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BRPI1001332B1 - NON-INVASIVE MEASUREMENT INSTRUMENT FOR CONTINUOUS MONITORING OF GLUCOSE CONCENTRATION IN ARTERIAL BLOOD - Google Patents

NON-INVASIVE MEASUREMENT INSTRUMENT FOR CONTINUOUS MONITORING OF GLUCOSE CONCENTRATION IN ARTERIAL BLOOD Download PDF

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Publication number
BRPI1001332B1
BRPI1001332B1 BRPI1001332-6A BRPI1001332A BRPI1001332B1 BR PI1001332 B1 BRPI1001332 B1 BR PI1001332B1 BR PI1001332 A BRPI1001332 A BR PI1001332A BR PI1001332 B1 BRPI1001332 B1 BR PI1001332B1
Authority
BR
Brazil
Prior art keywords
arterial blood
glucose concentration
blood
invasive
measurement
Prior art date
Application number
BRPI1001332-6A
Other languages
Portuguese (pt)
Inventor
José Carlos Teixeira De Barros Moraes
Roberto Castro Junior
Original Assignee
Ventrix Tecnologia Ltda
Universidade De São Paulo - Usp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ventrix Tecnologia Ltda, Universidade De São Paulo - Usp filed Critical Ventrix Tecnologia Ltda
Priority to BRPI1001332-6A priority Critical patent/BRPI1001332B1/en
Publication of BRPI1001332A2 publication Critical patent/BRPI1001332A2/en
Publication of BRPI1001332B1 publication Critical patent/BRPI1001332B1/en

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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

instrumento de medição não-invasiva para monitorização contínua da concentração de glicose no sangue arterial. patente de invenção pertencente ao campo da medição com finalidades de diagnóstico, compreendida por instrumento (1) constituído basicamente por led emissor de luz (2), fotodetector (3), sensor óptico não-invasivo (4) e circuito eletrônico (5) capaz de excitar os componentes ópticos do sensor, ler sinais analógicos provenientes do sensor, estimar o valor da concentração de glicose e apresentar de forma clara o valor desta medida, ou enviar por qualquer meio conhecido esta informação para um dispositivo com capacidade de recebê-la, apresentá-la e possivelmente armazená-la, permitindo assim um acompanhamento da evolução do tratamento. no invento, que apresenta margem de erro inferior a 10%, utilizam-se preferencialmente dois comprimentos de onda fixos (de 805 e 1350 nm) para atravessar o tecido, e a medição da concentração de glicose é feita exclusivamente no sangue arterial - identificado por sua característica pulsátil - por meio da análise da parte contínua e alternada da luz absorvida pelo tecido vivo separadamente, sendo que a componente alternada normalmente não excede 1% a 2% da absorvância constante para o comprimento de onda de 805 nm, e 0,05 a 0,5% para o comprimento de onda de 1350 nm.Non-invasive measuring instrument for continuous monitoring of arterial blood glucose concentration. patent of invention belonging to the field of measurement for diagnostic purposes, comprised of instrument (1) consisting basically of light emitting LED (2), photodetector (3), non-invasive optical sensor (4) and electronic circuit (5) capable to excite the sensor's optical components, read analog signals from the sensor, estimate the glucose concentration value and clearly present the value of this measurement, or send this information by any known means to a device capable of receiving it, present it and possibly store it, thus allowing a follow-up of the evolution of the treatment. in the invention, which has a margin of error of less than 10%, two fixed wavelengths (of 805 and 1350 nm) are preferably used to traverse the tissue, and the measurement of glucose concentration is made exclusively in arterial blood - identified by its pulsatile characteristic - by analyzing the continuous and alternating part of the light absorbed by living tissue separately, with the alternating component normally not exceeding 1% to 2% of the constant absorbance for the wavelength of 805 nm, and 0.05 at 0.5% for the wavelength of 1350 nm.

Description

Campo de AplicaçãoApplication field

[0001] A presente patente de invenção pertence ao campo da medição com finalidades de diagnóstico, mais especificamente medição das características do sangue in vivo utilizando sensores ópticos (Classificação Internacional de Patentes A61B- 5/1455), e foi desenvolvida para possibilitar o controle contínuo das concentrações de glicose de forma não invasiva, simples, prática e portátil, utilizando um processo de medição com características totalmente inéditas que apresenta uma margem de erro significativamente menor que a dos similares existentes, além de poder ser utilizado em seres humanos e animais.[0001] The present invention patent belongs to the field of measurement for diagnostic purposes, more specifically measurement of blood characteristics in vivo using optical sensors (International Patent Classification A61B-5/1455), and was developed to enable continuous control of glucose concentrations in a non-invasive, simple, practical and portable way, using a measurement process with totally new characteristics that presents a significantly smaller margin of error than the similar ones, besides being able to be used in human beings and animals.

Antecedentes da Invenção / Estado da TécnicaBackground of the Invention / State of the Art

[0002] Conforme é do conhecimento geral, a diabetes ou diabetes mellitus é uma doença metabólica caracterizada pelo aumento anormal da concentração de glicose (ou açúcar) no sangue, que pode causar sérios problemas de saúde (como infarto, derrame cerebral, insuficiência renal, problemas visuais e lesões de difícil cicatrização, dentre outras complicações) e tem grande incidência na população mundial - mais de 220 milhões de pessoas são diabéticas, segundo levantamentos feitos em 2009 pela Organização Mundial da Saúde.[0002] As is well known, diabetes or diabetes mellitus is a metabolic disease characterized by an abnormal increase in the concentration of glucose (or sugar) in the blood, which can cause serious health problems (such as heart attack, stroke, kidney failure, visual problems and injuries that are difficult to heal, among other complications) and has a high incidence in the world population - more than 220 million people are diabetic, according to surveys carried out in 2009 by the World Health Organization.

[0003] A forma mais tradicional de controle da diabetes é pela medição da glicemia (concentração de glicose no sangue) capilar que requer a análise de uma amostra de sangue obtida por meio de punção transcutânea, sendo que para um controle adequado são recomendadas cinco medições diárias da taxa glicêmica para que se possa ajustar o tratamento às necessidades individuais de cada paciente. Cabe esclarecer que o termo “sangue capilar” se refere àquele que percorre vasos sanguíneos muito finos existentes entre as artérias e as veias, pelos quais o sangue entrega o oxigênio aos tecidos.[0003] The most traditional form of diabetes control is by measuring capillary blood glucose (blood glucose concentration), which requires the analysis of a blood sample obtained through transcutaneous puncture, and for proper control, five measurements are recommended daily glycemic rate so that the treatment can be adjusted to the individual needs of each patient. It should be clarified that the term “capillary blood” refers to blood that travels through very thin blood vessels between the arteries and veins, through which the blood delivers oxygen to the tissues.

[0004] No entanto, por se tratar de procedimento invasivo, relativamente doloroso e desagradável, apresenta sérias limitações de ordem prática devido à baixa adesão dos pacientes e à obtenção de dados incompletos com poucos valores medidos durante o dia. Devido a estes fatores, começou-se a pesquisar métodos, processos e instrumentos de medição mais confortáveis para o monitoramento contínuo de glicemia, pois um único teste de glicemia conforme o efetuado atualmente em clínicas ou laboratórios é muito pouco para se fazer uma boa avaliação do paciente.[0004] However, as it is an invasive procedure, relatively painful and unpleasant, it has serious practical limitations due to low patient compliance and incomplete data collection with few values measured during the day. Due to these factors, we began to research more comfortable methods, processes and measuring instruments for continuous monitoring of blood glucose, as a single blood glucose test as currently performed in clinics or laboratories is too little to make a good assessment of the patient.

[0005] A automonitorização, em todos os tipos de diabetes, é de extrema importância para a manutenção dos níveis normais de glicemia. O mais preciso dos testes é o da medida do sangue capilar citado, porém outros métodos alternativos podem ser utilizados, como a medição pela urina ou a utilização de fitas reagentes que, no entanto, são métodos indiretos de avaliação da glicemia visto que quando aparecem indícios da glicose na urina os valores geralmente estão acima de 180 mg/dl no sangue - quando o normal são valores compreendidos na faixa de 80 a 110 mg/dl. Valores “negativos” também podem esconder níveis muito baixos, mascarando a hipoglicemia.[0005] Self-monitoring, in all types of diabetes, is extremely important for the maintenance of normal blood glucose levels. The most accurate of the tests is the measurement of capillary blood mentioned, but other alternative methods can be used, such as urine measurement or the use of reagent strips, which, however, are indirect methods of assessing blood glucose since when signs appear urine glucose values are usually above 180 mg/dl in blood - when normal values are in the range of 80 to 110 mg/dl. “Negative” values can also hide very low levels, masking hypoglycemia.

[0006] Os métodos atualmente utilizados na medição da glicemia podem ser divididos em três grandes grupos: os exames laboratoriais, os exames de “ponta de dedo” e a medição por sensores contínuos semi-invasivos.[0006] The methods currently used in measuring blood glucose can be divided into three large groups: laboratory tests, exams "fingertip" and measurement by continuous semi-invasive sensors.

[0007] Os exames laboratoriais, apesar de apresentarem baixa margem de erro (da ordem de 2 a 3%), necessitam de uma amostra de sangue que é colhida do paciente e posteriormente enviada para análise em um laboratório específico. Vários são os métodos utilizados para a medição da concentração da glicose no sangue em exames laboratoriais, mas em geral é feita a separação do plasma sanguíneo por centrifugação e aplicação de enzimas específicas, como a glicose oxidase ou a hexoquinase. As enzimas causam reações químicas que levam à degradação da glicose, com a formação de algum produto que seja facilmente medido, seja através da geração de corrente elétrica (reação de oxi- redução) ou mudança de cor da mistura. Este método, no entanto, apresenta diversos inconvenientes no controle diário da glicemia: é invasivo, necessitando de uma grande quantidade de sangue quando comparado com outros métodos; demanda grande tempo de espera para o resultado (geralmente dois dias), e envolve a necessidade de deslocamento do paciente até um centro especializado para a realização do exame.[0007] Laboratory tests, despite having a low margin of error (in the order of 2 to 3%), require a blood sample that is collected from the patient and later sent for analysis in a specific laboratory. There are several methods used to measure blood glucose concentration in laboratory tests, but in general, blood plasma is separated by centrifugation and application of specific enzymes, such as glucose oxidase or hexokinase. Enzymes cause chemical reactions that lead to glucose degradation, with the formation of some product that is easily measured, either by generating an electric current (oxi-reduction reaction) or changing the color of the mixture. This method, however, has several inconveniences in daily blood glucose control: it is invasive, requiring a large amount of blood when compared to other methods; it demands a long waiting time for the result (usually two days), and involves the need to move the patient to a specialized center for the examination.

[0008] Já o exame de “ponta de dedo” é feito a partir de uma pequena amostra de sangue capilar (uma ou duas gotas) colhida através de um pequeno furo realizado no dedo do paciente. A amostra de sangue é aplicada a uma fita que, por sua vez, é inserida em um dispositivo portátil que pode utilizar diferentes métodos de medição. Em geral, de maneira semelhante aos exames laboratoriais, utilizam-se fitas com enzimas específicas para a degradação da glicose, e a medição dos produtos formados é realizada pelo aparelho de medição. Este método permite que o próprio paciente realize o exame de forma rápida e prática, sendo que do início da realização do exame até a obtenção do resultado são gastos aproximadamente 5 minutos - o que faz com que este método seja o mais difundido e utilizado entre os pacientes diabéticos, existindo diversos tipos de dispositivos para esta finalidade como, por exemplo, aqueles constantes dos documentos PI0409488-3 de 20/04/2004 e PI9704928-0 de 30/09/1997 - que tratam de métodos de fabricação de tiras de teste para medição de glicose em amostra de sangue para instrumentos do tipo “ponta de dedo” - e PI9903626-6 de 12/08/1999, que trata de uma tira de teste visual da glicose no sangue, provida de duas membranas cada qual com um reagente para ocasionar uma alteração de cor mediante a análise de uma amostra de sangue.[0008] Already the examination of "fingertip" is made from a small sample of capillary blood (one or two drops) collected through a small hole made in the patient's finger. The blood sample is applied to a tape which, in turn, is inserted into a portable device that can use different measurement methods. In general, similarly to laboratory tests, tapes with specific enzymes for glucose degradation are used, and the measurement of the formed products is carried out by the measuring device. This method allows the patient to undergo the exam in a quick and practical way, and from the beginning of the exam until the result is obtained, approximately 5 minutes are spent - which makes this method the most widespread and used among the diabetic patients, there are several types of devices for this purpose, such as those contained in documents PI0409488-3 of 20/04/2004 and PI9704928-0 of 30/09/1997 - which deal with methods of manufacturing test strips for measuring glucose in a blood sample for instruments of the "finger tip" type - and PI9903626-6 of 12/08/1999, which deals with a visual blood glucose test strip, provided with two membranes each with a reagent to cause a color change by analyzing a blood sample.

