Метод ИК-фотометрии для измерения концентрации глюкозы в растворе для перитонеального диализа

Введение. Переход глюкозы в кровь при перитонеальном диализе с регенерацией диализирующего раствора приводит к снижению скорости удаления излишков жидкости из организма и соответствующим нарушениям водно-солевого баланса.
Цель работы. Рассмотрена система автоматического поддержания концентрации глюкозы в диализирующем растворе, обеспечивающая эффективную ультрафильтрацию, а также предложен бесконтактный фотометрический датчик обратной связи.
Материалы и методы. Датчик представляет собой оптическую пару из лазерного ИК-диода мощностью 30 мВт с длиной волны 1600 нм, фотодиода и кварцевой трубки, через которую осуществляется циркуляция исследуемого раствора. Датчик измеряет ослабление проходящего через раствор импульсного ИК-излучения, на основании которого рассчитывается концентрация глюкозы. Подобранная комбинация цифровых фильтров обеспечивает компенсацию шумов оптической пары. Экспериментальные исследования эффективности датчика проводились на растворах для перитонеального диализа с различными концентрациями мочевины, креатинина, мочевой кислоты и глюкозы. В начале экспериментов датчик калибровался на чистом растворе.
Результаты. В результате экспериментов показано, что разработанный датчик позволяет измерять концентрацию глюкозы в растворе для перитонеального диализа в диапазоне 42…220 ммоль/л с относительной погрешностью около 15 %. Время одного измерения составляет примерно 1 мин, что позволяет получать актуальную информацию о текущей концентрации раствора.
Заключение. Указанное сочетание характеристик позволит использовать датчик в носимых аппаратах "искусственная почка" для оценки содержания глюкозы в растворе, расчета времени замены раствора и в качестве датчика обратной связи для системы поддержания концентрации осмотического агента.

1. Rushing J. Assessing for Dehydration in Adults // Nursing. 2009. Vol. 39, № 4. P. 14. doi: 10.1097/01.NURSE.0000348406.04065.6d

2. Hydration and Chronic Kidney Disease Progression: A Critical Review of the Evidence / W. F. Clark, J. M. Sontrop, S.-H. Huang, L. Moist, N. Bouby, L. Bankir // American J. of Nephrology. 2016. Vol. 43, № 4. P. 281–292. doi: 10.1159/000445959

3. Kinetic Modeling of Incremental Ambulatory Peritoneal Dialysis Exchanges / S. Guest, J. K. Leypoldt, M. Cassin, M. Schreiber // Peritoneal Dialysis Intern. J. of the International Society for Peritoneal Dialysis. 2017. Vol. 37, № 2. P. 205–211. doi: 10.3747/pdi.2016.00055

4. Krediet R. T. Ultrafiltration Failure Is a Reflection of Peritoneal Alterations in Patients Treated With Peritoneal Dialysis // Frontiers in Physiology. 2018. Vol. 9. Art. 1815. P. 1-6. doi: 10.3389/fphys.2018.01815

5. Dialysis-associated Hyperglycemia: Manifestations and Treatment / Y. Sun, M.-E. Roumelioti, K. Ganta, R. H. Glew, J. Gibb, D. Vigil, C. Do, K. S. Servilla, B. Wagner, J. Owen, M. Rohrscheib, R. I. Dorin, G. H. Murata, A. H. Tzamaloukas // Intern. Urology and Nephrology. 2020. Vol. 52, № 3. P. 505–517. doi: 10.1007/s11255-019-02373-1

6. Electromagnetic–Acoustic Sensing for Biomedical Applications / S. Liu, R. Zhang, Z. Zheng, Y. Zheng // Sensors. 2018. Vol. 18, № 10. Art. 3203. doi: 10.3390/s18103203

7. Evaluation of Blood Glucose Concentration Measurement using Photoacoustic Spectroscopy in Near-infrared Region / T. Namita, M. Sato, K. Kondo, M. Yamakawa, T. Shiina // Proc. of the SPIE. 2017. Vol. 10064. Art. 100645A. doi: 10.1117/12.2252532

8. Jain P., Maddila R., Joshi A. M. A precise Non-invasive Blood Glucose Measurement System using NIR Spectroscopy and Huber’s Regression Model // Optical and Quantum Electronics. 2019. Vol. 51, № 2. Art. 51. doi: 10.1007/s11082-019-1766-3

9. New Methodology to Obtain a Calibration Model for Noninvasive Near-infrared Blood Glucose Monitoring / K. Maruo, T. Oota, M. Tsurugi, T. Nakagawa, H. Arimoto, M. Tamura, Y. Ozaki, Y. Yamada // Applied spectroscopy. 2006. Vol. 60, № 4. P. 441–449. doi: 10.1366/000370206776593780

