capítulo 3 desarrollo del glucómetro del proyecto

17

Capítulo 3 Desarrollo del glucómetro del proyecto

En este capítulo se describirá la parte analógica del sistema que incluye la

medición de glucosa y los circuitos de acondicionamiento de señal que será

enviada al sistema digital que será descrito en el siguiente capítulo

Para realizar el proyecto se utilizaron tiras reactivas de la marca Accu-Chek, las

cuales fueron seleccionadas por su facilidad de obtención, para que a futuro los

pacientes no tuvieran complicaciones para conseguirlas. Igualmente se usó la

base de las tiras la cual fue extraída de un glucómetro de la misma marca. La

tabla de especificaciones tanto del glucómetro como de las tiras se encuentran

en el Anexo A: Glucómetro y tiras reactivas.

Soluciones de prueba

Se necesitó preparar soluciones de glucosa para realizar las pruebas con el

glucómetro, simulando éstas la acción de la sangre. En la Tabla 2, se ilustran

los rangos de glucosa con relación al estado del paciente. Debido a esto, se

prepararon soluciones en un rango de 50 a 600 mg/dl de glucosa.

Tabla 2. Significado de valores de glucosa en el cuerpo humano

Glucosa (mg/dl)

Significado en el cuerpo humano

50 hipoglucemia

90 a 110 glucemia normal

150 glucemia después de ingerir alimentos

200 hiperglucemia leve

400 hiperglucemia alta

600 hiperglucemia muy alta

Utilizando la base para las tiras del Glucómetro Accu-Chek Performa, se

realizaron diversas pruebas para obtener la resistencia entre cada una de las

seis terminales del dispositivo. Para esto, se utilizaron soluciones preparadas

de dextrosa disuelta en agua bi-destilada, la cual daba los distintos valores de

concentración de glucosa en miligramos por decilitro (mg/dl) que es la unidad

de medida más común para la concentración de glucosa.

18

Para la preparación de las soluciones se utilizaron los siguientes componentes:

Vaso de precipitados de 500 ml.

Agua destilada 2 ½ l

10 goteros de 50 ml.

Dextrosa

Primero se realizaron pruebas para calcular cuanta glucosa se utilizaría para

obtener las concentraciones necesarias, para esto, en el vaso de precipitados

se puso a hervir 500 ml de agua destilada, Figura 5, para después agregar

0.300 g de dextrosa y así se obtuvo la solución de 146 mg/dl de glucosa,

después se tomó la mitad del vaso de precipitados (250 ml) y se reservó en un

contenedor, para después volver a llenar el vaso hasta 500 y así se obtuvo una

solución de 79 mg/dl, y finalmente se repitió el proceso de reservar para

nuevamente llenar y obtener una solución de 44 mg/dl.

(a)vaso de precipitado con agua bi-destilada

(b)Calentando el agua bi-destilado.

(c)Goteros con soluciones de glucosa

Figura 5 preparando soluciones de glucosa.

De la misma manera se repitió el proceso para 0.200g de dextrosa, y se obtuvo

una solución de 100 mg/dl, después 51, 26 y finalmente 16 mg/dl. Después se

procedió a la calibración de las soluciones con un glucómetro Accu-Chek

Performa.

19

Al obtener estos resultados, se determinaron las cantidades de dextrosa que se

debía usar para obtener las soluciones con las concentraciones necesarias

restantes, y para usar una menor cantidad de agua destilada. Finalmente se

midieron las soluciones con el glucómetro y se llenaron los goteros, Figura 5 c,

obteniéndose las soluciones resumidas en la Tabla 3.

Tabla 3 Concentraciones de glucosa en soluciones

Glucosa deseada

mg/dl Dextrosa

mg

Agua destilada

ml

Glucosa obtenida

mg/dl

50 113 500 51

100 205 500 100

150 310 500 146

200 82.1 100 425

300 123.2 100 360

400 164.3 100 531

500 205.4 100 hi

600 246 100 hi

Caracterización de las tiras reactivas

Como mencionó, se utilizaron tiras reactivas de la marca Accu-Chek. En la

imagen de la Figura 6 (a), se puede observar una tira a la cual se le retiro la

cubierta plástica que las cubre, para poder identificar las terminales de

medición.