[0009] No entanto, apesar da pequena quantidade de sangue requerida para a realização desse tipo de medição, ainda se trata de um exame invasivo e, além disso, a exatidão da leitura pode apresentar desvios da ordem de 15%. Outro ponto a se considerar é a necessidade de treinamento do paciente que realiza o exame, pois de acordo com sua habilidade pode-se ter uma variação considerável das leituras, eventualmente capaz de ocultar a necessidade de procedimentos específicos de controle e, inclusive, acarretar em risco de agravamento do estado do clínico. Cabe lembrar também que a necessidade de utilização de lanceta ou agulha para a coleta do sangue necessário para fazer a dosagem faz com que alguns pacientes, por razões psicológicas ou econômicas, não optem pela utilização deste método.[0009] However, despite the small amount of blood required to perform this type of measurement, it is still an invasive test and, in addition, the accuracy of the reading can show deviations of the order of 15%. Another point to consider is the need for training of the patient who performs the exam, because according to their ability there can be a considerable variation in readings, possibly able to hide the need for specific control procedures and even lead to risk of worsening the condition of the clinician. It is also worth remembering that the need to use a lancet or needle to collect the blood needed to make the dosage means that some patients, for psychological or economic reasons, do not choose to use this method.

[0010] Nos últimos anos, surgiram os primeiros dispositivos de medição contínua de glicemia que utilizam técnicas semi-invasivas ou não-invasivas, geralmente obtendo as leituras através de sensores cutâneos ou subcutâneos de modo a minimizar o desconforto do paciente - como, por exemplo, o apresentado no documento PI0306653- 3 de 22/10/2003 que trata de um sensor implantável para determinação da concentração de glicose no sangue. Os métodos utilizados por estes sensores são bastante diversos, mas de modo geral os sensores enzimáticos geram uma corrente elétrica proporcional à concentração de glicose no sangue através de uma reação química de oxidação da glicose, causada por meio de uma enzima de cobertura do eletrodo. Ocorre, no entanto, que tais sensores necessitam ser inseridos através da pele para entrarem em contato com o líquido intersticial e, portanto, também são invasivos. Ademais, apesar de serem considerados “contínuos” tais dispositivos geram, na realidade, leituras pontuais em intervalos de tempo curtos - da ordem de cinco a quinze minutos.[0010] In recent years, the first continuous blood glucose measurement devices have emerged that use semi-invasive or non-invasive techniques, usually obtaining readings through skin or subcutaneous sensors in order to minimize patient discomfort - for example , presented in document PI0306653-3 of 10/22/2003, which deals with an implantable sensor for determining the concentration of glucose in the blood. The methods used by these sensors are quite diverse, but in general enzymatic sensors generate an electrical current proportional to the concentration of glucose in the blood through a chemical reaction of glucose oxidation, caused by an enzyme covering the electrode. It turns out, however, that such sensors need to be inserted through the skin to come into contact with the interstitial fluid and, therefore, they are also invasive. Furthermore, despite being considered “continuous”, such devices actually generate punctual readings in short time intervals - on the order of five to fifteen minutes.

[0011] A iontoforese reversa também é outro método bastante utilizado para a avaliação por meio de sensores, no qual dois eletrodos colocados sobre a pele, ao serem submetidos a uma diferença de potencial, forçam um fluxo do líquido intersticial para a superfície da pele para que nele seja feita a medição da concentração de glicose utilizando-se um sensor enzimático. Os instrumentos que utilizam tal método, no entanto, apresentam erros de leitura da ordem de 15% a 20% quando em comparação aos obtidos por meio de exames laboratoriais, podendo chegar em certas condições a um erro de 50%.[0011] Reverse iontophoresis is also another widely used method for evaluation by means of sensors, in which two electrodes placed on the skin, when subjected to a potential difference, force a flow of interstitial fluid to the surface of the skin to that the glucose concentration is measured using an enzymatic sensor. The instruments that use this method, however, have reading errors in the order of 15% to 20% when compared to those obtained through laboratory tests, which can reach, under certain conditions, an error of 50%.

[0012] Outra técnica de medição que vem sendo muito pesquisada realiza a leitura por meio de emissão de luz através do sangue, sendo que alguns aparelhos que a utilizam são descritos nos seguintes documentos:[0012] Another measurement technique that has been much researched performs the reading through the emission of light through the blood, and some devices that use it are described in the following documents:

[0013] - US 4.890.621 de 19/01/1988: envolve a etapa de separar um “líquido claro” do sangue das proteínas e células dele constituintes, sendo que nele se localiza a glicose a ser monitorada; tal líquido claro percorre um trajeto pré-determinado entre um emissor de luz e um dispositivo de detecção de luz, utilizando a propriedade óptica para determinar o nível de glicose no sangue. No entanto, utiliza um sensor implantável e, portanto, é uma técnica invasiva;[0013] - US 4,890,621 of 01/19/1988: involves the step of separating a "clear liquid" from the blood of its constituent proteins and cells, where the glucose to be monitored is located; such clear liquid travels a predetermined path between a light emitter and a light sensing device, using the optical property to determine the blood glucose level. However, it uses an implantable sensor and is therefore an invasive technique;

[0014] - PI 9714562-9 de 05/06/1997: trata de um instrumento para medição do nível de glicose no sangue intravascular (situado no interior de vasos sanguíneos quaisquer) de forma não-invasiva que utiliza fontes de luz (quatro comprimentos de onda diferentes, com 650, 880, 940 e 1300 nm para iluminar o fluido), fotodetectores e os níveis de DC de transmissão de cada fonte de luz;[0014] - PI 9714562-9 of 06/05/1997: it is an instrument for measuring the intravascular blood glucose level (located inside any blood vessels) in a non-invasive way that uses light sources (four lengths different waveforms, with 650, 880, 940 and 1300 nm to illuminate the fluid), photodetectors and the transmitting DC levels of each light source;

[0015] - US 4.901.728 de 01/05/1989: trata de um instrumento que utiliza emissão de luz infravermelha para determinação não-invasiva da glicose do sangue, porém envolve a rotação óptica da luz polarizada para identificar e medir a concentração de glicose;[0015] - US 4,901,728 of 05/01/1989: deals with an instrument that uses infrared light emission for non-invasive determination of blood glucose, but involves optical rotation of polarized light to identify and measure the concentration of glucose;

[0016] - DE 10.2006.036.920 de 04/08/2006: descreve um método que utiliza ao menos dois comprimentos de onda de luz infravermelha irradiada, medidos em ciclos que não estão associados aos ciclos cardíacos, e sim a ciclos de medição;[0016] - DE 10.2006.036.920 of 08/04/2006: describes a method that uses at least two wavelengths of radiated infrared light, measured in cycles that are not associated with cardiac cycles, but with measurement cycles;

[0017] - WO 9.300.855 de 03/07/1991: método para determinar a glicose por meio da emissão de um feixe de radiação infravermelha cujos comprimentos de onda são escolhidos por filtros (que são alterados durante o processo de medição por varredura - não são comprimentos de onda fixos), provenientes de uma fonte luminosa, sendo tais feixes polarizados e refletidos.[0017] - WO 9.300.855 of 07/03/1991: method for determining glucose by emitting a beam of infrared radiation whose wavelengths are chosen by filters (which are changed during the scanning measurement process - they are not fixed wavelengths) coming from a light source, such beams being polarized and reflected.

[0018] Pela análise pormenorizada dos equipamentos apresentados nos documentos citados e também de diversos outros documentos que descrevem aparelhos que utilizam a emissão de luz infravermelha de forma não invasiva, nota-se que de modo geral a medição é feita em veias ou artérias, utilizando um ou diversos comprimentos de ondas com valores pontuais ou situados entre um intervalo pré-determinado. Ademais, envolvem espectrofotometria - ou seja, há uma incidência de luz após a qual são medidos ângulos, defasagens e comprimentos. Em uma descrição fundamentalmente didática, para a identificação das moléculas de glicose subtrai-se da radiação total captada pelos fotodetectores os valores conhecidos de absorção dos demais tecidos existentes no meio - como osso, vasos, epiderme, etc. - sendo que o valor final corresponde a uma determinada concentração de glicose. Outra desvantagem desses instrumentos da técnica atual reside na elevada margem de erro - situada entre 10 e 15% e que, como anteriormente mencionado, pode causar diversos transtornos.[0018] By the detailed analysis of the equipment presented in the cited documents and also several other documents that describe devices that use the non-invasive infrared light emission, it is noted that, in general, the measurement is made in veins or arteries, using one or several wavelengths with punctual values or situated between a predetermined range. Furthermore, they involve spectrophotometry - that is, there is an incidence of light after which angles, lags and lengths are measured. In a fundamentally didactic description, for the identification of glucose molecules, the known absorption values of other tissues in the medium - such as bone, vessels, epidermis, etc. - are subtracted from the total radiation captured by the photodetectors. - where the final value corresponds to a certain concentration of glucose. Another disadvantage of these instruments of the current technique lies in the high margin of error - situated between 10 and 15% and which, as previously mentioned, can cause several inconveniences.

Apresentação da InvençãoInvention Presentation

[0019] Tendo em vista a demanda por um dispositivo de medição não invasivo, preciso, portátil, e de fácil operação capaz de incentivar os usuários a efetuarem o controle da taxa glicêmica com a frequência adequada, foi desenvolvido o instrumento de medição não-invasiva para monitorização contínua da concentração de glicose no sangue arterial objeto do presente pedido de privilégio, compreendido por um dispositivo que utiliza a característica pulsátil do sangue para realizar, por meio de emissão de luz infravermelha, a medição da concentração de glicose do sangue exclusivamente arterial por meio da análise da parte contínua e alternada da luz absorvida pelo tecido vivo separadamente, sendo que a componente alternada normalmente não excede 1% a 2% da absorvância constante para o comprimento de onda de 805 nm, e 0,05 a 0,5% para o comprimento de onda de 1350 nm, o que acaba por elevar significativamente a precisão da medição resultando em valores com margem de erro inferior a 10% - ou seja, bem menor que a obtida por meio de utilização dos similares portáteis em uso atualmente.[0019] In view of the demand for a non-invasive, accurate, portable, and easy-to-operate measuring device capable of encouraging users to control the blood glucose rate with the appropriate frequency, the non-invasive measuring instrument was developed for continuous monitoring of the arterial blood glucose concentration object of this application for privilege, comprised of a device that uses the pulsatile characteristic of blood to perform, by means of infrared light, the measurement of exclusively arterial blood glucose concentration by by analyzing the continuous and alternating part of the light absorbed by living tissue separately, the alternating component normally not exceeding 1% to 2% of the constant absorbance for the wavelength of 805 nm, and 0.05 to 0.5% for the wavelength of 1350 nm, which ends up significantly increasing the accuracy of the measurement resulting in values with a margin of error of less than 10% - ie. a, much smaller than that obtained through the use of similar portables in use today.