10. Tan C. L., Mohseni H. Emerging Technologies for High Performance Infrared Detectors // Nanophotonics. 2018. Vol. 7, № 1. P. 169–197. doi: 10.1515/nanoph-2017-0061

11. Fibercom – High Power Laser Diodes from 905 to 1800 nm. Model FB-S1600-30SOT148. URL: https://fb-laser.com/wp-content/uploads/2021/02/FB-S1600-30SOT148.pdf (дата обращения 31.03.2021)

12. InGaAs PIN фотодиоды ДФД1000ТО-К. URL: http://www.dilas.ru/fd/dfd1000to-k.php (дата обращения 31.03.2021)

13. Пентин Ю. А., Вилков Л. В. Физические методы исследования в химии. М.: Мир, 2006. 683 с.

14. Пожар К. В. Применение метода трансмиссионной спектроскопии для неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови // Мед. техника. 2018. № 4. С. 22–24.

15. AD5624. 2.7 V to 5.5 V, 450 μA, Rail-to-Rail Output, Quad, 12-/16-Bit nanoDACs. URL: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad5624_5664.pdf (дата обращения 04.04.2021)

16. AD7682. 16-Bit, 4-Channel/8-Channel, 250 kSPS PulSAR ADCs. URL: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/datasheets/AD7682_7689.pdf (дата обращения 04.04.2021)

17. STM32F103RG. Mainstream Performance line, Arm Cortex-M3 MCU with 1 Mbyte of Flash memory, 72 MHz CPU, motor control, USB and CAN. URL: https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32f103rg.html (дата обращения 05.04.2021)

18. Stat Fax® 4500 Chemistry Analyzer. URL: http://crestlinescientific.com/sites/default/files/4500brochures1v3_0.pdf (дата обращения 05.04.2021)

19. Quantitative determination of glucose IVD. URL: https://www.spinreact.com/assets/files/Inserts/SERIE_SPINTECH_(TKB)/Bioquimica/TKBSIS46_GLUCOSELQ_2019.pdf (дата обращения 05.04.2021)

20. Quantitative determination of urea IVD. URL: https://www.spinreact.com/assets/files/Inserts/SERIE_SPINTECH_(TKB)/Bioquimica/TKBSIS47_UREALQ_2019.pdf (дата обращения 05.04.2021)

21. Quantitative determination of uric acid IVD. URL: https://www.spinreact.com/assets/files/Inserts/MD/BIOQUIMICA/MDBSIS45_URIC_ACID-LQ_2017.pdf (дата обращения 05.04.2021)

22. Quantitative determination of creatinine IVD. URL: https://www.spinreact.com/assets/files/Inserts/MD/BIOQUIMICA/MDBSIS13_CREATININA_2017.pdf (дата обращения 05.04.2021)

23. Scientific Aspects of Lab and Animal testing of Wearable Dialysis Equipment / N. A. Bazaev, D. V. Federyakin, E. V. Streltsov, A. V. Baklanova, N. M. Zhilo // IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), St Petersburg and Moscow, 27-30 Jan. 2020. Piscataway: IEEE, 2020. P. 2465– 2468. doi: 10.1109/EIConRus49466.2020.9039179

24. Risk Factors and Prevention of Peritoneal DialysisRelated Peritonitis / L.Gadola,C. Poggi,P.Dominguez,M. V.Poggio, E. Lungo, C. Cardozo // Peritoneal Dialysis International: J. of the Intern. Society for Peritoneal Dialysis. 2019. Vol. 39, № 2. P. 119–125. doi: 10.3747/pdi.2017.00287

25. Himmelfarb J., Ratner B. Wearable Artificial Kidney: Problems, Progress and Prospects // Nature Reviews Nephrology. 2020. Vol. 16, № 10. P. 558–559. doi: 10.1038/s41581-020-0318-1

26. Wearable Artificial Kidney and Wearable Ultrafiltration Device Vascular Access – Future Directions / A. C. Castro, M. Neri, A. Nayak Karopadi, A. Lorenzin, N. Marchionna, C. Ronco // Clinical Kidney J. 2019. Vol. 12, № 2. P. 300–307. doi: 10.1093/ckj/sfy086

27. Urea Removal Strategies for Dialysate Regeneration in a Wearable Artificial Kidney / M. K. Gelder, J. A. W. Jong, L. Folkertsma, Y. Guo, C. Blüchel, M. C. Verhaar, M. Odijk, C. F. Van Nostrum, W. E. Hennink, K. G. F. Gerritsen // Biomaterials. 2020. Vol. 234. Art. 119735. 18 p. doi: 10.1016/j.biomaterials.2019.119735