Din punct de vedere statistic, la nivel internațional, Organizația Mondială a Sănătății (World Health Organization) ne prezintă o serie de fapte1: [308049]

1. Introducere

Ceea ce pentru orice om poate părea ceva banal, o [anonimizat], devine, de cele mai multe ori un lux pentru persoana care se confruntă cu o anumită afectare a [anonimizat].

[anonimizat] a dozelor de insulină și implicit diminuarea efectelor secundare ale bolii prin atenția sporită la tot ce face parte din regimul alimentar al unei persoane diabetice sunt doar câteva din lucrurile care descriu o altă formă a ,,normalității’’ vieții de zi cu zi pentru o astfel de persoană.

Identificarea unei tehnici de monitorizare corectă a nivelului de glucoză și insulină rămâne o [anonimizat], poate fi considerat un handicap pentru pacienți.

Monitorizarea continuă a glicemiei pentru pacientul diabetic și instrumentația utilizată în acest scop constituie unul dintre domeniile de cercetare și dezvoltare de actualitate a Ingineriei Biomedicale și nu numai iar metodele tehnologiilor moderne care să preîntâmpine acest deziderat concurează tot mai mult în obținerea rezultatelor ideale pentru creșterea calității vieții fiecărei persoane diagnosticată cu această stare.

În zilele noastre diabetul zaharat reprezintă una dintre problemele de sănătate ce se regăsește din ce în ce mai frecvent atât la nivel național cât și mondial.

[anonimizat], Organizația Mondială a Sănătății (World Health Organization) ne prezintă o serie de fapte[1]:

numărul persoanelor diabetice a crescut de la 108 milioane în 1980 la 422 milioane în 2014;

frecvența diabetului în rândul persoanelor peste 18 ani a crescut de la 4.7% în 1980 la 8.5 % în 2014 și cu predilecție în tările slab dezvoltate din punct de vedere economic;

în 2012 se estimează că 1.5 milioane de decese au cauzate în mod direct de diabet și alte 2.2 milioane de stări asociate și declanșate de acesta. Aproape jumătate dintre toate acestea survin înainte de 70 ani. OMS preconizează că diabetul va ajunge a șaptea cauză de deces în 2030

La nivel național o analiză de situație [2] a Centrului Național de Evaluare și Promovare a Stării de Sănătate ne informează că în 2014 existau 1530250 persoane diabetice pe grupa de vârstă 20-79 ani cu o prevalență de 7.99%.

În ciuda eforturilor depuse de organizațiile de specialitate din țară și din lume de a informa populația și de a o îndruma spre o dietă echilibrată și exercițiu fizic numărul cazurilor noi depistate crește în mod alarmant de la un an la altul. Apariția acestei boli metabolice chiar și în rândul copiilor cu consecințe grave asupra vieții lor prin efectele ireversibile ale valorilor crescute ale glicemiei asupra tuturor organelor subliniază cu atât mai mult importanța monitorizării atente a stării de sănătate.

Corpul uman și sistemele naturale în general sunt definite de tendința spre starea de echilibru dar acest lucru nu înseamnă neapărat că volumele circulatorii vor fi tot timpul constante. Condițiile se schimbă. Pentru indivizii sănătoși glicemia va crește prin aportul alimentar și se va diminua în timpul digestiei iar în funcție de aceste variații și direct proporțional nivelul secreției de insulină se va modifica și el în timp ce organismul va reintra în stare de homeostazie. Pentru asigurarea menținerii acestei stări monitorizarea nivelului glicemiei, care se află în relație de interdependență cu cel al insulinei, este un scop în sine care însă, în mod zilnic, presupune o anumită doză de discomfort și suferință fizică și psihică. Dispozitivele dezvoltate până în prezent, dincolo de siguranța și acuratețea înregistrărilor efectuate nu au reușit să diminueze sau să sisteze această suferință și anume leziunile date de înțepăturile zilnice în număr destul de mare ( chiar și 10-12 pe zi).

Auzim din ce în ce mai frecvent, mai ales în ultimii 5-7 ani expresia de monitorizare sau măsurare noninvazivă a glicemiei care se referă la orice mijloc de înregistrare care ar putea îndeplini această sarcină fără a produce nici un fel de suferință.

Un sistem de monitorizare continuă a glicemiei în mod noninvaziv nu este pancreasul artificial, nu ne spune cată insulină să facem, trebuie dublat cu glicemie capilară la ora de administrare a insulinei. DAR oferă avantajul vizualizării tendinței glicemiei, a vârfurilor glicemice postprandiale, pe care în mod obișnuit nu le testăm și, în plus, oferă oportunitatea selectării anumitor alimente ce nu au un impact semnificativ asupra glicemiei.

Pentru a înțelege și mai mult atât complexitatea stării patologice cât și subtilitatea semnalelor pe care organismul uman le poate oferi în acest cadru vom descrie și analiza în primă fază modificările fiziologice care apar odată cu schimbările metabolice celulare în diferite momente.

2. Diabetul zaharat – noțiuni de fiziopatologie

Glucoza, sub forma moleculară este sursa de energie a celulei umane fiind cel mai important monozaharid din sânge. Rezultă din digestia carbohidraților și nu numai și din conversia hepatică a glicogenului în glucoză.

Glucoza este un furnizor indispensabil de energie care susține activitatea celulară. Cei doi hormoni care reglează în mod direct nivelul glucozei în sânge sunt glucagonul și insulina.

