Неинвазивное измерение уровня глюкозы в крови

Неинвазивное измерение уровня глюкозы в крови — Cheersonic

Nichtinvasive Blutzuckermessung — Cheersonic

8 технических методов неинвазивного мониторинга уровня глюкозы в крови

Глюкоза в крови называется сахаром крови (Glu). Глюкоза является важным компонентом человеческого организма и важным источником энергии. Поскольку источник и способ образования сахара в крови примерно одинаковы, производство и использование сахара в крови у здоровых людей находятся в состоянии динамического равновесия.

Источниками сахара в крови являются:

Переваривание и всасывание пищи;
расщепление гликогена, хранящегося в печени;
преобразование жиров и белков.

Путь уровня сахара в крови включает в себя:

окисление в энергию;
превращаясь в гликоген и накапливаясь в печени, почках и мышцах;
превращаются в жиры, белки и другие питательные вещества для хранения.

Островки Лангерганса поджелудочной железы являются основными органами в организме, регулирующими концентрацию глюкозы в крови, а печень хранит гликоген. Концентрация глюкозы в крови также регулируется нервными и эндокринными гормонами.

Диабет — это группа метаболических заболеваний, характеризующихся высоким уровнем сахара в крови. Гипергликемия вызвана нарушением секреции инсулина или нарушением его биологических функций, или и тем, и другим. Глобальная карта диабета IDF (9-е издание) показывает, что число больных диабетом во всем мире растет, в среднем на 51% в мире. В настоящее время насчитывается 463 миллиона больных диабетом. Согласно прогнозам, к 2045 году число больных диабетом во всем мире достигнет 700 миллионов. Среди них число больных в Африке увеличилось быстрее всего, достигнув 143%, а в Юго-Восточной Азии — на 74%. Китай занимает первое место по числу больных диабетом — около 116,4 миллиона человек, второе — Индия (около 77 миллионов), а третье — США (31 миллион). Кроме того, Китай является страной с наибольшим числом пожилых людей, страдающих диабетом. В настоящее время в Китае число больных диабетом старше 65 лет достигло 35,5 миллионов человек, и ожидается, что к 2030 году оно увеличится до 54,3 миллионов, а к 2045 году может возрасти до 78,1 миллионов. Длительное повышение уровня сахара в крови вызывает хроническое повреждение и дисфункцию различных тканей, особенно глаз, почек, сердца, кровеносных сосудов и нервной системы.

К основным причинам диабета относятся генетические и экологические факторы:

1. Генетические факторы: Как диабет 1-го, так и 2-го типа обладают выраженной генетической гетерогенностью. Диабет имеет семейный анамнез, и у 1/4–1/2 пациентов наблюдается семейный анамнез диабета. Существует по меньшей мере 60 генетических синдромов, которые могут сопровождать диабет в клинической практике. В патогенезе диабета 1-го типа задействовано множество участков ДНК. Среди них наиболее тесно связан полиморфизм DQ-сайта в гене антигена HLA. При диабете 2-го типа обнаружен ряд специфических генных мутаций, таких как ген инсулина, ген рецептора инсулина, ген глюкокиназы, митохондриальный ген и др.;

2. Факторы окружающей среды: Ожирение, вызванное чрезмерным питанием и сниженной физической активностью, является наиболее важным фактором окружающей среды для развития диабета 2 типа, что делает людей с генетической предрасположенностью к диабету 2 типа более склонными к заболеванию. У пациентов с диабетом 1 типа наблюдается нарушение работы иммунной системы. Некоторые вирусы, такие как вирус Коксаки, вирус краснухи, вирус паротита и др., вызывают аутоиммунный ответ и разрушают клетки, продуцирующие инсулин β.

Поскольку содержание сахара в капиллярах не равно содержанию сахара в венозной крови, домашний глюкометр фактически использует метод самокоррекции для уменьшения погрешности.

Динамический мониторинг уровня глюкозы в крови (НМГ) заключается в определении концентрации глюкозы в собранной интерстициальной жидкости путем имплантации подкожного глюкометра. Всего за 3 дня можно зарегистрировать более 800 значений уровня сахара в крови, чтобы сформировать профиль уровня сахара в крови, выявить высокий и низкий уровень сахара в крови, которые трудно обнаружить с помощью анализа крови из пальца и HbA1c, а также отследить изменения уровня сахара в крови.

