L’efficienza nel design dei glucometri

MEDICALE –

I glucometri si differenziano in termini di accuratezza, funzionalità di connettività, display Lcd e opzioni di gestione dati. Il microcontrollore più indicato in tale applicazione è quello che permette di implementare glucometri di piccole dimensioni, a basso consumo e alte prestazioni.

Il diabete mellito è un problema di salute diffuso in tutto il mondo il cui controllo sfrutta principi di glucometria, come tecnica di rilevazione dei valori di concentrazione di glucosio nel sangue, per il suo monitoraggio. Questi valori espressi in mg / dl o mmol hanno un importante valore clinico per le malattie metaboliche come il diabete mellito, la denutrizione, e alcune delle loro conseguenze, come coma iperosmolare, sindrome da malassorbimento e la più critica – l’ipoglicemia, ovvero il livello di glucosio nel sangue più basso rispetto al normale. Il glucometro è lo strumento tramite il quale in modo semplice e veloce è possibile verificare il livello di concentrazione del glucosio nel sangue così da identificare la corretta dose correttiva del farmaco ipoglicemico necessario al paziente. Oggi la tecnologia permette la realizzazione di strumenti compatti, portatili, di basso consumo ed estremamente affidabili. Per i pazienti con diabete di tipo 1, il glucometro deve essere di semplice utilizzo ed avere funzionalità tali da permettere connettività con sistemi diagnostici, gestione di contenuti multimediali compresivi di video.

Come funziona: sensori e amperometria
Il principio base per la misurazione del glucosio nel sangue si basa sul monitoraggio di opportune reazioni chimiche durante le quali specifici elettrodi rilevano l’andamento nel tempo di segnali elettrici ad esse associati. Differenti concentrazioni di glucosio manifestano differenti reazioni chimiche con conseguenti differenti andamenti delle grandezze elettriche. Il sensore utilizzato presenta elettrodi di platino e argento come parte di un circuito elettrico a contatto dei quali viene causata la reazione di elettrolisi del perossido di idrogeno. L’amperometria misura la corrente elettrica tra una coppia di elettrodi; l'ossigeno si diffonde attraverso la membrana e una tensione viene applicata all’elettrodo di Platino riducendo O2 ad H2. Gli elettrodi reattivi sono tre, un elettrodo di lavoro (WE), un elettrodo di riferimento (RE), e un elettrodo contatore (CE). L’elaborazione, da parte di un microcontrollore, delle correnti generate concorre nello stabilire il grado di reazione e validità dello stesso.

Le caratteristiche di un glucometro portatile

• Basso consumo energetico - Oggi la maggior parte dei glucometri lavora sfruttando l’alimentazione a batteria; di conseguenza l’elettronica composta da microcontrollore, parte analogica e interfaccia Lcd deve rispettare stringenti specifiche di basso consumo. Consumo che per il 99% viene speso durante i momenti di non utilizzo dell’apparecchio, condizione nella quale l’elettronica si trova ad effettuare esclusivamente operazioni minimali per la sola tracciabilità del tempo trascorso in attesa di attivazione da parte dell’utente. Il microcontrollore in questa condizione viene posto in modalità di Stop affinché possa conteggiare il tempo e ripristinare le proprie funzionalità ad interrupt esterno. La funzionalità di real time clock è desiderabile in quanto la maggior parte dei glucometri ha un sistema di allarme per avvisare l'utente quando diviene necessario effettuare una misurazione.

Data Management - La sola misura del glucosio, di per sé, è fondamentale affinché si intervenga puntualmente con le eventuali azioni correttive; tuttavia la possibilità di avere correlazioni temporali con le misure precedenti e lo stile di vita dell’interessato costituiscono il database fondamentale affinché il medico possa meglio monitorare l’andamento della cura. A tale proposito e per meglio agevolare le operazioni di gestione dati, le connettività Usb e wireless si presentano come le soluzioni migliori per la trasposizione su Pc delle informazioni. Tastiere e interfaccia uomo-macchina possono essere implementate con pulsanti e display Lcd, fino a interfacce touchsensing e Lcd grafici, anche questi gestiti attraverso il microcontrollore. Un altro componente di base del sistema è costituito dal modulo di misura composto dalle parti analogiche e IP digitali che interagendo opportunamente con i sensori permettono il corretto processo di valutazione da parte del microcontrollore.