,,Glucagonul accelerează conversia glicogenului în glucoză și determină astfel creșterea glicemiei. Insulina crește permeabilitatea membranelor celulare la glucoză, transportă glucoza în celule (pentru metabolism), stimulează formarea glicogenului și reduce concentrația glucozei din sânge.’’[3]

Menținerea unui nivel constant de glucoză în sânge este de importanță majoră pentru organismul uman și rolul principal în realizarea acestei sarcini îl are ficatul și pancreasul prin secreția de insulină și glucagon.

2.1 Descriere – definiție

Diabetul zaharat[4] (DZ) reprezintă starea patologică a organismului dată de valorile crescute ale concentrației de glucoză în sânge pe fondul tulburărilor metabolice determinate de absența sau prezența unor cantități preponderent insuficiente de insulină, hormon regulator produs de pancreas, care duce la o serie de complicații degenerative și infecțioase.

Ca frecvență cazurile de diabet reprezintă la momentul actual 20 % din totalul afecțiunilor întalnite.

Din punct de vedere etiologic DZ primar este dat de factorul ereditar sau este idiopatic (fără cauză cunoscută), nu apare ca urmare a altor afectări ale organismului.

DZ secundar este cel dobândit pe parcursul vieții și este determinat de doi factori: a) deteriorarea până la dispariția funcției endocrine a pancreasului și a pancreasului în sine cauzată de agenți infecțioși, toxici, medicamentoși, tumori ș.a.;

b) solicitarea peste nivelul optim a exercitării funcției endocrine pentru contracararea excesului de glucide, stările de obezitate.

2.2 Clasificare:

În funcție de necesitatea hormonului regulator, insulina, DZ este:

I. DZ tip I insulinonecesitant care apare la copii, la tineri și adulți până la vârsta de 40 ani sub influența predispoziției genetice

II. DZ tip II non-insulinonecesitant care apare cu precădere după vârsta medie de viață fie favorizat de prezența obezității, fie declanșa de stress, boli intercurente, sedentarism.

III. Tipul de DZ asociat specific unor tulburări hormonale, stări de convalescență, stări postterapeutice administrării de diverse medicamente, alte afecțiuni pancreatice precum: – ,,defect genetic al funcției celulei β;

– defecte genetice ale acțiunii insulinice: insulinorezistență tip A, leprechaunism, sindrom Rabson-Mendenhall, diabet lipoatrofic etc.;

– boli ale pancreasului exocrin: pancreatită cronică, fibroză chistică, hemocromatoză, pancreatopatie fibrocalculoasă, neoplasm;

– boli endocrine: acromegalie, sindrom Cushing, feocromocitom, hipertiroidism, glucagonom, somatostatinom și altele;

– diabet indus medicamentos sau prin alte substanțe chimice: glucocorticoizi, hormoni tiroidieni, α – interferon și altele;

– infecții: rubeolă congenitală, citomegalovirus, altele;

– forme rare de diabet indus imun;

– alte sindroame genetice asociate: sindrom Down, sindrom Wolfram, ataxie Friedreich, sindrom Turner, porfirie etc.’’

IV. DZ gestațional

V. Prediabet – modificarea glicemiei bazale, scăderea toleranței la glucoză(Ghid Diabet Zaharat, Spitalul Municipal Timișoara)

I. DZ tip I sau insulino-necesitant, insulinodependent are o prevalență de 5-10 % din numărul total de pacienți diabetici. În absența furnizării insulinei din sursă externă decesul este inevitabil. Există 2 subcategorii ale DZ tip I: autoimun – se formează autoanticorpi care vor distruge celulele β responsabile de producerea insulinei, idiopatic – are loc aceeași distrucție celulară însă fără să avem nici un fel de informații despre modul în care se întâmplă.

Instalarea DZ tip I este cu debut brusc la pacienții tineri, până la 30-40 de ani cu simptomatologie specifică.

II. DZ tip II noninsulino-necesitant, insulinoindependent este caracterizat de rezistența pe care o dezvoltă organismul la acțiunea insulinei. Modificările de osmolaritate de la nivelul peretelui celular care nu vor mai avea loc și care în mod normal ar permite transferul glucozei vor duce la acumularea acesteia, creștere care la rândul ei va stimula în continuare secreția insulinei. Cercul vicios dat de nivelul ridicat al glicemiei concomitent cu hiperinsulinismul vor epuiza în timp celulele β prin suprasolicitare.

2.3 Datele tabloului clinic este împărțit între simptomatologia specifică (polidipsia – aportul crescut de lichide(2-5 litri/zi), poliuria, polifagia și, în mod paradoxal, scăderea ponderală) și nespecifică (astenia marcată, fatigabilitate, prurit cutanat, gust dulce în gură).

2.4 Tabloul paraclinic pentru stabilirea corectă a diagnosticului cuprinde o serie de analize de laborator corelate cu modificările date de tulburările de metabolism apărute.

Valorile normale ale glicemiei au variații în funcție de specificul pacientului (vârstă, sex), momentul măsurării (,,a jeune’’ sau postprandial) dar ca punct de plecare valorile glicemiei bazale conform criteriilor ADA (American Diabetes Association) sunt conform tabelului următor [3]:

În practică stabilirea diagnosticului de DZ se face pe baza a cel puțin 2 valori crescute peste limita superioară (126 mg/dL) identificate în două zile diferite.

Valorile glicemiei persoanelor diabetice diferențiate pe criteriile amintite au următoarele variații (conform eHealth):

Investigațiile paraclinice necesare stabilirii corecte a diagnosticului de DZ vor cuantifica valorile date de:

– Glicemia ,,a jeune’’ în cel puțin 2 zile diferite;

– Glucozuria măsurată din cantitatea totală de urină pe 24 ore.

