Non-invasive blood glucose monitoring using near-infrared spectroscopy Masab Ahmad , Awais Kamboh & Ahmed Khan -October 16, 2013
monitor glukosa darah yang digunakan untuk mengukur jumlah glukosa dalam darah, terutama pasien dengan gejala atau riwayat kadar glukosa darah abnormal tinggi atau rendah. Paling umum, mereka memungkinkan pasien diabetes untuk mengelola dosis insulin yang tepat. Ketersediaan rumah menggunakan glukometer, sebagai lawan klinis digunakan peralatan, telah meningkatkan kualitas hidup orang tersebut. Namun, monitor tersebut membutuhkan hasil imbang darah melalui tusukan jari untuk setiap tes, yang menyebabkan rasa sakit dan ketidaknyamanan. Setiap tes juga memerlukan tes-strip baru, memberikan kontribusi untuk biaya berulang dari alat tersebut. dosis insulin yang optimal, bagaimanapun, memerlukan sering / pemantauan terus menerus dari glukosa darah, dan saat glukometer tersedia tidak mengatasi persyaratan ini. monitor terus menerus memang ada, tetapi mereka harus ditanam di bawah kulit, menyebabkan trauma ketika sedang ditanamkan, dan mereka perlu diganti setiap minggu. Sebuah alternatif ada di monitor glukosa darah non-invasif. Artikel ini memperkenalkan arsitektur yang menggunakan Near Infrared (NIR) spektroskopi untuk menentukan kadar glukosa darah berdasarkan spektroskopi transmitansi pada cuping telinga. Menggunakan berbagai parameter tubuh, seperti ketebalan jaringan, saturasi oksigen darah, dan sistem kalibrasi regresi-analisis berbasis linear, arsitektur yang akurat dan real-time diusulkan. Contoh implementasi menggunakan analog penuh, digital, dan kemampuan sinyal campuran dari sistem-on-chip programmable, PSoC-5LP controller dari Cypress, diberikan juga. Hiperglikemia dan Hipoglikemia
Hiperglikemia dan hipoglikemia mengacu pada kondisi medis yang menunjukkan normal kadar glukosa / gula darah tinggi atau rendah. Diabetes adalah suatu kondisi di mana pankreas tubuh berhenti memproduksi insulin, yang mengontrol kadar glukosa darah. Penyebab diabetes pada manusia belum sepenuhnya dipahami, tetapi hipotesis diterima secara luas adalah bahwa hal itu mungkin genetik dan mungkin disebabkan oleh asupan gula tinggi sebagai bagian dari makanan sehari-hari melayani [1]. Setelah diabetes didiagnosis, tingkat gula darah perlu terus dipantau dalam rangka memfasilitasi asupan insulin obat. Pasien dengan hiperglikemia, di mana kadar glukosa darah terus menerus tinggi yang dipamerkan, mungkin memerlukan pemantauan glukosa darah terus menerus [1]. Hal ini akan membutuhkan kelangsungan penyediaan darah dari pasien sebagai perangkat pengukuran arus invasif memantau kadar gula, yang kadang-kadang menyebabkan komplikasi lain seperti pendarahan, kehilangan darah, dan kondisi iritasi lainnya. Non-invasif teknik menyelesaikan masalah kebutuhan darah. Artikel ini membahas dan mengimplementasikan pendekatan non-invasif untuk monitoring glukosa darah. Dekat-Infrared Spectroscopy dipilih karena yang sensitivitas, selektivitas, biaya rendah, dan portabilitas [1]. Sebuah panjang gelombang 1550nm dipilih karena yang tinggi rasio signal-tonoise (SNR) untuk sinyal glukosa. Prinsip operasi / Desain Sistem Near Infrared transmitansi spektroskopi digunakan di cuping telinga untuk mengukur glukosa. Transmitansi spektroskopi melibatkan sumber cahaya dan detektor cahaya diposisikan di kedua sisi cuping telinga. Jumlah cahaya inframerah dekat melewati cuping telinga tergantung pada jumlah glukosa darah di wilayah itu. Cuping telinga dipilih karena tidak adanya jaringan tulang dan juga karena ketebalan yang relatif kecil [1]. Near Infrared (NIR) cahaya diterapkan ke salah satu sisi cuping telinga, sementara penerima di sisi lain menerima cahaya dilemahkan. Sinyal dilemahkan ini kemudian sampel dan diproses. Dua LED dari Thor Labs (LED 1550E) digunakan sebagai sumber cahaya. Sejak dioda silikon konvensional telah membatasi bandwidth yang spektral, mereka tidak dapat digunakan untuk menerima cahaya inframerah dekat; Oleh karena itu jenis lain dari dioda harus dipertimbangkan. Sebuah Indium Gallium arsenat (InGaAs) fotodioda dari Marktech dengan respon tinggi sekitar panjang gelombang 1550nm digunakan. RC low pass filter juga terhubung ke