[0020] Assim, tem-se um instrumento portátil, de fácil operação e extremamente discreto permitindo, inclusive, seu uso em locais públicos sem causar constrangimento aos usuários, que pode operar continuamente aumentando, desta forma, a adesão de pacientes diabéticos ao tratamento. Além disso, suas características funcionais permitem que seja produzido em formatos diversos - por exemplo, em forma de anéis e/ou brincos sendo que o aprimoramento das tecnologias já existentes poderá futuramente possibilitar construções em forma de braceletes ou peças similares coma mesma confiança e praticidade, porém sempre envolvendo a transmissão das leituras efetuadas para aparelhos quaisquer que podem ser telefones celulares, computadores portáteis ou receptores tipo “wireless” quaisquer.[0020] Thus, there is a portable instrument, easy to operate and extremely discreet, even allowing its use in public places without causing embarrassment to users, which can operate continuously, thus increasing the adherence of diabetic patients to the treatment. In addition, its functional characteristics allow it to be produced in different formats - for example, in the form of rings and/or earrings, and the improvement of existing technologies may in the future enable constructions in the form of bracelets or similar pieces with the same reliability and practicality, but always involving the transmission of the readings made to any devices that may be cell phones, portable computers or any “wireless” type receivers.

[0021] Este instrumento altamente portátil compreende um sensor óptico não- invasivo e um circuito eletrônico capaz de excitar os componentes ópticos do sensor, ler sinais analógicos provenientes do sensor, estimar o valor da concentração de glicose e apresentar de forma clara o valor desta medida, ou enviar por qualquer meio conhecido esta informação para um dispositivo com capacidade de recebê-la, apresentá-la e possivelmente armazená-la, permitindo assim um acompanhamento da evolução do tratamento.[0021] This highly portable instrument comprises a non-invasive optical sensor and an electronic circuit capable of exciting the sensor's optical components, reading analog signals from the sensor, estimating the glucose concentration value and clearly presenting the value of this measurement , or send this information by any known means to a device capable of receiving, displaying and possibly storing it, thus allowing a follow-up of the evolution of the treatment.

[0022] No invento ora apresentado, utilizam-se preferencialmente dois comprimentos de onda fixos para atravessar o tecido, e a medição será feita exclusivamente no sangue arterial, identificado por meio da utilização da característica pulsátil do sangue para eliminar todos os demais componentes do meio.[0022] In the invention presented herein, two fixed wavelengths are preferably used to traverse the tissue, and the measurement will be made exclusively in arterial blood, identified through the use of the pulsatile characteristic of blood to eliminate all other components of the medium .

[0023] Em caráter ilustrativo e para melhor compreensão, o invento passará a ser mais bem descrito e detalhado com base nos desenhos anexos, nos quais:[0023] For illustrative purposes and for better understanding, the invention will be better described and detailed based on the attached drawings, in which:

[0024] A Figura 1 ilustra a aplicação da Lei de Beer no sangue arterial;[0024] Figure 1 illustrates the application of Beer's Law in arterial blood;

[0025] A Figura 2 ilustra a absorção e transmissão da luz em tecidos vivos;[0025] Figure 2 illustrates the absorption and transmission of light in living tissue;

[0026] As Figuras 3.1 e 3.2 ilustram respectivamente os sinais “brutos” e a normalização das intensidades dos sinais luminosos;[0026] Figures 3.1 and 3.2 respectively illustrate the "raw" signals and the normalization of the intensities of the light signals;

[0027] A Figura 4 apresenta uma visão geral do sistema para medição de glicemia de pulso;[0027] Figure 4 presents an overview of the system for measuring pulse blood glucose;

[0028] As Figura 5.1, 5.2, 5.3 e 5.4 ilustram algumas das possíveis formas de construção para o sensor transmissivo, pelo qual a luz proveniente de dois LEDs passa através da região do corpo na qual será feita a medição (preferencialmente no dedo ou no lóbulo da orelha,) alternadamente, incidindo nos fotodetectores;[0028] Figures 5.1, 5.2, 5.3 and 5.4 illustrate some of the possible forms of construction for the transmissive sensor, whereby light from two LEDs passes through the region of the body in which the measurement will be made (preferably on the finger or on the earlobe,) alternately, focusing on the photodetectors;

[0029] A Figura 6 apresenta um exemplo de diagrama de blocos da placa de glicemia microcontrolada;[0029] Figure 6 shows an example of a block diagram of the microcontrolled blood glucose plate;

[0030] A Figura 7 apresenta um exemplo de circuito conversor tensão corrente;[0030] Figure 7 presents an example of current voltage converter circuit;

[0031] A Figura 8 apresenta um exemplo de diagrama de tempo do circuito de excitação dos LEDs;[0031] Figure 8 presents an example of a time diagram of the LEDs excitation circuit;

[0032] A Figura 9 apresenta um exemplo de amplificador diferencial de transimpedância;[0032] Figure 9 presents an example of differential transimpedance amplifier;

[0033] A Figura 10 apresenta um exemplo de circuito de amostragem e retenção;[0033] Figure 10 presents an example of sampling and retention circuit;

[0034] A Figura 11 apresenta um exemplo de diagrama de tempo do circuito de multiplexação, e[0034] Figure 11 presents an example of a time diagram of the multiplexing circuit, and

[0035] A Figura 12 apresenta um exemplo de amplificador de ganho programável.[0035] Figure 12 presents an example of programmable gain amplifier.

Descrição Detalhada da InvençãoDetailed Description of the Invention

[0036] De conformidade com o quanto ilustram as figuras supra relacionadas, o instrumento de medição não-invasiva para monitorização contínua da concentração de glicose no sangue arterial objeto do presente pedido de patente de invenção é compreendido por instrumento (1) constituído, basicamente, por LED emissor de luz (2), fotodetector (3), sensor óptico não-invasivo (4) e circuito eletrônico (5).[0036] As illustrated in the above-related figures, the non-invasive measuring instrument for continuous monitoring of arterial blood glucose concentration object of this patent application is comprised of instrument (1) consisting basically by light emitting LED (2), photodetector (3), non-invasive optical sensor (4) and electronic circuit (5).

[0037] A medição utilizada no instrumento (1) proposto para monitorização contínua e não-invasiva da concentração de glicose no sangue arterial adota os princípios da absorvância e transmitância da luz em um meio, que pode ser melhor entendido pelo estudo da Lei de Beer-Lambert ou Lei de Bouguer, que descreve a atenuação da luz que se propaga através de um meio uniforme contendo substâncias absorvedoras.[0037] The measurement used in the instrument (1) proposed for continuous and non-invasive monitoring of arterial blood glucose concentration adopts the principles of absorbance and light transmittance in a medium, which can be better understood by studying Beer's Law -Lambert or Bouguer's Law, which describes the attenuation of light that propagates through a uniform medium containing absorbing substances.

[0038] Para a determinação da concentração de glicose no sangue arterial pelo instrumento proposto, utilizando o método de medição da absorvância ou transmitância da luz nos tecidos vivos, podem ser utilizados diversos comprimentos de ondas diferentes. Será também, de forma inédita até o atual desenvolvimento tecnológico do setor, utilizada a característica pulsátil do sangue arterial para distinguir entre a absorvância do sangue arterial e a de outros absorvedores.[0038] For the determination of arterial blood glucose concentration by the proposed instrument, using the method of measuring the absorbance or transmittance of light in living tissues, several different wavelengths can be used. The pulsatile characteristic of arterial blood will also be used, in an unprecedented way until the current technological development of the sector, to distinguish between the absorbance of arterial blood and that of other absorbers.

[0039] Para exemplificação do método, será adotada nesta abordagem a utilização de apenas dois comprimentos de onda diferentes para realização do processo de medição, mas isto não limita o instrumento proposto a utilizar diversos comprimentos de onda diferentes para obtenção de uma melhor exatidão das medidas a serem obtidas.[0039] To exemplify the method, this approach will adopt only two different wavelengths to carry out the measurement process, but this does not limit the proposed instrument to using several different wavelengths to obtain better measurement accuracy to be obtained.

[0040] Diferentes razões levam à escolha mais comum para os comprimentos de onda utilizados para determinação da concentração de glicose no sangue arterial. A pigmentação vermelha da pele absorve uma grande parte da luz com comprimentos de onda abaixo de 600nm e, portanto, não é adequado que se meça a absorvância da luz nessa faixa. Para servir de referência será utilizado o comprimento de onda de 805nm, pois neste valor tem-se uma baixa influência das hemoglobinas, uma vez que os espectros da absorvância da hemoglobina reduzida e da hemoglobina oxigenada são relativamente planos e muito próximos.[0040] Different reasons lead to the most common choice for the wavelengths used to determine the concentration of glucose in arterial blood. The red pigmentation of the skin absorbs a large part of the light at wavelengths below 600nm and therefore it is not appropriate to measure the absorbance of light in this range. As a reference, the wavelength of 805nm will be used, as this value has a low influence of hemoglobins, since the absorbance spectra of reduced hemoglobin and oxygenated hemoglobin are relatively flat and very close.

[0041] Para variações significativas da intensidade de luz transmitida através da glicose, deve-se ter um comprimento de onda na faixa de 1300nm a 2400nm. Uma boa escolha para este comprimento de onda é 1350nm, pois existem diodos emissores de luz comerciais para este valor - o que acaba por reduzir os custos de fabricação - e está dentro da faixa de valores recomendados.[0041] For significant variations in the intensity of light transmitted through glucose, one must have a wavelength in the range of 1300nm to 2400nm. A good choice for this wavelength is 1350nm, as there are commercial light emitting diodes for this value - which ultimately reduces manufacturing costs - and is within the recommended range.

[0042] Cabe mencionar que estes comprimentos de onda foram utilizados em uma montagem preferencial, porém podem ser utilizados quaisquer comprimentos de onda que atendam aos requisitos do método utilizado para realizar a medição sem que, com isso, se fuja do escopo da proteção pretendida, que envolve principalmente a utilização da característica pulsátil do sangue como elemento de distinção do meio de leitura.[0042] It is worth mentioning that these wavelengths were used in a preferential assembly, but any wavelengths that meet the requirements of the method used to perform the measurement can be used without, thereby, escaping from the scope of the intended protection, which mainly involves the use of the pulsatile characteristic of blood as an element of distinction from the reading medium.

[0043] A luz que se propaga através de tecidos biológicos (como no dedo ou no lóbulo da orelha, por exemplo) é absorvida por diferentes substâncias absorvedoras. Os absorvedores de luz na região de interesse são a pigmentação da pele, ossos, sangue arterial e sangue venoso. Em vez da medição da concentração da glicose no sangue arterial in vitro com uma amostra do sangue arterial, será utilizada a pulsação arterial. A Figura 1 mostra a quantidade de luz absorvida e transmitida em tecidos vivos em relação à distância.[0043] The light that propagates through biological tissues (such as the finger or the earlobe, for example) is absorbed by different absorbing substances. Light absorbers in the region of interest are pigmentation of the skin, bones, arterial blood and venous blood. Instead of measuring arterial blood glucose concentration in vitro with an arterial blood sample, the arterial pulse will be used. Figure 1 shows the amount of light absorbed and transmitted in living tissue in relation to distance.

[0044] As artérias contêm mais sangue durante a sístole do que durante a diástole e, por consequência, seu diâmetro aumenta devido ao aumento da pressão. Esse efeito ocorre apenas nas artérias e nas arteríolas, mas não nas veias. A absorvância da luz em tecidos com artérias aumenta durante a sístole, principalmente por causa do aumento da quantidade de substâncias absorvedoras e devido ao fato de o comprimento do caminho óptico d nas artérias aumentar. Essa parte alternada da absorvância total permite diferenciar a absorvância devido ao sangue venoso, uma quantidade constante do sangue arterial, e outros componentes não pulsáteis - como a pigmentação da pele (componente contínuo da absorvância total) - da absorvância relativa ao componente pulsátil do sangue arterial (componente alternado). A parte alternada da luz absorvida pelo tecido vivo normalmente não excede 1% a 2% da absorvância constante. O sinal elétrico resultante da luz transmitida, que é variante no tempo, é conhecido como sinal pletismográfico.[0044] Arteries contain more blood during systole than during diastole and, consequently, their diameter increases due to increased pressure. This effect only occurs in arteries and arterioles, but not in veins. The absorbance of light in tissues with arteries increases during systole, mainly because of the increase in the amount of absorbing substances and due to the fact that the optic path length d in the arteries increases. This alternating part of the total absorbance allows us to differentiate the absorbance due to venous blood, a constant amount of arterial blood, and other non-pulsatile components - such as skin pigmentation (continuous component of total absorbance) - from the relative absorbance of the pulsatile component of arterial blood (alternate component). The alternating part of the light absorbed by living tissue usually does not exceed 1% to 2% of the constant absorbance. The electrical signal resulting from transmitted light, which is time-varying, is known as a plethysmographic signal.