In quest’ambito sono da considerare i seguenti moduli:
- Convertitore digitale-analogico - Fornisce la polarizzazione del segnale. Le uscite del Dac specificano le tensioni ai sensori di bias. Un parametro critico sul Dac è il tempo di assestamento, che deve essere inferiore o uguale a 1 µsec nella modalità ad alta velocità e 5 µsec per la modalità a basso consumo. La monotonicità deve essere garantita in modo da permettere le corrette forme d'onda di polarizzazione del biosensore.
- Amplificatore di trans impedenza - Usato per convertire gli ingressi di corrente in tensioni che possono essere letti da Adc, effettua il condizionamento del segnale. Un parametro critico è la corrente di polarizzazione che deve essere inferiore a 500 pAmp (tipico a 25° C) per misurare piccoli cambiamenti prodotti nel biosensore durante la reazione chimica.
- Amplificatore operazionale - Dispone di modalità Comparatore "maggiore di" che avvia l'algoritmo di misurazione. Nella modalità di Comparatore "interno al range" individua facilmente il picco della reazione chimica.
- Convertitore analogico-digitale - Il parametro critico sull’Adc è l’accuratezza che dovrebbe essere pari o superiore a 13,5 bit o numero effettivo di bit; questo permette la misurazione dei piccoli segnali nel biosensore.
- Moduli aggiuntivi (Voltage Reference - Programmable Delay Block - e Time Of Day) - Vref è il riferimento di tensione trimmabile; Pdb controlla i tempi e trigger di Adc e Dac; Tod è il modulo utilizzato per tenere traccia del tempo.

Software e connettività Usb - Quando si parla di connettività Usb, l’Ieee 11073 è uno standard importante da considerare. Esso fornisce la struttura per l'interfaccia di comunicazione attraverso la definizione di comandi per accedere ai dati stessi, la struttura dei dati da trasmettere e la precisa definizione degli stati di comunicazione. In quest’ambito la disponibilità di specifici componenti software è di innegabile vantaggio. Una delle più importanti organizzazioni per la standardizzazione dei dispositivi medici è la Continua Health Alliance, specializzata nell’interfaccia di tecnologie intelligenti e dispositivi medici con i leader del settore sanitario per consentire ai pazienti di scambiare informazioni di vitale importanza. Un'altra norma importante viene dall’organizzazione Usb che ha definito la classe Phdc (Personal Health Care Device Class), una implementazione standard di comunicazione Usb per i dispositivi medici nel settore. Se ciò è fornito quando si seleziona il microcontrollore, è certamente un vantaggio per lo sviluppatore di applicazioni mediche.

La risposta di Freescale
I microcontrollori di Freescale Semiconductor a 8 bit MC9S08MM128 e 32 bit MCF51MM256 integrano moduli di misura tali da permettere interessanti riduzioni di costo, riducendo al minimo il numero di componenti esterni necessari per l’acquisizione e l’elaborazione dei segnali. Forniscono inoltre operazioni ultra-low power, connettività Usb, supporto di display grafico e precisione di misura senza precedenti, tutti in un unico microcontrollore a 8 o 32 bit, che consente ai progettisti di creare prodotti più completi a un costo inferiore. Il MCF51MM256/128 è ideale per applicazioni mediche che richiedano una significativa precisione analogica, come strumentazioni e controlli industriali. Il MCF51MM256/128 fornisce ai progettisti moduli ad alta risoluzione Adc a 16 bit e Dac a 12 bit, amplificatori operazionali general purpose e amplificatori di transimpedenza integrati in un microcontrollore completo. Il ricco set di periferiche di questo microcontrollore altamente integrato include Usb 2.0 con supporto host, dispositivo on-the-go, più interfacce seriali e un'interfaccia bus esterno. I dispositivi MM256/128, come altri microcontrollori Usb della stessa famiglia di Freescale, sono supportati dallo stack Usb per applicazioni mediche. Questo stack Usb gratuito fornisce il supporto per le diverse classi, tra cui Dimsd, Hid, Cdc e Phdc, mentre la libreria medica di connettività consente la comunicazione inter-device (11073 compatibile con Ieee). Il sistema operativo real-time MQX di Freescale consente inoltre funzionalità in tempo reale e uno stack Usb integrato.

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