用于碳水化合物跟踪、血糖监测和胰岛素给药的自动化一体化系统

糖尿病是一种常见的血糖代谢疾病，正成为人类的主要死亡原因之一。据世界卫生组织（WHO）截至2014年的数据，全世界约有4.22亿人患糖尿病，每年有150万人死于糖尿病。并且，近几十年，糖尿病的病例数和患病率都呈稳步上升的趋势。

对糖尿病患者来说，膳食必须要均衡，特别是对碳水化合物进行严格控制，以确保糖的摄入不超标。通常，糖尿病患者利用两种类型的胰岛素注射——长效胰岛素和短效胰岛素，以实现血糖水平的控制。

长效胰岛素的使用，可以在24小时内进行血糖水平控制；而短效胰岛素，需要在一日三餐之前循环以下步骤：首先采指尖血，然后通过血糖仪检测血糖数据，再评估碳水化合物的含量，来计算餐前需要注射胰岛素的具体剂量，最后注射适量胰岛素。 虽然对于糖尿病人这是一种常规的检测方案，但这种麻烦的过程，可能会造成糖尿病人因繁忙忘记检测或难以坚持，进而对他们的健康造成威胁。近日，美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的科学家提出了一种新方法，该方法以更便捷、容易被接受的方式，让糖尿病人保持正常的血糖指标。

MIT机械工程系助理教授、布莱根妇女医院（Brigham and Women's Hospital，BWH）胃肠病学家Giovanni Traverso表示，“如果我们能够通过实施新的解决方案来克服这些障碍，那么患者将更容易接受这种治疗。”

为达到上述效果，Giovanni Traverso与其团队为糖尿病患者准备了两种方案。第一种方案是将现有的所有检测血糖和注射胰岛素的程序，集成到一台新的设备中，也就是说在新设备中，患者可一次性完成这项程序。



图丨餐前胰岛素方案（来源：Journal of Controlled Release）

第二种方案是通过在注射胰岛素的针头上集成柔性电子设备，也就是说检测血糖和注射胰岛素用同一针头“合二为一”，在新型传感器检测血糖后，再用该针头注射胰岛素注射。通过这两种办法，使患者检测步骤减少，更利于坚持治疗方案。 相关论文以“An automated all-in-one system for carbohydrate tracking, glucose monitoring, and insulin delivery”为题发表在Journal of Controlled Release期刊上，Giovanni Traverso为该论文的通讯作者。

第一种方案：集成所有程序的新型设备

采指尖血测血糖和计算胰岛素剂量再注射，对糖尿病人来说，每天三餐前要重复这个过程，确实繁琐。为此，MIT团队开发了相关的手机应用程序，通过深度学习技术将计算环节“化繁为简”。也就是说，糖尿病患者在计算碳水化合物的环节，可通过手机拍摄食物图片，相关手机程序会以美国农业部数据库中的营养信息为标准，进而自动识别并计算出对应的食物量以及碳水化合物含量。



图丨通过手机拍摄食物的应用程序估计食物碳水化合物含量（来源：Journal of Controlled Release）

其血糖检测和胰岛素剂量计算的过程是：糖尿病患者在用新型设备进行血糖检测后，再通过蓝牙将检测到的血糖信息输送到智能手机应用程序，然后应用程序根据会血糖指标结果与拍照识别出的碳水化合物含量结合，进而计算出适量的胰岛素注射剂量。



图丨一体式设备系统的设计和表征（来源：Journal of Controlled Release） “我们的设备通过自动化刺破皮肤、采集血液、计算血糖水平、计算和注射胰岛素的程序，使患者不需要单独的采血装置、血糖仪和胰岛素注射器。”该团队表示。

目前，这种新型设备的部分组件已经得到FDA许可，但该设备还没有进入临床试验阶段。目前，根据该设备对猪的测试结果，可以认定该系统能正确地监测葡萄糖水平，并且对胰岛素剂量准确评估。

第二种方案：在注射胰岛素的针头集成葡萄糖传感器

第二个方案是在注射胰岛素的针头集成新型葡萄糖传感器，针头刺入人体皮肤后，通过该传感器可对皮肤表面下方的间质液中的葡萄糖水平进行检测。

随后，相关的血糖指标会汇总到智能手机应用程序，进而应用程序会根据相关信息计算胰岛素剂量并通过插入的针头完成胰岛素注射。




图丨“多合一”胰岛素针通过葡萄糖传感器在猪体内测试（来源：Journal of Controlled Release） “我们的想法是，如果可以将葡萄糖传感器直接集成到胰岛素给药针的表面，我们只需为患者使用一根针，这样可以最大限度地减少疼痛，并使整个过程更易于管理。”该团队表示。

这项设备在对猪的相关测试表明，该系统适用于测量葡萄糖水平，更进一步地，注射胰岛素后猪的血糖指标明显下降。

据该团队预计，需要进一步优化和安全性验证等，才能将这种新型的葡萄糖传感器在人体进行测试。据悉，该团队已为这两种新方案申请专利。

审核编辑：刘清