output dari dioda untuk mengurangi kebisingan frekuensi tinggi. Pemancar cahaya dan reseptor sekitar panjang gelombang 1550nm biaya yang relatif rendah dibandingkan dengan panjang gelombang lain dengan respon yang sama atau lebih tinggi untuk glukosa. Terlepas dari tingkat glukosa dalam darah, transmitansi dari NIR cahaya juga tergantung pada jumlah darah di jalur cahaya. Artinya, untuk kadar glukosa yang sama, sejumlah besar darah akan menghasilkan transmitansi rendah, sedangkan kurang darah akan menghasilkan transmitansi yang lebih besar. Nilai glukosa perlu ditingkatkan sesuai dengan jumlah darah yang berada di dalam lobus telinga pada saat pengukuran. Jumlah darah dapat diperkirakan dengan mengukur kadar oksigen dalam darah [1]. Pulse oximetry digunakan untuk mengukur oksigen
darah. Pulse oximetry menggunakan Red dan Infrared (IR) cahaya untuk membedakan antara Hemoglobin dan Oxy-Hemoglobin dalam darah, yang proses lebih lanjut diterapkan untuk mendapatkan saturasi oksigen [2]. parameter fisik lain yang mempengaruhi pengukuran glukosa adalah ketebalan telinga jaringan lobus. Ini adalah masalah ketika perangkat yang sama digunakan oleh lebih dari satu orang, dalam hal telinga ketebalan lobus bisa berbeda untuk masing-masing. ketebalan jaringan menentukan 'panjang jalur' dari NIR, sehingga panjang jalan yang lebih besar akan menghasilkan transmitansi rendah. ketebalan jaringan diukur dengan menggunakan lampu hijau, yang memiliki redaman berdasarkan kulit tinggi. InGaAs sama dioda digunakan untuk merasakan sinyal NIR juga digunakan untuk merasakan panjang gelombang lain (hijau, merah, dan IR), sebagai respon spektral juga mengandung panjang gelombang tersebut. Semua variabel ini kemudian diperkuat, sampel, dan diproses di dalam PSoC5LP, setelah itu mereka dikomunikasikan melalui Bluetooth ke aplikasi Android. Gambar 1 menunjukkan diagram sistem tingkat tinggi proses lengkap.
Figure 1 High Level System Diagram
Sensing dan Pre-Processing The InGaAs sinyal fotodioda yang dimasukkan ke dalam sebuah amplifier untuk memperkuat sinyal NIR lemah. Amplifikasi tidak diperlukan untuk merah, IR, dan hijau sinyal cahaya, seperti redaman mereka tidak memaksakan masalah. Oleh karena itu internal Programmable Gain Amplifier (PGA) digunakan untuk tujuan ini. variasi tegangan pada urutan beberapa milivolt dicatat dari variasi glukosa. Tersebut diperkuat dengan menggunakan PGA dengan keuntungan sebesar 50, menggunakan tegangan referensi dari 1.024V. Sebuah single Delta-Sigma Analog-to-
Digital Converter dalam hubungannya dengan multiplexer analog digunakan untuk sampling sinyal merasakan. Sebuah resolusi 18 bit digunakan untuk sampel NIR dan sinyal hijau, sementara resolusi 16 bit digunakan untuk sinyal merah dan IR sehingga dapat meningkatkan tingkat sampling untuk menghindari aliasing karena variasi detak jantung (Gambar 2).
Figure 2 PSoC Peripherals and Schematics
daya yang ditransmisikan dari LED dapat dikontrol dengan penggunaan modulasi lebar pulsa (PWM). Lima LED sedang digunakan (2 NIR, 1 IR, 1 merah, dan 1 hijau), lima 8-bit modul PWM dilaksanakan. Dalam kasus LED NIR, panjang gelombang yang ditransmisikan juga berubah berdasarkan rata-rata DC tegangan itu. LED NIR dijalankan pada 3 siklus tugas yang berbeda untuk beragam panjang gelombang optik sekitar 1550nm. Ini digunakan untuk mengurangi kebisingan antara nilai-nilai glukosa baku. mengalahkan-hati dan berbasis denyut jantung variasi darah di telinga-lobus dapat menjadi sumber kebisingan besar jika tidak diperhitungkan dengan benar. Untuk menghapus denyut jantung variasi, merah, IR, dan NIR LED yang diaktifkan, dan sinyal dilemahkan mereka sampel dalam 100ms. 20 sampel dikumpulkan untuk setiap output LED; dengan demikian, total 120 sampel yang diambil (60 untuk tiga panjang gelombang NIR, dan 20 masing-masing untuk IR, merah, dan hijau). sumber cahaya ambient juga menghasilkan banyak suara yang ditangkap oleh sensor optik. Untuk membatalkan kebisingan ini, beberapa sampel disimpan sebelum LED dinyalakan. pengukuran suasana ini kemudian dikurangkan dari sinyal yang sebenarnya. Semua sampel disimpan dalam variabel integer 32-bit untuk memperhitungkan perkalian dan overflows Selain.
