Медтехника  >>  Неинвазивный глюкометр

Неинвазивный глюкометр.

 Случилось так, что жизнь заставила иметь при себе измеритель концентрации глюкозы в крови. Причём не иногда, а каждый день и несколько раз в день. Практика показала, что для этого приходится часть куска хлеба отдавать на кусок масла производителям глюкометров за их измерительные полоски.
Возникло естественное желание как-нибудь обойтись без них, а заодно без ежедневного кровопускания.
Поиск в Интернете показал, что в этом желании я не одинок. Первым такой глюкометр сделал украинский инженер из Ужгорода Пётр Бобонич в 2002 году. В Интернете имеются его статьи на эту тему, вот одна из них:
http://www.dia-club.ru/library/bobonich/bobonich.html
Вот ссылка на пару форумов, обсуждающих его глюкометр:
http://diaforum.in.ua/forum/glyukometry/69-neinvazivnyj-glyukometr-svoimi-rukami?limitstart=0 ,
http://www.dia-club.ru/forum_ru/viewtopic.php?t=7336 .
Изучив тему, я попытался развить идею Петра Бобонича с целью повышения точности измерений. Кажется, из этой затеи кое-что получилось. Возможно, кому-нибудь результаты моей работы будут полезны. Поэтому я их здесь и публикую.

1. Теория.

Для того, чтобы делать прибор, использующий поглощение света, неплохо иметь хотя бы общие понятия о законах поглощения. В Интернете, конечно, есть много материалов по этому вопросу, например:
http://vmede.org/sait/?page=30&id=Medbiofizika_fedorov_2008&menu=Medbiofizika_fedorov_2008 ,
http://studopedia.info/1-76555.html .
Приведу здесь выдержки из Интернета, достаточные для ознакомления с этой темой.

1.1. Коэффициент поглощения.

1. Закон Бугера-Ламберта-Бера

Способность вещества поглощать свет зависит от ряда факторов: электронного строения атомов и молекул, концентрации поглощающих центров, толщины поглощающего слоя и т.д. Впервые этот эффект был изучен Пьером Бугером в 1729 г., который определил количество света, теряющегося при прохождении определенного пути в атмосфере.
Как экспериментально установлено Иоганом Ламбертом (1760), интенсивность света, прошедшего через образец, экспоненциально зависит от его толщины:

I(x) = I_o*e^-k1*x.

Август Бер (1852) установил аналогичную зависимость от концентрации поглощающих молекул с:

I(с) = I_o*e^-k2*c.

где I₀ – интенсивность падающего света, а k1 и k2 – коэффициенты пропорциональности.
Величина T = I/I₀ называется коэффициентом пропускания света, а величина

μ = Iпогл/I₀ = (I₀ – I)/I₀ = 1-T

- коэффициентом поглощения света.
Можно вывести закон поглощения света в более общем виде.
Рассмотрим прохождение монохроматического света через раствор хромофора - окрашенного вещества, т.е. способного поглощать свет, помещенного в прозрачную кювету толщиной l (Рис.1).

Рис.1. Прохождение света через образец толщиной l. Io и I – интенсивность падающего и прошедшего света, соответственно.

Выделим тонкий слой вещества dx, перпендикулярный пучку монохроматического света интенсивностью i (I₀ > i > I), и будем исходить из предположения, что ослабление света (доля поглощенных квантов) -di/i таким слоем не зависит от интенсивности (если интенсивность не слишком велика), а определяется только толщиной слоя dx и коэффициентом пропорциональности k_l:

-di/i = k_l*dx.

Коэффициент k_l различен для разных длин волн и его величина зависит от природы вещества. Интегрируя это выражение и подставив пределы интегрирования для х от 0 до l и для i от I₀ до I, получаем

I = I_o*e^{- k(l)*l}

Пусть в 1 см3 находится n поглощающих молекул, т.е. их концентрация равна n/см³. Тогда ослабление света при прохождении им тонкого слоя dl равно:

dI/I = - k_l*n*dl,

где коэффициент пропорциональности k_l называется поперечным сечением поглощения света молекулой хромофора. Размерность k_l – см Смысл этой величины заключается в том, что вероятность поглощения фотона при прохождении света через площадку s равна 1. Величина k_l определяется видом молекулы, строением ее электронных оболочек, энергетическими уровнями внешних (валентных) электронов и зависит от энергии квантов света, т.е. от его длины волны λ :

k_l= k (λ).