En la Figura 2Figura 6 (b) se puede observar la base extraída del glucómetro

Accu-Chek Performa, la cual solo se retiró para poder leer y analizar las tiras

reactivas de una manera más adecuada, a esta base, se le soldaron cables

debido a que al desoldarla sus terminales quedaron muy pequeñas lo cual

dificultaba su uso.

Al final del proyecto, solo quedaron soldadas las terminales que se utilizaron,

para evitar confusiones con respecto a éstas.

20

Figura 6 (a) Numeración de las terminales de tiras reactivas y (b)base para éstas

Cuando se tuvieron las soluciones con diferentes concentraciones de glucosa,

se procedió, primero, a la medición de las resistencias entre las terminales de

la tira reactiva sin glucosa en ellas; obteniendo la siguiente tabla:

Tabla 4 Resistencia en terminales de la tira reactiva sin la presencia de glucosa.

Terminales Resistencia

1 2 360.1Ω 245.2Ω

1 3 0.00 0.00

1 4 0.00 0.00

1 5 0.00 0.00

1 6 0.00 0.00

2 3 0.00 0.00

2 4 0.00 0.00

2 5 0.00 0.00

2 6 0.00 0.00

3 4 0.00 0.00

3 5 0.00 0.00

3 6 0.00 0.00

4 5 0.00 0.00

4 6 0.00 0.00

5 6 0.631kΩ 0.638 kΩ

1 3 5

2 4 6

21

Después de medir la resistencia entre terminales se procedió a probar la

respuesta de las terminales de las tiras reactivas bajo diferentes

concentraciones de glucosa obteniéndose la Tabla 5

Tabla 5 Mediciones de resistencias en valor a concentraciones de glucosa de 100, 200 y

400 mg/dl de glucosa. Terminales 100 mg/dl 100 mg/dl 200 mg/dl 200 mg/dl 200 mg/dl 400 mg/dl 400 mg/dl 400 mg/dl

1 2 .225kΩ .225kΩ .223kΩ .223kΩ .223kΩ .228kΩ .228kΩ .228kΩ

1 3 927.kΩ 919.kΩ 779.kΩ 738.kΩ 757.kΩ 620.kΩ 520.kΩ 655kΩ

1 4 916.kΩ 910.kΩ 759.kΩ 716.kΩ 740.kΩ 660.kΩ 659.kΩ 656.kΩ

1 5 846.kΩ 846.kΩ 767.kΩ 761.kΩ 764.kΩ 652.kΩ 663.kΩ 718kΩ

1 6 852.kΩ 853.kΩ 770.kΩ 752.kΩ 768.kΩ 773.kΩ 775kΩ 667kΩ





3 4 853.kΩ 753.kΩ 832.kΩ 750.kΩ 710.kΩ 181.kΩ 171.kΩ 165.2kΩ

3 5 764.kΩ 733.kΩ 703.kΩ 624.kΩ 706.kΩ 192.1kΩ 194.kΩ 169.4kΩ

3 6 672.kΩ 691.kΩ 610.kΩ 709.kΩ 673.kΩ 184.kΩ 176.kΩ 186.2kΩ


4 6 788.kΩ 783.kΩ 698.kΩ 723.kΩ 709.kΩ 194.3kΩ 171.2kΩ 169.kΩ

5 6 .641kΩ .641kΩ .631kΩ .631kΩ .631kΩ .644kΩ .644kΩ .644kΩ

En base a lo obtenido en la Tabla 5, se puede observar que el comportamiento

más estable lo tuvieron las terminales 1 2, 1 3 y 2 3, el primer par de terminales

quedó descartado debido a que se pudo observar que las mediciones no

cambiaban de manera significativa y que aún sin glucosa tenía un valor base y

se decidió que era mejor una sin valor base para determinar fácilmente su

cambio con respecto al tiempo.

Finalmente se seleccionó la terminal 1 3 debido a que se observó una mayor

diferencia entre resistencias con respecto a la solución de glucosa.

Desarrollo del glucómetro

Para el circuito para amplificación del voltaje que se quiere se utilizó un

amplificador de instrumentación TL082IN conectado con una resistencia de

10kΩ como primera etapa y después a un amplificador operacional LM741 con

una configuración inversora y una ganancia de 0.5, como se muestra en el

siguiente diagrama, Figura 7. Los voltajes de alimentación que se le dieron a

22

los amplificadores fueron de ±12V dc. La parte de la tira reactiva entra en el pin

2 del TL082IN siendo antes alimentada por una fuente de 3.3 V dc.