– Corpii cetonici (substituenții glucozei la nivelul creierului în stările de dezechilibru major al metabolismului glucidic care are ca urmare cetoacidoza și coma cetoacidotică);

– Test de Toleranță la Glucoză – procedeu care compară glicemia ,,a jeune’’ cu cea măsurată la 2 ore după ingestia unei cantități date de glucoză (75 g în 5 minute pe cale orală dizolvată în apă rece), prin aceasta determinându-se răspunsul insulinic al organismului;

– Hemoglobina (HbA1c) glicată – valorile crescute ale acestei analize de laborator sunt un indicator al prezenței hiperglicemiei în ultimele 2-3 luni [13].

Suplimentar tabloul paraclinic se poate completa cu date despre profilul lipidic, protidic, hidroelectrolitic (pentru a evidenția pierderile de Na, K), profilul acidobazic.

2.5. Tratamentul DZ tip I constă în administrarea prin injectare subcutanată corectă și dozarea corespunzătoare a insulinei din sursă exogenă. Exercițiul fizic și dietele sunt factori adjuvanți. În schimb acestea două din urmă joacă un rol foarte important în tratamentul DZ tip II în sensul că, în faza incipientă se încearcă reglarea glicemiei prin stabilirea unui regim alimentar corespunzător coroborat cu efortul fizic și plante medicinale.

Pasul următor îl constituie administrarea de antidiabetice orale- ADO: Metformin, Clordopamid, Maninil și altele cu efect hipoglicemiant.

Secundar tratamentului administrat și preponderent insulinei pot apărea o serie de stări negative asupra organismului: hipoglicemia (cauzată de supradozarea insulinei, efortului fizic intens, instalarea insuficienței renale cronice, instalarea unei remisii tranzitorii), reacții cutanate, apariția insulinorezistenței, fasciculațiile musculare ( pe fondul hipopotasemiei), apariția edemelor membrelor inferioare prin retenția hidrică indusă.

2.6. Complicațiile acute și cronice ale DZ

A. Complicațiile acute:

A1. Cetoacidoza diabetică (CAD)[5]

Diagnosticarea cetoacidozei diabetice se bazează pe concurența a 3 termeni: starea hiperglicemică, nivelul ridicat al concentrației corpilor cetonici în sânge, respectiv cetoza urmată de instalarea acidozei semnalate cel mai frecvent și prin mirosul de ,, măr putred’’ în aerul expirat de pacient ca rezultat al prezenței acetonei.

Din punct de vedere fiziopatologic cetoacidoza diabetică este ,,postul dus la extrem’’. Deficitul insulinic sever determină o importantă creștere a glucagonului și catecolaminelor care vor redirecționa toate resursele organismului spre susținerea necesarului de glucoză la nivel cerebral. Hiperglicemia este indusă în acest moment de mecanisme multiple: stimularea glicogenolizei – ficat și mușchi, scăderea utilizării glucozei în țesuturile cu sensibilitate crescută la insulină indusă de creșterea catecolaminelor, creșterea lipolizei cu eliberare de glicerol utilizat în sinteza hepatică de glucoză, gluconeogeneza.

Dezechilibrele hidro-electrolitice severe, glicozuria care va duce la poliurie, cetonuria, hipopotasemia și deshidratarea celulară și extracelulară, respectiv hipovolemia explică senzația de sete continuă a pacienților cât și deshidratarea tegumentară severă din contextul stării.

Starea de hipovolemie va conduce, pe fondul perfuzării deficitare renale la apariția insuficienței renale ce va accentua acidoza.

Instalarea comei diabetice cetoacidozice reprezintă urgență medicală majoră cu o rată de fatalitate crescută în lipsa tratării eficiente și în timp util. Această ,, furtună metabolică’’ impune tratarea pacientului ad-hoc, adică acolo unde este la momentul instalării ei.

Tot de importanță majoră este și diferențierea comei cetoacidozice de coma diabetică. Aceasta se va face pe baza comparației între cele două a informațiilor privitoare la debut, hidratare, tonusul muscular, statusul neuro-psihic și a celui biologic.

Tratarea cetoacidozei vizează măsurile de reglare a deficitului de insulină, reechilibrarea hidroeletrolitică și acidobazice prin administrarea de insulină, soluții perfuzabile de NaCl 9 ‰, Glucoză 5-10 %, soluții electrolitice, bicarbonat de Na (soluție 14‰) sau 8.4%, regim alimentar anticetogen.

A2. Coma hiperosmolară diabetică apare cu precădere la diabeticul vârstnic mai ales la pacienții pluritarați favorizată fiind de unele medicamente (betablocante, diuretice, cimetidină, olanzapină ș.a.) precum și de alte afecțiuni(infarct miocardic, infecții urinare, respiratorii, embolie pulmonară, pancreatită acută).

Ca tablou clinic este prezentă deshidratarea marcata, semnele de focar neurologice – convulsii, hipotensiunea făra vărsături sau dispnee Kussmaul.

Tabloul biologic este dat de: Glicemie peste 600 mg/dL, osmolaritarea serică mai mare de 350 mOsm.L, bicarbonat seric > 15 mmol/L, valori ale pH mai mari de 7.30, absența cetonuriei și deteriorarea stării de conștiență.

Rata mortalității este destul de mare, peste 50 % din pacienți ajungând la deces.

B. Complicații cronice

B1. Neuropatia diabetică manifestată prin dureri intense la nivelul membrelor, modificări severe ale reflexelor osteotendinoase, afectarea majoră a sensibilității termice, tactile, dureroase, dificultăți la mers este poate cea mai des întâlnită complicație a diabetului și survine după circa 5 ani de evoluție. Favorizează apariția gangrenei neuropate ce poate apărea la cele mai mici traumatisme cu dezvoltarea de procese infecțioase ce în final pot duce la intervenții chirurgicale de corectare sau chiar amputări.