Интегрируя это выражение, получим:

I = I_0*e^{- k(l)*n*l}

Это закон Бугера-Ламберта-Бера - важнейший закон фотобиологии.
Вместо числа молекул в 1 см3, удобней использовать молярную концентрацию вещества, с [моль/л], и применять десятичные логарифмы. Тогда закон Бугера-Ламберта-Бера будет выражен в более удобном виде:

I = I₀*10^-ε(λ)cl

или

I = I₀*10^-D.

Здесь коэффициент пропорциональности ε(λ) называется молярным коэффициентом поглощения или экстинкцией, а величина

D(λ) = ε(λ)cl

- оптической плотностью (в английской литературе используется обозначение A от английского слова absorbance). Она связана с коэффициентом пропускания света

T = I/I₀

соотношением:

D = -lg T.

При малых D < 0.05 коэффициент поглощения пропорционален оптической плотности:

μ = 1-T = 1- 10 ─D ≈ D ln10 ≈ 0.434 D

Закон Бугера—Ламберта—Бера используют для фотометрического определения концентрации окрашенных веществ. Для этого непосредственно измеряют потоки падающего и прошедшего через раствор монохроматического света (концентрационная колориметрия), однако определенный таким образом коэффициент пропускания Т (или поглощения 1 - Т, неудобен, так как он из-за вероятностного характера процесса связан с концентрацией нелинейно Поэтому в количественном анализе обычно определяют оптическую плотность (D) раствора, представляющую десятичный логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания.
Оптическая плотность удобна тем, что она линейно связана с концентрацией определяемого вещества.
Закон Бугера—Ламберта—Бера выполняется не всегда. Он справедлив при следующих предположениях:
1) используется монохроматический свет;
2) молекулы растворенного вещества в растворе распределены равномерно;
3) при изменении концентрации характер взаимодействия между растворенными молекулами не меняется (иначе фотофизические свойства вещества, в том числе и значения s, ε(λ)  будут изменяться);
4) в процессе измерения не происходят химические превращения молекул под действием света;
5) интенсивность падающего света должна быть достаточно низка (чтобы концентрация невозбужденных молекул практически не уменьшалась в ходе измерения).
6) введу своё ограничение - растворитель должен быть достаточно прозрачным на частоте измерения.
Нас интересуют в первую очередь графики зависимости поглощения глюкозы и воды в ближнем инфракрасном диапазоне. Оба этих графика приведены на рисунке 2. Рисунок взят из патента: http://www.freepatent.ru/patents/2574571 .

Рис. 2. Графики зависимости поглощения глюкозы и воды в ближнем инфракрасном диапазоне.

 2. Уточнение принципа измерения и расчётные формулы.

 2.1. Что мы находим в Интернете?

В Интернете предлагается использовать способность раствора глюкозы поглощать свет в инфракрасном диапазоне. Для этого необходимо пропускать свет инфракрасного светодиода, длина волны которого находится в зоне непрозрачности глюкозы, через ушную раковину (или палец) и измерять интенсивность его на выходе. Один раз и навсегда установить уровень интенсивности падающего света, провести измерения при различных уровнях глюкозы в крови, измеренных промышленным глюкометром, нарисовать график зависимости показания выходного измерительного прибора от уровня сахара в крови, по которому в дальнейшем определять уровень глюкозы без глюкометра, в зависимости от показаний измерительного прибора.
Возникает много вопросов, связанных с поглощением света другими составляющими крови, но опыт использования таких приборов позволяет считать, что они дают положительные результаты. По крайней мере, резкое повышение уровня глюкозы можно заметить, а для уточнения  имеет смысл использовать промышленный глюкометр.
Задача настоящей работы повысить точность измерения описанного метода.

2.2. Что мы измеряем?

Измеряем мы интенсивность выходящего света I, вообще говоря, не зная точно интенсивности падающего света I₀, поскольку некоторая часть входящего потока рассеивается на тканях уха. И эта часть зависит как минимум от места приложения датчика. Это первая неизвестная величина.
Кроме того, при измерении интенсивности света, прошедшего сквозь ушную раковину, показания каждый раз будут отличаться при одном и том же уровне сахара в крови также и потому, что количество крови в ткани в каждый момент измерения зависит от множества факторов – от температуры окружающего воздуха до частоты пульса. Этот показатель фактически описывается толщиной слоя l. Это вторая неизвестная величина.
И третья неизвестная величина - то, что мы ищем - концентрация c глюкозы в крови.

