INVESTIGATION OF THE RELATIONSHIP BETWEEN BREATH AND BLOOD GLUCOSE MEASUREMENT AND DEVELOPMENT OF BREATH BLOOD GLUCOSE METER PROTOTYPE WITH MOBILE APPLICATION FOR DIABETIC PATIENTS

Abstract

ABSTRACT

Diabetes Mellitus (DM), characterized by high blood glucose (BG) levels, can be controlled if monitored continuously. BG is commonly followed via a home-based glucometer, but due to its invasiveness patients reduce the frequency of the BG measurements. Non-invasive BG measurement methods proposed in the literature usually have insufficient data, include complex systems and are not comprehensively discussed because some parameters related to patients are not considered. In this thesis, a cheap, reliable, reproducible, accurate breath blood glucose meter (BBGM) for non-invasive BG measurement was developed. Firstly, 5 commercial metal oxide semiconductor (MOS) gas sensors were tested to determine the most suitable to be used in BBGM. Then in the preliminary study, BA data via BBGM and BG data via home-based glucometer were collected from non-diabetic (ND) and DM volunteers. After training the collected 141 data with 3 different machine learning (ML) methods, the most successful method gave 0.89 R2 score. Afterwards, in the study conducted in the clinical environment, BA data were collected by BBGM, while BG data were extracted from venous blood. As a result of the training of the collected 415 data with 4 different ML methods, the most successful method resulted in 0.986 R2 score. The effect of the biological parameters of the volunteers on the training was evaluated. It was shown that the high training scores can be obtained for both preliminary and clinical environment studies by only measuring BA values via BBGM and using some biological parameters to estimate BG values with acceptable error.

ÖZET

Yüksek kan glukozu (BG) seviyeleri ile karakterize olan Diabetes Mellitus (DM) sürekli izlendiği takdirde kontrol altına alınabilir. BG genellikle ev-tipi glukometre ile takip edilmektedir, fakat yöntemin invaziv olması sebebiyle hastalar BG ölçüm sıklığını azaltmaktadır. Literatürde önerilen non-invaziv BG ölçüm yöntemleri genellikle yetersiz sayıda veriye sahip, karmaşık sistemler içerir ve hastalara ait bazı parametreler dikkate alınmadığından kapsamlı bir şekilde ele alınmamıştır. Bu tezde ise non-invaziv BG ölçümü için ucuz, güvenilir, tekrarlanabilirliği ve doğruluğu yüksek bir nefesten kan glukozu ölçüm cihazı (BBGM) geliştirilmiştir.

İlk olarak, BBGM cihazında kullanıma en uygun sensör için 5 adet ticari metal oksit yarıiletken (MOS) gaz sensörünün testleri yapılmıştır. Ardından, yapılan ön çalışmada diyabetik olmayan (ND) ve DM gönüllülerinden BBGM cihazı ile BA verileri ve ev-tipi glukometre ile BG verileri toplanmıştır. Toplanan 141 verinin 3 farklı makine öğrenmesi (ML) yöntemi ile eğitimi sonrası en başarılı yöntemle 0,89 R2 skoru elde edilmiştir. Daha sonra klinik ortamda yapılan çalışmada BA verileri BBGM ile BG değerleri ise venöz kandan toplanmıştır. Toplanan 415 verinin 4 farklı ML yöntemi ile eğitimi sonucunda en başarılı yöntemle 0,986 R2 skoru elde edilmiştir. Gönüllülere ait biyolojik parametrelerin eğitime olan etkisi değerlendirilmiştir. Hem ön çalışma hem de klinik çalışma için elde edilen yüksek eğitim skorlarının sadece BBGM ile ölçülen BA değerleri ve hastaların bazı parametreleri ile BG düzeylerinin kabul edilebilir hata içinde tahmin edilebileceği gösterilmiştir.