Неинвазивный глюкометр на основе биоимпедансной спектрометрии

Для измерения уровня глюкозы в крови был создан макет неинвазивного глюкометра на основе измерения комплексного биоимпеданса тканей. Разработанный прибор обладает рядом преимуществ перед обычными методами измерения сахара в крови. Благодаря разработанной схеме и определенной модели эдектрода удалось исключить влияние индивидуальных особенностей кожи на измерение импеданса крови. Были проведены первые исследования на эквивалентной модели клетки. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о корректной работе прибора и хорошо согласуются с теорией. В качестве дальнейших исследований планируется провести клинические испытания и набрать статистику.

Цель: разработка неинвазивного глюкометра на основе измерения биоимпеданс крови.
Задачи: сделать литературный обзор, разработать принципиальную схему прибора, разработать или выбрать оптимальную модель электрода для крепления к месту обследования, провести клинические испытания.

Для предотвращения осложнений, связанных с последствиями сахарного диабета, пациентам необходимо постоянно следить за концентрацией глюкозы в крови. Обычные глюкометры имеют ряд недостатков: процедура достаточно болезненая, пользователь рискует заразиться инфекцией и др. Более быстрой, безопасной и удобной альтернативой обычному методу проверки является неинвазивный глюкометр, к которому предъявляются следующие требования: надежность, дешевизна (прибор должен функционировать без расходных материалов) и простота использования. В настоящее время ведутся многочисленные исследования в данной области. Основная задача заключается в исключении влияния кожи и различных веществ, содержащихся в крови на измерения уровня глюкозы в крови.

Для измерения уровня глюкозы в крови был использован метод, в основе которого лежит измерение биоимпеданса тканей и билологических при протекании через них электрического тока различных частот. Биоимпедансная спектрометрия - это измерение импеданса биологических тканей, которое может отражать важные физиологические характеристики и события. Поскольку биологическая ткань представляет собой агрегацию клеток в проводящей жидкости, то её сопротивление переменному электрическому току зависит от состояния и параметров этих компонентов. Величина электрического импеданса имеет две составляющие: активное (омическое) и реактивное (ёмкостное) сопротивление. Первая из них отражает межклеточное пространство, вторая – структуры, ограниченные биологической мембраной, т.е. клетки. Диапазон частот при котором проводится биоимпедансная спектрометрия  варьируется от 1кГц до 1,3 МГц. На низких частотах (менее 50 кГц) электрический ток проходит главным образом через межклеточную жидкость. При увеличении частоты тока полное электрическое сопротивление тканей снижается. Это объясняется ёмкостными свойствами клеточных мембран. При частоте тока 100 кГц и выше токи через межклеточную жидкость и внутриклеточное пространство становятся сравнимыми по величине. 

В ходе проделанной работы был разработан неинвазивный глюкометр на основе биоимпедансной спектрометрии, основными частями которого являются  конвектор импеданса, основанный на микросхеме AD5933, источник тока Хоуланда и микроконтроллер. 

Перед началом работы была проведена проверка прибора на работоспособность с помощью эквивалентной схемы клетки. Результаты измерения схемы совпадают с теоретическими данными, что свидетельствует о достаточной точности прибора.

Рисунок 1 - Зависимость сопротивления и фазы  от частоты: а)эксперемент б)расчет

С начало с помощью глюкометра IME-D было произведено измерение глюкозы в крови у добровольцев, одновременно с этим производили измерение глюкозы с помощью биоимпенданса. Измерение биоимпеданса производилось  в диапазоне частоты 10кГц-100кГц. Полученные результаты с глюкометра сопоставлялись с измеренными и строились калибровочные кривые  

Рисунок 2 – Калибровочные кривые

Из графика видно что, при увеличение уровня глюкозы в крови значения импеданса уменьшается. 

     Далее произвели измерения глюкозы с помощью обычного глюкометра IME-D и глюкометра на основе биоимпеданса (рис 15.). Измерение уровня глюкозы проводилось  в диапазоне частоты 10 кГц-100 кГц. Полученные результаты  сравнивались между собой. 

Рисунок 3 - Зависимость сопротивления от частоты для различного уровня глюкозы

Таблица 1. Значение уровня глюкозы для Глюкометр IME-D и Глюкометр на основе биоимпеданса

Глюкометр IME-D Глюкометр на основе биоимпеданса Доброволец 1 5.2 ммоль/л 5.3 ммоль/л Доброволец 2 6.1 ммоль/л 6.0 ммоль/л

Как видно из таблицы 1 наблюдается  небольшое расхождение данных, которое можно отнести к погрешностям точности прибора.  Результаты измерения показали работоспособность  прибора.  

На следующих этапах планируется провести клинически испытания устройства и набрать статистику. После чего прибор может найти широкое применение в повседневной жизни пациентов, страдающих сахарным диабетом, чтобы контролировать уровня глюкозы в крови и исключить риск осложнений. Также прибор может быть использован в медицинских учреждениях в качестве замены лабораторных анализаторов крови при проведении операций, когда требуются частые и быстрые измерения уровня глюкозы в крови.

1. М.Ахманов, И.Чайковский. Диабет. Образ жизни. - 2013. - №2.
2. Михайлов В. В. Основы патологической физиологии: Руководство для врачей / Б. М. Сагалович. — М.: Медицина, 2001. — С. 117—124. — 704 с.
3. Н. Т. Старкова. Клиническая эндокринология. Руководство — издание 3-е, переработанное и дополненное. — Санкт-Петербург: Питер, 2002. — С. 209-213. — 576 с. — («Спутник Врача»).
4. Ivorra, A. 2002. Bioimpedance monitoring for physicians: an overview. CNM – Biomedical Applications Group. Available
5. Morucci, J.P. and Marsili, P.M. Bioelectrical impedance techniques in medicine Part III: Impedance imaging. Critical Reviews in Biomedical Engineering, - 1996. - с.599-654.
6. AD5933 1 MSPS 12-Bit Impedance Converter Network Analyzer: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD5933.pdf

To measure the level of glucose in blood, non-invasive glucose monitor based on the measurement of complex tissue bioimpedance was created. The developed device has several advantages over conventional methods of measuring blood sugar. The developed scheme and specific model of contact electrodes allow to exclude the effect of the individual characteristics of the skin to the blood impedance value. The first studies on an equivalent cell model were carried out. The experimental data indicate the correct operation of the device and are in good agreement with theory. As for the further research, it is planned to conduct clinical trials and collect statistics.