 2.3. Повышение точности измерений.

Для определения трёх неизвестных, необходимо иметь три уравнения.
То есть, необходимо использовать не один, а три светодиода с разной длиной волны. В наличии таковые имеются. Длина волны первого находится в области прозрачности глюкозы и непрозрачности воды (SFH484 - 880 нм), второго - в зоне поглощения глюкозы и воды (TSAL5100 - 940 nm), и третий - тоже в зоне поглощения глюкозы и воды (no name - 980 nm).
Для того, чтобы не запутаться, введём обозначения:
l - толщина слоя воды или раствора;
I₁₀, I₁ и k_W1 - соответственно интенсивность падающего, прошедшего света и коэффициент поглощения для воды на длине волны первого светодиода;
I₂₀, I₂, k_W2 и k_G2 - соответственно интенсивность падающего, прошедшего света, коэффициент поглощения для воды и коэффициент поглощения для глюкозы на длине волны второго светодиода;
I₃₀, I₃, k_W3 и k_G3 - соответственно интенсивность падающего, прошедшего света, коэффициент поглощения для воды и коэффициент поглощения для глюкозы на длине волны третьего светодиода;
Причём, если коэффициенты поглощения воды для каждой длины волны k_W1 и k_W2 являются величинами постоянными, то коэффициенты поглощения глюкозы k_G2 и k_G3 зависят от её концентрации с:

k_G2 = ε₂*c, k_G3 = ε₃*c,

где ε₂ и ε₃ – коэффициенты, для данной длины волны – величины постоянные.
Для трёх потоков выходящего света от разных светодиодов можем написать:

I₁ = I₁₀*e^{- kW1*l},

I₂ = I₂₀*e^{- (kW2 + kG2)*l} = I₂₀*e^{- (kW2 + ε2*c)*l},

I₃ = I₃₀*e^{- (kW3 + kG3)*l} = I₃₀*e^{- (kW3 + ε3*c)*l}.

Перед началом измерений установим одинаковый уровень потока падающего света I₀ для всех трёх светодиодов. Для этого, при отсутствии измеряемого раствора, установим такие токи в светодиодах, чтобы уровень выходного сигнала в фотодиоде был один и тот же. Тогда уравнения можно переписать в виде:

I₁ = I₀*e^{- kW1*l},

I₂ = I₀*e^{- (kW2 + kG2)*l} = I₀*e^{- (kW2 + ε2*c)*l},

I₃ = I₀*e^{- (kW3 + kG3)*l} = I₀*e^{- (kW3 + ε3*c)*l}.

Найдём отношение:

I₂/I₁ = I₀*e^{- (kW2 + ε2*c)*l}/I₀*e^{- kW1*l} = e^{- (kW2 - kW1+ ε2*c)*l}

отсюда:

k_W2 - k_W1 + ε₂*c = - ln(I₂/I₁)/l

и

c = -[ln(I₂/I₁)/l + (k_W2 - k_W1)]/ε₂.

Аналогично:

I₃/I₁ = I₀*e^{- (kW3 + ε3*c)*l}/I₀*e^{- kW1*l} = e^{- (kW3 - kW1+ ε3*c)*l}

отсюда:

k_W3 - k_W1 + ε₃*c = - ln(I₃/I₁)/l

и

c = -[ln(I₃/I₁)/l + (k_W3 - k_W1)]/ε₃.

Таким образом, мы избавились от необходимости знать интенсивность падающего света.
Приравняв эти два выражения для концентрации с, получим:

-[ln(I₃/I₁)/l + (k_W3 - k_W1)]/ε₃ = -[ln(I₂/I₁)/l + (k_W2 - k_W1)]/ε₂.

Умножим обе части равенства на произведение ε₂*ε₃, получим:

ln(I₃/I₁)*ε₂/l + (k_W3 - k_W1)*ε₂ = ln(I₂/I₁)*ε₃/l + (k_W2 - k_W1)*ε₃.

