Вольтамперометрические и хроноамперометрические сенсоры. Примеры интеллектуальных электрохимических сенсоров

17.3.5. Интеллектуальные электрохимические глюкометры

По данным Всемирной организации здравоохранения сейчас в мире зарегистрировано до 200 млн. людей, больных сахарным диабетом. Поэтому из интеллектуальных электрохимических сенсоров наиболее известны как раз глюкометры – сенсоры для измерения концентрации глюкозы в крови человека. Официально аттестованы и выпускаются уже десятки типов портативных электрохимических глюкометров [ [ 190 ] ], которые требуют для измерения капельку крови объёмом меньше 1 мкл. Один из них – глюкометр "FreeStyle", являющийся по принципу своего действия кулонометрическим электрохимическим сенсором и рассчитанный на работу с одноразовыми тестовыми полосками – уже описан в "Химически чувствительные полевые транзисторы и биосенсоры на их основе. Кондуктометрические и амперометрические сенсоры" .

Менее известными являются портативные интеллектуальные электрохимические сенсоры, предназначенные для непрерывного мониторинга уровня глюкозы в крови человека. Опишем коротко один из них – глюкосенсор "CGMS System Gold " фирмы Medtronic MiniMed [http://www.minimed.de/]. Глюкометр CGMS System Gold (CGMS – Continuous Glucose Monitoring System) состоит из двух частей ( рис. 17.7). В период наблюдения пациент носит их на себе. Тоненький ферментный электрод, показанный в крупном масштабе на рисунке справа, вводят под кожу на глубину 4-6 мм, как правило, в области брюшины и надёжно закрепляют гигиеническим пластырем на поверхности кожи.

Соединённый с ним тонким кабелем небольшой электронный блок ("монитор") цепляют к одному из предметов одежды или кладут в карман. Пациент носит этот сенсор в течение нескольких суток, ведя обычную активную жизнь. Каждые 10 секунд сенсор сам автоматически проводит кулонометрическое измерение концентрации глюкозы в подкожной ткани, пересчитывает результат измерения на концентрацию глюкозы в крови и каждые 5 мин. вычисляет и запоминает среднее значение концентрации за прошедшую пятиминутку. Всего за сутки накапливается 288 результатов измерения. Результаты последнего измерения и среднее значение за последнюю пятиминутку можно увидеть на дисплее монитора.

Рис. 17.7. Портативный интеллектуальный сенсор CGMS System Gold для наблюдения в течение нескольких суток за изменениями концентрации сахара в крови человека: слева – расположение блоков сенсора на теле человека в процессе наблюдения; справа – ферментный электрод в крупном масштабе

В случае выявления угрожающей гипо- или гипергликемии сенсор может сообщать об этом с помощью звукового сигнала и соответствующей информации на мониторе.

В монитор с помощью специальных символов рекомендуется вводить данные о таких важных событиях, как прием пищи, инъекция инсулина, занятие спортом или продолжительная физическая нагрузка, ощущение гипогликемии и т.д. Вместе с датой и временем суток они тоже запоминаются монитором.

Ферментный электрод изготавливают из максимально биологически совместимых материалов. Но тем не менее человеческое тело реагирует на электрод как на инородное тело и постепенно обволакивает его защитными веществами, из-за чего чувствительность сенсора снижается. Поэтому спустя некоторое время следует делать повторную калибровку [ [ 61 ] ]. Производитель рекомендует проводить калибровку монитора 4 раза в сутки, выполняя параллельные измерения уровня сахара на независимом контрольном приборе по капле крови. Полученное значение вводят в монитор, который затем выполняет калибровку автоматически. Диапазон измерения – от 40 мг % до 400 мг %.

Когда после окончания периода наблюдения пациент приходит к врачу, накопленные в памяти монитора данные передаются на медицинский компьютер, в котором с помощью соответствующей программы анализируются и выводятся на экран в виде графика ( рис. 17.8). По горизонтали здесь отложено время суток, а по вертикали – концентрация глюкозы в моль/л. Как видим на примере представленного графика, концентрация глюкозы в крови у диабетиков не является постоянной величиной и может значительно изменяться со временем в зависимости от обстоятельств жизни.

Рис. 17.8. Пример графика изменения концентрации глюкозы в крови больного сахарным диабетом человека в течение суток, зарегистрированного сенсором CGMS System Gold

Легко убедиться, что даже у хорошо мотивированного и дисциплинированного пациента, который измеряет свой уровень сахара 3-4 раза в сутки, бoльшая часть дня и особенно ночи остаются вне контроля. И опасные эпизоды, во время которых концентрация глюкозы в крови недопустимо возрастает или падает, проходят незамеченными.

