Estymacja wyników końcowych

Badania na ochotnikach prowadzone były przy zachowaniu względnie małych ruchów badanych kończyn podczas pomiaru w celu zniwelowania wpływu czynników zewnętrz-nych na otrzymywane wyniki. Prowadzone były zarówno badania pojedyncze, gdzie

urzą-dzenie było podłączane do ochotnika co założoną jednostkę czasu. W takich badaniach utrzymywano zarówno zbliżone miejsce zbierania pomiarów, jak i również wykorzystywa-no różne części ciała (np.: różne miejsca na ręce bądź całkowicie inne kończyny). Drugą formą pomiarów były badania ciągłe (stałe podłączenie urządzenia) prowadzone w róż-nych miejscach na ciele (jednym wybranym w trakcie pojedynczej sesji badawczej). W ra-mach badań przebadano grupę 51 osób zarówno zdrowych (40 osób), jak i chorych (11 osób) na cukrzycę typu I oraz II. W badaniu wzięły udział kobiety (22 osoby) i męż-czyźni (29 osób) w wieku od 20 do 68 roku życia. Zebrano łącznie jedenaście tysięcy pró-bek w tym 648 pomiarów wraz z wynikami referencyjnymi dla glukozy oraz 376 própró-bek z pomiarami odniesienia dla alkoholu. Zbieranie danych dla wielu długości fal pozwoliło również na analizę, jak dużą poprawę dokładności pomiarów można osiągnąć za pomocą założeń poczynionych w ramach niniejszej pracy. W dalszej części niniejszego rozdziału zostaną przybliżone wyniki na podstawie zebranych danych pomiarowych w odniesieniu zarówno do pomiarów spotykanych w literaturze, jak i za pomocą zaproponowanych tech-nik korekcji wytech-niku.

Procedura pomiarowa w przypadku całej grupy badawczej była następująca:

 urządzenie rejestrujące zostało umieszczane na ciele badanej osoby (rejestrowanie sygnałów optycznych co 60 sekund)

 dokonywano pomiaru referencyjnego stężenia glukozy

 po czasie 5 minut od rozpoczęcia pomiarów następowało przyjęcie napoju zawie-rającego 30g cukru w 250 ml wody

 badanie kontynuowano kolejne 90 min po czym następowało zdjęcie urządzenia

 pomiary referencyjne wykonywano w odstępach 15 minutowych

Na podstawie powyższego opisu u 12 osób badania powtarzano dla różnego ułożenia głowicy rejestrującej na ciele (ramię, przedramię, łydka, brzuch).

W trakcie badań przeprowadzono również badania na sobie w celu zobrazowania zmian stężenia glukozy pod kątem różnych warunków dostarczenia cukru do organizmu:

 spożycie wodnego roztworu cukru,

 spożycie cukru w formie posiłku,

 badania prowadzone bezpośrednio po przyjęciu cukru,

 badania prowadzone po określonym czasie od spożycia cukru,

 badania zaczynające się przed spożyciem cukru.

Przykładowy wykres obrazujący zmiany stężenia badanej substancji (glukozy) we krwi w czasie ciągłym wraz z punktami odniesienia (pomiary referencyjne tradycyjnym gluko-metrem) zaprezentowano na rysunku 6.5.

Rys. 6.5. Estymacja zmian stężenia glukozy w sposób ciągły (spożycie 30g cukru w roztworze wodnym) [69]

Prowadzone badania w dużej mierze opierały się na przyjmowaniu wodnego roztworu wody z cukrem lub innych płynów zawierających dużą ilość cukru. W celu wyeliminowa-nia wpływu nawodniewyeliminowa-nia organizmu przez przyjmowane próbki (150 ml – 300 ml roztworu wodnego) zostało zaproponowane badanie z wykorzystaniem uproszczonego spektrofoto-metru do pomiarów w zakresie światła widzialnego oraz bliskiej podczerwieni. Został on zbudowany w ramach niniejszych badań w celu dokładniejszej analizy zmian natężenia światła dla szerokiego zakresu spektralnego. Budowa urządzenia została oparta o schemat zaprezentowany w części teoretycznej niniejszej pracy [81, 89]. Opracowane urządzenie wraz ze specjalną głowicą pomiarową umożliwiało szerokopasmową analizę metodą trans-misyjną oraz odbiciową [68]. Do detekcji sygnału wykorzystana została matryca CCD

po-chodząca z aparatu cyfrowego [81] o wielkości 1/2,5”. Do chłodzenia przetwornika wyko-rzystano moduł Peltiera oraz rozbudowany radiator do odprowadzenia nadmiaru ciepła.