[0045] A intensidade de luz que se propaga através de um tecido durante a diástole é alto, representado por IH, indicado nas Figuras 1 e 2. Os absorvedores que estão presentes durante a diástole são os componentes contínuos (DC). Todos os componentes DC, exceto o sangue arterial não pulsátil, podem ser representados por meio do coeficiente de extinção relativo ao comprimento de onda específico, da concentração da substância e do comprimento do caminho óptico.[0045] The intensity of light that propagates through a tissue during diastole is high, represented by IH, indicated in Figures 1 and 2. The absorbers that are present during diastole are the continuous components (DC). All DC components, except non-pulsatile arterial blood, can be represented using the extinction coefficient relative to the specific wavelength, substance concentration, and light path length.

[0046] O diâmetro dos vasos arteriais é mínimo (dmin) e então a absorvância relativa à hemoglobina arterial é mínima e a quantidade de luz transmitida é alta (IH) e tem um pico conforme as Figuras 1 e 2.[0046] The diameter of arterial vessels is minimal (dmin) and then the absorbance relative to arterial hemoglobin is minimal and the amount of transmitted light is high (IH) and has a peak as shown in Figures 1 and 2.

[0047] O comprimento do caminho óptico nas artérias aumenta durante a sístole à dmax indicado nas Figuras 1 e 2. A quantidade de luz absorvida encontra seu valor máximo e a quantidade de luz transmitida encontra seu valor mínimo IL indicado nas Figuras 1 e 2.[0047] The length of the optical path in arteries increases during systole at dmax indicated in Figures 1 and 2. The amount of absorbed light finds its maximum value and the amount of transmitted light finds its minimum value IL indicated in Figures 1 and 2.

[0048] A intensidade de luz I que incide no fotodetector (3) é uma função do diâmetro d das artérias e arteríolas. Durante um ciclo cardíaco esse diâmetro se altera de dmin à dmax. Substituindo d por dmin + Δd, pode-se expressar I em função de IH, de Δd e da parte do diâmetro que se altera de zero a dmax-dmin com relação ao tempo.[0048] The light intensity I that falls on the photodetector (3) is a function of the diameter d of the arteries and arterioles. During a cardiac cycle this diameter changes from dmin to dmax. Substituting d by dmin + Δd, one can express I as a function of IH, Δd and the part of the diameter that changes from zero to dmax-dmin with respect to time.

[0049] A leitura do instrumento (1) proposto será uma estimativa da concentração de glicose no sangue arterial, e a medição com dois comprimentos de onda permite distinguir as concentrações de apenas dois diferentes absorvedores (glicose e demais).[0049] The reading of the proposed instrument (1) will be an estimate of the concentration of glucose in arterial blood, and the measurement with two wavelengths allows to distinguish the concentrations of only two different absorbers (glucose and others).

[0050] Mas em animais encontram-se outros tipos de absorvedores presentes no sangue arterial, variando também sua concentração. Esses outros tipos absorvem luz da mesma forma que a glicose e, portanto, influenciam na medição. Assim, enquanto não forem efetuadas medições com tantos comprimentos de onda quanto existem absorvedores no sangue, não se poderá determinar as concentrações corretas de glicose nos animais.[0050] But in animals are found other types of absorbers present in arterial blood, also varying their concentration. These other types absorb light in the same way as glucose and therefore influence the measurement. Thus, until measurements are made with as many wavelengths as there are absorbers in the blood, it will not be possible to determine the correct concentrations of glucose in animals.

[0051] A concentração de glicose no sangue arterial pode ser obtida baseada na Lei de Beer como uma função da razão das absorvâncias em dois comprimentos de onda; mas devido à não linearidade dos LED's (2), do fotodetector (3) e da absorção de luz pelos tecidos, as absorvâncias tem que ser normalizadas. Este modelo resulta em uma curva de calibração teórica, que não é utilizada na prática.[0051] Arterial blood glucose concentration can be obtained based on Beer's Law as a function of the ratio of absorbances at two wavelengths; but due to the non-linearity of the LED's (2), the photodetector (3) and the light absorption by tissues, the absorbances have to be normalized. This model results in a theoretical calibration curve, which is not used in practice.

[0052] A intensidade de luz medida em um dado comprimento de onda tem que ser normalizada antes de ser comparada com o resultado da medição realizada em outro comprimento de onda, devido ao fato de cada LED (2) poder emitir luz com diferentes intensidades, devido às características de absorção dos componentes contínuos e a sensitividade do fotodetector (3) serem diferentes para comprimentos de onda diferentes, bem como devido à absorção do tecido e ao comprimento do absorvedor poderem variar muito de paciente para paciente. O sinal normalizado In é calculado dividindo a intensidade de luz transmitida pelo seu valor de pico máximo (IH,1 para o comprimento de luz de 805nm e IH,2 para o comprimento de luz de 1350nm).[0052] The light intensity measured at a given wavelength has to be normalized before being compared with the result of the measurement performed at another wavelength, due to the fact that each LED (2) can emit light with different intensities, because the absorption characteristics of the continuous components and the sensitivity of the photodetector (3) are different for different wavelengths, as well as because the tissue absorption and the absorber length can vary greatly from patient to patient. The normalized signal In is calculated by dividing the transmitted light intensity by its maximum peak value (IH.1 for the light length of 805nm and IH.2 for the light length of 1350nm).

[0053] Os sinais normalizados da intensidade de luz transmitida para os comprimentos de onda são independentes do nível de luz incidente e da não linearidade do fotodetector (3), como mostrado na Figura 3. A componente AC do sinal normalizado representa apenas as variações da luz transmitida causadas pela pulsatilidade do sangue arterial e pode ser comparada com outras componentes AC. Essas componentes AC dependem dos absorvedores presentes no sangue arterial (Glicose e Outros) e do comprimento óptico d, através da variação de volume das artérias.[0053] The normalized signals of the transmitted light intensity for the wavelengths are independent of the incident light level and the non-linearity of the photodetector (3), as shown in Figure 3. The AC component of the normalized signal represents only the variations of the Transmitted light caused by arterial blood pulsatility and can be compared with other AC components. These AC components depend on the absorbers present in the arterial blood (Glucose and Others) and on the optical length d, through the variation in the volume of the arteries.

[0054] A absorvância da luz é obtida de forma normalizada calculando o logaritmo natural da intensidade de luz transmitida normalizada. Dividindo o sinal original pela intensidade de luz transmitida durante a diástole IH, e calculando a absorvância total, calcula-se então a absorvância total apenas devido às componentes AC. A razão R dessas absorvâncias normalizadas nos comprimentos de onda de 805nm e de 1350nm (respectivamente representados por “V” e “IV” na Figura 6) depende apenas dos absorvedores de luz presentes no sangue arterial.[0054] The absorbance of light is obtained in a normalized way by calculating the natural logarithm of the normalized transmitted light intensity. Dividing the original signal by the intensity of light transmitted during diastole IH, and calculating the total absorbance, then calculate the total absorbance just because of the AC components. The R-ratio of these normalized absorbances at the wavelengths of 805nm and 1350nm (respectively represented by “V” and “IV” in Figure 6) depends only on the light absorbers present in the arterial blood.

[0055] Assumindo que o comprimento do caminho óptico d1 para o comprimento de luz de 805nm e d2 para o comprimento de luz de 1350nm são iguais, e que apenas as artérias alteram seus diâmetros, chega-se ao seguinte resultado:

Figure img0001
[0055] Assuming that the optical path length d1 for the light length of 805nm and d2 for the light length of 1350nm are equal, and that only the arteries change their diameters, the following result is reached:
Figure img0001

[0056] onde “ε” representa o coeficiente de extinção da substância, “X” o comprimento de onda utilizado no método de medição e “C” a concentração da substância.[0056] where "ε" represents the extinction coefficient of the substance, "X" the wavelength used in the measurement method and "C" the concentration of the substance.

[0057] Desta forma, a razão R não é uma função do comprimento do caminho óptico e pode ser obtida a partir da concentração da glicose no sangue arterial.[0057] Thus, the R ratio is not a function of the optical path length and can be obtained from the concentration of glucose in arterial blood.

[0058] A luz incidente que se propaga através de um tecido humano não é decomposta apenas em luz absorvida e luz transmitida como propõe a Lei de Beer. Com algumas componentes da luz ocorrem os fenômenos da reflexão e da dispersão, alterando o resultado dessa equação teórica.[0058] The incident light that propagates through a human tissue is not only decomposed into absorbed light and transmitted light as proposed by Beer's Law. With some components of light, the phenomena of reflection and scattering occur, changing the result of this theoretical equation.

[0059] A superfície da pele, os tecidos, os músculos, o osso e especialmente o sangue causam a dispersão da luz, que aumenta a absorvância da luz. O sangue não é um líquido homogêneo e é capaz de absorções não lineares da luz como, por exemplo, quando a concentração de glicose varia. A variação na absorção da luz não é devida somente ao aumento do comprimento do caminho óptico durante a sístole, devido à mudança de eixo das células vermelhas, que alteram também sua absorção. As células vermelhas têm o formato de um disco bicôncavo, sendo que seu diâmetro maior fica com alinhamento paralelo à direção do fluxo sanguíneo durante a diástole, enquanto que durante a sístole fica com alinhamento perpendicular à direção do fluxo. Como resultado destas propriedades, a absorvância e a refletância do sangue em movimento variam dentro de um ciclo cardíaco e com a velocidade do fluxo sanguíneo.[0059] The surface of the skin, tissues, muscles, bone and especially blood cause light scattering, which increases the absorbance of light. Blood is not a homogeneous liquid and is capable of non-linear light absorption, for example, when glucose concentration varies. The variation in light absorption is not only due to the increase in the length of the optical path during systole, due to the change in the axis of the red cells, which also alter their absorption. Red cells have the shape of a biconcave disc, with its larger diameter aligned parallel to the direction of blood flow during diastole, while during systole it is aligned perpendicular to the direction of flow. As a result of these properties, the absorbance and reflectance of moving blood vary within a cardiac cycle and with the velocity of blood flow.

[0060] Para este método de medição, sugere-se, em sua maioria, utilizar a relação R, conhecida como razão das razões ou razão da modulação, que pode ser definida aproximadamente por:

Figure img0002
[0060] For this measurement method, it is suggested, for the most part, to use the R ratio, known as ratio of ratios or modulation ratio, which can be defined approximately by:
Figure img0002

[0061] Nesta equação, a componente AC é a variação pico a pico do sinal na frequência cardíaca e a componente DC é a média de toda a intensidade de luz transmitida, para os dois comprimentos de luz utilizados.[0061] In this equation, the AC component is the peak-to-peak variation of the signal in heart rate and the DC component is the average of all transmitted light intensity, for the two light lengths used.

[0062] Os resultados das medições da concentração de glicose no sangue arterial diferem dos resultados obtidos baseados na Lei de Beer. Um fenômeno físico chamado dispersão da luz aumenta significativamente o resultado da medição de absorção de luz. Entretanto, o instrumento (1) proposto estima a concentração da glicose no sangue arterial com exatidão suficiente para uso clínico, apresentando um erro menor que 10%. Isso se consegue devido ao fato de que será utilizada uma curva de calibração baseada em dados empíricos, pois o modelamento matemático dos efeitos da dispersão da luz para diferentes condições é muito complexo.[0062] The results of measurements of arterial blood glucose concentration differ from the results obtained based on Beer's Law. A physical phenomenon called light scattering significantly increases the light absorption measurement result. However, the proposed instrument (1) estimates the concentration of glucose in arterial blood with sufficient accuracy for clinical use, with an error of less than 10%. This is achieved due to the fact that a calibration curve based on empirical data will be used, as the mathematical modeling of the effects of light scattering for different conditions is very complex.

[0063] Uma certa quantidade de dados deve ser adquirida em estudos clínicos para fins de calibração do instrumento, contendo informações da razão R calculada pelo instrumento proposto e o valor correspondente da concentração de glicose medida utilizando-se outro medidor mais exato. Tabelas ou equações de pesquisa devem então ser utilizadas para encontrar a relação dessas duas variáveis para a leitura do instrumento (1) aqui apresentado.[0063] A certain amount of data must be acquired in clinical studies for instrument calibration purposes, containing information of the R ratio calculated by the proposed instrument and the corresponding value of the glucose concentration measured using another more accurate meter. Tables or research equations should then be used to find the relationship of these two variables for reading the instrument (1) presented here.

