток. Это стало возможным с помощью использования специальных сенсорных тест-полосок для амперометрии. В сенсоре используются платиновые и серебряные электроды для создания зоны электрической схемы, где происходит электролиз перекиси водорода. Перекись водорода образуется в результате химической реакции окисления глюкозы на пленке окиси. Электрический ток обеспечивает измерение концентрации перекиси водорода, по которой уже определяется концентрация глюкозы. Важно обратить внимание на то, что зависимость между концентрациями линейная (смотрите рисуночек). В реальности ситуация может несколько отличаться, так как в реакцию могут вступать другие элементы.
Сенсор глюкометра основан на электроде оксида глюкозы, который входит в активную фазу на платиновом углеродном электроде. Электрод катализатора используется для определения амперометрии при помощи особой электрохимической детекции вырабатываемой перекиси водорода. Сенсор состоит из электродов: сперва идет слой пленки оксида глюкозы, затем полиуретановая пленка, сквозь которую проходит глюкоза, кислород и перекись водорода.
Амперометрия измеряет электрический ток между парой электродов, запускающих реакцию электролиза. Кислород выходит через пленку-мембрану и напряжение подается на платиновый электрод, восстанавливая O2 в H2.
Эти реактивные электроды являются своеобразными амперометрическими сенсорами, использующими трехэлектродную схему. Такой подход очень удобен при использовании благодаря надежности измерения напряжения и силы тока в одной и той же химической реакции. Трехэлектродные модели используют рабочий электрод (РЭ), относительный электрод (ОЭ) и электрод-счетчик (ЭС). После выработки тока, его необходимо перевести в напряжение с помощью микроконтроллера (МК). Это происходит благодаря трансимпеданс усилителю. Наконец, МК устанавливает и передает сигнал модулю АДС.
Это практический способ объяснять, что такое амперометрия. Напряжение находится в РЭ и ОЭ в диапазоне от −200 милливольт до 8 вольт. С помощью этого определяется напряжение, при котором сенсор сможет провести максимальную силу тока. Это значение в районе 4 вольт с силой тока около 18 микроампер. Выбрав 4 вольта в качестве операционного значения, мы получим стабилизационное время от 2 до 4 секунд. Что является надежным измерением, которое может быть произведено при максимально полученной силе тока.
Как добиться оптимальных характеристик глюкометра
Глюкометр состоит из нескольких элементов, взаимодействующих друг с другом для достижения требуемого функционала. Микропроцессор — это главный координатор системы. В зависимости от приложения, в глюкометре есть внутренняя или внешняя флеш память или SRAM. Память требуется для сохранения результатов замера для дальнейшей обработки, например, расчета средних показателей за период.
Как добиться энергоэффективности
Низкий уровень энергопотребления — к нему стремятся многие разработчики. На сегодняшний день, большинство глюкометров работают от батареек, поэтому микроконтроллер и жидкокристаллический экран должны потреблять как можно меньше энергии. Глюкометры 99% своего времени находятся в режиме ожидания или в выключенном состоянии, но им все же приходится отслеживать правильное время и дату. Производители глюкометров сделали так, чтобы при выключении аппарата, в памяти сохранялась дата и время события, а уже с этого момента активировался счетчик или таймер. После включения глюкометра — показали складываются и получается актуальная дата и время. Все просто. Функциональность настоящих часов иногда все же требуется, так как многие глюкометры имеют встроенный будильник или систему оповещения пользователя о наступлении времени измерения сахара в крови.
Глюкометр не должен стоить слишком дорого. Частично стоимость глюкометра перекладывается на сам аппарат, а частично на дальнейшие пользовательские расходы — тест-полоски. Таким образом, прослеживается прямая аналогия с принтером. Вроде как и стоит не очень дорого, а в дальнейшем вам придется покупать картриджи чуть ли не по цене самого устройства.
Управление данными
Для врачей и пациентов очень важно, чтобы глюкометр имел возможность соединения с компьютером через USB порт или по беспроводному протоколу. Таким образом, данные можно было бы передать на компьютер для дальнейшего анализа — построить графики, рассчитать средние показатели и правильно рассчитать дозировку лекарств и объем питания. Интерфейс подключения глюкометра должен быть крайне простым для пользователя, но в то же время достаточно мощным, чтобы у врача была максимально полная информация о пациенте. На сегодняшний день беспроводной протокол передачи данных является наиболее удобным — он не только прост в использовании, но еще и предоставляет возможность связи с самими разными устройствами — например, с инсулиновой помпой, помощник которой позволит правильно рассчитать дозу вводимого инсулина на основе точных значений показателя уровня сахара в крови.
Стартуем с «Тест-Полоской»
В мире становится все больше и больше диабетиков. Общая диабетическая демография только ухудшается. К счастью, глюкометры позволяют каждому человеку замерять уровень сахара в крови в домашних условиях самостоятельно, а результаты таких замеров оказываются весьма и весьма точными. На их основе можно принимать решения относительно той или иной дозировке лекарств. Тем не менее, все глюкометры различаются по своей точности, интерфейсам связи с ПК и другими устройствами, жидкокристалическими экранами и обработкой данных. Разработчикам требуется найти верное соотношение между мощным микропроцессором, полным набором функций и невысокой стоимостью, низким энергопотреблением.