Este necesară o igienă riguroasă cu atenție sporită pentru a nu produce astfel de microleziuni.

Soluțiile terapeutice vor susține țesuturile nervoase ale zonei afectate și sunt sub forma vitaminelor B1, B6, B12 – cure de 10 zile pe lună, administrare de Neuramion în cure 6 luni, Milgama.

B2. Afectarea vaselor sanguine mari – Macroangiopatia poate apărea la circa 10 ani de la debutul bolii favorizând cardiopatia ischemică cronică, ateroscleroza cerebrală cu AVC, infarctul miocardic acut nedureros, sindroame de ischemie periferică (obstrucția arterelor periferice, în special a membrelor inferioare).

B3. Afectarea vaselor sanguine de calibru mic – Microangiopatia diabetică

Favorizează afecțiunile ce pot apărea la acest nivel ca retinopatia diabetică până la pierderea vederii sau nefropatia diabetică ce conduce în timp la apariția Insuficienței renale cronice și implicit a necesității dializei.

Cunoscând toate complicațiile și urmările dezastruoase până la fatale date de schimbările metabolice din cadrul bolii modelarea matematică și simularea a diverse scenarii cu ajutorul aplicațiilor software dedicate precum Matlab și Labview a devenit un mare avantaj pus la dispoziția cercetătorilor și a tuturor celor care au dorit să se implice activ în identificarea unor tehnici și metode pentru îmbunătățirea calității vieții persoanelor diabetice.

S-a considerat utilă și pentru subiectul lucrării de față modelarea și simularea în Matlab a două scenarii care evidențiază tendințele evolutive, în funcție de timp și aportul caloric, a celor 2 mediatori chimici ce definesc starea diabetică, glucoza și insulina.

3. Modelarea și simularea în Matlab a procesului de reglare a glucozei și insulinei

Modelarea matematică a acestui proces are la bază o serie de relații simple și anume variația nivelului de glucoză din sânge calculată ca diferența dintre glucoza eliberată în organism și glucoza utilizată la nivel celular în miligrame iar cea de-a doua relație se referă la variația cantității de insulină din organism în timp calculată ca diferența dintre cantitatea secretată și căderea de insulină în unități.

3.1. Condițiile inițiale sunt date de starea de echilibru ( homeostazie) a organismului :

Glucoza_din_sânge = 6000 mg

Insulina = 9000 unități.

Cantitatea de sânge din corpul uman variază destul de mult, depinzând de factori precum vârstă, sex, stare de sănătate, etc. Spre exemplu, bărbații au mai mult sânge în organism comparativ cu femeile, chiar dacă acestea au aceeași înălțime și greutate cu a bărbaților respectivi. Oamenii care trăiesc la altitudini mari, de regulă peste 3.000 metri înălțime deasupra nivelului mării, au în medie cu 1-2 litri de sânge mai mult decât oamenii care trăiesc la câmpie. Deoarece aerul de la altitudini ridicate conține mai puțin oxigen, oamenii care trăiesc aici au nevoie de o cantitate mai mare de sânge care să trimită oxigenul necesar plămânilor lor.

Cercetătorii estimează că volumul de sânge din organismul unui om este în medie de 7% din greutatea sa. Un adult în greutate medie de 70-81 kilograme are între 4,7-5,5 litri de sânge. Un copil cu greutatea de 30-40 kilograme va avea aproximativ jumătate din cantitatea de sânge deținută de un adult.

Pentru simulările procesului analizat s-a luat în considerarea aproximativ cantitatea de sânge a unui astfel de individ de talie medie, respectiv 60 dL (6L).

a) Concentrația de glucoză din sânge se măsoară în mg/dL și variază pentru pacienții sănatoși între 60 și 110 mg/dL la primele ore ale dimineții înainte de prima masă.

b) Rata de consum a glucozei în organism: (198) 200 mg/min.

c) Rata de consum – căderea de insulină: 1/18 din cantitatea totală din sânge se degradează cu fiecare minut care trece.

d) Rata de secreție a insulinei : 500 unități/minut – homeostazie.

Glucoza_consumată_de_celule = Glucoza_din_sânge*Procent_consum

Reducerea_nivelului_de_insulină = Insulină/18

Nivelul de insulină e măsurat în unități: 1 unitate = 1 mg iar rata de secreție = unități/minut.

3.2 Obiectiv

S-au realizat simulări a două potențiale scenarii:

1. Starea de echilibru

2. Stare hiperglicemică postprandială dată de ingestia unei cantități de ciocolată.

Se urmărește grafic variația în timp și în funcție de cele două scenarii a secreției de insulină ca răspuns la eliberarea glucozei în sânge, modul în care acestea se influențează reciproc pentru valori date sau anumite intervale, timpul de amortizare a unui salt glucidic și decalajul în declanșarea secreției de insulină în acest caz.

Se evidențiază feedback-ul negativ al relației glucoză-insulină.

Alte scenarii posibile pot oferi informații despre modul în care această relație este afectată în cazul diabetului, de tip 1 sau de tip 2.