[0064] Para relacionar os valores calculados da razão R com o valor de concentração de glicose apresentado pelo instrumento (1), a equação da curva de calibração teórica baseada na Lei de Beer pode ser modificada, resultando em:

Figure img0003
[0064] To relate the calculated values of the R ratio with the glucose concentration value presented by the instrument (1), the theoretical calibration curve equation based on Beer's Law can be modified, resulting in:
Figure img0003

[0065] Nesta equação, os coeficientes de extinção foram substituídos pelas constantes ki. Uma outra aproximação para a representação matemática da curva de calibração é o uso de um polinômio, ou seja, Glicemia = k + k2R + KR2[0065] In this equation, the extinction coefficients were replaced by the constants ki. Another approximation for the mathematical representation of the calibration curve is the use of a polynomial, that is, Glucose = k + k2R + KR2

[0066] Sendo que as constantes k1, k2 e k3 são determinadas por meio de estudos clínicos, a fim de se obter o melhor ajuste para a curva de calibração do instrumento (1).[0066] Since the constants k1, k2 and k3 are determined through clinical studies, in order to obtain the best fit for the instrument's calibration curve (1).

[0067] A seguir é descrito um exemplo de instrumento (1) para a medição de glicose no sangue arterial apenas para ilustrar o método, não sendo, portanto, o instrumento limitado aos diagramas e circuitos apresentados.[0067] The following is an example of an instrument (1) for measuring glucose in arterial blood just to illustrate the method, therefore, the instrument is not limited to the diagrams and circuits presented.

[0068] As medições da concentração de glicose no sangue arterial utilizam dois diferentes comprimentos de ondas, como explicado anteriormente. Dois diodos emissores de luz ou LEDs (2) - um com comprimento de onda de 805 nm e outro com comprimento de onda de 1350 nm, por exemplo - emitem luz através dos tecidos do dedo (D) de um paciente até encontrar seu respectivo fotodetector (3). Cada fotodetector (3) apresenta uma curva de resposta centralizada no comprimento de onda do diodo emissor correspondente. Os LEDs (2) devem ser alternadamente ativados a fim de se evitar influência cruzada entre os emissores e seus receptores. O sinal proveniente dos fotodetectores (3), proporcional a luz incidente proveniente dos LEDs (2) deve ser amplificado separadamente. Estes sinais são então filtrados para remover os ruídos provenientes da frequência de chaveamento, da rede elétrica e do ambiente.[0068] Measurements of arterial blood glucose concentration use two different wavelengths, as explained above. Two light-emitting diodes or LEDs (2) - one with a wavelength of 805 nm and the other with a wavelength of 1350 nm, for example - emit light through the tissues of a patient's finger (D) until it finds its respective photodetector (3). Each photodetector (3) has a response curve centered on the wavelength of the corresponding emitting diode. The LEDs (2) must be alternately activated in order to avoid cross influence between the emitters and their receivers. The signal coming from the photodetectors (3), proportional to the incident light coming from the LEDs (2), must be amplified separately. These signals are then filtered to remove noise from the switching frequency, the electrical network and the environment.

[0069] As componentes contínua e alternada de cada sinal proveniente do fotodetector (3) são então separadas por meio de filtros específicos e então amplificadas. Também existe uma separação da interferência luminosa do ambiente, sinal este que é amplificado quando os dois LEDs (2) estão desligados. Os sinais são então digitalizados por um conversor analógico digital, sendo lidos por um microcontrolador que estima o valor da concentração de glicose, mostra estes dados e envia a um computador para armazenamento e análise através de uma porta serial padrão RS-232C.[0069] The continuous and alternating components of each signal coming from the photodetector (3) are then separated by means of specific filters and then amplified. There is also a separation of light interference from the environment, a signal that is amplified when the two LEDs (2) are off. The signals are then digitized by an analog to digital converter, being read by a microcontroller that estimates the glucose concentration value, displays this data and sends it to a computer for storage and analysis through a standard RS-232C serial port.

[0070] A Figura 4 ilustra um sensor (4) com dois diodos emissores de luz e dois fotodetectores alinhados, sendo um conjunto para o comprimento de onda de 805 nm e outro para 1350 nm. A partir desta definição, tem-se uma placa microcontrolada (5) contendo os circuitos necessários para controlar os LEDs do sensor, condicionar o sinal captado pelos fotodetectores do sensor, controlar conversores A/D e D/A, dentre outras funções e com software embarcado. Esta placa (5) também tem a capacidade de realizar uma pré-filtragem digital dos sinais convertidos, mostrar a medida da concentração de glicose no sangue arterial e de se comunicar com um computador pessoal (6) utilizando um protocolo de comunicação próprio, através de uma porta serial do tipo RS-232C (7). Esta placa (7) trabalha com terra flutuante de acordo com as exigências das Normas Técnicas nacionais e internacionais para equipamentos eletromédicos (série de Normas IEC 60601 e ABNT NBR IEC 60601), garantindo a segurança do paciente e do operador que utilizará este sistema, utilizando uma fonte isolada (8).[0070] Figure 4 illustrates a sensor (4) with two light-emitting diodes and two photodetectors aligned, one set for the wavelength of 805 nm and the other for 1350 nm. From this definition, there is a micro-controlled board (5) containing the necessary circuits to control the sensor LEDs, condition the signal captured by the sensor's photodetectors, control A/D and D/A converters, among other functions and with software shipped. This board (5) also has the ability to perform a digital pre-filtering of the converted signals, display the measurement of arterial blood glucose concentration and communicate with a personal computer (6) using its own communication protocol, through one RS-232C type serial port (7). This board (7) works with floating earth in accordance with the requirements of the national and international Technical Standards for electromedical equipment (IEC 60601 and ABNT NBR IEC 60601 Standards series), ensuring the safety of the patient and operator who will use this system, using an isolated source (8).

[0071] O sensor (4) de glicemia utilizado consiste de dois LEDs e dois fotodetectores, sendo um conjunto para o comprimento de onda de 805nm e outro para 1350nm. A luz emitida pelos LEDs é parcialmente refletida, transmitida, absorvida e dispersada pela pele, por outros tecidos e pelo sangue antes de incidir no fotodetector. A montagem do sensor (4) deve ser feita de tal forma a proteger os fotodetectores (3) da ação da luz ambiente, na faixa de resposta espectral do fotodetector (3). Deve existir um cabo flexível que conecta o sensor (4) ao instrumento (1) proposto e seja capaz tanto de fornecer energia suficiente ao funcionamento dos LEDs (2) como também conduzir o sinal elétrico proveniente dos fotodetectores (3). Optou-se por utilizar um sensor transmissivo para medir a concentração de glicose no sangue. A Figura 5 mostra um sensor transmissivo genérico.[0071] The blood glucose sensor (4) used consists of two LEDs and two photodetectors, one set for the wavelength of 805nm and the other for 1350nm. The light emitted by LEDs is partially reflected, transmitted, absorbed and dispersed through the skin, other tissues and the blood before striking the photodetector. The mounting of the sensor (4) must be done in such a way as to protect the photodetectors (3) from the action of ambient light, in the spectral response range of the photodetector (3). There must be a flexible cable that connects the sensor (4) to the proposed instrument (1) and is capable of both providing enough energy to operate the LEDs (2) and also conducting the electrical signal from the photodetectors (3). We chose to use a transmissive sensor to measure the concentration of glucose in the blood. Figure 5 shows a generic transmissive sensor.

[0072] Em sensores transmissivos, o fotodetector (3) tem que detectar a luz transmitida através do tecido. Portanto, deve ser colocado alinhado com os LEDs (2) de modo que a maior quantidade de luz transmitida lhe seja incidente, garantindo assim a maior detecção possível de energia luminosa. O fotodetector (3) deve ser colocado o mais perto possível da pele, exercendo a mínima força possível sobre o tecido. Se a força exercida pelo sensor for elevada, o sangue sob o tecido pode coagular devido à pressão externa aplicada. Além disso, se a distância entre os LEDs (2) e os fotodetectores (3) for aumentada - aumentando o caminho óptico -, a quantidade de luz detectada decresce de acordo com a Lei de Beer como visto anteriormente. Normalmente os sensores transmissivos são colocados nos dedos (D), na orelha (O) ou no nariz do paciente. No caso do instrumento proposto, foi ilustrado um sensor para colocação no dedo (D) do paciente.[0072] In transmissive sensors, the photodetector (3) has to detect the light transmitted through the tissue. Therefore, it must be placed in line with the LEDs (2) so that the greatest amount of transmitted light is incident on it, thus ensuring the greatest possible detection of light energy. The photodetector (3) should be placed as close to the skin as possible, exerting as little force on the tissue as possible. If the force exerted by the sensor is high, the blood under the tissue can clot due to the external pressure applied. Furthermore, if the distance between the LEDs (2) and the photodetectors (3) is increased - increasing the optical path -, the amount of light detected decreases according to Beer's Law as seen above. Transmissive sensors are usually placed on the patient's fingers (D), ear (O) or nose. In the case of the proposed instrument, a sensor for placement on the patient's finger (D) was illustrated.

[0073] Os LEDs (2) são ativados alternadamente, de forma que apenas um comprimento de onda atravesse o tecido por vez e sua luz transmitida seja detectada pelo fotodetector (3) correspondente.[0073] The LEDs (2) are activated alternately, so that only one wavelength passes through the tissue at a time and its transmitted light is detected by the corresponding photodetector (3).

[0074] A Figura 6 apresenta o diagrama em blocos da placa de glicemia microcontrolada utilizada no Sistema para medição proposto apresentado na Figura 2.[0074] Figure 6 shows the block diagram of the microcontrolled blood glucose plate used in the proposed System for measurement shown in Figure 2.

[0075] O microcontrolador indicado na Figura 6 deve conter internamente um conversor analógico-digital de 12 bits de resolução com um multiplexador para 8 entradas analógicas e taxa máxima de conversão de 200.000 amostras por segundo, um controlador de acesso direto a memória (DMA) para as conversões analógico-digital de alta velocidade, dois conversores digital-analógico também de 12 bits de resolução, tensão de referência interna com variação máxima de 40 partes por milhão por grau centígrado, sensor de temperatura embutido e ligado ao conversor analógico-digital, 8 kbytes internos de memória flash programável pela porta serial para armazenamento de código de programa, 640 bytes internos de memória flash para armazenamento de dados sem necessidade de fonte extra para escrita dos dados, 256 bytes internos de memória RAM para armazenamento de dados, possibilidade de acesso a 16 Mbytes de memória RAM externa, possibilidade de acesso a 64 kbytes de memória com código de programa, 3 circuitos de temporizadores/contadores de 16 bits, 32 linhas de entrada/saída programáveis, 9 fontes de interrupção com 2 níveis de prioridade, capacidade para operar em três níveis de consumo de energia, um canal de comunicação serial assíncrona, um canal de comunicação compatível com o padrão I2C da PHILIPS CORPORATION, um canal de comunicação compatível com o padrão SPI da MOTOROLA, Inc, circuito de "watchdog" interno e monitor para fonte de alimentação (nos modelos testados para implementação do instrumento proposto foi utilizado o microprocessador ADμC812 da ANALOG DEVICES, INC., por ser completo para a aplicação em questão, que tem núcleo compatível com a família 8051 da INTEL CORPORATION).[0075] The microcontroller indicated in Figure 6 must internally contain a 12-bit resolution analog-digital converter with a multiplexer for 8 analog inputs and maximum conversion rate of 200,000 samples per second, a direct memory access (DMA) controller for high-speed analog-to-digital conversions, two digital-to-analog converters also with 12-bit resolution, internal reference voltage with a maximum variation of 40 parts per million per degree centigrade, built-in temperature sensor connected to the analog-digital converter, 8 kbytes of programmable flash memory via the serial port for program code storage, 640 internal bytes of flash memory for data storage without the need for extra font for data writing, 256 internal bytes of RAM memory for data storage, possibility of access to 16 Mbytes of external RAM memory, possibility to access 64 kbytes of memory with program code, 3 circuits 16-bit timers/counters, 32 programmable input/output lines, 9 interrupt sources with 2 priority levels, ability to operate at three power consumption levels, one asynchronous serial communication channel, one compatible communication channel with the I2C standard from PHILIPS CORPORATION, a communication channel compatible with the SPI standard from MOTOROLA, Inc, internal "watchdog" circuit and monitor for power supply (in the models tested for implementation of the proposed instrument, the ADμC812 microprocessor from ANALOG was used DEVICES, INC., for being complete for the application in question, which has a core compatible with INTEL CORPORATION's 8051 family).

