БЛОК ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ИСТОЧНИКА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ПОРТАТИВНОГО ОПТИЧЕСКОГО НЕИНВАЗИВНОГО ГЛЮКОМЕТРА

Литинская Е.Л.¹, Базаев Н.А.², Пожар К.В.³

¹Магистрант, ²Кандидат технических наук, ³Аспирант, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

БЛОК ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ИСТОЧНИКА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ПОРТАТИВНОГО ОПТИЧЕСКОГО НЕИНВАЗИВНОГО ГЛЮКОМЕТРА

Аннотация

В данной статье рассматривается методика повышения точности измерения портативного оптического неинвазивного глюкометра за счёт уменьшения температурного дрейфа источника лазерного излучения. Предложена аппаратно-программная реализация данного метода с помощью системы из элемента Пельтье и терморезистора. Установлено, что данная система делает глюкометр пригодным как для мониторинга, так и для единичных измерений концентрации глюкозы в крови и позволяет в 10 раз снизить влияние температурного дрейфа на точность измерения.

Ключевые слова: сахарный диабет, концентрация глюкозы в крови, неинвазивный глюкометр, спектрофотометрический метод, термостабилизация, элемент Пельтье.

Litinskaia E.L.¹, Bazaev N.A.², Pozhar K.V.³

¹Master student, ²PhD in Engineering, ³Postgraduate student, National Research University of Electronic Technology “MIET”

THERMAL STABILIZATION UNIT FOR LASER LIGHT SOURCE OF PORTABLE OPTICAL NONINVASIVE GLUCOMETER

Abstract

In the paper method of portable optical noninvasive glucometer measurement accuracy increase by laser light source temperature drift reduction is considered. Firmware implementation of the method with the use of Peltier cooler and thermo-resistor system was suggested. It was established that the system makes optical noninvasive glucometer applicable for both monitoring and single blood glucose concentration measurement, and allows reducing temperature drift effect on measurement accuracy by 10 times.

Keywords: Diabetes mellitus, blood glucose concentration, spectroscopic method, noninvasive glucometer, thermal stabilization, Peltier cooler.

Сахарный диабет – это эндокринное заболевание, характеризующееся хроническим повышением концентрации глюкозы в крови (КГК) вследствие абсолютного или относительного дефицита инсулина – гормона поджелудочной железы.

Во избежание тяжелых осложнений, пациентам, страдающим сахарным диабетом, приходится придерживаться специального ритма жизни, режима питания и медикаментозной терапии, чтобы поддерживать  концентрацию глюкозы в крови в пределах нормы. Для своевременного принятия мер по компенсации сахарного диабета пациенту необходимо знать текущую КГК.

Для этих целей был создан ряд портативных приборов персонального применения, среди которых можно выделить три основных класса: приборы, измеряющие уровень глюкозы в крови инвазивными способами, то есть требующие прокалывание пальца и забор экземпляра крови; минимально инвазивные приборы и системы постоянного мониторинга уровня глюкозы в крови, т. е. системы, наносящие минимальные поражения коже и неинвазивные приборы и системы постоянного мониторинга уровня глюкозы в крови, которые не требуют прямого забора крови и не наносят повреждений.

Наиболее актуальным направлением является разработка неинвазивных устройств мониторинга уровня глюкозы в крови, поскольку такие устройства не доставляет больному дискомфорта, и инфекционно безопасны. Кроме того, комфортность применения и отсутствие расходных материалов позволят проводить непрерывный мониторинг КГК, что обеспечит пользователя более полной информацию об уровне сахара в крови в течение длительного времени, что необходимо для правильной оценки протекания сахарного диабета и правильной терапии этого заболевания.

Наиболее перспективными методами неинвазивного измерения КГК являются оптические методы [1,2]. Основными оптическими методами оценки уровня глюкозы в крови являются:

• оценка КГК по углу поворота вектора поляризации;
• оценка КГК по скорости восстановления зрительного пигмента;
• оценка КГК по чувствительности визуальной системы;
• поляриметрия и измерение оптической активности;
• рамановская спектроскопия;
• спектрофотометрический метод.

Главным преимуществом этих методов является безопасность для организма. Принципиальная возможность создания неинвазивных глюкометров на оптических методах подтверждена многочисленными исследованиями.

Наиболее привлекательным для реализации является спектрофотометрический метод, основанный на расчёте коэффициентов ослабления инфракрасного (ИК) излучения, прошедшего через ткань, на разных длинах волн [3].  Для апробации данного подхода спроектирован и сконструирован экспериментальный образец портативного оптического неинвазивного глюкометра. Структурная схема данного устройства представлена на рисунке 1.

В качестве источника ИК излучения используется светоизлучающий диод или лазерный диод, работающий на длине волны поглощения глюкозы или близкой к ней. Микроконтроллер задает мощность лазерного диода в виде цифрового сигнала, который преобразуется в аналоговый с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В качестве детектора используется фотодиод, который  регистрирует прошедшее через ткань излучение. Сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) преобразуется в цифровой и поступает на микроконтроллер. Процессор обрабатывает сигнал детектора и с учетом коэффициента ослабления тканью ИК излучения рассчитывает уровень глюкозы в крови. С целью визуализации КГК, калибровочных параметров системы и аварийных сигналов,  используется цифровой дисплей. Также для удобства обработки полученных данных в устройстве предусмотрен обмен данными с компьютером с помощью интерфейса UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter).