Fluxul datelor de intrare s-a dispus sub forma tabelară prin utilizarea blocurilor Lookup Table după cum urmează:

Lookup Table Glucoză_eliberată

Lookup Table Secreție Insulină

Fluxul datelor de ieșire implică rezultatele ecuațiilor:

Glucoza_consumată_de_celule = Glucoza_din_sânge*Procent_consum

Reducerea_nivelului_de_insulină = Insulină/18

3.3 Simulink Model

3.3.1 Scenariul 1

Pe lângă blocurile de tip Lookup Table menționate anterior s-au utilizat blocurile de tip Scope pentru afișarea datelor de ieșire sub formă grafică, blocurile Transfer Function pentru implementarea funcțiilor implicite și blocuri de tip Integrare.

Modelul dezvoltat la acest nivel lasă loc pentru completări și eventuale dezvoltări ulterioare în contextul corelării și integrării sale în alte modelări mai complexe.

3.3.2 Scenariul 2 – creșterea glicemiei postprandial

Aportul crescut de glucoză se va regăsi în valorile introduse sub forma tabelară a blocurilor Lookup Table care se modifică pentru a reda un moment (a) sau chiar mai multe (b) la o distanță oarecare în timp în care se modifică relația glucoză – insulină.

3.4 Concluzii ale modelării

Modelul dezvoltat poate simula modul în care organismul se comportă la ingestia unei varietăți de alimente oferind răspunsuri la întrebări de genul ,, Ce cantitate și ce fel de alimente?, ,,Cu cât timp în urmă?’’ , ,,În cât timp va reacționa pancreasul?’’ și altele. Rata de secreție a insulinei este definită ca funcție dată de surplusul de glucoză din sânge. În starea de homeostazie acest surplus nu apare iar rata de secreție a insulinei este de aproximativ 500 unități/minut tocmai pentru a menține această stare.

Se poate observa creșterea sau scăderea direct proproțională a nivelului de insulină odată cu creșterea, respectiv scăderea, cantității de glucoză din sânge. În cazul surplusului de glucoză rata de secreție a insulinei va crește până la un anumit prag dat de activitatea celulelor beta ale pancreasului;

Creșterea cantității de insulină are un decalaj de aproximativ 10 minute în scenariul 2 care are corespondent în realitate și se explică prin timpul necesar ca celulele beta ale pancreasului să producă o cantitate suficientă de insulină astfel încât să se poată controla starea hiperglicemică semnalată de organism;

Pe baza modelului studiat și dezvoltat scenariile pot fi multiple aceasta oferind posibilitatea de a dezvolta o vedere de ansamblu asupra dinamicii procesului studiat și mai ales asupra feedback-ului implicat.

Având în vedere consecințele grave ale manifestărilor diabetului zaharat asupra întregului organism se subliniază încă o dată importanța intervenției prin măsuri terapeutice într-un timp cât mai scurt. Acesta este motivul și pentru care, deși e dureros și frustrant, pacienții nu stau pe gânduri în a-și măsura glicemia chiar la primele semne de oboseală, amețeli sau sete nejustificată. Măsurarea glicemiei în mod noninvaziv ar elimina surplusul de suferință și frustrare zilnică dat de tehnicile clasice.

Odată cu dezvoltarea tehnologiilor moderne de comunicare, a metodelor constructive care tind în mod continuu către designul minimalist pentru orice dispozitiv în scopul creșterii portabilității și a comfortului pentru utilizator s-a dezvoltat și ideea de teleasistență în serviciile de sănătate. Companiile și conceptele care tind să descrie dispozitive de monitorizare prin metode minim-invazive cu tendință spre noninvazive dezvoltă totodată platforme de comunicare în care datele despre starea de sănatate a pacientului să fie disponibile în orice moment.

4. Teleasistența medicală

Serviciile medicale de orice natură și de orice specialitate constituie un capitol important al vieții noastre de zi cu zi și un atu în fața schimbărilor ueori imprevizibile ale stării de sănătate. Implementarea, menținerea și evaluarea acestor servicii, atât din punct de vedere calitativ cât și cantitativ este obiectivul major al sistemului de sănătate.

Teleasistența medicală vine în sprijinul acestui sistem prin eforturile zilnice ale cadrelor medicale care, cu ajutorul tehnologiilor de comunicare și transmitere date de ultimă generație, fac tot posibilul ca pacienții aflați la distanță sau în imposibilitatea de a se deplasa să fie diagnosticați și tratați corect și la timp.

În ce privește noțiunea de telemedicină la nivel național unul dintre studiile de piață efectuate la noi în tară prezintă ca și obiective[6]:

,,- Realizarea la nivelul medicului de familie a managementului bolilor cronice cu impact major în populație, cu sprijinul medicilor specialiști prin sistemul de telemedicină;

Furnizarea de servicii medicale de specialitate ambulatorii post spitalizare pacienților externați din spitale, prin intermediul telemedicinei;

Facilitarea accesului populației din zona rurală la servicii ambulatorii de specialitate cu ajutorul soluțiilor de telemedicină;

Expertiza medicală disponibilă în mod egal, independent de locul unde trăiește pacientul;

Oferirea de informații și servicii medicale de calitate către pacienți;

Îmbunătățirea calității deciziilor medicale prin asigurarea unei mai mari disponibilități a informațiilor existente către pacienți;

Îmbunătățirea eficienței și productivității serviciilor de sănătate prin reducerea muncii administrative de rutină, datorată informațiilor existente în format electronic;

Asigurarea unei pregătiri continue a personalului medical;

Asigurarea utilizării adecvate a resurselor locale și regionale.’’

Ca și exemple de astfel de programe la noi în țară același studiu menționează:

Lotus Life – 2012 primul sistem de teleecografie la medicii de familie în județul Mureș cu interpretarea rezultatelor online de medicul primar gastroenterolog cu competențe în ecografie. Metoda a avut un real succes care a dus la extinderea ei prin achiziția a încă 3 aparate de ecografie, distribuirea lor în Harghita, Sibiu și Neamț de unde medicii de familie se conectau la orele stabilite cu grupul coordonator format din 5 medici specialiști ai echipei coordonatoare.