Rozwiązanie to pozwoliło na obniżenie temperatury pracującego detektora do temperatury 5 ^OC. W ten sposób zredukowano wielkość szumu termicznego, która mogłaby zakłócać detekcję bardzo słabych sygnałów. Źródłem światła wykorzystanym do badania była ża-rówka wolframowa wraz z soczewką skupiającą wiązkę światła w kierunku badanej tkanki.

Źródło to zostało umieszczone w odległości 5 mm od światłowodowej głowicy pomiaro-wej w przypadku pomiarów odbiciowych lub po przeciwległej stronie palca przy pomia-rach transmisyjnych. Głowica światłowodowa zakończona była ferulą światłowodową z płaskim czołem. Drugie identyczne zakończenie było wykonane w urządzeniu rejestrują-cym, gdzie padająca wiązka światła ulegała rozszczepieniu za pomocą pryzmatu. Rozsz-czepione widmo promieniowania skierowano na matrycę światłoczułą. Dzięki takiej reali-zacji możliwe stało się zaobserwowanie zmian absorpcji promieniowania z rozdzielczością wynoszącą około 5 nm. Dokładność odwzorowania wartości wynosiła 10 bitów, co jest maksymalną dokładnością przetworników analogowo-cyfrowych matrycy CCD. Dzięki ta-kiej dokładności możliwe było zaobserwowanie 1024 różnych poziomów sygnału. Wartość rejestrowanego sygnału była możliwa do regulacji poprzez ustawienie właściwego czasu ekspozycji. Dla tak słabych sygnałów konieczne było prowadzenie naświetlania w czasie od 40 do 64 sekund. Zebrane obrazy były następnie przetwarzane cyfrowo w celu wykre-ślenia krzywej absorbancji w funkcji długości fali. Zastosowanie rozwiązania, w którym wiązka światła pada na matrycę w dwóch osiach umożliwia zarówno pomiar różnych dłu-gości fal, jak i również pomiar tych samych dłudłu-gości przez różne studnie elektronowe przetwornika CCD (leżące na prostej prostopadłej do osi częstotliwościowej rozszczepio-nego światła). Rozwiązanie to umożliwiło zniwelowanie błędów pomiarowych wynikają-cych z różnych czułości poszczególnych studni elektronowych oraz poprawę dokładności prowadzonych pomiarów [81]. Przykładowe widmo żarówki wolframowej pokazano na ry-sunku nr 6.6. Wyraźnie widać pełen zakres promieniowania od koloru niebieskiego aż do podczerwieni. Na rysunku 6.7 pokazano z kolei natężenie promieniowania w funkcji dłu-gości fali uzyskane dla białej diody LED oraz żarówki halogenowej za pomocą opisanego urządzenia. Można zauważyć, że widmo to odpowiada charakterystyce opisane w części teoretycznej niniejszej pracy, tj. posiada maksima emisji w okolicy koloru niebieskiego (450 nm) oraz czerwonego (600 nm).

Rys. 6.6. Uzyskane widmo żarówki wolframowej [68]

Rys. 6.7. Wykres natężenia promieniowania w funkcji długości fali dla wybranych źródeł światła

Jedyną wadą omawianego systemu pomiarowego jest brak możliwości określenia war-tości światła w jednostkach układu SI. Możliwe jest jedynie określenie absorbancji w skali od zera (brak sygnału) do jeden (maksymalny rejestrowany sygnał). Wykres na rysunku 6.7 powstał w oparciu o 8 bitowe odwzorowanie wyniku, stąd na osi Y znajdują się warto-ści z przedziału 0 – 255. W dalszej częwarto-ści prezentowane będą wyniki z 10 bitową dokład-nością (skala pionowa w przedziale 0 – 1023). Pomiary były realizowane w pewnych od-stępach czasowych od siebie, jednakże dla jednakowych czasów ekspozycji. Zasadnicze serie pomiarowe zaprezentowane na poniższych wykresach powstawały bezpośrednio po sobie w możliwie jak najkrótszym przedziale czasu w celu zminimalizowania wpływu czynników zewnętrznych na prowadzone obserwacje. Opisywane urządzenie wraz ze zmierzonym przebiegiem w tle zaprezentowano na rysunku 6.8.