signal Processing Setelah semua variabel telah disimpan, pengolahan dimulai. Aliran algoritma diberikan dalam Gambar 3.
Figure 3 Non-Invasive Glucometer Algorithm Flow
Pertama, ketebalan jaringan dihitung dengan mendekati eksponensial Hukum Beer-Lambert oleh model sinyal kecil linear (mirip dengan yang digunakan dalam IV kurva dalam elektronik), seperti yang diberikan oleh (1). Menurut (1), penetrasi cahaya ke dalam kulit berkurang secara eksponensial. Namun, karena ketebalan cuping telinga bervariasi dengan jumlah yang sangat kecil, biasanya sekitar 2 mm 4mm, persamaan linear dapat digunakan untuk menyesuaikan model ini, di mana 'y' adalah kedalaman penetrasi, 'x' adalah kekuatan optik, dan 'A ',' b ',' C ',' D ', dan' E 'adalah konstanta penyerapan.
Kedua, tingkat kejenuhan oksigen darah dihitung dengan menggunakan lampu merah untuk menentukan jumlah yang hadir darah. Kedua variabel tersebut, ketebalan kulit dan jumlah darah, menentukan apakah darah adalah pada tingkat yang diperlukan dalam cuping telinga. meter non-
invasif mungkin tidak bekerja andal pada bayi karena ketebalan yang sangat kecil dari cuping telinga (<2mm). Demikian pula, kondisi medis yang menghambat aliran darah ke lobus telinga akan menghasilkan pembacaan yang salah. Oksigen darah dihitung melalui oximetry pulsa, yang diberikan dalam (2), sedangkan deteksi darah hanya diukur dengan menggunakan pengurangan lonjakan tegangan palung karena serapan. Komponen AC dari kedua variabel yang disaring dari sinyal mentah dengan menggunakan pass filter tinggi dengan cut off dari 5Hz, sedangkan komponen DC dihitung dengan lulus rekan rendah. The unscaled tingkat O2 dari (2) kemudian skala 0-100 untuk menentukan saturasi persentase oksigen.
Akhirnya, kadar glukosa dihitung. Kami memiliki tiga panjang gelombang yang berbeda di wilayah NIR terdiri dari 20 sampel masing-masing, jadi kita memiliki matriks 3x20. Menurut [1], menerapkan satu daftar urutan pertama filter pada panjang gelombang yang berbeda mengurangi tingkat kebisingan, dan membawa tiga panjang gelombang ke tingkat yang sama sehingga pengolahan yang sama dapat diterapkan ke mereka. Finite Impulse Response (FIR) Filter ini dibangun di C kode untuk PSoC tersebut. Sampel disaring yang diinterpolasi untuk membentuk garis cocok linear melalui regresi linear. nilai tengah baris ini mewakili nilai glukosa bias. Hal ini kemudian dipetakan ke skala 55-355 mg / dl. Hasilnya kemudian linear kompensasi untuk ketebalan jaringan dan tingkat oksigen. Sebuah ketebalan yang lebih tinggi akan memerlukan peningkatan kadar glukosa, dengan 10 kali ketebalan di mm. pemrosesan sinyal ini membutuhkan waktu beberapa milidetik untuk perhitungan akurasi tinggi yang diperlukan. Tingkat Gula Darah Rendah Gula Darah (Hipoglikemia) = 0-70 mg / dl Gula Darah yang normal = 70-135 mg / dl Gula Darah Tinggi (Hiperglikemia) = 135-450 mg / dl
Darah Oksigen Tingkat Rendah Oksigen Saturation = 0-90% Yang normal Oxygen Saturation = 90-99% Karbon Monoksida Keracunan = 100%
Batas bawah deteksi menggunakan NIR di setup ini adalah 55mg / dl. Tingkat gula bawah ini tidak dapat diukur secara akurat. Namun, ini dapat ditingkatkan dengan meningkatkan output daya dari LED. Batas atas ditetapkan 355mg / dl, meskipun tingkat yang lebih tinggi dapat diukur dengan mudah.