Однако существуют два фактора, ограничивающие его рыночную нишу: во-первых, имплантат может вызывать аллергические реакции в организме. Даже если имплантат биосовместим, на его поверхности за короткое время образуется слой белка. Этот слой приводит к нестабильности результатов измерений, пациенту приходится регулярно заменять имплантат, что влечет за собой определенные экономические затраты; во-вторых, имплантат может смещаться со своего первоначального положения во время движения конечности, что приводит к неточным результатам измерений.

Состояние разработки неинвазивных технологий мониторинга уровня глюкозы в крови

Поскольку неинвазивный анализ уровня глюкозы в крови не позволяет измерить уровень глюкозы посредством прямой химической реакции с кровью, он рассчитывается косвенными методами.

Основные трудности в проведении неинвазивного анализа уровня глюкозы в крови заключаются в следующем:
1. Сахар в крови не имеет цвета в видимом диапазоне света, и его трудно различить;
2. Распределение сахара в организме не сосредоточено в кровеносных сосудах, и содержание глюкозы в каждой ткани различно. Кроме того, концентрация сахара в крови изменяется в зависимости от состояния организма;
3. Концентрация глюкозы в крови очень низкая, и содержание сахара в крови может снизиться вдвое по сравнению с нормой;
4. Химическая структура сахара в крови схожа со структурой многих других соединений в организме. Некоторые соединения, такие как альбумин, также связываются с сахаром в крови, что мешает определению уровня глюкозы.

Технический маршрут 1: Технология ближней инфракрасной спектроскопии.

Технические сложности:
1. Интенсивность спектрального сигнала, связанного с уровнем сахара в крови, принимаемого датчиком, слабая;
2. В тканях присутствует множество других мешающих факторов, которые будут создавать ближний инфракрасный спектр, аналогичный спектру глюкозы, и для калибровки необходимо добавить множество переменных параметров;
3. Концентрация глюкозы в капиллярах, межклеточном пространстве и венах человеческого организма распределена неравномерно.

Технический маршрут 2: Рамановская спектроскопия

Технический принцип: Ткань облучается видимым и ближним инфракрасным светом для получения спектра рассеяния с частотой, отличающейся от частоты падающего света, и анализируется для получения информации о колебаниях и вращении молекул. В настоящее время группа исследователей из Массачусетского технологического института экспериментально показала, что спектр хорошо коррелирует с уровнем сахара в крови.

Технический маршрут 3: Технология чрескожного диализа

Технический принцип: При подаче слабого тока на кожу глюкоза извлекается из-под кожи для определения уровня. Задняя часть глюкометра контактирует с кожей человека через слой гелевой подушечки. В геле находятся два электрода. Во время использования цепь включается, и через кожу человека генерируется микроток. Заряженные ионы в коже под действием электрического тока перемещаются к положительному и отрицательному электродам соответственно, а молекулы глюкозы в тканевой жидкости «обволакиваются» заряженными ионами, сближаются и проникают в гель. Глюкометр в виде часов может рассчитывать текущий уровень глюкозы в крови, измеряя степень реакции между молекулами глюкозы и ферментом (глюкозооксидазой) в геле, а результаты измерения отображаются на экране «часов». Техническая проблема:

1. Интенсивность тока, извлекаемого из уровня сахара в крови, достаточна для того, чтобы вызвать повреждение кожи;

2. Точность обнаружения оборудования невысока;

3. Извлечение сахара из крови через кожу крайне затруднительно, поскольку организм человека сам препятствует проникновению энергетических веществ, таких как глюкоза, играющая важную роль в метаболизме человека, через кожу. Поэтому при извлечении глюкозы организм запускает цепные реакции, в результате которых измеренное содержание глюкозы становится неточным.

Технический маршрут 4: Метод интеграции метаболического тепла

Bobang Fangzhou — единственный неинвазивный глюкометр, одобренный и внесенный в список NMPA (Национального управления по контролю за лекарственными средствами). Принцип его работы заключается в определении уровня глюкозы в крови путем измерения физиологических параметров, связанных с метаболизмом человека и основными физиологическими показателями организма. Измеряемые параметры включают температуру окружающей среды, влажность окружающей среды, температуру поверхности тела человека, влажность поверхности тела человека, скорость кровотока и насыщение крови кислородом. На основе базового принципа интеграции метаболического тепла используется технология интеграции нескольких датчиков для достижения неинвазивного и быстрого измерения уровня глюкозы в крови (менее 1 минуты). Согласно клиническим испытаниям, точность результатов измерения по сравнению с результатами анализа венозной крови составляет 94,5% (то есть, доля ошибок по таблице A и B консенсуса Паркса); по сравнению с результатами анализа крови из пальца точность достигает 94,4%.