[0076] O microcontrolador é responsável pela geração de todos os sinais para sincronismo dos circuitos da placa. Já o circuito de conversão tensão-corrente indicado na Figura 6, é o responsável pela excitação dos LEDs (Figura 7). Esse circuito é capaz de fornecer uma corrente pulsada de 120 mA para cada LED. O microcontrolador determina a corrente a ser fornecida a cada LED em função da absorção da luz por parte dos tecidos onde o sensor (4) está sendo utilizado, quando então disponibiliza em um de seus conversores digital-analógico interno uma tensão (V) equivalente à corrente desejada. A corrente deve ser a maior possível sem que se atinja a saturação do fotodetector (3).[0076] The microcontroller is responsible for generating all signals for synchronism of the circuits on the board. The voltage-current conversion circuit indicated in Figure 6, on the other hand, is responsible for the excitation of the LEDs (Figure 7). This circuit is capable of delivering a pulsed current of 120 mA to each LED. The microcontroller determines the current to be supplied to each LED as a function of light absorption by the tissues where the sensor (4) is being used, when it then makes available in one of its internal digital-analog converters a voltage (V) equivalent to desired current. The current must be as high as possible without reaching the saturation of the photodetector (3).

[0077] O microcontrolador controla a quantidade de corrente que será fornecida a cada LED, ajustando dinamicamente a tensão (VLED) entregue ao circuito conversor tensão-corrente na entrada não inversora do amplificador operacional U9B, sendo que esta tensão é mudada toda vez que se alterna o LED que está aceso.[0077] The microcontroller controls the amount of current that will be supplied to each LED, dynamically adjusting the voltage (VLED) delivered to the voltage-current converter circuit at the non-inverting input of the U9B operational amplifier, and this voltage is changed every time toggles which LED is lit.

[0078] O referido microcontrolador também controla os sinais LEDV e LEDIV, quando em nível baixo ativam o LED de 805 nm e o LED de 1350 nm, respectivamente. Os LEDs nunca estão ligados simultaneamente, mas existe um intervalo de tempo no qual ambos estão desligados, permitindo que o microcontrolador possa também obter as influências da luz ambiente.[0078] Said microcontroller also controls the LEDV and LEDIV signals, when at low level they activate the 805 nm LED and the 1350 nm LED, respectively. The LEDs are never turned on simultaneously, but there is a time interval in which both are off, allowing the microcontroller to also get the influences of ambient light.

[0079] Quando a linha LEDV está em nível lógico baixo, com a linha LEDIV em nível lógico alto, o microcontrolador disponibiliza em seu conversor digital-analógico a tensão proporcional à corrente desejada para o LED de 805 nm. Com a linha LEDV em nível lógico baixo, o transistor Q6 está desligado, permitindo assim que o transistor Q4 se ligue e conduza a corrente do LED através do resistor R10. Ainda com a linha LEDV em nível lógico baixo, o transistor Q1 liga, permitindo o fluxo de corrente da fonte positiva (+5VA), através do resistor R6, em direção ao anodo do LED de 805 nm (LVA), ligando então o LED de 805 nm. Estando a linha LEDIV em nível lógico alto, o transistor Q3 está desligado, sem condução de corrente, e o transistor Q5 está ligado, aterrando a base do transistor Q2, mantendo-o desligado. Neste caso o fluxo de corrente é da fonte positiva (+5VA), através de R6, do transistor Q1, do LED de 805 nm, do transistor Q4 e do resistor de realimentação R10. A diferença de potencial em R10 é realimentada ao amplificador operacional U9B, que a compara com a tensão de referência VLED e altera a condução de corrente de Q4 de acordo com o necessário.[0079] When the LEDV line is at a low logic level, with the LEDIV line at a high logic level, the microcontroller provides in its digital-analog converter the voltage proportional to the desired current for the 805 nm LED. With the LEDV line at a low logic level, transistor Q6 is off, thus allowing transistor Q4 to turn on and carry the LED current through resistor R10. Still with the LEDV line at low logic level, transistor Q1 turns on, allowing the flow of current from the positive source (+5VA), through resistor R6, towards the 805 nm LED anode (LVA), then turning on the LED of 805 nm. With the LEDIV line at a high logic level, transistor Q3 is off, with no current conduction, and transistor Q5 is on, grounding the base of transistor Q2, keeping it off. In this case the current flow is from the positive source (+5VA), through R6, transistor Q1, 805 nm LED, transistor Q4 and feedback resistor R10. The potential difference at R10 is fed back to the operational amplifier U9B, which compares it with the reference voltage VLED and changes the current conduction of Q4 as necessary.

[0080] Quando a linha LEDIV está em nível lógico baixo, com a linha LEDV em nível lógico alto, o microcontrolador disponibiliza em seu conversor digital-analógico a tensão proporcional à corrente desejada para o LED de 1350 nm. Com a linha LEDIV em nível lógico baixo, o transistor Q5 está desligado, permitindo assim que o transistor Q2 se ligue e conduza a corrente do LED através do resistor R10. Ainda com a linha LEDIV em nível lógico baixo, o transistor Q3 liga, permitindo o fluxo de corrente da fonte positiva (+5VA), através do resistor R6, em direção ao anodo do LED de 1350 nm (LVK), ligando então o LED de 1350 nm. Estando a linha LEDV em nível lógico alto, o transistor Q1 está desligado, sem condução de corrente, e o transistor Q6 está ligado, aterrando a base do transistor Q4, mantendo-o desligado. Neste caso o fluxo de corrente é da fonte positiva (+5VA), através de R6, do transistor Q3, do LED de 1350 nm, do transistor Q2 e do resistor de realimentação R10. A diferença de potencial em R10 é realimentada ao amplificador operacional U9B, que a compara com a tensão de referência VLED e altera a condução de corrente de Q2 de acordo com o necessário.[0080] When the LEDIV line is at a low logic level, with the LEDV line at a high logic level, the microcontroller provides in its digital-analog converter the voltage proportional to the desired current for the 1350 nm LED. With the LEDIV line at a low logic level, transistor Q5 is off, thus allowing transistor Q2 to turn on and carry the LED current through resistor R10. Still with the LEDIV line at low logic level, transistor Q3 turns on, allowing the flow of current from the positive source (+5VA), through resistor R6, towards the anode of the 1350 nm LED (LVK), then turning on the LED of 1350 nm. With the LEDV line at a high logic level, transistor Q1 is off, with no current conduction, and transistor Q6 is on, grounding the base of transistor Q4, keeping it off. In this case the current flow is from the positive source (+5VA), through R6, transistor Q3, 1350 nm LED, transistor Q2 and feedback resistor R10. The potential difference at R10 is fed back to the operational amplifier U9B, which compares it with the reference voltage VLED and changes the current conduction of Q2 as necessary.

[0081] No caso das linhas LEDV e LEDIV estarem ambas em nível lógico alto, todos os transistores bipolares estão desligados, não havendo condução de corrente através de nenhum dos LEDs.[0081] In case the LEDV and LEDIV lines are both at high logic level, all bipolar transistors are off, with no current conducting through any of the LEDs.

[0082] O circuito de detecção do sensor, que detecta se há ou não sensor conectado, verifica simplesmente a saturação do amplificador operacional U9B através da conversão analógico-digital da linha INOP, sendo que está saturado quando o sensor não está conectado.[0082] The sensor detection circuit, which detects whether or not there is a sensor connected, simply checks the saturation of the U9B operational amplifier through the analog-digital conversion of the INOP line, which is saturated when the sensor is not connected.

[0083] Na Figura 8 é apresentado o diagrama de tempo do circuito demultiplexador que aparece na Figura 6. Cada fase apresentada na Figura 8 equivale a um intervalo de tempo de aproximadamente 520 μs. O sinal "LED V" corresponde ao acionamento do LED de 805 nm, enquanto que o sinal "LED IV" corresponde ao acionamento do LED de 1350 nm. O demultiplexador necessita de um atraso no seu acionamento em relação aos LEDs, devido ao tempo de resposta dos circuitos analógicos que estão entre os fotodetectores (3) e o demultiplexador. Sendo assim, os sinais de acionamento do demultiplexador apresentam um atraso em relação ao sinal de acionamento do LED correspondente. Existe também um sinal que é demultiplexado e corresponde à fase em que ambos os LEDs estão desligados. Esse sinal corresponde à interferência da luz ambiente somada aos “offsets” dos circuitos analógicos, devendo este sinal ser também lido pelo microcontrolador a fim de eliminá-lo dos sinais correspondentes aos LEDs.[0083] In Figure 8 is presented the time diagram of the demultiplexer circuit that appears in Figure 6. Each phase shown in Figure 8 is equivalent to a time interval of approximately 520 μs. The "LED V" signal corresponds to the activation of the 805 nm LED, while the signal "LED IV" corresponds to the activation of the 1350 nm LED. The demultiplexer needs a delay in its activation in relation to the LEDs, due to the response time of the analog circuits that are between the photodetectors (3) and the demultiplexer. Therefore, the demultiplexer trigger signals present a delay in relation to the corresponding LED trigger signal. There is also a signal that is demultiplexed and corresponds to the phase when both LEDs are off. This signal corresponds to the interference of ambient light added to the “offsets” of the analog circuits, and this signal must also be read by the microcontroller in order to eliminate it from the signals corresponding to the LEDs.

[0084] Na fase 1 é acionado o LED de 805 nm, permanecendo o LED de 1350 nm desligado, desabilita-se a saída do demultiplexador e aguarda-se o tempo de resposta necessário do circuito analógico anterior ao demultiplexador. Na fase 2, ainda com o LED de 805 nm acionado e o LED de 1350 nm desligado, habilita-se o demultiplexador e libera-se sua saída correspondente ao circuito de amostra e retém do LED de 805 nm. Na fase 3 desliga-se os dois LEDs, desabilita-se a saída do demultiplexador e novamente aguarda-se o tempo de resposta necessário do circuito analógico anterior ao demultiplexador. Na fase 4, mantendo a mesma condição dos LEDs da fase 3, habilita-se o demultiplexador e libera-se sua saída correspondente ao circuito de amostra e retém da interferência da luz ambiente. Na fase 5 é acionado o LED de 1350 nm, permanecendo o LED de 805 nm desligado, desabilita-se a saída do demultiplexador e aguarda-se o tempo de resposta necessário do circuito analógico anterior ao demultiplexador. Na fase 6, ainda com o LED de 1350 nm acionado e o LED de 805 nm desligado, habilita-se o demultiplexador e libera-se sua saída correspondente ao circuito de amostra e retém do LED de 1350 nm. As fases 7 e 8 são idênticas as fases 3 e 4, onde novamente amostra-se a interferência da luz ambiente. Após a fase 8 volta-se a executar a fase 1.[0084] In phase 1, the 805 nm LED is activated, while the 1350 nm LED remains off, the demultiplexer output is disabled and the necessary response time of the analog circuit prior to the demultiplexer is awaited. In phase 2, with the 805 nm LED still on and the 1350 nm LED off, the demultiplexer is enabled and its output corresponding to the sample circuit is released and the 805 nm LED is retained. In phase 3, the two LEDs are turned off, the demultiplexer output is disabled and again the necessary response time of the analog circuit prior to the demultiplexer is waited. In phase 4, keeping the same condition as the LEDs of phase 3, the demultiplexer is enabled and its output corresponding to the sample circuit is released and it retains the interference of the ambient light. In phase 5, the 1350 nm LED is activated, while the 805 nm LED remains off, the demultiplexer output is disabled and the necessary response time of the analog circuit prior to the demultiplexer is awaited. In phase 6, with the 1350 nm LED still on and the 805 nm LED off, the demultiplexer is enabled and its output corresponding to the sample circuit is released and the 1350 nm LED is retained. Phases 7 and 8 are identical to phases 3 and 4, where again the interference of ambient light is sampled. After phase 8, phase 1 is run again.