pameran Meskipun nilai glukosa akhir dapat ditampilkan pada LCD sederhana, dalam desain ini juga ditampilkan pada ponsel android menggunakan konektivitas Bluetooth. The UART (UART) dari PSoC terhubung ke perangkat Bluetooth. Sebuah protokol komunikasi sederhana dilaksanakan dalam PSoC dan perangkat mobile. Ketika pengguna meminta nilai glukosa, platform Android mengirimkan 'mendapatkan' ke PSoC, yang menunggu perhitungan glukosa setelah itu mengirimkan nilai glukosa dan pengakuan. Perangkat Android menampilkan nilai glukosa setelah menerima itu. Seluruh proses memakan waktu sekitar 2s.
Figure 4 Snap-shots of the Android Device
Figure 5 Complete Setup
hasil Untuk menentukan keakuratan perangkat yang dijelaskan di atas, bacaan yang dibandingkan terhadap off-the-rak genggam rumah menggunakan glucometer invasif yang tersedia di pasar. Sebuah Kesalahan Clarkson Grid [1] adalah standar khusus digunakan untuk menentukan akurasi dari perangkat pemantauan glukosa. Sumbu y merupakan nilai dibaca oleh perangkat noninvasif, dan sumbu x mewakili nilai-nilai yang direkam oleh invasif perangkat off-the-rak, untuk pasien yang sama, pada waktu yang sama. Lebih dari 100 titik uji diambil pada 80 pasien. Kesalahan grid ditunjukkan pada Gambar 6. Sekitar 75% dari titik data terletak di wilayah A, sementara semua poin tersisa terletak di wilayah B. Tidak ada data titik terletak pada daerah lain.
Koefisien korelasi antara pengukuran dari non-invasif glucometer dan referensi glucometer sama dengan 0,85, yang sangat baik. akurasi ini lebih baik daripada kebanyakan non-invasif meter glukosa hadir dalam literatur (meskipun ukuran sampel yang disajikan dalam penelitian ini mungkin tidak cukup besar dan lebih pengujian dan kalibrasi mungkin diperlukan). Kinerja tinggi ini dimungkinkan sebagian karena fakta bahwa PSoC-5LP menyediakan kemampuan digital analog yang sangat terintegrasi dan, dengan lantai kebisingan yang rendah, dan resolusi tinggi konversi analog-ke-digital. perbaikan lebih lanjut dalam akurasi dapat dilakukan dengan meningkatkan daya LED, dengan menggunakan dioda lebih sensitif, dan dengan memasukkan parameter lebih lanjut seperti suhu kamar dan tubuh.
Figure 6 Clarkson Error Grid for the PSoC based Non-Invasive Glucometer
kesimpulan Pada artikel ini kita telah disajikan non-invasif glukosa darah meter yang dapat memberikan pengukuran glukosa tanpa rasa sakit, tanpa sampel darah atau jari menusuk, dalam beberapa detik. Perangkat ini dapat dengan mudah diadaptasi untuk menyediakan glukosa darah pemantauan dan oksigen darah tingkat yang berkelanjutan dan mempertahankan sejarah
pengukuran ini. Algoritma perangkat juga dapat dimodifikasi untuk menyediakan kemampuan lain seperti denyut jantung menggunakan perangkat dan sensor yang sama. Peringatan Perangkat yang disajikan di sini hanya bukti dari konsep, menunjukkan korelasi yang baik antara NIR transmisi dan glukosa darah. Namun, sebagai perangkat eksperimen tersebut tidak disetujui FDA, itu seharusnya hanya digunakan untuk tujuan akademis atau informatif, dan tidak boleh digunakan untuk membuat keputusan medis termasuk namun tidak terbatas pada pengadministrasian obat. Referensi [1] V. A. Saptari, "sistem A spektroskopi untuk Near Infrared Glukosa Pengukuran," PhD Thesis, MIT, 2004. [2] A. Tura, A. Maran, dan G. Pacini, "pemantauan glukosa Non-invasif: Penilaian teknologi dan perangkat sesuai dengan kriteria kuantitatif," Elsevier J. dari Diabetes Research and Clinical Practice, vol 77, no.. 6, pp. 16-40, 2007. Juga lihat:
Produk how-to: rate monitor jantung menggunakan SoC diprogram manfaat Pulse oximetry dari SOCS diprogram terbaru Independa Mengintegrasikan Telcare Glukosa Pemantauan Ke jauh Telehealth Suite untuk Lansia Mendapatkan peralatan medis ke LAN
