Circa l'8,5% della popolazione mondiale è affetta da diabete, che è anche all'ottavo posto tra le cause di decesso; il World Health Organisation ritiene che potrebbe diventare però la settima entro il 2030. Questa crescita può essere chiaramente letta nelle statistiche degli ultimi anni, che parlano di circa un milione di decessi nel 2000 saliti a 1,4 milioni nel 2011. Uno dei metodi principali di gestione del diabete è quello di tenere il livello del glucosio nel sangue il più vicino possibile ai livelli normali. Questo ha di conseguenza portato ad un aumento dell'uso dei glucometri. Un glucometro è un dispositivo medicale utilizzato per determinare la concentrazione di glucosio in una soluzione, la cui concentrazione, di glucosio, viene misurata in milligrammi per decilitro (mg/dl) o millimole per litro (mmol/l). I Glucometri sono quindi divenuti elementi chiave dei dispositivi domestici per il controllo del glucosio nel sangue utilizzati dalle persone con diabete mellito. Queste misurazioni possono essere anche effettuate più volte al giorno. La maggior parte dei glucometri sono basati su tecnologia elettrochimica e utilizzano test strip elettrochimiche per effettuare la misurazione. Una piccola goccia della soluzione da testare viene posta in una strip monouso da test che il glucometro utilizza appunto per la misurazione del glucosio. Le metodologie di misurazione elettrochimica del glucosio più comunemente utilizzate sono quelle colorimetrica e amperometrica. Nel metodo colorimetrico, i sensori come ad esempio Led o fotosensori costituiscono l'interfaccia analogica, mentre un amplificatore di transimpedenza viene utilizzato per misurare la concentrazione di glucosio. Il principio di riflettanza, o coefficiente di riflessione, viene utilizzato per stabilire l'intensità del colore nello strato reattivo della test strip attraverso la fotometria. Il misuratore genera un valore numerico che è una misura della concentrazione di glucosio. Nel metodo amperometrico viene utilizzato un capillare per far assorbire la soluzione posizionata ad una delle estremità della test strip. La test strip contiene anche un elettrodo con enzimi che a sua volta contiene un reagente come ad esempio glucosio ossidasi. Il glucosio subisce una reazione chimica in presenza di enzimi e, durante la reazione chimica, vengono prodotti elettroni. La carica che passa attraverso l'elettrodo viene quindi misurata e risulta proporzionale alla concentrazione di glucosio nella soluzione. Viene anche effettuata una misurazione della temperatura ambientale al fine di compensare gli effetti della stessa sulla velocità di reazione. La maggior parte del glucometri utilizza questo metodo.
La test strip costituisce il principale dei sensori biochimici, dove è posto il campione di soluzione e contiene tre elettrodi. Gli elettroni sono prodotti nell'elettrodo di lavoro durante la reazione chimica. Questo elettrodo è connesso all'amplificatore corrente-tensione. L'elettrodo di riferimento è tenuto ad una tensione costante rispetto all'elettrodo di lavoro per favorire la reazione chimica desiderata. Il terzo elettrodo è il controelettrodo o elettrodo ausiliario, che fornisce corrente all'elettrodo di lavoro. La maggior parte degli schemi di glocometro utilizza soltanto gli elettrodi di lavoro e di riferimento. Una precisa tensione di riferimento (Vref) dovrebbe essere applicata all'elettrodo di riferimento e una precisa tensione bias (Vbias) all'op-amp. In questo modo viene mantenuta la precisa differenza di potenziale attraverso l'elettrodo di lavoro e di riferimento. Questa tensione è lo stimolo che pilota la corrente di uscita della test strip, la cui grandezza viene usata per calcolare il numero di elettroni prodotti. La soluzione campione è posta sulla test strip e la reazione del glucosio con l'enzima ha luogo. Durante la reazione vengono generati elettroni e il flusso di questi corrisponderà al flusso di corrente attraverso gli elettrodi di lavoro e riferimento. Questa corrente varia al variare della concentrazione di glucosio. La corrente viene misurata utilizzando un amplificatore di transimpedenza (convertitore corrente-tensione) e un convertitore analogico-digitale. L'uscita dell'amplificatore di transimpendenza viene vista come una variazione della tensione al variare della concentrazione di glucosio nella soluzione.
