基于树莓派的异丙酚检测系统外文翻译资料

 2022-12-17 02:12

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基于树莓派的异丙酚检测系统

摘要:

异丙酚诱导麻醉是医院环境中主要采用的技术。 正确剂量的这种化合物是必要的,以避免不足或过度麻醉可能导致严重的副作用。因此,在临床环境中,异丙酚的长期监测非常重要。为了这个目标,在此工作中,我们提出了基于丙泊酚电化学检测的定制,低成本和便携式护理点(POC)系统的设计和验证监控。采用铅笔石墨电极(PGE)3H作为传感器,克服了异丙酚酚氧化引起的污垢现象。验证该系统的重点是通过扫描速率分析测试测量速度,这对于异丙酚的快速清除很重要; 并且干扰研究使用扑热息痛(APAP),因为它是一种经常在医疗实践中使用异丙酚的镇痛化合物。

  1. 介绍

静脉注射(IV)是最常见的医疗保健应用程序之一[1]。如今,全身麻醉通过目标控制输液(TCI)系统实现和维护,这使得能够保持适当的药物注射程序

所需的镇静深度[2,3]。TCI系统帮助管理由三种主要化合物组成的麻醉混合物:(1)麻醉剂,例如异丙酚,(2)镇痛剂,例如对乙酰氨基酚或阿片类药物和(3)肌肉松弛剂,如咪达唑仑[4]。评估每种化合物的输注速率药动学(PK)/ 药效学(PD)数学模型在TCI泵中为每种输注药物实施[5]。。尽管如此,这些PK / PD模型无法重现患者间的代谢变异能力,因为它们仅基于患者的少数身体特征,例如,性别,体重和年龄。其他控制患者的麻醉水平的方法依赖于监测来自脑电图(EEG)信号的双频指数(BIS)[6]。但是,这个值是间接评估的,不能提供血液中每种化合物的实际浓度[7]。此外,单个参数的临时测量值与单个参数相关,如果药物组合使用,药物可能不相关,例如麻醉[8]。因此,治疗药物监测系统具有的更大的作用是确保更安全的麻醉剂量[9]。

到目前为止,已有多种方法用于异丙酚监测[10-14]。然而,这些技术有一些局限性,体积大,耗时且不适合流体应用。为了克服传统技术的局限性,电化学传感器开始用于异丙酚监测[15-17]。然而,由于其电聚合,异丙酚会导致结垢在传感器表面上导致几次测量后灵敏度降低[18,19]。 即使一些电化学传感器被设计来解决这个问题[20,21],到目前为止,没有连续或通过长期(长达数小时)监测异丙酚已经实现完整便携的系统,包括传感器和电子设备平台。

在这项工作中,我们的目标是开发一个定制的POC系统异丙酚在线监测作为我们之前在参考文献中的工作的后续行动[22]。该系统由便携式多通道恒电位仪组成基于树莓派(RPi)与专用三电极接口配置单元,用于稳健可靠的异丙酚监测。异丙酚由于其电氧化引起的污染问题通过使用PGE作为工作电极来解决,其组成为58%石墨,36%粘土和5%蜡,这保证了最佳性能[23]。该特定铅组合物在欧洲信函量表中对应于“3H”[24]。

已经对其内部的异丙酚主要干扰物进行了干扰研究;APAP溶液,用于麻醉混合物内的疼痛缓解[25,26]。基于树莓派的传感平台它的三个并行独立通道可以同时检测多达三种药物。在这项工作中,主要焦点将是将异丙酚传感平台整合到一起验证整个系统使用不同的电化学技术成功检测到这种化合物和干扰药物的存在。通过这项工作首次在文献中,完整的树莓派驱动用于异丙酚监测的便携式系统已经发展成为一个大型的“用于IV麻醉监测的可靠反馈回路系统”。

  1. 系统架构

图1描绘了连续的整个系统的体系结构在麻醉过程中进行监测。它主要包括四个不同的部分:(1)传感平台直接接触分析的解决方案(患者的血液),(2)基于树莓派的中央电子系统驱动测量,(3)TCI泵输注麻醉药物和(4)用于数据处理和计算药物浓度的笔记本电脑。在本文中,我们通过验证用异丙酚作为基准麻醉药的系统,专注于使用印刷电路板(PCB)传感平台。通过笔记本电脑上的电化学工具评估药物浓度,并且这个值将用作驱动输液泵的未来工作,我们已经通过串行通信连接到树莓派,并在我们以前的工作中进行了验证[27]。我们的下一个目标也是包括树莓派软件中的自动电化学数据分析使过程更加便携。

图1 完整的麻醉在线监测系统示意图

传感平台是电化学电池,每个都由基准源电路,计数器和工作电极组成(RE,CE和WE),并且能够检测化合物。在这种情况下,正如图2.b中所示,我们采用含有石墨,蜡和铅的铅成分作为WE的PGE对应3H作为国际分类的粘土[28],铂(Pt)线用作CE,银/氯化银(Ag / AgCl)RE用于检测异丙酚。