GRAL Medical – serviciu de consultații second opinion în Oncologie în parteneriat cu AKH Viena la dispoziția pacienților din Pitești, Râmnicu Vâlcea, Focșani, Sibiu, Craiova și Ploiești.

Programul ,,Acces la Viață’’ de care au beneficiat 9,5 milioane de români pentru servicii medicale de urgență cu transmiterea semnelor vitale, EKG, puls-oximetrie, CO2 și tensiune arterială. De subliniat aici că introducerea teledemicinei și în serviciile medicale de urgență a determinat micșorarea timpilor de intervenție și astfel creșterea șanselor de supraviețuire cu aproximativ 25%.

Telemedicina cardio la domiciliu – 2014- serviciu de telemonitorizare a tensiunii arteriale și a electrocradiogramei la domiciliu pentru 600 de persoane din județele alba, Mureș, Hunedoara, Harghita și Covasna dezvoltat prin colaborarea Asociației Caritas Alba Iulia cu Fundația Vodafone România în cadrul programului ,, Mobile for Good’’. Serviciul s-a adresat în mod special persoanelor cu situație financiară precară sau/și aflate la distanțe mari față de orașe sau centre de tratament.

Centrul de Cercetare și Telemedicină în Bolile Neurologice la Copii (Sibiu) – proiect ambițios care vizează dezvoltarea unui Centru de Cerecetare în Domeniul Medicinei Neurologice Pediatrice, a unui departament de Telemedicină la nivel de infrastructură europeană care să stimuleze cu atât mai mult cercetările din domeniu.

Majoritatea acestor programe sunt axate fie pe servicii de asistență în caz de urgență, fie pe boli cardiovasculare și în scopul acesta s-au dezvoltate serii de dispozitive care sa permită transmiterea informațiilor în timp util pe distanțe cât mai mari de genul telefoanelor cu un design cât mai robust de pe care serviciul de urgență să fie apelat prin apăsarea unei taste, module de comunicare pentru EKG și ecografie (e.g. Teleview, Telephascan, Coopurg, BpTel – dispozitiv pentru măsurarea tensiunii arteriale, HeartOne – dispozitiv EKG cu o derivație și HeartView – dispozitiv EKG miniatural cu 12 derivații.) care să permită vizualizarea și monitorizarea de la distanță în timp real.

Cu toate acestea pentru pacientul diabetic nu a existat până în 2015-2016 în țară un program de teleasistență dedicată, când, tot cu sprijinul Fundația Vodafone România, a apărut programul Connecting for Good care cu un buget de 270000 lei, cu participarea a 3 medici, 2 asistente și 1 psiholog, 40 de sisteme de telemedicină active, 1 server dedicat datelor acestui proiect, continuitate pentru 5 pompe de insulină și consumabile pentru 12 luni pentru copiii până la 7 ani reușesc să susțină 25 de copii implicați în mod direct, 40 de familii implicate indirect.

Una dintre ideile tot mai des întâlnite și probabil pasul următor în dezvoltarea aplicațiilor pentru servicii de teleasistență este implementarea acestora pe servicii de tip Cloud Computing care facilitează accesul la date practic de pe orice dispozitiv cu acces la Internet.

5. Dispozitive de măsurare și monitorizare noninvazivă a glicemiei

Deși unele lucrări descriu cu scepticism acest concept studiile și cercetările, pe cont propriu sau în echipe, în mediul academic sau în afara lui, cu obiectivul primar de a materializa sub o formă cât mai fiabilă și de acuratețe cât mai mare un dispozitiv noninvaziv[7] de măsurare/monitorizare a glicemiei nu se vor estompa mai ales în condițiile creșterii numărului de pacienți diabetici la nivel mondial.

Metodele de măsurare și monitorizare abordate de varietatea de prototipuri de dispozitive descrise în literatură sunt multiple dar au în comun ideea că glucoza se regăsește la nivel celular în întreg organismul uman.

Una dintre aceste metode este cea care abordează ,,amprenta’’ diferențiată a luminii în funcție de mediul pe care îl întâlnește și anume spectrofotometria sau spectroscopia în infraroșu .

5.1. Spectrofotometria

Spectrofotometria ca și subramură a spectroscopiei electromagnetice este metoda prin care se cuantifică modificările lungimilor de undă ale luminii la transmisia sau absorbția sa, astfel fiind posibilă, din punct de vedere calitativ și cantitativ, detectarea unei substanțe într-o soluție cât și a concentrației pe care o are substanța respectivă.

Radiația infraroșu este situată în spectrul electromagnetic între domeniul vizibil și microunde și este considerată inofensivă date fiind valorile mari ale lungimilor de undă la care apare (~10-5 m – echivalent în frecvență 1012Hz) în comparație cu radiațiile X ( 10-10m – 1018Hz) sau Gamma (10-12m – 1020Hz).

5.2. Spectrul IR

Spectrul este reprezentarea grafică a unei caracteristici a probei date în funcție de frecvență sau de lungimea de undă a radiațiilor cu care interacționează.

Spectrele IR cararacteristice vibrației agitației termice a moleculelor vor avea ca abscisă lungimea de undă (λ) sau numărul de undă (ν) cu următoarea relație de transformare:

Transmisia procentuală (T%) sau absorbția procentuală (A%) vor reprezenta ordonata spectrului IR și se definesc prin:

unde I0 – intensitatea fluxului luminos inițial:

I – intensitatea fluxului luminos final.

