用于碳水化合物跟蹤、血糖監測和胰島素給藥的自動化一體化系統

糖尿病是一種常見的血糖代謝疾病，正成為人類的主要死亡原因之一。據世界衛生組織（WHO）截至2014年的數據，全世界約有4.22億人患糖尿病，每年有150萬人死于糖尿病。并且，近幾十年，糖尿病的病例數和患病率都呈穩步上升的趨勢。

對糖尿病患者來說，膳食必須要均衡，特別是對碳水化合物進行嚴格控制，以確保糖的攝入不超標。通常，糖尿病患者利用兩種類型的胰島素注射——長效胰島素和短效胰島素，以實現血糖水平的控制。

長效胰島素的使用，可以在24小時內進行血糖水平控制；而短效胰島素，需要在一日三餐之前循環以下步驟：首先采指尖血，然后通過血糖儀檢測血糖數據，再評估碳水化合物的含量，來計算餐前需要注射胰島素的具體劑量，最后注射適量胰島素。 雖然對于糖尿病人這是一種常規的檢測方案，但這種麻煩的過程，可能會造成糖尿病人因繁忙忘記檢測或難以堅持，進而對他們的健康造成威脅。近日，美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的科學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。

MIT機械工程系助理教授、布萊根婦女醫院（Brigham and Women's Hospital，BWH）胃腸病學家Giovanni Traverso表示，“如果我們能夠通過實施新的解決方案來克服這些障礙，那么患者將更容易接受這種治療?！?br />
為達到上述效果，Giovanni Traverso與其團隊為糖尿病患者準備了兩種方案。第一種方案是將現有的所有檢測血糖和注射胰島素的程序，集成到一臺新的設備中，也就是說在新設備中，患者可一次性完成這項程序。



圖丨餐前胰島素方案（來源：Journal of Controlled Release）

第二種方案是通過在注射胰島素的針頭上集成柔性電子設備，也就是說檢測血糖和注射胰島素用同一針頭“合二為一”，在新型傳感器檢測血糖后，再用該針頭注射胰島素注射。通過這兩種辦法，使患者檢測步驟減少，更利于堅持治療方案。 相關論文以“An automated all-in-one system for carbohydrate tracking, glucose monitoring, and insulin delivery”為題發表在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備

采指尖血測血糖和計算胰島素劑量再注射，對糖尿病人來說，每天三餐前要重復這個過程，確實繁瑣。為此，MIT團隊開發了相關的手機應用程序，通過深度學習技術將計算環節“化繁為簡”。也就是說，糖尿病患者在計算碳水化合物的環節，可通過手機拍攝食物圖片，相關手機程序會以美國農業部數據庫中的營養信息為標準，進而自動識別并計算出對應的食物量以及碳水化合物含量。



圖丨通過手機拍攝食物的應用程序估計食物碳水化合物含量（來源：Journal of Controlled Release）

其血糖檢測和胰島素劑量計算的過程是：糖尿病患者在用新型設備進行血糖檢測后，再通過藍牙將檢測到的血糖信息輸送到智能手機應用程序，然后應用程序根據會血糖指標結果與拍照識別出的碳水化合物含量結合，進而計算出適量的胰島素注射劑量。



圖丨一體式設備系統的設計和表征（來源：Journal of Controlled Release） “我們的設備通過自動化刺破皮膚、采集血液、計算血糖水平、計算和注射胰島素的程序，使患者不需要單獨的采血裝置、血糖儀和胰島素注射器?！痹搱F隊表示。

目前，這種新型設備的部分組件已經得到FDA許可，但該設備還沒有進入臨床試驗階段。目前，根據該設備對豬的測試結果，可以認定該系統能正確地監測葡萄糖水平，并且對胰島素劑量準確評估。

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，通過該傳感器可對皮膚表面下方的間質液中的葡萄糖水平進行檢測。

隨后，相關的血糖指標會匯總到智能手機應用程序，進而應用程序會根據相關信息計算胰島素劑量并通過插入的針頭完成胰島素注射。




圖丨“多合一”胰島素針通過葡萄糖傳感器在豬體內測試（來源：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，并使整個過程更易于管理?！痹搱F隊表示。

這項設備在對豬的相關測試表明，該系統適用于測量葡萄糖水平，更進一步地，注射胰島素后豬的血糖指標明顯下降。

據該團隊預計，需要進一步優化和安全性驗證等，才能將這種新型的葡萄糖傳感器在人體進行測試。據悉，該團隊已為這兩種新方案申請專利。

審核編輯：劉清