Выведем l из знаменателя, для чего умножим обе части уравнения на l:

ln(I₃/I₁)*ε₂ + l*(k_W3 - k_W1)*ε₂ = ln(I₂/I₁)*ε₃ + l*(k_W2 - k_W1)*ε₃,

перепишем:

l*[(k_W3 - k_W1)*ε₂ - (k_W2 - k_W1)*ε₃]  = ln(I₂/I₁)*ε₃ - ln(I₃/I₁)*ε₂,

и получаем выражение для l, основанное только на результатах трёх измерений интенсивности выходного потока для трёх светодиодов:

l  = [ln(I₂/I₁)*ε₃ - ln(I₃/I₁)*ε₂]/[(k_W3 - k_W1)*ε₂ - (k_W2 - k_W1)*ε₃]

Концентрацию с глюкозы теперь можно вычислить, используя любое из двух выражений для с. А можно сложить оба выражения:

2c = - [ln(I₂/I₁)/l + (k_W2 - k_W1)]/ε₂ - [ln(I₃/I₁)/l + (k_W3 - k_W1)]/ε₃ =

= - [ln(I₂/I₁)*ε₃/l + (k_W2 - k_W1)*ε₃ + ln(I₃/I₁)*ε₂/l + (k_W3 - k_W1)*ε₂]/ε₃*ε₂ =

= - {[ln(I₂/I₁)*ε₃ + ln(I₃/I₁)*ε₂]/l + (k_W3 - k_W1)*ε₂ + (k_W2 - k_W1)*ε₃ }/ε₃*ε₂.

Отсюда:

с = - {[ln(I₂/I₁)*ε₃ + ln(I₃/I₁)*ε₂]/l + (k_W2 - k_W1)*ε₃ + (k_W3 - k_W1)*ε₂}/2*ε₃*ε₂.

Подставив вместо l его значение, получим:

c = - {{[ln(I₂/I₁)*ε₃ + ln(I₃/I₁)*ε₂]/{[ln(I₂/I₁)*ε₃ - ln(I₃/I₁)*ε₂]/[(k_W3 - k_W1)*ε₂ - (k_W2 - k_W1)*ε₃]} +

+ (k_W2 - k_W1)*ε₃ + (k_W3 - k_W1)*ε₂}/2*ε₃*ε₂ =

= - {{[ln(I₂/I₁)*ε₃ + ln(I₃/I₁)*ε₂]/[ln(I₂/I₁)*ε₃ - ln(I₃/I₁)*ε₂]}*[(k_W3 - k_W1)*ε₂ - (k_W2 - k_W1)*ε₃] +

+ (k_W2 - k_W1)*ε₃ + (k_W3 - k_W1)*ε₂}/2*ε₃*ε₂.

Ранее мы проводили калибровку токов светодиодов перед измерением. Проведём теперь калибровку выходного напряжения при первом измерении. Изменяя коэффициент усиления выходного усилителя, установим уровень выходного сигнала первого светодиода равным единице (I₁ = 1). Например, равным 1 вольту. Уровни выходных сигналов двух других светодиодов изменятся в той же пропорции. Но, поскольку в выражении для расчёта концентрации глюкозы с используются отношения уровней, они не изменятся. Зато количество переменных уменьшается до двух и формула упрощается.

c = - {[(lnI₂*ε₃ + lnI₃*ε₂)/(lnI₂*ε₃ - lnI₃*ε₂]*[(k_W3 - k_W1)*ε₂ - (k_W2 - k_W1)*ε₃] +

+ (k_W2 - k_W1)*ε₃ + (k_W3 - k_W1)*ε₂}/2*ε₃*ε₂.

Поскольку коэффициенты k_W и ε для светодиодов с фиксированными частотами не изменяются, мы можем сложные выражения в скобках, содержащие только их, заранее рассчитать и ещё упростить формулу.

Обозначим:

(k_W3 - k_W1)*ε₂ - (k_W2 - k_W1)*ε₃ = a,

(k_W2 - k_W1)*ε₃ + (k_W3 - k_W1)*ε₂ = b,

Тогда выражение для с примет вид:

c = - {[(lnI₂*ε₃ + lnI₃*ε₂)/(lnI₂*ε₃ - lnI₃*ε₂]*a + b}/2*ε₃*ε₂.

Конечно, такие вычисления требуют процессора. А величины k_W и ε для каждой длины волны при желании нетрудно измерить в простых экспериментах.
Но можно собрать глюкометр в упрощённой форме. Для этого необходимо составить двумерную таблицу, в которой для каждой пары показаний I₂ и I₃ поставить в соответствие показание обычного глюкометра. По мере набора статистики можно установить, какую дискретность показаний имеет смысл вносить в таблицу, и какие размеры она должна иметь. Как вариант, таблица может быть зашита в микропроцессор, который заодно будет управлять включением светодиодов, калибровкой, и съёмом результатов измерений, что сильно упростит пользование прибором. Таблица будет иметь вид:

 Таблица 1.