[0085] Como o sinal de interesse proveniente dos fotodetectores (3) implementado por dois fotodiodos é uma corrente, deve-se utilizar um amplificador diferencial de transcondutância como, por exemplo, o mostrado na Figura 9. O fotodetector (3) do sensor (4) é ligado diretamente neste circuito, sendo seu anodo ligado à linha FDA e seu catodo à linha FDK. Uma vantagem desta configuração é que se conseguem ganhos maiores com resistores menores, o que reduz o “offset” de saída do circuito. Outra vantagem deste circuito é a grande rejeição de modo comum, pois o ruído irá aparecer como um sinal de modo comum em ambas as entradas, sendo cancelado na saída do amplificador. É importante ressaltar que esta configuração não elimina a necessidade de uma blindagem eletrostática, mas trabalha bem em conjunto com ela, removendo o ruído que atravessa as imperfeições da blindagem.[0085] As the signal of interest from the photodetectors (3) implemented by two photodiodes is a current, a differential transconductance amplifier should be used, for example, the one shown in Figure 9. The photodetector (3) of the sensor ( 4) it is connected directly to this circuit, its anode being connected to the FDA line and its cathode to the FDK line. An advantage of this configuration is that larger gains are achieved with smaller resistors, which reduces the circuit output “offset”. Another advantage of this circuit is the great common-mode rejection, as the noise will appear as a common-mode signal on both inputs, being canceled at the amplifier output. It is important to emphasize that this configuration does not eliminate the need for an electrostatic shield, but it works well together with it, removing the noise that crosses the imperfections of the shield.

[0086] Como o sinal proveniente do amplificador diferencial de transimpedância tem informações à respeito do sinais referentes aos LEDs e à luz ambiente, os diferentes conteúdos deste sinal necessitam ser separados para serem tratados individualizadamente pelos circuitos de filtragem (nos modelos testados, para demultiplexar estes sinais foi utilizado o componente integrado CD4051B da PHILIPS CORPORATION, desenvolvido exatamente para esta finalidade, controlado pelo microcontrolador, como descrito anteriormente). Após os sinais serem demultiplexados, entram em um circuito simples de amostragem e retenção que pode ser visto na Figura 10. Este circuito mostra o sinal, carregando o capacitor no intervalo de tempo em que o demultiplexador está com sua saída direcionada para ele, e mantém a carga quando o demultiplexador coloca a saída direcionada a ele em um estado de alta impedância, pois tanto do lado do demultiplexador quanto do lado do amplificador operacional, nesta situação, o circuito apresenta uma impedância muito elevada, da ordem de 1012 Q. A temporização do circuito demultiplexador também está apresentada na Figura 8, e a sincronização é realizada com o circuito de excitação dos LEDs.[0086] As the signal from the differential transimpedance amplifier has information about the signals referring to the LEDs and ambient light, the different contents of this signal need to be separated to be individually treated by the filtering circuits (in the tested models, to demultiplex these PHILIPS CORPORATION integrated component CD4051B was used, developed exactly for this purpose, controlled by the microcontroller, as described above). After the signals are demultiplexed, they enter a simple sampling and holding circuit that can be seen in Figure 10. This circuit shows the signal, charging the capacitor in the time interval in which the demultiplexer is with its output directed to it, and maintains the load when the demultiplexer puts the output directed to it in a high impedance state, because both on the demultiplexer side and on the operational amplifier side, in this situation, the circuit presents a very high impedance, in the order of 1012 Q. The timing of the demultiplexer circuit is also shown in Figure 8, and the synchronization is performed with the LEDs excitation circuit.

[0087] Os sinais já demultiplexados são então filtrados para eliminação de ruídos e separação das componentes alternada e contínua de cada sinal. No caso da componente alternada, é realizada uma filtragem adicional para se eliminar a componente contínua, pois a componente alternada representa, na maioria dos casos, uma variação de 1% a 3% do sinal total recebido pelo fotodetector (3) e, se não for realizada esta filtragem antes de passar pelo circuito de amplificação, a componente alternada ocuparia uma pequena faixa do conversor analógico-digital, o que ocasionaria grandes imprecisões no cálculo de R. Já no caso da componente contínua, realiza-se uma filtragem adicional para se eliminar a componente alternada do sinal.[0087] The signals already demultiplexed are then filtered to eliminate noise and separate the alternating and continuous components of each signal. In the case of the alternating component, an additional filtering is performed to eliminate the continuous component, as the alternating component represents, in most cases, a variation of 1% to 3% of the total signal received by the photodetector (3) and, if not if this filtering is performed before going through the amplification circuit, the alternating component would occupy a small range of the analog-digital converter, which would cause large inaccuracies in the calculation of R. In the case of the continuous component, an additional filtering is performed to determine eliminate the alternating component of the signal.

[0088] Os filtros passa-baixas (filtros PB indicados na Figura 6) são filtros comuns do tipo Butterworth de segunda ordem com frequência de corte de 5 Hz, sendo a filtragem adicional do sinal, para total eliminação da componente AC, feita pelo microcontrolador. Este filtro é aplicado nos sinais do LED de 805 nm, do LED de 1350 nm e da luz ambiente. Já os filtros passa faixas (filtros PF indicados na Figura 6) foram implementados com um filtro passa-baixa seguido de um filtro passa-alta, ambos do tipo Butterworth de segunda ordem, tendo o filtro passa-baixa uma frequência de corte de 40Hz e o filtro passa-alta uma frequência de corte de 0,05Hz. Esta topologia foi escolhida para o filtro passa-faixa devido à dificuldade de componentes para a configuração utilizando um único circuito.[0088] The low-pass filters (PB filters indicated in Figure 6) are common filters of the second order Butterworth type with a cut-off frequency of 5 Hz, with the additional filtering of the signal, for total elimination of the AC component, made by the microcontroller . This filter is applied to 805 nm LED, 1350 nm LED and ambient light signals. The bandpass filters (PF filters indicated in Figure 6) were implemented with a low-pass filter followed by a high-pass filter, both of the second order Butterworth type, with the low-pass filter having a cutoff frequency of 40Hz and the high-pass filter a cutoff frequency of 0.05Hz. This topology was chosen for the bandpass filter due to the difficulty of configuring components using a single circuit.

[0089] Após os sinais serem filtrados, são novamente multiplexados a fim de passar por um amplificador de ganho programável no qual cada sinal pode ser amplificado com um ganho diferente, e finalmente chegar à entrada do conversor analógico-digital do microcontrolador (novamente foi escolhido o componente integrado CD4051B da PHILIPS CORPORATION para este circuito, controlado também pelo microcontrolador, porém podem ser utilizados outros componentes similares já existentes ou a serem desenvolvidos).[0089] After the signals are filtered, they are again multiplexed in order to go through a programmable gain amplifier in which each signal can be amplified with a different gain, and finally reach the input of the microcontroller's analog-digital converter (again it was chosen the integrated component CD4051B from PHILIPS CORPORATION for this circuit, also controlled by the microcontroller, but other similar components already existing or to be developed may be used).

[0090] A Figura 11 apresenta o diagrama de tempo do circuito multiplexador, sendo que também neste diagrama cada fase tem um tempo de aproximadamente 520 μs. Cada sinal fica ativo na saída do multiplexador durante três fases, sendo que a letra “c” dentro de cada sinal representa a fase em que é realizada a leitura do conversor analógico-digital. O atraso relativo ao aparecimento do sinal no conversor e o início da conversão é devido ao tempo de resposta dos circuitos de multiplexação e ganho programável. Ainda na Figura 11, MUX PF V representa a saída do sinal relativo ao LED de 805 nm filtrado por seu filtro passa-faixa; MUX PB V representa a saída do sinal relativo ao LED de 805 nm filtrado por seu filtro passa-baixas; MUX PF IV representa a saída do sinal relativo ao LED de 1350 nm filtrado por seu filtro passa-faixa; MUX PB IV representa a saída do sinal relativo ao LED de 1350 nm filtrado por seu filtro passa-baixas, e MUX PB AMB representa a saída do sinal relativo à luz ambiente filtrado por seu filtro passa-baixa.[0090] Figure 11 presents the time diagram of the multiplexer circuit, and in this diagram each phase has a time of approximately 520 μs. Each signal is active at the output of the multiplexer for three phases, and the letter “c” inside each signal represents the phase in which the reading of the analog-digital converter is performed. The delay relative to the appearance of the signal in the converter and the start of the conversion is due to the response time of the multiplexing circuits and the programmable gain. Also in Figure 11, MUX PF V represents the output of the signal relative to the 805 nm LED filtered by its band-pass filter; MUX PB V represents the output of the signal relative to the 805 nm LED filtered by its low-pass filter; MUX PF IV represents the output of the signal relative to the 1350 nm LED filtered by its band-pass filter; MUX PB IV represents the output of the signal relative to the 1350 nm LED filtered by its low-pass filter, and MUX PB AMB represents the output of the signal relative to ambient light filtered by its low-pass filter.

[0091] Na fase 1 é habilitada a entrada do multiplexador relativa ao filtro passa- faixa do sinal do LED de 805 nm, programa-se o amplificador de ganho programável com o valor correspondente a esse sinal e aguarda-se o tempo de resposta necessário do circuito analógico à frente do multiplexador. Na fase 2, mantêm-se as mesmas condições da fase 1 e dispara-se o conversor analógico-digital do microcontrolador. Na fase 3, mantêm-se as mesmas condições da fase 2 e lê-se o conversor analógico-digital, que contêm o dado relativo à componente alternada do LED de 805 nm.[0091] In phase 1, the multiplexer input relative to the bandpass filter of the 805 nm LED signal is enabled, the programmable gain amplifier is programmed with the value corresponding to this signal and awaits the necessary response time of the analog circuit in front of the multiplexer. In phase 2, the same conditions as in phase 1 are maintained and the microcontroller's analog-digital converter is triggered. In phase 3, the same conditions as in phase 2 are maintained and the analog-digital converter is read, which contains the data related to the alternating component of the 805 nm LED.

[0092] Na fase 4 é habilitada a entrada do multiplexador relativa ao filtro passa- baixa do sinal do LED de 805 nm, programa-se o amplificador de ganho programável com o valor correspondente a esse sinal e aguarda-se o tempo de resposta necessário do circuito analógico à frente do multiplexador. Na fase 5 mantêm-se as mesmas condições da fase 4 e dispara-se o conversor analógico-digital do microcontrolador. Na fase 6 mantêm-se as mesmas condições da fase 5 e lê-se o conversor analógico-digital, que contêm o dado relativo à componente contínua do LED de 805 nm.[0092] In phase 4, the multiplexer input relative to the low-pass filter of the 805 nm LED signal is enabled, the programmable gain amplifier is programmed with the value corresponding to this signal and awaits the necessary response time of the analog circuit in front of the multiplexer. In phase 5, the same conditions as in phase 4 are maintained and the analog-digital converter of the microcontroller is triggered. In phase 6, the same conditions as in phase 5 are maintained and the analogue-digital converter is read, which contains the data relating to the continuous component of the 805 nm LED.

[0093] Na fase 7 é habilitada a entrada do multiplexador relativa ao filtro passa- faixa do sinal do LED de 1350 nm, programa-se o amplificador de ganho programável com o valor correspondente a esse sinal e aguarda-se o tempo de resposta necessário do circuito analógico à frente do multiplexador. Na fase 8 mantêm-se as mesmas condições da fase 7 e dispara-se o conversor analógico-digital do microcontrolador. Na fase 9 mantêm-se as mesmas condições da fase 8 e lê-se o conversor analógico-digital, que contêm o dado relativo à componente alternada do LED de 1350 nm.[0093] In phase 7 the multiplexer input relative to the bandpass filter of the 1350 nm LED signal is enabled, the programmable gain amplifier is programmed with the value corresponding to this signal and awaits the necessary response time of the analog circuit in front of the multiplexer. In phase 8, the same conditions as in phase 7 are maintained and the analog-digital converter of the microcontroller is triggered. In phase 9 the same conditions as in phase 8 are maintained and the analogue-digital converter is read, which contains the data related to the alternating component of the 1350 nm LED.