Figura 7 Circuito con ganancia de 0.5

Después con la ayuda de un osciloscopio de la marca Tektronix, modelo

TDS1012B utilizándolo en modo de almacenamiento USB, se obtuvieron las

gráficas de caracterización del sensor, y al mismo tiempo obtener los valores

exactos de voltaje para poder realizar una interpolación y obtener una

ecuación.

Figura 8 (a) Curva de caracterización con solución de 50 mg/dl y (b) curva de caracterización con solución de 600

mg/dl.

-

+

U1

LM741

3

26

7 14 5

-

+

U2A

TL022

3

21

84

10K

R

20K

R

10K

R

V13.3v

V212v

V3-12v

R Glucosa

23

Una vez hechas las pruebas se analizaron las gráficas de la Figura 8 y las

demás obtenidas con ayuda del osciloscopio, se concentraron los voltajes en la

Tabla 6, para después obtener las gráficas en la Figura 9, donde no se pudo

observar alguna tendencia favorable para el estudio, a pesar de tomar en

cuenta los segundos del 1 al 5. Cabe señalar que se toman las lectura en los

segundo de 1 al 5 debida a que los glucómetros comerciales dan su medición

típicamente en el segundo 5.

Tabla 6 Voltajes obtenidos mediante osciloscopio con diferentes concentraciones

de glucosa.

Glucosa (mg/dl)

Voltaje en

Tiempo=1s Tiempo=2s Tiempo=3s Tiempo=4s Tiempo=5s

0 0.00V 0.00V 0.00V 0.00V 0.00V

50 4.94V 2.55V 1.43V 1.43V 1.28V

100 4.70V 2.48V 1.73V 1.48V 1.35V

150 5.05V 2.75V 1.55V 1.55V 1.33V

200 5.25V 3.50V 2.05V 1.53V 1.23V

250 5.33V 2.95V 1.65V 1.65V 1.50V

300 5.05V 2.95V 1.70V 1.35V 1.18V

350 5.27V 3.23V 1.40V 1.40V 1.21V

400 5.08V 3.55V 1.90V 1.43V 1.23V

450 5.28V 3.45V 1.33V 1.33V 1.15V

500 4.80V 2.70V 1.80V 1.45V 1.30V

550 5.20V 3.40V 1.45V 1.45V 1.30V

600 5.25V 3.30V 1.70V 1.30V 1.15V

En la Figura 9 se pueden observar las gráficas en los primeros cinco segundos

en los cuales se realizó la medición; no pudiendo encontrarse tendencia

favorable alguna. En la figura con el tiempo= 5s, se esperaba encontrar una

gráfica favorable con los datos para formular la ecuación que caracterizara el

comportamiento de las tiras reactivas, debido a que no se encontró se procedió

a un nuevo análisis de las tiras.

24

Figura 9 Respuesta del circuito detector a diferentes tiempos

Después de analizar los resultados anteriores, se concluyó que se había

cometido un error en la selección de las terminales, debido a que de acuerdo a

la forma de las tiras, las terminales 1 y 2, Figura 10, forman un sensor para

detección de flexiones en la tira reactiva, mientras que las terminales 5 y 6,

Figura 10, forman un sensor de temperatura, es decir, las terminales 1y 2 en

conjunto con las 5 y 6 forman un circuito de compensación de flexión y

temperatura en el glucómetro. Por lo tanto al elegir las terminales 1 y 3, se

había procedido incorrectamente porque se medía otra cosa y no la glucosa,

las terminales correctas para tomar mediciones de glucosa debían ser la 3 y 4.

25

Figura 10 Terminales de latirá reactiva que conforman el circuito de compensación de

flexión y temperatura del circuito.

Por lo tanto, después de rectificar las terminales a utilizar, se obtuvieron las

mediciones reportadas en la Tabla 7.

Tabla 7. Valores de glucosa y sus equivalentes en resistencia eléctrica.