Алгоритм работы прибора получается следующим:

1). Перед измерением устанавливаем коэффициент усилителя выходного каскада в минимальное значение, например, равным единице. По очереди включаем светодиоды и устанавливаем в них токи, при которых выходное напряжение равно некоторой, экспериментально установленной величине.
2). Включаем первый светодиод, потенциометром в выходном каскаде измерителя уровня света устанавливаем величину показания I₁ в определённое значение, например, 1 В.
3). Включаем второй светодиод, определяем I₂.
4). Включаем третий светодиод, определяем I₃.
5). По таблице 1, на пересечении строки с показанием I₂ и столбца с показанием I₃ определяем уровень с(I₂, I₃) глюкозы в крови.

 2.4. Анализ предложенного способа на предмет дальнейшего повышения точности измерений.

 Рассмотрим подробнее графики поглощения с нанесёнными на них значениями коэффициентов поглощения воды на измеряемых длинах волны, представленные на рисунке 3.

Рис. 3. Графики зависимости поглощения глюкозы и воды с нанесёнными значениями коэффициентов поглощения воды на длинах волн используемых светодиодов.

На рисунке видно, что коэффициент поглощения воды для второго светодиода в пять раз, а для третьего - в восемь раз больше, чем для первого. 
То есть, при предложенном способе калибровки интенсивностей входящих потоков, интенсивности выходящих потоков для второго и третьего светодиодов будут значительно меньше, чем для первого, в основном вследствие поглощения их водой. 
Кроме того, если коэффициенты поглощения воды и глюкозы для второго светодиода сравнимы по величине, то для третьего коэффициент поглощения воды в 2,5 раза больше. Получается, что в самом слабом потоке доля поглощения глюкозой самая маленькая. Очевидно, о точности измерений говорить не приходится. Тем более, что воды, можно считать, почти 100 %, а глюкозы - проценты или доли процентов. 
Для устранения этой неприятности, самое простое - выбрать третий светодиод с длиной волны в диапазоне 1020-1060 нм, где коэффициент поглощения глюкозы больше, чем у воды, а коэффициент поглощения у воды примерно такой же, как для второго светодиода. Но такой светодиод надо ещё найти. 
А пока попытаемся уравнять интенсивности выходных потоков и посмотрим, как это повлияет на точность измерений. 
Вернёмся к системе трёх уравнений, с которой начинали расчёты:

I₁ = I₁₀*e^{- kW1*l},

 I₂ = I₂₀*e^{- (kW2 + ε2*c)*l},

 I₃ = I₃₀*e^{- (kW3 + ε3*c)*l}.

Но перед началом измерений установим не одинаковые уровни потоков падающего света. При отсутствии измеряемого раствора, установим во втором светодиоде ток, при котором уровень выходного сигнала в n₂ раз больше уровня от первого светодиода, а в третьем - ток, при котором уровень выходного сигнала в n₃ раз больше уровня сигнала от первого светодиода. Если в качестве датчика используется фотодиод в обратном, а не в прямом, включении, и не фототранзистор, можно считать, что уровень выходного сигнала линейно зависит от уровня измеряемого светового потока. И также можно считать, что, если уровень входящего потока с первого светодиода равен

I₁₀ =I₀,

то со второго светодиода уровень входящего потока равен

 I₂₀ =n₂*I₀,

а с третьего -

I₃₀ =n₃*I₀.

Тогда уравнения можно переписать в виде:

I₁ = I₀*e^{- kW1*l},

 I₂ = n₂*I₀*e^{- (kW2 + ε2*c)*l},

 I₃ = n₃*I₀*e^{- (kW3 + ε3*c)*l}.

Повторим проведённые ранее вычисления. 
Опять найдём отношение:

I₂/I₁ = n₂*I₀*e^{- (kW2 + ε2*c)*l} /I₀*e^{- kW1*l} = n₂*e^{- (kW2 - kW1+ ε2*c)*l},

отсюда:

k_W2 - k_W1 + ε₂*c = - ln[I₂/(n₂*I₁)]/l

и

c = - {ln[I₂/(n₂*I₁)]/l + (k_W2 - k_W1)}/ε₂.