[0094] Na fase 10 é habilitada a entrada do multiplexador relativa ao filtro passa- baixa do sinal do LED de 1350 nm, programa-se o amplificador de ganho programável com o valor correspondente a esse sinal e aguarda-se o tempo de resposta necessário do circuito analógico à frente do multiplexador. Na fase 11 mantêm-se as mesmas condições da fase 10 e dispara-se o conversor analógico-digital do microcontrolador. Na fase 12 mantêm-se as mesmas condições da fase 11 e lê-se o conversor analógico-digital, que contêm o dado relativo à componente contínua do LED de 1350 nm.[0094] In phase 10, the multiplexer input relative to the low-pass filter of the 1350 nm LED signal is enabled, the programmable gain amplifier is programmed with the value corresponding to this signal and await the necessary response time of the analog circuit in front of the multiplexer. In phase 11, the same conditions as in phase 10 are maintained and the analog-digital converter of the microcontroller is triggered. In phase 12, the same conditions as in phase 11 are maintained and the analogue-digital converter is read, which contains the data relating to the continuous component of the 1350 nm LED.

[0095] Na fase 13 é habilitada a entrada do multiplexador relativa ao filtro passa- baixa do sinal da interferência da luz ambiente, programa-se o amplificador de ganho programável com o valor correspondente a esse sinal e aguarda-se o tempo de resposta necessário do circuito analógico à frente do multiplexador. Na fase 14 mantêm-se as mesmas condições da fase 13 e dispara-se o conversor analógico-digital do microcontrolador. Na fase 15 mantêm-se as mesmas condições da fase 14 e lê-se o conversor analógico-digital, que contêm o dado relativo à componente contínua da interferência da luz ambiente. Na fase 16 é lido o sinal proveniente da linha INOP pelo conversor analógico digital do microcontrolador, que serve para detectar a presença ou não do sensor de glicemia.[0095] In phase 13, the multiplexer input relative to the low-pass filter of the ambient light interference signal is enabled, the programmable gain amplifier is programmed with the value corresponding to this signal and await the necessary response time of the analog circuit in front of the multiplexer. In phase 14, the same conditions as in phase 13 are maintained and the analog-digital converter of the microcontroller is triggered. In step 15, the same conditions as in step 14 are maintained and the analogue-digital converter is read, which contains the data relating to the continuous component of ambient light interference. In phase 16, the signal coming from the INOP line is read by the digital analog converter of the microcontroller, which serves to detect the presence or not of the blood glucose sensor.

[0096] Para o amplificador de ganho programável (14) foi escolhido um circuito com um conversor digital-analógico multiplicador de 12 bits com entrada serial DAC8043 (ANALOG DEVICES, INC), como mostrado na Figura 12. Com este circuito é possível ajustar ganhos de 1 a 4095, o que nos permite uma grande faixa de ganhos com um circuito bastante simples.[0096] For the programmable gain amplifier (14), a circuit with a 12-bit multiplier digital-analog converter with serial input DAC8043 (ANALOG DEVICES, INC) was chosen, as shown in Figure 12. With this circuit it is possible to adjust gains from 1 to 4095, which allows us a wide range of gains with a very simple circuit.

[0097] As linhas de controle SRI_DAC, CLK_DAC e LOAD_DAC são controladas pelo microcontrolador e são relativas ao carregamento do dado do conversor. Os ganhos são trocados para cada sinal e estes estão em fase com os sinais apresentados na Figura 11.[0097] The SRI_DAC, CLK_DAC and LOAD_DAC control lines are controlled by the microcontroller and are related to the loading of the converter data. The gains are swapped for each signal and these are in phase with the signals shown in Figure 11.

[0098] Para os circuitos de isolação foi utilizado um módulo já disponível, denominado S.FNT.0002-4, que tem uma fonte isolada dentro das prescrições da série de Normas Técnicas NBR IEC 60601. Alimentando o módulo com +5V, este fornece duas fontes de +5V (uma para os circuitos analógicos e outra para os circuitos digitais) e uma outra fonte de -5V para os circuitos analógicos, todas já isoladas. Dentro deste módulo também é realizada a isolação dos sinais de comunicação serial, com o uso de opto- acopladores (no protótipo construído, foi utilizado o H11N1-M da FAIRCHILD SEMICONDUCTOR CORPORATION). Na saída da placa serial, e utilizando a mesma fonte de +5V utilizada para alimentar o módulo S.FNT.0002-4, foi incluído um circuito para conversão dos níveis de tensão da saída de comunicação serial ao padrão RS-232C (foi utilizado o circuito integrado MAX232C da MAXIM INTEGRATED PRODUCTS, INC, que pode ser substituído por outro de características similares).[0098] For the isolation circuits, an already available module was used, called S.FNT.0002-4, which has an isolated source within the prescriptions of the NBR IEC 60601 Technical Standards series. Supplying the module with +5V, it supplies two +5V sources (one for the analog circuits and one for the digital circuits) and another -5V source for the analog circuits, all already isolated. Within this module, the isolation of serial communication signals is also carried out, using opto-couplers (in the built prototype, the H11N1-M from FAIRCHILD SEMICONDUCTOR CORPORATION was used). At the output of the serial board, and using the same +5V source used to power the S.FNT.0002-4 module, a circuit was included to convert the voltage levels of the serial communication output to the RS-232C standard (it was used the MAX232C integrated circuit from MAXIM INTEGRATED PRODUCTS, INC, which can be replaced by one with similar characteristics).

[0099] Evidentemente, podem-se conceber diversos Sistemas de Medição semelhantes a este aqui descrito, de mesma concepção básica, mas diferindo sob aspectos relativos às formas, dimensões, materiais e outros critérios de importância secundária, sem que com isso se fuja do escopo da proteção requerida. O mesmo ocorre com os circuitos e componentes, que foram apresentados como um exemplo, dentre muitos possíveis, de implementação e realização do instrumento. Tais conjuntos, porém, permanecerão indissoluvelmente ligados ao espírito e ao escopo desta patente.[0099] Evidently, it is possible to conceive several Measurement Systems similar to the one described here, of the same basic conception, but differing in aspects related to shapes, dimensions, materials and other criteria of secondary importance, without thereby departing from the scope required protection. The same happens with the circuits and components, which were presented as an example, among many possible ones, of implementation and realization of the instrument. Such sets, however, will remain inextricably linked to the spirit and scope of this patent.

[0100] Assim, corolário do exposto e ilustrado, conclui-se que o invento apresenta características logísticas e funcionais completamente inéditas e, portanto, é provido dos requisitos necessários para obter o privilégio de patente de invenção aqui reivindicado.[0100] Thus, as a corollary of the above and illustrated, it is concluded that the invention presents logistical and functional characteristics completely unprecedented and, therefore, is provided with the necessary requirements to obtain the patent privilege of invention claimed here.

Claims (8)

1) “INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO NÃO-INVASIVA PARA MONITORIZAÇÃO CONTÍNUA DA CONCENTRAÇÃO DE GLICOSE NO SANGUE ARTERIAL” compreendido por instrumento (1) constituído por LED emissor de luz (2), fotodetector (3), sensor óptico não-invasivo (4) e circuito eletrônico (5), caracterizado pelo fato de utilizar a característica pulsátil do sangue para distinguir a absorvância do sangue arterial de outros absorvedores, utilizando dois comprimentos de ondas diferentes, sendo ondas de 805nm e de entre 1300 a 2400nm, para realizar a medição.1) "NON-invasive MEASUREMENT INSTRUMENT FOR CONTINUOUS MONITORING OF GLUCOSE CONCENTRATION IN ARTERIAL BLOOD" comprised of an instrument (1) consisting of a light-emitting LED (2), photodetector (3), non-invasive optical sensor (4) and electronic circuit (5), characterized by the fact that it uses the pulsatile characteristic of blood to distinguish the absorbance of arterial blood from other absorbers, using two different wavelengths, being waves of 805nm and between 1300 and 2400nm, to perform the measurement. 2) “INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO NÃO-INVASIVA PARA MONITORIZAÇÃO CONTÍNUA DA CONCENTRAÇÃO DE GLICOSE NO SANGUE ARTERIAL” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de efetuar a medição da glicemia exclusivamente no sangue arterial.2) "NON-invasive MEASUREMENT INSTRUMENT FOR CONTINUOUS MONITORING OF GLUCOSE CONCENTRATION IN ARTERIAL BLOOD" according to claim 1, characterized in that it performs the measurement of blood glucose exclusively in arterial blood. 3) “INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO NÃO-INVASIVA PARA MONITORIZAÇÃO CONTÍNUA DA CONCENTRAÇÃO DE GLICOSE NO SANGUE ARTERIAL” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de utilizar a medição da absorvância ou transmitância ou refletância da luz nos tecidos vivos.3) "NON-invasive MEASUREMENT INSTRUMENT FOR CONTINUOUS MONITORING OF GLUCOSE CONCENTRATION IN ARTERIAL BLOOD" according to claim 1, characterized in that it uses the measurement of absorbance or transmittance or reflectance of light in living tissues. 4) “INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO NÃO-INVASIVA PARA MONITORIZAÇÃO CONTÍNUA DA CONCENTRAÇÃO DE GLICOSE NO SANGUE ARTERIAL” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de poder ser utilizado em seres humanos ou em animais.4) "NON-invasive MEASUREMENT INSTRUMENT FOR CONTINUOUS MONITORING OF GLUCOSE CONCENTRATION IN ARTERIAL BLOOD" according to claim 1, characterized in that it can be used in humans or animals. 5) “INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO NÃO-INVASIVA PARA MONITORIZAÇÃO CONTÍNUA DA CONCENTRAÇÃO DE GLICOSE NO SANGUE ARTERIAL” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de poder ser construído em forma de anel, brinco, bracelete ou outro formato qualquer que possibilite o uso pessoal e passível de exibição de dados.5) "NON-INVASIVE MEASURING INSTRUMENT FOR CONTINUOUS MONITORING OF GLUCOSE CONCENTRATION IN ARTERIAL BLOOD" according to claim 1, characterized in that it can be constructed in the form of a ring, earring, bracelet or any other format that allows its use personal and viewable data. 6) “INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO NÃO-INVASIVA PARA MONITORIZAÇÃO CONTÍNUA DA CONCENTRAÇÃO DE GLICOSE NO SANGUE ARTERIAL” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de mostrar o valor da medida no próprio instrumento.6) "NON-invasive MEASUREMENT INSTRUMENT FOR CONTINUOUS MONITORING OF GLUCOSE CONCENTRATION IN ARTERIAL BLOOD" according to claim 1, characterized in that it shows the measurement value in the instrument itself. 7) “INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO NÃO-INVASIVA PARA MONITORIZAÇÃO CONTÍNUA DA CONCENTRAÇÃO DE GLICOSE NO SANGUE ARTERIAL” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de possuir um sistema de transmissão de dados por cabos, fibras óticas, ondas de rádio transmissão ou quaisquer outros meios adequados, para uma unidade receptora dotada de programa específico para divulgação, manipulação e/ou controle das informações.7) "NON-invasive MEASUREMENT INSTRUMENT FOR CONTINUOUS MONITORING OF GLUCOSE CONCENTRATION IN ARTERIAL BLOOD" according to claim 1, characterized in that it has a data transmission system by cables, optical fibers, radio transmission waves or any other suitable means, to a receiving unit equipped with a specific program for the dissemination, manipulation and/or control of information. 8) “INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO NÃO-INVASIVA PARA MONITORIZAÇÃO CONTÍNUA DA CONCENTRAÇÃO DE GLICOSE NO SANGUE ARTERIAL” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser portátil e possibilitar a automonitorização da glicemia de forma não-invasiva e contínua.8) "NON-INVASIVE MEASURING INSTRUMENT FOR CONTINUOUS MONITORING OF GLUCOSE CONCENTRATION IN ARTERIAL BLOOD" according to claim 1, characterized in that it is portable and enables self-monitoring of blood glucose in a non-invasive and continuous way.
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