Glucosa (mg/dl)

Resistencia kΩ

43 590

148 500

325 188

431 181

533 175

mayor de 600 175

5

6

1 2

26

Después se procedió a conectar el circuito mostrado en el diagrama de la

Figura 11, pero se pudo observar que la señal era muy pequeña como para

reducirla a la mitad, así que se procedió a dejar la ganancia en 1 cambiando la

resistencia de 20kΩ a 10kΩ, quedando de la siguiente manera.

Figura 11 Circuito de amplificación con ganancia de 1.

Sin embargo debido a la forma de señal que se obtenía se decidió cambiar la

ganancia del circuito inversor a 5 para amplificarlas lo suficiente, después

entraría a un circuito restador el cual resta 1.5 a la señal que entra al Arduino

quedando el circuito como en la Figura 12..

-

+

U1

LM741

3

26

7 14 5

-

+

U2A

TL022

3

21

84

10K

R

10K

R

10K

R

V13.3v

V212v

V3-12v

R Glucosa

27

Figura 12 Circuito de amplificación con configuración restadora.

Cuando se utilizó la configuración antes mencionada, se llegó al resultado

buscado, dando como resultado las siguientes gráficas en el osciloscopio en el

pin 6 del tercer amplificador, que es el pin de salida del LM741.

(a)glucosa= 50 mg/dl

(b)glucosa= 330 mg/dl

(c)glucosa= 558 mg/dl

(d)glucosa= 593 mg/dl

Figura 13 Comportamiento del voltaje con diferentes concentraciones

-

+

U1

LM741

3

26

7 14 5

-

+

U2A

TL022

3

21

84

10k

10k

51k

V13.3v

V212v

V3-12v

R Glucosa

-

+

U3

LM741

3

26

7 14 5

51k

51k

51k

51k

V41.5v

28

Después de analizar cada imagen se procedió a obtener los voltajes en t=5, 4 y

3 s para las diferentes concentraciones obtenidas, dando como resultado la

Tabla 8.

Tabla 8. Voltajes de salida obtenidos con determinadas concentraciones de glucosa.

Glucosa(mg/dl) t=5s t=4s t=3s

50 1.8V 2V 2.2V

330 1.7V 1.8V 1.9V

558 1.6V 1.7V 1.8V

593 1.5V 1.8V 2V

Con estos valores, se procedió a formular la ecuación necesaria, esto se hizo

utilizando el método de aproximación por mínimos cuadrados, el cual consiste

en obtener una aproximación de los resultados experimentales a una curva.

En este caso se seleccionó una cuadrática del tipo

glucosa av bv c (1)

Donde y representa el nivel de glucosa, v es el voltaje obtenido a la salida del

amplificador operacional y los parámetros a, b y c son los coeficientes

derivados del proceso de aproximación dado por la ecuación:

Θ (2)

Donde el vector contiene a los parámetros a, b y c, el vector Y contiene todos

los valores de glucosa y la matriz M contiene los valores de la señal de voltaje

ordenados de manera que satisfagan la ecuación cuadrática objetivo dado en

(1) la cual es construida de la siguiente forma

3.24 1.8 12.89 1.7 12.56 1.6 12.25 1.5 1

50330558593

Usando Matlab para el cálculo de la matriz de parámetros con (2)

obtenemos:

29

Θ 100000.61251.83551.3152

Quedando finalmente la ecuación de caracterización como:

glucosa ‐6125v 18355v 13152 (3)

Esta ecuación deberá ser programada en el microcontrolador con las

conversiones correspondientes para considerar la conversión analógica a

digital de los voltajes del sistema de acondicionamiento analógico descrito en la

Tabla 8.

Cuando se analizaron por segunda vez las gráficas obtenidas mediante el

osciloscopio (Figura 27) después de la etapa restadora, se pudo observar que

el rango de amplificación era muy corto, es decir de 0.8 volts en comparación

de los 4V dc de entrada del convertidor ADC, como se puede observar en la

Figura 14.

Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 (a) 43 mg/dl

Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 (b) 593 mg/dl

Figura 14. Análisis de las gráficas obtenidas después de la configuración restadora en

sus diferentes etapas con 43 y 593 mg/dl de glucosa.