Implementazione digitale
Un’implementazione digitale del glucometro può essere ottenuta mediante l'utilizzo di un dispositivo 8 bit PIC16LF178x di Microchip. Il dispositivo PIC è noto per il suo consumo di potenza di funzionamento estremamente ridotto, ed in esso sono contenuti due op-amp, due convertitori D-to-A 8 bit , un Adc fino a 11 canali, Eeprom interna, I2C e timer 16 bit. Quando la soluzione campione viene posizionata sulla test strip, il glucosio subisce una reazione chimica e vengono prodotti elettroni e il flusso di elettroni (la corrente che fluisce attraverso l'elettrodo di lavoro) può essere misurato. Questa corrente varierà a seconda della concentrazione di glucosio. La corrente può essere misurata con l'aiuto di una conversione currente-tensione utilizzando l'op-amp interno del dispositivo PIC e il filtro dei segnali di alta frequenza. Il segnale filtrato viene quindi fornito al modulo Adc 12bit. Il dispositivo PIC dovrebbe iniziare a catturare la tensione dal canale Adc dopo circa 1,5s dal posizionamento della soluzione campione. Avranno luogo circa 2048 letture Adc. Il valore medio di queste verrà sostituito nell'equazione di regressione Y=mX+C, dove Y è la concentrazione di glucosio in mg/dl, m è lo slope, X è la lettura Adc media dell'output del op-amp mentre C è una constante. La concentrazione del glucosio può essere determinata utilizzando questa equazione di regressione e il valore mostrato sull'unità Lcd in mg/dl o mmol/l. Possono essere salvate sulla Eeprom interna fino a 32 letture del glucosio, per essere consultate successivamente sul Lcd. L'alimentazione alla scheda dimostrativa del glucometro può essere fornita attraverso la batteria al litio on-board (3V, 225mAH, CR2032). Il momento di inizio della cattura dei valori Adc (da 1 a 1,5s) e il numero di letture Adc effettuate dovrebbero essere modificate per accordarsi al tipo e alle caratteristiche della test strip utilizzata.
Progetto hardware
Le specifiche di progetto di questo glucometro richiedono un range di misurazione del glucosio tra 20 e 600 mg/dl, equivalenti ad un valore tra 1 e 33mmol/l. I risultati delle analisi dovrebbero essere mostrati entro 5s, e le ultime 32 letture di glucosio dovrebbero essere salvate automaticamente con data e marcatura temporale. Nessuna codifica delle test strip è necessaria poichè l'equazione di regressione generica verrà implementata e modificata in base alle caratteristiche della test strip. La scheda singola del progetto realizzato utilizzava il dispositivo a 28-pin PIC16LF178x. Una connessione di programmazione seriale in-circuit era utilizzata per debugging e programmazione. Oltre a mostrare le misurazioni espresse in mg/dl e mmol/l, l'Lcd mostrava anche messaggi di aiuto quali “Inserire la test strip”, “Strip inserita, posizionare il campione” e “Test strip difettosa”. Sono stati necessari sensori, per rilevare se la test strip fosse inserita, per misurare la temperatura, e per testare lo stato di salute della batteria. C'erano anche due pulsanti, l'uno per leggere i dati precedentemente salvati e l'altro per impostare data e ora.
Caratteristiche del firmware
Il firmware ha bisogno di rilevare la corrente della test strip utilizzando l' op-amp interno al dispositivo PIC, Dac e Adc. Le letture Adc debbono essere catturate dopo che le test strip siano state inserite e queste testate per un aumento sopra 450mV. La registrazione delle letture Adc dovrebbero partire dopo 1,5s dal posizionamento del campione sulla test strip e dal calcolo della media. La concentrazione del glucosio può essere calcolata utilizzando l'equazione di regressione e la media delle letture Adc.
Sono disponibili moduli Firmware per l'interfaccia Lcd e routine di visualizzazione, configurazione dell'op-amp, configurazione del Dac, salvataggio archiviazione delle letture del glucosio sulla Eeprom interna, lettura del canale Adc, calcolo della concentrazione del glucosio, e implementazione del Rtcc (Real-time clock and calendar) utilizzando il timer per la marcatura temporale.
La configurazione
La tensione di riferimento del Dac era connessa al buffer due della tensione di riferimento interna fissa, configurata per 2,048V. La tensione Dac di uscita era impostata per essere 400mV. L'uscita op-amp (uscita converter corrente-tensione) veniva misurata con il canale 0 Adc. Il canale tre Adc era utilizzato per misurare la tensione della batteria a segnalare condizioni di batteria scarica. L'uscita del sensore di temperatura era connesso al canale otto Adc per la lettura delle temperature. Le letture del glucosio venivano salvate sulla Eeprom interna. Durante la modalità sleep se lo switch S1 veniva premuto, il dispositivo PIC entrava nella modalità memoria e le letture di glucosio immagazzinate venivano visualizzate sul Lcd. Per la visualizzazione delle letture precedenti doveva essere premuto lo switch S3. Premendo nuovamente lo switch S1 si usciva dalla modalità memoria. Un Lcd a 16 x 2 caratteri veniva utilizzato per visualizzare le letture di glucosio e i messaggi di testo. Durante la modalità sleep veniva interrotta l'alimentazione del Lcd controllando il Vss del Lcd attraverso la piedinatura del microcontrollore. Il timer con il quarzo orologio a 32.768kHz esterno era utilizzato per implementare l'Rtcc. Data e ora correnti per l'Rtcc potevano essere impostati utilizzando gli switch S1 e S3. Il canale di ingresso non-invertente del op-amp era connesso all'output del Dac impostato a 400mV. Il terminale invertente del op-amp era connesso all'elettrodo di lavoro. Il convertitore corrente-tensione era formato grazie ad una resistenza esterna e al condensatore. L'uscita del op-amp era connessa al canale Adc del dispositivo PIC. Il consumo di corrente del glucometro in modalità active era di circa 1,1 mA, mentre durante la modalità sleep il consumo era di 3μA. Il glucometro era in modalità sleep per circa il 99.5% del tempo.