Непрерывное исследование с помощью интеллектуального сенсора типа CGMS System Gold позволяет врачу-диабетологу лучше диагностировать состояние и индивидуальные особенности больного, выявить наличие скрытых эпизодов гипо- и гипергликемии, рекомендовать более адекватное и точное лечение, скорректировать режим жизни. Анализ графика врачом вместе с больным наглядно демонстрирует больному сахарным диабетом влияние разных факторов повседневной жизни на течение его болезни, помогает лучше мотивировать на здоровый образ жизни и на соблюдение рекомендаций врачей [ [ 46 ] , [ 47 ] , [ 116 ] , [ 120 ] ].

Важной вехой в совершенствовании глюкометров для больных диабетом первого рода, вынужденных пользоваться инсулином, стало объединение глюкометра с автоматической инсулиновой помпой. Одной из первых таких разработок, успешно доведенных до промышленного выпуска, стала инсулиновая помпа со встроенным глюкометром "DANA Diabecare IIS" корейской компании Sooil ( рис. 17.9).

Портативная система "DANA Diabecare IIS" содержит современный биосенсорный глюкометр, требующий для анализа минимальный объем крови, и инсулиновую помпу. Их совместную работу организует микрокомпьютер. Полученные результаты измерения глюкозы не только выводятся на дисплей, но и непосредственно используются для автоматического расчета и введения требуемой дозы инсулина. При выходе уровня сахара в крови за установленные границы, автоматически подаются сигналы тревоги.

Рис. 17.9. Портативная инсулиновая помпа DANA Diabecare IIS со встроенным глюкометром: 1 – отделение для инсулинового резервуара; 2 – окошко для определения оставшегося количества инсулина; 3 – кнопки управления; 4 – ЖК дисплей; 5 – коннектор для прикрепления инфузионного набора; 6 – пластиковый катетер

В отделение 1 вставляют съемный инсулиновый резервуар ёмкостью 3 мл (300 ЕД инсулина). Количество имеющегося в нем запаса инсулина можно увидеть через мерное окошко 2. Управление работой системы осуществляется с помощью удобной клавиатуры 3, состоящей из 4-х кнопок. Кнопки со стрелками могут работать в режиме "прокрутки" (если держать кнопку нажатой, то устанавливаемое значение непрерывно изменяется, или указатель непрерывно перемещается по списку). Вся необходимая для пользователя информация высвечивается на жидкокристаллическом дисплее 4 площадью 8 см². При недостаточном внешнем освещении дисплей автоматически подсвечивается изнутри.

Инсулиновая помпа, кроме резервуара, содержит коннектор (соединитель) 5 для прикрепления инфузионного набора через пластиковый катетер 6 и находящийся внутри основного корпуса миниатюрный насос для прокачивания и впрыскивания через инфузионный набор необходимой дозы инсулина. Состав инфузионного набора показан на рис. 17.10. Тонкая игла, выполненная из высококачественной стали, обеспечивает поступление инсулина в подкожную жировую клетчатку. Фиксатор надежно прикрепляет иглу к поверхности кожи, а клипсовый соединитель обеспечивает легкое соединение и отсоединение иглы и катетера. Вид иглы и длину катетера подбирает лечащий врач.

Рис. 17.10. Инфузионный набор инсулиновой помпы DANA Diabecare IIS

Инсулиновая помпа с микропроцессорным управлением обеспечивает разные режимы введения инсулина, предписанные лечащим врачом, с точностью до 0,01 условной единицы. Вводимые дозы тщательно учитываются. При их автоматическом расчете, кроме текущего уровня глюкозы в крови, учитываются также планируемое количество углеводов в предстоящей еде, индивидуальная чувствительность к конкретному виду инсулина, целевой уровень глюкозы в крови и заданная лечащим врачом тактика. Использование точного режима введения инсулина позволяет достичь оптимальной компенсации сахарного диабета, отдалить во времени его тяжелые последствия или вовсе избежать их. Для документирования в памяти системы сохраняются 100 последних введенных доз, 100 последних суточных доз инсулина, 100 последних заливок инсулина и 100 последних сигналов тревоги.

В мире рядом фирм и научно-исследовательских организаций ведутся также работы по созданию имплантируемых в тело больного человека биочипов для непрерывного контроля за уровнем глюкозы в крови. О создании одного из таких биочипов размером 4x2x0,5 мм сообщается, например, в [ [ 48 ] ]. На физиологических растворах глюкозы, работая по амперометрическому принципу, биочип показывает довольно хорошие результаты в диапазоне концентраций глюкозы от 0,1 ммоль/л до 13 ммоль/л со временем реакции 50 с. Сопряженный с инсулиновой помпой типа описанной выше, такой биочип еще больше облегчит жизнь больного диабетом первого типа.