CC BY
37
Использованные источники:
1. Термоспектроскопический неинвазивный измеритель концентрации глюкозы в цельной крови человека. Кривенко С.С.*, Пулавский А.А., Литвин С.А., Меланка В.Е.Научно-производственный комплекс «Биопроминь».
2. The Institute, IEEE, Vol. 33, No. 4, December 2009
3. T. N^s, T. Isaksson, T. Fearn and T. Davies, A User-Friendly Guide to Multivariate Calibration and Classification. NIR Publications, Chichester, UK, 2002, 344 p.
4. A. K. Jain, Fundamentals of Digital Image Processing, Prentice-Hall International, Inc., 1989.
5. ГОСТ Р И СО15197—2015
УДК 535.243.1
Курмашев А.Р. студент 1-го курса магистратуры КНИТУ КАИ им. А.Н. Туполева научный руководитель: Файзутдинов Р. Н., к.техн.н.
доцент
кафедра автоматики и управления
Россия, г. Казань ОБЗОР ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ НЕИНВАЗИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ, ОЦЕНКА ИХ ПЕРСПЕКТИВ, СРАВНЕНИЕ С СУЩЕСТВУЮЩИМИ
АНАЛОГАМИ
АННОТАЦИЯ:
В статье рассмотрены методы оптического неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови. Построена биофизическая модель взаимодействия излучения с биологическими тканями. Обоснованы достоинства и перспективы применения подобных методов при диагностике.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: САХАРНЫЙ ДИАБЕТ, БИОФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, НЕИНВАЗИВНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ.
Kurmashev А. R. Student, the first year of Master's Degree program KNRTU named after A. N. Tupolev - KAI
Russia, Kazan Supervisor: Fayzutdinov R. N. Associate Professor of the Department of Automation and Control
Candidate of Technical Sciences
REVIEW OF OPTICAL METHODS FOR NON-INVASIVE BLOOD GLUCOSE MEASUREMENT, EVALUATION OF THEIR PROSPECTS, COMPARING WITH EXISTING ANALOGUES.
ANNOTATION:
In the article methods of optical non-invasive determination of glucose concentration in blood are considered. A biophysical model of interaction of radiation with biological tissues is constructed. The advantages and prospects of using such methods in diagnostics are substantiated.
KEY WORDS: SUGAR DIABETES, BIOPHYSICAL MODEL, OPTICAL RADIATION, NONINVASIVE METHODS OF DIAGNOSTICS.
Хорошо известно, что при таком тяжелом заболевании как сахарный диабет крайне важно поддерживать уровень глюкозы в крови на оптимальном уровне. Это возможно только благодаря точному определению уровня сахара. Подобная мера в комбинации с соответствующей терапией, режимом питания, физическими нагрузками позволяет предотвратить тяжелые осложнения приводящие к инвалидности, потери зрения, ампутации конечностей и в конечном счете к смерти. В настоящее время процесс измерения глюкозы требуют забора биоматериала - несколько капель крови. Данная процедура имеет ряд недостатков. Во-первых, болезненность для пациента. Во-вторых, возможность риска передачи инфекций, передающихся гематогенным путем (через кровь). На сегодняшний день уровень глюкозы в крови определяют с помощью забора одной или нескольких капель крови у пациента. Людям с сахарным диабетом приходится производить данную процедуру несколько раз в день, что причиняет дискомфорт и неудобство, а для некоторых людей эта процедура и вовсе является болезненной. Для успешного лечения данного хронического заболевания крайне важным является правильное и своевременное определение уровня глюкозы в крови. Ежедневный прокол пальца создает неудобства в повседневной жизни, но это необходимо из-за опасности гипогликемии и впадения в кому, а также в связи с риском возникновения осложнений при длительной гипергликемии. Более того, долговременное использование проколов пальца приводит к нарушению кровообращения, что затрудняет последующее проведение самодиагностики. Среднестатистический человек с диабетом делает менее двух тестов в день вместо рекомендуемых 4-7 раз 102. В связи с этим, неинвазивный метод имеет ряд преимуществ. На рынке представлено огромное множество инвазивных глюкометров. Американская диабетическая ассоциация 103 рекомендует более 50 104 видов глюкометров, среди которых нет ни одного прибора неинвазивной диагностики 105. Существует несколько научных
102 Статистика ВОЗ, Глобальный доклад по диабету за 2015г.