Аналогично:

I₃/I₁ = n₃*I₀*e^{- (kW3 + ε3*c)*l}/I₀*e^{- kW1*l} = n₃*e^{- (kW3 - kW1+ ε3*c)*l}

 отсюда:

 k_W3 - k_W1 + ε₃*c = - ln[I₃/(n₃*I₁)]/l

и

c = - {ln[I₃/(n₃*I₁)]/l + (k_W3 - k_W1)}/ε₃.

Приравняв эти два выражения для концентрации с, получим:

 - {ln[I₃/(n₃*I₁)]/l + (k_W3 - k_W1)}/ε₃ = - {ln[I₂/(n₂*I₁)]/l + (k_W2 - k_W1)}/ε₂.

 После преобразований, показанных выше, получаем выражение для l, основанное только на результатах трёх измерений интенсивности выходного потока для трёх светодиодов:

l  = {ln[I₃/(n₃*I₁)]*ε₃ - ln[I₂/(n₂*I₁)]*ε₂}/[(k_W3 - k_W1)*ε₂ - (k_W2 - k_W1)*ε₃]

Аналогично получаем выражение для концентрации с глюкозы:

Подставив вместо l его значение, получим:

 c = - {{[ln(I₂/(n₂*I₁))*ε₃ + ln(I₃/(n₃*I₁))*ε₂]/[ln(I₂/(n₂*I₁))*ε₃ -

- ln(I₃/(n₃*I₁))*ε₂]}*[(k_W3 - k_W1)*ε₂ - (k_W2 - k_W1)*ε₃] +

 + (k_W2 - k_W1)*ε₃ + (k_W3 - k_W1)*ε₂}/2*ε₃*ε₂.

Вторую калибровку проводим так же, как и в первом случае. В результате выражение упрощается:

 c = - {{[ln(I₂/n₂)*ε₃ + ln(I₃/n₃)*ε₂]/[ln(I₂/n₂)*ε₃ - ln(I₃/n₃)*ε₂]}*[(k_W3 - k_W1)*ε₂ - (k_W2 - k_W1)*ε₃] +

 + (k_W2 - k_W1)*ε₃ + (k_W3 - k_W1)*ε₂}/2*ε₃*ε₂.

Обозначим:

(k_W3 - k_W1)*ε₂ - (k_W2 - k_W1)*ε₃ = a,

 (k_W2 - k_W1)*ε₃ + (k_W3 - k_W1)*ε₂ = b,

Тогда выражение для с примет вид:

c = - {[(ln(I₂/n₂)*ε₃ + ln(I₃/n₃)*ε₂)/(ln(I₂/n₂)*ε₃ - ln(I₃/n₃)*ε₂]*a + b}/2*ε₃*ε₂.

То есть, по существу ничто не изменилось, кроме того, что таким образом мы можем существенно поднять уровни выходных сигналов для второго и третьего светодиодов. Погрешность измерений при этом может уменьшиться весьма существенно.

3. Измерение в отражённом свете.

А теперь посмотрим правде в глаза. При описанном способе измерения путём просвечивания мочки уха или пальца, мы имеем дело не со светом, прошедшим через кювету с раствором поглощающего вещества, а со светом, рассеянным в объёме измеряемого пространства. И все описанные выше формулы могут оказаться правильными только с некоторой вероятностью. С таким же успехом мы можем измерять свет не прошедший через измеряемую ткань, а выходящий из неё с той же стороны, откуда она освещается. Мы будем иметь дело с тем же рассеянным светом.
Но с практической токи зрения удобнее проводить измерения не путём просвечивания куска ткани, а прикоснувшись к нему некоторым датчиком. К этому мы и будем стремиться в процессе реализации описанной выше идеи.

4. Простейшая схема неинвазийного глюкометра.

 Схема макетного образца приведена на рисунке 4.

 Рис.4. Схема макетного образца глюкометра.

Схема выполнена на операционных усилителях LM358 и включает в себя три регулируемых источника тока для питания инфракрасных светодиодов HL1 - HL3, а также усилитель тока приёмного фотодиода BL1.
Светодиоды включаются при нажатии на кнопки S1 - S3. Токи в светодиодах регулируются потенциометрами RP1 - RP3.
Выходное напряжение регулируется потенциометром RP4.
Схема рассчитана на питание от литий-ионного аккумулятора и работоспособна в диапазоне питающих напряжений 3,6 В - 4,2 В.
Для стабилизации токов при изменении питающего напряжения, используется стабилизатор опорного напряжения на микросхеме DA1.
Для получения максимального диапазона выходных напряжений при низковольтном питании, выходной усилитель выполнен по схеме неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 2.
Фотодиод BL1 включён в обратной полярности, что обеспечивает максимальную линейность при измерениях.