电子系统之前已经被提出并描述了细节[22]。简而言之,它由直接连接的RPi组成,使用定制PCB。 PCB的原理图,如图2所示,包括直接数字合成器(DDS)和读出电路。DDS由微控制器组成,该微控制器驱动数模(DAC)以通过控制放大器向电化学电池施加稳定电位。由于氧化还原反应,读出电路收集来自电化学电池的信号,通过两个放大阶段放大它(一个固定增益跨阻放大器(TIA),另一个可编程增益可编程增益放大器(PGA)),并且最后在模数转换(ADC)之前调整信号偏移。

树莓派通过执行和启用不同的任务在架构中发挥核心作用。它接收用户选择的设置参数而且它根据这些值(要产生的激励波形和PGA增益)为不同的电化学实验配置PCB。它通过PCB电路驱动电化学测量,它从前端PCB收集测量的电流,并将数据发送到笔记本电脑进行后处理分析。最后,树莓派通过串行通信与输液泵连接,以便控制其注射。

总而言之,由于其三个独立且平行的通道,该系统能够并行测量多达三种药物。

在我们之前的工作中,我们已经成功地将传感器和泵与PCB集成在一起[27]。在笔记本电脑上运行的数据处理,用于自动评估药物浓度,并随后计算注射丙泊酚的量以维持镇静水平[29,30],尚未整合到环路中。在此集成之后,我们将能够在笔记本电脑和树莓派之间建立更快的通信。因此,一旦树莓派从计算机接收到新的剂量注射,它将命令泵将该量给予患者。

图2.a.)我们定制PCB的原理图(参见参考文献[22])。它由三个并行通道组成,每个通道都有一个控制放大器,一个两级放大器作为读出和一个偏移校正。

b.)电化学电池:Pt线作为CE,铅笔石墨电极(PGE)作为WE和Ag / AgCl作为RE。

3.材料和方法

3.1检测控制仪表

为了进行电化学异丙酚检测,由StaedtlerMarsLumograph提供的木质PGE(直径2毫米)已被用作WE。其特定的铅组成为:58%石墨,36%粘土和5%蜡,对应于3H表示法。因其在丙泊酚长期传感方面的最佳表现,PGE铅的这种组成已经从参考文献[23]中测试的20种不同的组合中选择。

将PGE的尖端浸入溶液中以获得2.6mm 2的电活性表面积。为了完成电化学电池Ag / AgCl RE(K0265-直径4mm)和来自Princeton Applied Research-AMETEK的Pt线已被使用。

APAP由Sigma-Aldrich提供,而2,6-二异丙基苯酚(异丙酚)由TCI化学品提供。通过将其溶解在0.1M NaOH中制备丙泊酚5.4mM储备溶液,同时通过将5mg粉末溶解在1ml 1times;磷酸盐缓冲盐水(PBS)(pH:7.4,10mM)中制备APAP 30mM储备溶液。随后进行稀释以获得以下浓度:[9.9-19.6-38.5-56.6-80.5]mu;M和[50-100-150-200-250-300]mu;M,分别用于异丙酚和APAP。

所有实验均在PBS(10mM,pH:7.4)mM中作为背景电解质进行并在室温下进行。深入研究异丙酚RedOx反应如何根据背景溶液的条件而变化;例如pH和T,先前已被研究过[31]。

RPi 3 B主板已被用作系统的核心单元,并且已在Qt Creator中开发了与其交互的专用图形用户界面(GUI),以驱动树莓派的PCB测量。Matlab_R2016b和Igor Pro 6.22软件已用于处理测量数据。

3.2程序

我们通过执行几种不同的测试,验证了内部构建的异丙酚检测系统,被认为是模型麻醉剂。制备PGE并用作WE。电极制备包括剥离木材PGE的两个末端。一个末端用作电子触点,如图2.b所示,而另一个末端被切割以获得平坦表面并浸入分析物溶液中(电活性区域,由平坦表面和侧向浸渍表面的总和给出),保持在2.6 mm2))。

首先,差分脉冲伏安法(DPV)和循环伏安法(CV)电化学技术已被用于通过绘制校准线(浓度与氧化峰值电流)的关系来表征异丙酚测量系统。

其次,我们对APAP进行了干扰研究,因为它是一种解热,非阿片类镇痛药,可以给重症患者和外科患者静脉注射[32]。此外,它是一种电活性酚化合物,作为丙泊酚,对于粘土改性碳糊电极[33]具有约500mV的氧化峰,其具有与异丙酚氧化相似的电位范围。因此,还对APAP进行DPV校准以表征其在PGE界面处的行为。我们没有研究其他干扰化合物,即抗坏血酸,半胱氨酸,尿酸,因为据报道它们的氧化峰不在丙泊酚的相同电位窗口内。实际上,抗坏血酸和尿酸氧化峰分别显示为 0.1 V和 0.2 V [16];而改性石墨电极上的半胱氨酸为0 V [34]。

