用于碳水化合物跟蹤、血糖監(jiān)測(cè)和胰島素給藥的自動(dòng)化一體化系統(tǒng)

糖尿病是一種常見(jiàn)的血糖代謝疾病，正成為人類的主要死亡原因之一。據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）截至2014年的數(shù)據(jù)，全世界約有4.22億人患糖尿病，每年有150萬(wàn)人死于糖尿病。并且，近幾十年，糖尿病的病例數(shù)和患病率都呈穩(wěn)步上升的趨勢(shì)。

對(duì)糖尿病患者來(lái)說(shuō)，膳食必須要均衡，特別是對(duì)碳水化合物進(jìn)行嚴(yán)格控制，以確保糖的攝入不超標(biāo)。通常，糖尿病患者利用兩種類型的胰島素注射——長(zhǎng)效胰島素和短效胰島素，以實(shí)現(xiàn)血糖水平的控制。

長(zhǎng)效胰島素的使用，可以在24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行血糖水平控制；而短效胰島素，需要在一日三餐之前循環(huán)以下步驟：首先采指尖血，然后通過(guò)血糖儀檢測(cè)血糖數(shù)據(jù)，再評(píng)估碳水化合物的含量，來(lái)計(jì)算餐前需要注射胰島素的具體劑量，最后注射適量胰島素。 雖然對(duì)于糖尿病人這是一種常規(guī)的檢測(cè)方案，但這種麻煩的過(guò)程，可能會(huì)造成糖尿病人因繁忙忘記檢測(cè)或難以堅(jiān)持，進(jìn)而對(duì)他們的健康造成威脅。近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的科學(xué)家提出了一種新方法，該方法以更便捷、容易被接受的方式，讓糖尿病人保持正常的血糖指標(biāo)。

MIT機(jī)械工程系助理教授、布萊根婦女醫(yī)院（Brigham and Women's Hospital，BWH）胃腸病學(xué)家Giovanni Traverso表示，“如果我們能夠通過(guò)實(shí)施新的解決方案來(lái)克服這些障礙，那么患者將更容易接受這種治療。”

為達(dá)到上述效果，Giovanni Traverso與其團(tuán)隊(duì)為糖尿病患者準(zhǔn)備了兩種方案。第一種方案是將現(xiàn)有的所有檢測(cè)血糖和注射胰島素的程序，集成到一臺(tái)新的設(shè)備中，也就是說(shuō)在新設(shè)備中，患者可一次性完成這項(xiàng)程序。



圖丨餐前胰島素方案（來(lái)源：Journal of Controlled Release）

第二種方案是通過(guò)在注射胰島素的針頭上集成柔性電子設(shè)備，也就是說(shuō)檢測(cè)血糖和注射胰島素用同一針頭“合二為一”，在新型傳感器檢測(cè)血糖后，再用該針頭注射胰島素注射。通過(guò)這兩種辦法，使患者檢測(cè)步驟減少，更利于堅(jiān)持治療方案。 相關(guān)論文以“An automated all-in-one system for carbohydrate tracking, glucose monitoring, and insulin delivery”為題發(fā)表在Journal of Controlled Release期刊上，Giovanni Traverso為該論文的通訊作者。

第一種方案：集成所有程序的新型設(shè)備

采指尖血測(cè)血糖和計(jì)算胰島素劑量再注射，對(duì)糖尿病人來(lái)說(shuō)，每天三餐前要重復(fù)這個(gè)過(guò)程，確實(shí)繁瑣。為此，MIT團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了相關(guān)的手機(jī)應(yīng)用程序，通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)將計(jì)算環(huán)節(jié)“化繁為簡(jiǎn)”。也就是說(shuō)，糖尿病患者在計(jì)算碳水化合物的環(huán)節(jié)，可通過(guò)手機(jī)拍攝食物圖片，相關(guān)手機(jī)程序會(huì)以美國(guó)農(nóng)業(yè)部數(shù)據(jù)庫(kù)中的營(yíng)養(yǎng)信息為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而自動(dòng)識(shí)別并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的食物量以及碳水化合物含量。



圖丨通過(guò)手機(jī)拍攝食物的應(yīng)用程序估計(jì)食物碳水化合物含量（來(lái)源：Journal of Controlled Release）

其血糖檢測(cè)和胰島素劑量計(jì)算的過(guò)程是：糖尿病患者在用新型設(shè)備進(jìn)行血糖檢測(cè)后，再通過(guò)藍(lán)牙將檢測(cè)到的血糖信息輸送到智能手機(jī)應(yīng)用程序，然后應(yīng)用程序根據(jù)會(huì)血糖指標(biāo)結(jié)果與拍照識(shí)別出的碳水化合物含量結(jié)合，進(jìn)而計(jì)算出適量的胰島素注射劑量。



圖丨一體式設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和表征（來(lái)源：Journal of Controlled Release） “我們的設(shè)備通過(guò)自動(dòng)化刺破皮膚、采集血液、計(jì)算血糖水平、計(jì)算和注射胰島素的程序，使患者不需要單獨(dú)的采血裝置、血糖儀和胰島素注射器?！痹搱F(tuán)隊(duì)表示。

目前，這種新型設(shè)備的部分組件已經(jīng)得到FDA許可，但該設(shè)備還沒(méi)有進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。目前，根據(jù)該設(shè)備對(duì)豬的測(cè)試結(jié)果，可以認(rèn)定該系統(tǒng)能正確地監(jiān)測(cè)葡萄糖水平，并且對(duì)胰島素劑量準(zhǔn)確評(píng)估。

第二種方案：在注射胰島素的針頭集成葡萄糖傳感器

第二個(gè)方案是在注射胰島素的針頭集成新型葡萄糖傳感器，針頭刺入人體皮膚后，通過(guò)該傳感器可對(duì)皮膚表面下方的間質(zhì)液中的葡萄糖水平進(jìn)行檢測(cè)。

隨后，相關(guān)的血糖指標(biāo)會(huì)匯總到智能手機(jī)應(yīng)用程序，進(jìn)而應(yīng)用程序會(huì)根據(jù)相關(guān)信息計(jì)算胰島素劑量并通過(guò)插入的針頭完成胰島素注射。




圖丨“多合一”胰島素針通過(guò)葡萄糖傳感器在豬體內(nèi)測(cè)試（來(lái)源：Journal of Controlled Release） “我們的想法是，如果可以將葡萄糖傳感器直接集成到胰島素給藥針的表面，我們只需為患者使用一根針，這樣可以最大限度地減少疼痛，并使整個(gè)過(guò)程更易于管理。”該團(tuán)隊(duì)表示。

這項(xiàng)設(shè)備在對(duì)豬的相關(guān)測(cè)試表明，該系統(tǒng)適用于測(cè)量葡萄糖水平，更進(jìn)一步地，注射胰島素后豬的血糖指標(biāo)明顯下降。

據(jù)該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，需要進(jìn)一步優(yōu)化和安全性驗(yàn)證等，才能將這種新型的葡萄糖傳感器在人體進(jìn)行測(cè)試。據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)已為這兩種新方案申請(qǐng)專利。

審核編輯：劉清