30

Por lo tanto, se decidió agregar otro circuito de amplificación en configuración

sumadora con una ganancia de 4 que debido a la configuración, según su

fórmula se le suma 1 a la ganancia dando 5 en total, esta ganancia se

determinó dividiendo el rango de entrada del adc de 4 V entre el rango que se

obtuvo del procesamiento de la señal del glucómetro de, 0.8V, dando una

ganancia de5. El diagrama es el mostrado en la Figura 15.

Figura 15 Circuito con el amplificador sumador.

Después de esta configuración y debido a que no se llegaban a los resultados

deseados se decidió volver a cambiar la configuración de la etapa de

amplificación. Todo esto basándose en un nuevo análisis, en el cuál, se llegó a

la conclusión de que sólo se necesitaban dos etapas, una amplificadora con

una configuración inversora hecha con el TL082IN y una segunda, inversora

también, con una ganancia de 6.6 con un LM741, además se cambió el valor

de la fuente de alimentación de 3.3V a 1V quedando esta configuración como

en la Figura 16.

Sin embargo, se consideró que debido al rango de entrada del Arduino (0V a

5V) se debía agregar un circuito de supresión de picos con un diodo zener y un

amplificador operacional lm 741. Además de otro amplificador LM741, la

configuración en la que éste se coloca es debido a que el voltaje de la señal

obtenida baja (0.7V), voltaje que al diodo consume, para que la señal no

-

+

U1

LM741

3

26

7 14 5

-

+

U2A

TL022

3

21

84

10k

10k

51k

V13.3v

V212v

V3-12v

R Glucosa

-

+

U3

LM741

3

26

7 14 5

51k

51k

51k

51k

V41.5v

-

+

U4

LM741

3

26

7 14 5

3.9k

10k

31

quedara en un rango negativo. Por lo tanto, se llegó al circuito final mostrado

en el diagrama de la Figura 18.

También se puede apreciar en la Figura 17, la cual fue obtenida desde el

osciloscopio que mientras en el canal 1, que es el canal en el que se encuentra

el primer amplificador, tiene sólo 1V como su amplitud máxima, mientras en el

canal 2, la amplitud máxima es aproximadamente 6V. Esta gráfica es la

respuesta del circuito a una solución de 286mg/dl, y como se puede observar

en la parte de cursor, el voltaje en esta parte es de 3.2V.

Figura 16 Circuito amplificador.

-

+

U7

LM741

3

26

7 14 5

-

+

U8A

TL022

3

21

84

100k

10k

66K

1v

12v

-12v

R Glucosa

32

Figura 17 Señal obtenida con una concentración de glucosa de 286 mg/dl

Figura 18 Circuito final del glucómetro.

De esta manera se obtuvieron finalmente las señales deseadas del

comportamiento del glucómetro, por lo tanto se pudo replantear la ecuación en

base a los voltajes obtenidos con diferentes concentraciones de glucosa, estos

se presentan en la siguiente Tabla 9.

Tabla 9 Voltajes obtenidos con diferentes concentraciones de glucosa.

Glucosa (mg/dl) Voltaje en la salida (v)

21 2.72

46 2.8

205 3.0

286 3.2

560 4.0

-

+

U7

LM741

3

26

7 14 5

-

+

U8A

TL022

3

21

84

100k

10k

66K

1v

12v

-12v

R Glucosa

-

+

U9

LM741

3

26

7 14 5

100k

-

+

U10

LM741

3

26

7 14 5

100k

100k

D1

100k

100k100k

1v

33

Con estos valores, se procedió a la sustitución en la fórmula de la ecuación (2)

como se mostró en el sub tema anterior, dando lugar a la siguiente matriz

7.3984 2.72 17.84 2.8 19 3 1

10.24 3.2 116 4 1

2146205286560

Quedando finalmente la ecuación siguiente:

glucosa ‐199.9v 1771.2v 3327.2 (4)

Una vez acondicionada la señal está listo el glucómetro para ser conectado al

Arduino y al ser obtenida la ecuación de comportamiento de la tira reactiva,

(ecuación 4), esta se puede colocar en el programa y completar así las etapas

de digitalización, transmisión del Arduino al Smartphone y de ahí ser usada

esta información por la APP desarrollada. Todo lo anterior será descrito en los

siguientes capítulos.

capítulo 3 desarrollo del glucómetro del proyecto

Documents