103 [Электронный ресурс] http://www.diabetes.org/living-with-diabetes/treatment-and-care/blood-glucose-control/blood-glucose-meters. html
104 Blood Glucose Meters, 2010 Consumer Guide, Diabetes Forecast, 2010, pp. 37-41
105 US 2010/0016689 A1, US 2007/0249916 A1
исследований, описывающих решение данной проблемы при помощи спектроскопии оптической и ближней инфракрасной зон 106. Однако, во многом данные приборы не совершенны. В них нет учета нелинейных зависимостей, свойственных биологическим средам. Устройства сложны и содержат движущиеся компоненты 107, что делает их непрактичными для ежедневного использования. Подходы, используемые для создания моделей, не содержат обоснования выбора нелинейных функций, выступающих в качестве основы при построении моделей 108. Подобного рода недочеты не позволили создать неинвазивный глюкометр. Поэтому целью данной работы является разработка простого в эксплуатации неинвазивного измерителя концентрации глюкозы, основанного на последовательном многоспектральном анализе спектров поглощения основных хромофоров крови.
На данный момент глюкометры требуют использования расходного материала - одноразовых тест-полосок и забора капли крови. На рынке имеется два глюкомтера, определяющих уровень сахара неинвазивно, однако в них отсутствуют оптические методы определения концентрации глюкозы. Суть и биофизической модели основана на измерении спектра поглощения в зависимости от концентрации глюкозы, содержащейся в крови. Сутью математической модели является выявления и отделения сигнала, вызванного поглощением глюкозы, на нескольких длинах волн от сигналов, вызванных поглощением других хорошо поглощающих веществ как вода, гемоглобин, меланин с учетом калибровочных данных.
Преимущества и недостатки неинвазивных методов измерения глюкозы в крови.
Преимущества:
• Безболезненность процедуры диагностики
• Отсутствие риска передачи инфекций через кровь
• Отсутствие необходимости забора биоматериала
• Отсутствие необходимости использования расходного материала (тест-полоски)
Недостатки:
• Необходимость индивидуальной калибровки для каждого пациента
• Сложность технической реализации
• Сложность учета совокупности всех факторов, вносящих вклад в измерение
106 Термоспектроскопический неинвазивный измеритель концентрации глюкозы в цельной крови человека. Кривенко С.С.*, Пулавский А.А., Литвин С.А., Меланка В.Е.Научно-производственный комплекс «Биопроминь».
107 Ishizawa, H.; Muro, A.; Takano, T.; Honda, K.; Kanai, H. Non-invasive blood glucose measurement based on ATR infrared spectroscopy SICE Annual Conference, 2008, p. 321 - 324
108 Naqvi, S.R.; Saeed, M.; Azeemi, N. Analyzing Multivariate Calibration Techniques for Glucose Level Prediction in Non-invasive Human Tongue Spectra Biocomputation, Bioinformatics, and Biomedical Technologies, BIOTECHNO '08, 2008, p. 176 - 181
Составление биофизической модели взаимодействия БО с излучением
Биофизическая модель взаимодействия БО с излучением приведена на рисунке 1. Определив количество N основных веществ крови, поглощающих оптическое излучение IX на длинах волн (X (1=1...3): Х1=830 нм, Х2=940 нм, Х3=1030 нм), на которых наблюдаются пики кривой графика спектра поглощения глюкозы, из трех неизвестных составим уравнение 1.
Рисунок 1 - Биофизическая модель взаимодействия БО с излучением
где БО-биообъект;
1ис.Х - интенсивность света, испущенного излучателем; 1пр.Х - интенсивность света, принятого приемником, после прохождения БО;
ЮШ, Ю1.^, Ш20.Ц, ГМШ - интенсивности света, поглощенные соответственно глюкозой, водой, меланином; d - толщина биообъекта.
т -т -Т -Т -Т ^ч
хПР.К АИС.К *-01М ХН 20.К ХМ.К (1)
Учтем aG1, аН20, аВ1 - коэффициенты поглощения
соответствующих веществ. По определению эти коэффициенты задаются соотношениями (2), (3), (4):
01.К
ИСК , (2)
01.К
ИСК , (3)
01.К
ИСК , (4)
aGl .К
aGl .К
aGl .К
Таким образом, решив вышеуказанное уравнение 1 с учетом соотношений (2), (3), (4), можно получить значения коэффициентов поглощения aGl, аН20, аВ1 и интенсивностей ЮШ, Ш20.Ц, ГВ1.Ц, поглощенных соответствующими веществами. Откуда в свою очередь можно найти концентрацию интересующих нас веществ, в частности глюкозы.