,,Domeniul infraroșu[8] se extinde între 3·1011 ÷ 4·1014 Hz. El este împărțit în 4 regiuni (cu limite stabilite arbitrar):

a) IR apropiat –Near IR-NIR (780-3000 nm);

b) IR intermediar – Mid IR – MIR (3000-6000 nm) ;

c) IR îndepărtat – Far IR – FIR (6000-15000 nm) ;

d)IR extrem (15000 nm – 1.0 mm).

Orice material radiază și absoarbe unde IR datorită agitației termice a moleculelor sale. Moleculele oricărui obiect cu temperatura peste 0 K emit radiații IR. Această emisie se datorează tranzițiilor ce au loc între nivelele de vibrație ale moleculelor. Radiațiile infraroșii sunt emise într-un spectru continuu de corpurile calde.

Trebuie remarcat faptul că jumătate din energia emisă de Soare corespunde domeniului IR. Becurile emit mai multă radiație infraroșie decât lumină. În materialele incandescente, în filamentele metalice încălzite puternic, gradul de agitație termică este mare astfel că electronii care sunt accelerați suferă frecvente ciocniri. Rezultă o emisie numită radiație termică care este sursa principală de lumină.

Corpul omenesc emite radiații infraroșii de la 3000 nm având un maxim al emisiei în jur de 10000 nm’’

Majoritatea metodelor noninazive de măsurare a glicemiei s-au orientat spre spectrul IR apropiat (780-3000nm) cel mai probabil pe considerentul impus de tehnicile constructive ale componentelor electronice utilizate. Dintre acestea vom descrie sumar pe cele care, măcar pentru o vreme, au ajuns dincolo de faza de prototip.

5.3. Câțiva pași din ,,evoluția’’ dispozitivelor noninvazive de măsurare a glicemiei

1990 – 2003 – InLight aparținând companiei Lifescan (USA) a fost numele unui dispozitiv de măsurare a glicemiei pe baza spectrului NIR a acesteia la nivelul țesuturilor antebrațului folosind un sistem de fibre optice și componente de o sensibilitate sporită menite să ofere o mare acuratețe.

1996 – 2000/2002- Diasensor 1000

Dincolo de procesele în care acționarii companiei care a produs acest dispozitiv au fost sancționați pentru neplata taxelor se poate adăuga ca observație faptul că a existat cerere considerabilă din partea publicului pentru comercializarea sa.

1997 – SugarTrac – LifeScan & Emerging Technology Sistems, Ltd – Akron, Ohio măsura glicemia cu ajutorul unei tehnologii relativ simple care utiliza un fotodetector ce înregistra semnalul transmis prin țesutul de la nivelul lobului urechii de o diodă fotoluminiscentă LED la 940nm. Cu ajutorul unui algoritm matematic se procesau datele provenite și din pulsația fluxului sanguin la acest nivel obținându-se un rezultat în aproximativ 30 de secunde.

Un articol din 2013 anunță dezvoltarea unui dispozitiv care nu doar măsoară ci și monitorizează glicemia, saturația de Oxygen și prezența nivelului de Monoxid de Carbon prin aceeași metodă bazându-se pe capabilitățile și avantajele date de circuitele integrate ale unei plăci de dezvoltare conectate apoi prin tehnologia de comunicare prin unde radio Bluetooth.

Suita de glucometre noninvazive brevetate de-a lungul timpului nu se încadrează toate în domeniul utilizării spectrului NIR iar tehnologiile din prezent au diminuat caracterul invaziv al obținerii de date asupra diverșilor parametri biologici necesare evaluării stării de sănătate.

Se folosesc frecvent senzori transdermici, se cercetează în direcția senzorilor de dimensiuni suficient de mici care să permită implantarea lor sub piele, tatuaje care să includă biosenzori și alte metode care să elimine sau cel puțin să diminueze frustrarea și grija zilnică în ce privește nivelul glicemiei și al insulinei.

6. Monitorizarea continuă a glicemiei – premisa ,,pancreasului artifical’’

Monitorizarea continuă a nivelului glicemiei este un deziderat important urmărit în studiile și cercetările de actualitate mai ales prin relevanța pe care o are identificarea tendințelor și, în măsura în care e posibil, a tiparelor de reglare gluco-insulinică în organism. Dezvoltarea arhitecturilor hardware dar și software a monitoarelor din această categorie, a ,,pancreasului artificial’’ cu plecare de la modelul biologic al pancreasului vizează comunicarea cât mai eficientă între biosenzorul ce va înregistra nivelul glicemiei și pompa insulinică responsabilă de aportul strict corespunzător necesar în orice moment.

Un exemplu al unei astfel de arhitecturi este Dexcom G4 Platinum care în Februarie 2014 a obținut aprobarea FDA (Food and Drug Administration US) pentru extinderea utilizării sale și la grupa de vârstă 2-17 ani ca urmare a eficienții dovedite.

Ansamblul cuprinde senzorul ce se implantează la nivel subcutanat cu ajutorul seringii dedicate, senzor care, după aproximativ 2 ore de calibrare va transmite în mod constant către monitor date despre evoluția nivelului glucozei măsurată în spațiul interstițial de la vârful acului inserat sub piele. Fixarea la nivelul pielii este asigurată și de partea adezivă încorporată.

Dispozitivul poate fi conectat la trei tipuri de pompe de insulină: Animas Vibe, Roche și Tandem, fiind încă în evoluție colaborarea cu firma producătoare a pompei-patch Omnipod ce vizează implementarea pancreasului artifical.

