Исследование возможностей метода оптической неинвазивной диагностики для контроля уровня сахара в крови

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование возможностей метода оптической неинвазивной диагностики для контроля уровня сахара в крови

Ластовская Е.А.,

Горбунова Е. В.

Университет ИТМО (Санкт-Петербург)

Работа посвящена исследованию возможностей применения метода оптической неинвазивной диагностики для решения задачи контроля уровня сахара в крови. Разработан макет для исследования спектральных характеристик биологического объекта и растворов глюкозы. В ходе экспериментальных исследований определены участки спектра, в которых возможен контроль уровня сахара в крови.

неинвазивный диагностика сахар кровь

Больным сахарным диабетом необходимо регулярно контролировать уровень гликемии. Традиционный инвазивный метод является болезненным, т.к. требует прокола пальца. В связи с этим актуальным является решение задачи определения уровня сахара в крови неинвазивным методом.

На сегодняшний день на рынке медицинской техники не представлено ни одного недорогого безболезненного средства контроля гликемии для личного пользования, однако, существует немало разработок, действие которых основано на температурных, электрических и других свойствах биологического объекта. Оценивать концентрацию глюкозы в крови возможно также и с помощью метода оптической неинвазивной диагностики, который основан на законах спектрофотометрии и заключается в регистрации и анализе спектральных характеристик излучения, пропущенного, отраженного или поглощенного объектом.

Настоящая работа посвящена разработке макета оптико-электронной системы неинвазивного контроля глюкозы (ОЭС НКГ) с целью исследования возможностей решения указанной задачи.

Принцип действия ОЭС НКГ основан на использовании в качестве входных данных информации о спектральных характеристиках биологического объекта. Для неинвазивного измерения количества глюкозы в крови была предложена структурная схема макета ОЭС НКГ для работы с прошедшим излучением (рисунок 1-а).

Рисунок 1 - Структурная схема макета ОЭС НКГ

Луч от источника излучения (ИИ), работающего от источника питания (ИП), направлен на биологический объект (БО), закрепленный в узле фиксации биологического объекта (УФБО). Прошедшее через ткань излучение по волоконно-оптическому кабелю (ВОК) попадает в спектрометр (С), а затем в блок обработки информации (БОИ), переводящий результаты измерений в данные, понятные пользователю.

Конструкция УФБО зависит от БО. В качестве БО для исследования возможно использовать фалангу пальца или мочку уха. Стоит отметить, что при исследовании спектральных характеристик мочки уха необходимыми элементами структурной схемы являются оптическая система (ОС) и дополнительный ВОК, направляющие излучение от ИИ на БО (рисунок 1-б). Необходимость применения ОС объясняется конструктивными параметрами ВОК (предельный угол ввода излучения в ВОК 2? при диаметре ВОК 600 мкм) и энергетическими характеристиками ИИ.

Методика проведения измерений и обработки результатов

Для проведения экспериментальных исследований была разработана следующая методика. На подготовительном этапе необходим прием пищи больным. Далее БО помещается в УФБО. Измерения проводятся периодически в течение времени увеличения уровня сахара в крови, связанного с приемом пищи, и его нормализации. Одновременно с измерениями на макете ОЭС НКГ уровень глюкозы контролируется и инвазивным глюкометром, по показаниям которого определяется продолжительность всего эксперимента. Полученные данные заносятся в таблицу.

Таблица - Результаты измерений

По полученным данным может быть построен график D (t, л), отражающий зависимость оптической плотности объекта от времени t и длины волны л. Он позволяет наглядно оценить характер изменения оптических свойств биологического объекта при изменении концентрации глюкозы в крови. Первым шагом в численной оценке полученных данных является определение колебаний оптической плотности для каждой длины волны с течением времени. Результаты могут быть представлены в виде функциональной зависимости накопленного изменения оптической плотности ДD (л), рассчитанного по формуле

.

Целью этого этапа обработки является определение длин волн с максимальным изменением оптических характеристик. Для разработки метода вычисления концентрации глюкозы в крови по спектральным характеристикам необходимо исследование зависимости ДD (t) на определенных на предыдущем этапе длинах волн и сопоставление с изменением во время эксперимента уровня сахара С (t), измеренного инвазивным методом.

Методика выявления длин волн, чувствительных к изменению концентрации глюкозы, была реализована на растворах глюкозы разной концентрации. Раствор начальной концентрации получили путем растворения порошка глюкозы в воде. Добавляя 10 раз по 2 мл воды, уменьшали концентрацию раствора и заново исследовали спектральные характеристики.

Были проведены две серии измерений. В первой в качестве опорного сигнала использовалось излучение, пропущенное кюветой с водой. Это позволило получить данные о спектральной характеристике чистой глюкозы. На рисунке 2 представлены распределения коэффициента пропускания глюкозы в растворе при разной концентрации и накопленное изменение коэффициента пропускания.

Рисунок 2 - Коэффициент пропускания глюкозы: С2-С9 - при различной концентрации, ? - накопленное изменение (нижний график)

Во второй серии измерений в качестве опорного сигнала использовалось излучение, пропущенное пустой кюветой. Таким образом, исследовались спектральные характеристики раствора глюкозы. На рисунке 3 представлены распределения коэффициента пропускания раствора при разной концентрации глюкозы и накопленное изменение коэффициента пропускания.

Рисунок 3 - Коэффициент пропускания раствора глюкозы: С3-С10 - при различной концентрации, ? - накопленное изменение

На основании сравнения полученных данных каждой серии измерений о накопленном изменении спектральных характеристик чистой глюкозы и ее раствора, сделан вывод о возможности использования предложенной методики для определения диапазонов длин волн, потенциально перспективных для решаемой задачи.

На рисунке 4 показан макет разрабатываемой ОЭС НКГ, предназначенный для исследования возможностей метода оптической неинвазивной диагностики для контроля уровня сахара в крови, включающий, в том числе, клипсу (К) для фиксации мочки уха.

Рисунок 4 - Макет ОЭС НКГ

В качестве приемника оптического излучения применен спектрометр USB4000 фирмы Ocean Optics с чувствительным элементом Toshiba TCD1304AP Linear CCD, ВОК P600-1-SR диаметра 600 мкм фирмы Ocean Optics. В качестве ИИ выбрана кварцевая лампа накаливания мощностью 12 Вт.

Таким образом, в ходе работы предложены схема построения и принцип действия ОЭС НКГ, методика обработки результатов экспериментальных исследований, разработан макет ОЭС НКГ. Кроме того, получено подтверждение принципиальной возможности реализации контроля уровня гликемии методом оптической неинвазивной диагностики: проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили выявить области спектра видимого излучения (440-470 нм, 530-560 нм, 850-1000 нм), в которых оптические характеристики раствора чувствительны к изменению концентрации.

Дальнейшей задачей является создание экспериментального образца для исследования спектральных характеристик излучения, прошедшего через ногтевую фалангу пальца руки. В качестве источников излучения предполагается использовать набор излучающих диодов, выбранных на основании результатов проведенных исследований. Макет позволит выявить зависимость концентрации глюкозы в крови от интенсивности проходящего излучения.

Данный метод может быть использован также для контроля и других компонентов крови, таких как холестерин, гемоглобин, билирубин, инсулин, токсины.

Размещено на Allbest.ru