 Внешний вид макетной платы показан на рисунке 5.

Рис.5. Внешний вид макетного образца глюкометра.

4.1. Предварительные испытания.

4.1.1. Определение зависимости выходного напряжения от тока в светодиодах.

Для каждого светодиода определим зависимость выходного напряжения схемы от тока в светодиоде. Чтобы избежать сторонней засветки, расположим светодиод и фотодиод по краям непрозрачной трубки.
Для получения данных в широком диапазоне излучаемых и принимаемых потоков, проведём измерения при длине трубки 18 см, 12 см и 6 см. Результаты измерений будем заносить в таблицы 1, 2 и 3 соответственно.
Измерения будем проводить при минимальном напряжении питания, равном 3,6 В. Это наихудший случай для максимального значения выходного сигнала.

Таблица 1. Зависимость 1 выходного напряжения схемы от тока в светодиодах.

Таблица 2. Зависимость 2 выходного напряжения схемы от тока в светодиодах.

Таблица 3. Зависимость 3 выходного напряжения схемы от тока в светодиодах.

На рисунке 6 показаны результаты измерений в виде графиков.

Рис.6. Зависимость выходного напряжения схемы от тока в светодиодах.

 По результатам измерений можно сделать выводы: 
1) выходное напряжение схемы линейно зависит от токов в светодиодах в пределах рабочего диапазона;
2) выходное напряжение резко ограничивается на уровне 2,2 В при минимальном напряжении питания;
3) при отсутствии полезного сигнала на выходе схемы может присутствовать напряжение величиной до 30 мВ, поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы результаты измерений были больше как минимум в 10 раз, то есть, не менее 300 мВ.

4.1.2. Попытка обнаружения воды в процессе измерений.

Попробуем пропустить свет от различных светодиодов через слой воды и раствора глюкозы, чтобы оценить работоспособность методики, лежащей в основе построения прибора. Прямое просвечивание слоя воды и раствора оказалось не очень простым делом. Требуется изготовление некоторого оборудования. Гораздо проще оказалось измерять свет, отражённый от дна кюветы с водой или раствором глюкозы. Этим способом и воспользуемся. Результаты измерений будем заносить в таблицу 4.

Таблица 4. Обнаружение поглощения света водой и раствором глюкозы 5,5 ммоль/л.

Графики, построенные по результатам измерений, показаны на рисунке 7.

Рис.7. Зависимость поглощения света от толщины слоя .

Результат опыта не полностью соответствует ожиданиям. Максимальное поглощение для воды наблюдается при длине волны 940 нм, а минимальное - на длине волны 880 нм, как и следовало ожидать. Однако, вопреки ожиданиям, поглощение раствора глюкозы во всех случаях оказалось меньше, чем воды. Скорее всего, при измерениях растворов глюкозы что-то не было учтено. Чистой глюкозы в аптеке купить не удалось. Порошок содержит примеси лимонной кислоты, а раствор для инъекций содержит соляную кислоту. Обе кислоты взаимодействуют с водой и вполне могли изменить спектр её поглощения.
Мне не удалось выяснить, как получен график поглощения глюкозы на рисунке 3. Если вдруг глюкоза взаимодействует с водой, и график получен для раствора глюкозы в воде, тогда полученные результаты вполне соответствуют рисунку 3.
Но для нас главное, чтобы показания поглощения раствором глюкозы хоть как-нибудь отличались от поглощения водой. Не будем отвлекаться на углубленное изучение спектроскопии, продолжим работу. Уже почти всё сделано, опыт эксплуатации покажет, работает прибор, или не работает.

****************************************************

После многочисленных экспериментов выяснилось, что рассматриваемый мною метод реально может быть использован только для лошадиных концентраций глюкозы. При измерении реальных уровней глюкозы в крови слишком много мешающих факторов, в том числе и температура кожи, которые не позволяют использовать его для этой цели.
В результате пришёл к выводу, что идея Петра Бобонича в общем не лишена смысла, но метод и прибор, который он использует для измерения уровня глюкозы в крови - чистой воды самообман.