Принципы обработки сигнала при неинвазивном измерении уровня глюкозы с использованием метода инфракрасной спектроскопии

Определение уровня глюкозы в крови неинвазивным способом возможно с помощью оптических методов. На основании сравнительного анализа неинвазивных методов определения уровня глюкозы в крови, проведенного авторами в статье [1], был выделен метод инфракрасной спектроскопии ближнего диапазона действия, выгодно отличающийся от других методов, прежде всего, оперативностью получения информации от объекта исследования, высокой помехоустойчивостью передачи данных и абсолютной безвредностью воздействия.

Оптические методы неинвазивной диагностики в общем случае заключаются в зондировании объекта световым потоком определенного диапазона и приеме ответного луча, отраженного от мишени или прошедшего через ткани, и позволяют получать подробные сведения о биохимическом составе и строении исследуемого участка мягких тканей и органов пациента. Величина регистрируемого при этом сигнала зависит как от коэффициента поглощения, так и от коэффициента рассеяния света перфузированной кровью ткани [2].

Известно, что спектр поглощения оптического излучения глюкозы в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн от 800 нм до 1100 нм имеет выраженные и различимые максимумы вблизи длин волн 1040 нм, 940 нм и 840 нм.

Рис. 1 − Спектры поглощения глюкозы, воды и меланина в красном                           и ближнем инфракрасном диапазонах излучения

В основу метода измерения положен способ определения концентрации глюкозы в крови, изложенный в литературе [3].

Определение концентрации глюкозы в крови осуществляют на основании отраженных сигналов при воздействии на биологическую ткань оптическим излучением второго, третьего и пятого диапазонов длин волн, где наблюдаются три максимума спектра поглощения глюкозы (рис. 1). Зарегистрированные уровни сигналов уменьшают на значения, определяемые параметрами других сигналов, полученных при воздействии на биологическую ткань оптическим излучением первого диапазона, где находится максимум спектра поглощения воды и четвертого диапазона, по которому оценивается концентрация меланина. Тем самым, из совокупного сигнала исключаются составляющие, соответствующие наличию воды и меланина, т.е. значительно повышается точность выделения и регистрации сигнала глюкозы.

Для реализации неинвазивного измерителя уровня глюкозы в крови разработана функциональная схема системы, представленная на рисунке 2.

Рис. 2 − Система неинвазивного измерения уровня глюкозы в крови

Система состоит из стандартных функциональных узлов и элементов с гарантированными характеристиками, гибко управляется от ПК с программным обеспечением (ПО) в виде виртуального прибора (ВП) в среде LabVIEW и интерфейсами пользователя.

Измерительный зонд содержит пять светодиодов с оптическим излучением разных диапазонов длин волн: I – 950-970 нм, II – 1020-1060 нм, III – 930-950 нм, IV – 740-760 нм и V – 830-850 нм, и один приемник отраженных от объекта лучей − фотодиод. Направление излучения для всех светодиодов одинаково в сторону исследуемой биологической ткани.

Формирование и регулирование светового потока осуществляется программно ВП по интенсивности и распределению во времени с помощью модуля сбора данных NI USB-6009, драйвера управления и светодиодов. Очередность включения светодиодов четко определяет временное положение и уровень сигналов, соответствующих не только концентрации глюкозы в крови, но и содержанию воды и меланина. Таким образом, предлагаемый алгоритм функционирования системы фактически определяет и принцип обработки совокупного регистрируемого сигнала.

Конструктивно светодиоды и фотодиод расположены в одной плоскости, по кругу и на одном основании (рис. 3).

Рис. 3 − Измерительный зонд

Фотодиод преобразует отраженные от кровеносного потока лучи в аналоговый электрический сигнал, который нормализуется и преобразуется в код в модуле сбора данных. Дополнительная обработка сигнала, снижающая систематические и случайные составляющие планируется производить в ПК алгоритмами ВП с наглядной визуализацией процесса измерения и обработки.

Библиографический список

1. Муранова Т.П., Гуржин С.Г. Принципы построения оперативного неинвазивного измерителя уровня глюкозы в крови // Сб. тр. ХХХ Всерос. науч.-техн. конф. студ., мол. ученых и спец. «Биомедсистемы-2017». – Рязань: ИП Коняхин (Book Jet), 2017. 612 с. С. 185-187.

2. New Methodology to Obtain a Calibration Model for Noninvasive Near-Infrared Blood Glucose Monitoring / K. Maruo, T. Oota, M. Tsurugi et al. // Applied Spectroscopy, 2006, 60(4).

3. Патент РФ № 2574571 С1, МПК A61B 5/145. Способ неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови. Опубликовано: 10.02.2016, Бюл. № 4.