По закону Бугера-Ламберта-Бера
1 ПР.Л, = 1ИС.Я, ■ ехр(-^г ■ -) (5)
км = ам • СС = - • 1п(-^) = - • 1п( 1исм - 1поглм ) = - • 1п(1 - )
где - 1ис-м - 1исм - - показатель
поглощения;
а^ - молекулярный коэффициент поглощения; СС - концентрация поглощающих веществ.
Таким образом, концентрацию можно выразить соотношением:
k 1 I
СС = =- • 1п( )
0М - ^ИСМ (6)
Проблема заключается в том, что в одном уравнении присутствует сразу три неизвестных, что делает задачу неразрешимой. Однако если рассматривать больного диабетом человека, то с целью упрощения задачи можно сделать допущение, что у такого человека концентрации воды и меланина в крови остаются примерно одинаковыми, а изменяется лишь уровень глюкозы, таким образом, составляющие поглощения приходящиеся на воду и меланин не будут существенным образом влиять на регистрируемую прибором динамику спектра поглощения. Для улучшения точности измерения прибегнем к калибровке прибора путем проведения параллельно двух анализов:
- неинвазивного с помощью разрабатываемого прибора,
- инвазивного для занесения в базу данных разрабатываемого прибора сведений о средней амплитуде колебаний концентраций воды и меланина.
Зондирование предполагается вести на длинах волн, на которых наблюдаются пики графика поглощения глюкозы, то есть там, где вклад глюкозы в поглощение испущенного света максимален. Для того чтобы оперировать с сигналами спектра поглощения аппроксимируем полиномами известные из исследований спектры поглощения глюкозы, воды, меланина, используя метод наименьших квадратов.
На данный момент на рынке представлены два вида неинвазивных глюкометра: прибор <^1исоТгаск», использующий три метода неинвазивной диагностики: электромагнитного, акустического, термического, и прибор
«FreeStyle Libre», использующий электро-импедансный метод. Однако, ни в одном из них не используется оптический метод диагностики. Сочетание большего количества методов поможет улучшить точность измерений. Заключение
В рамках данной статьи был описан оптический метод спектрофотометрической диагностики уровня глюкозы в крови, была приведена математическая модель, а также математические зависимости между основными физическими величинами и параметрами. Применение данных методов может быть применено для снабжения существующих приборов неинвазивной диагностики концентрации глюкозы оптическими анализаторами с целью улучшения качества и точности проводимых измерений, что является первостепенной задачей для приборов такого рода.
Использованные источники:
1. [Электронный ресурс] http://www. diabetes.org/living-with-diabetes/treatment-and-care/blood-glucose-control/blood-glucose-meters.html
2. [Электронный ресурс] http://www.diabetes.org/Hving-with-diabetes/treatment-and-care/blood-glucose-control/blood-glucose-meters.html
3. Blood Glucose Meters, 2010 Consumer Guide, Diabetes Forecast, 2010, pp. 37-41
4. US 2010/0016689 A1, US 2007/0249916 A1
5. Термоспектроскопический неинвазивный измеритель концентрации глюкозы в цельной крови человека. Кривенко С.С.*, Пулавский А.А., Литвин С.А., Меланка В.Е.Научно-производственный комплекс «Биопроминь».
6. Ishizawa, H.; Muro, A.; Takano, T.; Honda, K.; Kanai, H. Non-invasive blood glucose measurement based on ATR infrared spectroscopy SICE Annual Conference, 2008, p. 321 - 324
7. Naqvi, S.R.; Saeed, M.; Azeemi, N. Analyzing Multivariate Calibration Techniques for Glucose Level Prediction in Non-invasive Human Tongue Spectra Biocomputation, Bioinformatics, and Biomedical Technologies, BIOTECHNO '08, 2008, p. 176 - 181
Кучеренко А. В. магистрант
научный руководитель: Базык Е.Ф., к.э.н.
доцент
Академия маркетинга и социально-информационных
технологий - ИМСИТ Россия, г. Краснодар БОССИНГ КАК НЕГАТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ОБЩЕНИЯ В
ОРГАНИЗАЦИИ Аннотация: Статья посвящена теме трудовых отношений в коллективе. Рассматривается такое негативное психологическое явление в профессиональной сфере деятельности, как боссинг. Раскрывается