Important de menționat este capabilitatea dispozitivului de a comunica wireless cu afișarea datelor de la distanță pe Iphone sau Ipod Touch sau în aplicația dedicată pe platforma NIGHTSCOUT (CGM in the Cloud) conectată la senzor printr-un dispozitiv care să asigure conectarea la rețeua de date cu posibilitatea vizualizării în timp real a acestora.

Sistemul Medtronic MiniMed Guardian Real-Time poate funcționa independent de pompa insulinică atasată, strict pentru monitorizare, sau conectată la aceasta realizând cu succes reglarea insulinică cu transmiterea în mod constant pe afișajul pompei a trend-urilor glicemice.

apărut pe piață la sfârșitul anului 2014 oferit de firma Abbot permite vizualizarea glicemiei în timp real pe o distanță relativ mică strict în momentul în care acesta este apropiat de senzor. Prezintă avantajul că nu necesită calibrare iar senzorul se amplasează pe partea dorsală a brațului.

7. Telemonitorizarea glicemiei în sistem

În proiectul de față am folosit placa integrată de dezvoltare Arduino Uno, un dispozitiv bluetooth HC-06, un ecran LCD 16X2(1602), un senzor digital STL235R ce va sesiza variațiile în frecvență a luminii, un senzor suplimentar de temperatură LM35 ajustat prin circuit în mod corespunzător și o aplicație de transmitere – recepționare date prin bluetooth (Arduino Bluecontrol) ce rulează pe sistemul de operare Android.

Astfel, datele recepționate de senzori se vor transmite, printr-un program implementat în mediul de dezvoltare software specific Arduio IDE și încărcat în memoria microprocesorului AtMega328 de care dispune placa integrată, către afișajul electronic LCD și totodată prin dispozitivul de comunicare Bluetooth în aplicația de pe sistemul de operare Android.

7.1. Placa Arduino Uno

Arduino Uno este o placă de dezvoltare ce se bazează pe tehnologia microcontrolerului ATmega328. Arduino Uno are 14 de intrări digitale / pini de ieșire (din care 6 pot fi utilizate ca ieșiri PWM), 6 intrări analogice, un oscilator cu quart de 16 MHz, o conexiune USB, o mufă de alimentare, o mufă ICSP și un buton de resetare. Placa Arduino poate fi alimentată prin intermediul conexiunii USB sau cu o sursă de alimentare externă. Sursa de alimentare este selectată automat. Alimentarea externă (non-USB) poate veni fie de la un adaptor AC-la-DC sau baterie. Adaptorul poate fi conectat printr-un conector de 2.1mm cu centru-pozitiv. Conectarea de la o baterie poate fi realizată legând la GND și Vin capetele de la conectorii de alimentare.

Pentru a programa placa Arduino trebuie descărcat software-ul Arduino IDE și pe urmă se asigură că jumperul de selectare a alimentării, între alimentare externă și mufa USB, este setat la USB. Se conectează USB-ul la placă și la calculator pentru a putea programa.

7.2 Bluetooth HC-06

Bluetooth-ul HC-06 este un modul SPP(Serial Protocol Port), conceput pentru configurarea conexiunii seriale, transparente, de tip wireless. Acest tip de bluetooth are la bază tehnologia CMOS și AFH(Adaptive Frequency Hopping Feature) Modulul bluetooth HC-06 este unul de înaltă performanță și consumă foarte puțină energie. De asemenea, dimensiunile acestuia sunt mici. Produsul poate fi utilizat în proiectele unde aveți nevoie să transmiteți foarte ușor date, dar nu prin cablu, la distanțe rezonabile, de până la 10m.

Dispozitivul bluetooth se conectează la placa Arduino astfel: TX la pinul1, RX la pinul2, VCC la +5V și GND la GND de pe placă. Pentru a-l configura cu Arduino se uploadează programul Arduino bluecontrol, iar din serial monitor de la arduino se seteaza "Both NL & CR".

Conectarea modului Bluetooth -Arduino

7.3. Ecran LCD- RC1602B-BIW-ESX

LCD-ul RC 1602, este un display de tip LCD, care afișeaza caractere alphanumerice, cu dimensiunea ferestrei de 66X16mm, se alimenteaza la 4,5-5,5 V DC și are 16 pini. 16 X 2 permite 16 coloane și doua linii de caractere (adică în total 32 de caractere). Penru a-l folosi cu placa Arduino, este nevoie de fire de conectare și de un potențiometru de 10K pentru reglarea contrastului. Schema de conectare este cea de mai jos:

8. CONCLUZII

Cunoașterea aspectelor privind funcționarea sistemelor biologice mărește nivelul de încredere în sistemele automate de control proiectate sau, cel puțin, creează posibilitatea realizării unor simulări folosind modelele disponibile.

Deservirea în viața de zi cu zi de sisteme automate, deși este deja prezentă în multe aspecte și sub formele cele mai diverse, încă generează controverse, mai ales când vorbim de subiecte ca siguranța personală, nivelul de încredere pe care îl putem acorda atunci când sunt implicați factori de decizie ce implică un anumit grad de risc și altele. Însă pentru omul de rând care prezintă o suferință organică ireversibilă cum este cazul diabetului zaharat dezvoltarea de sisteme artificiale care să emuleze funcțiile reglatorii ale organismului uman reprezintă o șansă în plus la supraviețuire, la o viață mai bună.

Suntem martori în fiecare zi la avantajele dezvoltării din toate punctele de vedere. ,,Pancreasul artificial’’ nu mai este doar o idee ci se re-materializează treptat și suntem la câțiva pași de forma sa finală.

Depinde de noi cum vom alege să privim spre viitor, cu scepticism sau cu speranța în mai bine.