Рисунок 1 – Структурная схема экспериментального образца портативного оптического неинвазивного глюкометра

При проведении первичных испытаний разработанной системы наблюдалось нелинейное изменение интенсивности излучения лазерного диода, связанного с нагревом лазера. С целью компенсации данного эффекта была разработана итерационная программа стабилизации температуры, вычисляющая временные параметры, обеспечивающие температурное равновесие при измерениях. Существенным недостатком программы является то, что компенсация температурного дрейфа с её помощью занимает порядка 30 минут.  Это позволяет использовать её только при режиме мониторинга, где данные временные затраты не существенны, но не при единичных измерениях, длительность которых не должна превышать 1 минуты.

В качестве источника ИК излучения выбран лазерный диод с мощностью излучения 20мВт и длиной волны 1602,5 нм со встроенным термоэлектрическим модулем (элементом Пельтье) и терморезистором. Данная система позволяет регулировать температуру активной среды лазера, тем самым компенсируя нелинейное изменение интенсивности излучения, вызванное температурным дрейфом, и повысить точность измерений КГК.

Для управления термоэлектрическим модулем и терморезистором был разработан блок термостабилизации лазера [6]. На рисунке 2 представлена структурная схема системы из лазера и блока термостабилизации. С помощью резистивного делителя измеряется напряжение на терморезисторе, находящемся в лазере, которое регистрируется встроенным в микроконтроллер аналого-цифровым преобразователем. По значению напряжения рассчитывается температуры лазера. С помощью регулируемого источника тока происходит управление током, проходящим через элемент Пельтье. При этом происходит охлаждение той его стороны, которая контактирует с лазером. В качестве управляющего блока используется микроконтроллер. Для визуализации значения выходного тока используется светодиодная индикация.

Рисунок 2 – Структурная схема системы из лазера и  блока термостабилизации

Рисунок 3 – Внешний вид блока термостабилизации

Определение тока, который необходимо подать на элемент Пельтье происходит с помощью ПИД регулятора. На вход ПИД регулятора подаётся разность между необходимой и измеренной температурой лазера, в соответствии с которой он автоматически подбирает коэффициенты усиления пропорциональной, интегрирующей и дифференциальной составляющих регулятора и управляет мощностью  элемента Пельтье.

На рисунке 4 представлен алгоритм функционирования разработанного блока термостабилизации. При включении устройства происходит его первоначальная инициализация.  Во время измерения КГК каждые 200 мс определяется температура лазера и устанавливается необходимая для его стабилизации мощность элемента Пельтье. На рисунке 5 представлена динамика температуры лазерного диода  при выключенном блоке термостабилизации и при включённом.

Рисунок 4 – Алгоритм функционирования блока термостабилизации

Рисунок 5 – Динамика температуры лазерного диода: при выключенном элементе Пельтье (1); при включённом элементе Пельтье (2); динамика тока, протекающего через  элемент Пельтье (3)

В результате проведённой работы разработан блок термостабилизации лазерного диода для портативного оптического неинвазивного глюкометра, а также алгоритм функционирования данного блока. Разработанная система позволяет поддерживать температуру на заданном уровне, компенсируя нелинейное изменение интенсивности излучения, тем самым на порядок понижая влияние температурного дрейфа на точность измерения концентрации глюкозы в крови. Также она позволяет производить стабилизацию температуры в течение ~15-30 секунд по сравнению итерационной программой термостабилизации, которой требовалось ~ 30 минут. Это делает её пригодной как для мониторинга, так и для единичных измерений.

Литература

1. Castano J.A. Optical method and device for determining blood glucose levels // Patent №  6113537. – USA. – October 15, 1997.
2. Acosta G., Henderson J.R., Monfre S.L., Blank T.B., Hazen K.H. Compact apparatus for noninvasive measurement of glucose through near-infrared spectroscopy // Patent № 20050020892. – USA. – April 7, 2004.
3. Burmeister J.J., Arnold M.A. Evaluation of measurement sites for noninvasive blood glucose sensing with near-infrared transmission spectroscopy // Clinical Chemistry. –1999. – Vol. 45. – N 9. – P 1621-1627.
4. Литинская Е.Л., Пожар К.В. Разработка блока термостабилизации для оптической системы экспериментального образца портативного оптического неинвазивного глюкометра // Микроэлектроника и информатика. 23-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов – М.: МИЭТ. – 2016. – с.269.

References

1. Litinskaja E.L., Pozhar K.V. Razrabotka bloka termostabilizacii dlja opticheskoj sistemy jeksperimental'nogo obrazca portativnogo opticheskogo neinvazivnogo gljukometra // Mikrojelektronika i informatika. 23-ja Vserossijskaja mezhvuzovskaja nauchno-tehnicheskaja konferencija studentov i aspirantov: Tezisy dokladov – M.: MIJeT. – 2016. – s.269.