Rys. 6.8. Fotografia urządzenia pomiarowego

Opisywane urządzenie miało za zadanie pokazać zmiany stężenia glukozy we krwi głównie metodą odbiciową przy jednoczesnej eliminacji ryzyka nawodnienia organizmu poprzez przyjmowane porcje roztworów. Osoba badana znajdowała się w ciemnym po-mieszczeniu, siedziała wygodnie i bez ruchu (w celu zniwelowania czynników zewnętrz-nych mogących wpłynąć na rejestrowane pomiary). W pierwszej kolejności osoba badana przyjmowała 300 ml czystej wody, po czym prowadzone były pomiary w odstępach 3 mi-nutowych. Po 15-nastu minutach realizowana była druga część badania, polegająca na przyjęciu roztworu 10 g cukru w 150 ml czystej wody. Następnie rejestrowano zmiany również w 3 minutowych odstępach czasowych do łącznego czasu trwania badania, wyno-szącego 15 minut. Całe badanie zajmowało więc 30 minut, co pozwalało na utrzymanie jak najmniejszych ruchów (przy dłuższych pomiarach pojawiają się mimowolne ruchy mające znaczący wpływ na prowadzone pomiary). Dzięki takim badaniom pokazano, że podczas pierwszej serii nie obserwuje się zmian w całym obserwowanym oknie długości fal. Ozna-cza to, że wypicie 300 ml wody nie wpłynęło w żaden sposób na rejestrowane sygnały.

Z kolei wypicie 150 ml roztworu wody z cukrem spowodowało w przeciągu takiego same-go czasu badania znaczące zmiany rejestrowanych sygnałów. Oznacza to, że zauważono

wpływ zmiany stężenia glukozy w organizmie, a nie zarejestrowano zmiany wynikającej z wypicia wody. Wnioskiem z tego badania było to, że prowadzenie badań polegających na wypiciu wodnego roztworu nie powoduje zmian nawodnienia organizmu, zmiany ilości wody w osoczu i nie wpływa negatywnie na prowadzone badania stężenia glukozy we krwi. Dzięki temu można śmiało stwierdzić, że przyjmowanie wodnego roztworu zawiera-jącego cukier będzie objawiało się zmianami sygnału, które w całości odpowiadają zmia-nom stężenia glukozy, a nie wpływu dostarczonej do organizmu wody. Wyniki ekspery-mentu pokazano na rysunkach 6.9 oraz 6.10.

Rys. 6.9. Wykres natężenia światła w funkcji długości fali po spożyciu glukozy

Rys. 6.10. Wykres natężenia światła w funkcji długości fali po spożyciu wody

Powyższe wykresy obrazujące zmierzone wartości sygnałów dla całego zakresu spek-tralnego nie obrazują wyraźnie zmian w funkcji długości fali światła przechodzącego przez tkankę. W celu zwiększenia kontrastu pomiędzy zaprezentowanymi przebiegami scałkowa-no powyższe krzywe. Uzyskascałkowa-no w ten sposób wykres skumulowany. Wynik ten pokazascałkowa-no na rysunkach 6.11a oraz 6.11b ukazujących rozbieżności scałkowanych przebiegów w mia-rę upływu czasu. Miejscami rozchodzenia się krzywych są pasma absorpcji. Nie można na tej podstawie dokonać precyzyjnej oceny, ponieważ mierzone sygnały posiadały zaledwie 10 bitowe odzwierciedlenie oraz były obarczone błędami pomiarowymi wynikającymi z jakości matrycy światłoczułej aparatu cyfrowego. Możliwe jest natomiast uzasadnienie tezy o braku wpływu nawodnienia organizmu na zmiany sygnałów obserwowanych za po-mocą właściwego systemu pomiarowego.

Rys. 6.11. Scałkowane wykresy natężenia światła po spożyciu glukozy (a) oraz wody (b) [68]

W celu dodatkowego potwierdzenia, że obserwowany wzrost absorpcji dla danych dłu-gości fal światła zarówno widzialnego, jak i podczerwonego faktycznie odzwierciedla zmiany stężenia glukozy wykonano również serię badań laboratoryjnych. Polegały one na pomiarach metodą transmisyjną próbek wodnego roztworu o zmiennych stężeniach gluko-zy. W tym celu przygotowano trzy próbki (dwa roztwory wody z glukozą oraz wodę desty-lowaną) w stężeniach:

 0 %,

 1,25 %,

 2,5 %.

Wykres zmian absorpcji promieniowania w funkcji długości fali dla przeprowadzonych pomiarów metodą transmisyjną przez szalki z badanym roztworem pokazano na rysunku 6.12. Zaprezentowano wykresy scałkowanych przebiegów jak w poprzednim przypadku w celu lepszego uwidocznienia różnic pomiędzy krzywymi.

Rys. 6.12. Scałkowane wykresy natężenia światła dla glukozy rozpuszczonej w roztworze wodnym