最后,我们进行了扫描速率分析,以更快的速度测量系统的性能,并在CV和DPV的情况下测试系统响应时间。为此目的,通过将异丙酚浓度保持在36.5mu;M并通过设定不同的扫描速率来进行CV和DPV测量:CV [0.16-0.11-0.09-0.08-0.07-0.06] V / s,而DPV [0.08-0.06-0.05-0.04-0.03-0.02] V / s,保持73.5%的占空比。以这种方式,对于这两种技术,执行测量所需的时间是[15-20-25-30-35-40] s。

使用Matlab_R2016b和Igor Pro 6.22软件进行数据后处理。Matlab_R2016b中的专用脚本评估峰值相对于公共常数基线的高度,并针对每个校准进行评估。对于干扰研究,引入了Igor Pro 6.22的另一步骤,以确定两种药物的峰位;APAP通过执行高斯分解。确定峰值位置后,再次使用Matlab脚本评估峰高,以确保数据的一致性。

由于RPi上的专用Qt-GUI,用户已设置测量的系统参数。此后,表1总结了这些值。此外,在测量开始之前,需要从GUI设置所实现的PCB的一些硬件参数。这些值在表2中报告。这确保了通过使用具有不同硬件参数的相同前端能够感测不同药物的电路的灵活性。因此,读出放大器的电阻值和偏移量可由用户根据应用[22]修改。

对于CV和DPV测量,来自电路的输入参考电流噪声分别被评估为25.25pA / Hz1 / 2和8.18pA / Hz1 / 2。使用LTSpice在10mHz至10kHz的频率范围内获得这些测试参数。电子板的功耗为160 mW。

表1 电化学测量参数。

表2 PCB硬件配置

4结果与讨论

为了实现成功的在线护理点异丙酚监测,我们采用了与树莓派驱动的电子硬件接口的PGE 3H传感器。这种架构不仅确保了系统的可移植性,而且由于系统主要单元PGE和树莓派的低成本,其实现成本也大大降低。定制的PCB电路由于其三个独立的通道,最多可进行三次独立的电化学测量。通过这种方式,也可以同时运行不同的技术,例如CV,DPV和ChronoAmperometry(CA)。

4.1电化学表征

图3.a和.b显示异丙酚传感与CV和DPV技术的比较。我们可以推断CV和DPV都是丙泊酚传感的合适技术。实际上,他们都获得了相似的灵敏度(S,评估为图3.d和.e中校准线的斜率)为3.02times;10-7plusmn;5.15times;10-8 A /mu;M和1.10times;10-7plusmn;1.43CV和DPV分别为times;10-8 A /mu;M。相反,如果我们关注r2和标准误差参数,我们可以注意到DPV技术相对于CV获得更稳定和线性的结果。

此外,我们还对APAP(图3.c和3.f)进行了DPV校准,以表征其行为,以便能够分析其对异丙酚的干扰。该系统能够在异丙酚测量的相同电压范围内检测化合物,灵敏度为5.26times;10-8plusmn; 2.34times;10-9A/mu;M,如图3.f所示。根据DPV特征,已经评估了异丙酚的相对标准偏差(RSD)%为0.03的0.53mu;M的检测限(LOD)和APAP的RSD%为0.02的3.22mu;M。LOD被评估为3*b/S,其中b是空白测量的标准偏差(n=3S)是校准线斜率的灵敏度。

图3 校准曲线研究:a)异丙酚的CV伏安图,b)异丙酚的DPV图和c)APAP的DPV校准。基于a)CV和b),c)DPV记录的氧化峰值电流的异丙酚和APAP检测的校准线。

当测量含有两种药物混合物的溶液时,测量复杂的体积描记图,并且需要额外的高斯分解步骤来鉴定每种药物的峰位置。图4显示了用Igor Pro 6.22A软件执行的高斯分解步骤。更具体地,图4.a和.b分别显示了当两种化合物分别存在于分析溶液中时由Igor Pro处理的异丙酚和APAP的单一贡献。图4.c是在分析的溶液中混合两种化合物得到的伏安图。由于高斯分解,可以将两个贡献与获得的DPV测量曲线分开。因此,在确定了APAP和异丙酚电流峰值后,两种化合物的传感器校准可以在Matlab中进行,图5.a和.b。从校准线,丙泊酚和APAP的灵敏度值分别计算为2.80times;10-8plusmn;1.06times;10-9 A /mu;M和1.84times;10-8plusmn;10-10 A /mu;M。

通过评估RSE%评估测量精确度,异丙酚和APAP分别为5.94%和5.69%。对于此外,还通过计算相对标准偏差RSD%来评估测量的准确性和可靠性。美国国家卫生统计中心来说,这些

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