Пятый технический маршрут: технология ближней инфракрасной спектроскопии + метод интеграции метаболического тепла.
Шестой технический маршрут: технология ближней инфракрасной спектроскопии + технология чрескожного диализа.
Седьмой технический маршрут: другие спектроскопические технологии.
1. Терагерцовая спектроскопия (терагерцовая спектроскопия).
Ее длина волны немного выше, чем у среднеинфракрасного излучения, и свет этой длины волны обладает лучшей спектральной специфичностью для веществ с более высокой концентрацией.

2. Спектр рассеянного света.
Использование свойств рассеяния света в тканях для измерения уровня сахара в крови.
Пример: Компания Orsense попыталась временно заблокировать кровообращение в кончиках пальцев и измерять уровень глюкозы в крови методом спектроскопии рассеяния в течение периода наблюдения. Однако, похоже, в 2014 году руководитель отдела исследований и разработок изменил направление исследований и разработок.

Восьмой технический маршрут: другие метаболиты.
Выдыхаемый воздух, звук: уровень глюкозы в крови измеряется по содержанию ацетона в выдыхаемом воздухе. Эта технология имеет ту же проблему, что и измерение уровня глюкозы в крови по моче, а именно, она не может выявить гипогликемию.

Несмотря на то, что в разработке неинвазивных медицинских устройств для мониторинга уровня глюкозы в крови все еще существуют определенные технические препятствия и ограничения в сценариях применения, ввиду их замечательного удобства и экономичности, перспективы их дальнейшего роста заслуживают внимания.

Аппарат для ультразвукового распыления покрытия на электроды для неинвазивного мониторинга уровня глюкозы в крови

Неинвазивный мониторинг уровня глюкозы в крови основан на сборе сигналов глюкозы из пота и тканевой жидкости. Чувствительное покрытие электрода является ключевым компонентом, определяющим точность и стабильность работы датчика. Ультразвуковая напылительная установка обеспечивает точное технологическое решение для подготовки гибких неинвазивных покрытий для электродов, измеряющих уровень глюкозы в крови.

Оборудование использует высокочастотную ультразвуковую вибрацию для распыления раствора фермента и проводящей наносуспензии на монодисперсные мелкие капли. Оно использует низкотемпературный несущий газ для направленного осаждения, без воздействия высокотемпературного воздушного потока и с низкой силой сдвига, что позволяет максимально защитить биоактивные вещества, такие как глюкозооксидаза, избежать денатурации и деактивации белков фермента, а также обеспечить возможности детектирования и распознавания. Толщина распыления точно контролируется в диапазоне от нанометра до микрометра, обеспечивая высокую однородность покрытия, эффективно устраняя отклонения толщины и локальные дефекты агломерации, вызванные традиционными методами дозирования и распыления под давлением воздуха, обеспечивая стабильные условия реакции в каждом участке электрода, уменьшая ошибки обнаружения между партиями и повышая стабильность сигнала и чувствительность обнаружения.

Бесконтактный режим направленного распыления позволяет точно определить область нанесения покрытия, подходит для гибких тонких пленок и микроматричных электродов, а также не загрязняет проводящие контакты электродов. Коэффициент использования материала может достигать более 90%, что значительно экономит дорогостоящие ферментные препараты и наноматериалы из драгоценных металлов, а также снижает производственные затраты. В сочетании с системой контроля температуры и влажности он подходит для процесса отверждения биологических покрытий, обеспечивая образование плотной пленки и рациональной пористой структуры, что способствует диффузии и проникновению молекул глюкозы в биологические жидкости.

Этот процесс решает такие проблемы отрасли, как плохая однородность покрытия и сниженная активность ферментов в неинвазивных датчиках уровня глюкозы в крови, и может удовлетворить потребности как лабораторных исследований и разработок, так и массового производства, способствуя индустриализации носимых неинвазивных устройств для мониторинга уровня глюкозы в крови.

О компании Cheersonic

Компания Cheersonic является ведущим разработчиком и производителем ультразвуковых систем нанесения покрытий для точного нанесения тонких пленочных покрытий с целью защиты, упрочнения или выравнивания поверхностей деталей и компонентов для рынков микроэлектроники/электроники, альтернативной энергетики, медицины и промышленности, включая специализированные применения стекла в строительстве и автомобилестроении.

Наши решения для нанесения покрытий экологичны, эффективны и высоконадежны, позволяют значительно сократить избыточное распыление, сэкономить сырье, воду и энергию, а также улучшить повторяемость процесса, повысить эффективность переноса, обеспечить высокую однородность и снизить выбросы.

Китайский сайт: Cheersonic предоставляет профессиональные решения в области