مبدأ القياس في المستشعرات القابلة للزرع

المستشعر القابل للزرع أسطوانة صغيرة، بحجم نصف عود ثقاب تقريبًا، يُدخلها الطبيب تحت الجلد، عادةً في الجزء العلوي من الذراع. والإجراء قصير ويجري تحت تخدير موضعي (ليدوكائين). وحالما يستقر تحت الجلد، يحيط بالمستشعر السائل الخلالي، وهو يقيس تركيز الغلوكوز في هذا السائل، دون أي صلة مباشرة بالأوعية الدموية.

والغلاف الخارجي للمستشعر يحوي طبقةً رقيقة من بوليمر مسامي. والغلوكوز من السائل الخلالي ينفذ ويخرج بحرية عبر هذه الطبقة، فتتبع كمية الغلوكوز في الغلاف الخارجي عن كثب الكمية في النسيج المحيط. وداخل الأسطوانة يوجد مصدر ضوئي صغير، وكواشف ضوء، ومستشعر حرارة. وكل بضع دقائق، ينشط الجهاز جزءًا من الثانية، فيشعل الضوء، ويقرأ استجابة طبقة البوليمر، وينقلها، ثم يعود خاملًا [1].

يستعمل المستشعر القابل للزرع تقنيةً بصرية، قائمة على التألق. وهي مختلفة عن التقنية الإنزيمية الكهربائية في المستشعرات المعتادة (عبر الجلد). ففي غلاف البوليمر مثبَّتة جزيئات كاشفة، مبنية حول مجموعات من حمض البوريك. وهذه المجموعات ترتبط ارتباطًا عكوسًا وانتقائيًا بجزيئات الغلوكوز، ثم تطلقه، دون أن تغيّره [2].

وارتباط الغلوكوز يغيّر السلوك البصري للجزيء الكاشف. فمصدر ضوئي صغير داخل المستشعر يبعث حزمةً نحو طبقة البوليمر. وترد الجزيئات الكاشفة بإصدار ضوء بدورها، لكن بلون آخر (طول موجة آخر). وتسمى هذه الظاهرة التألق. وكلما ارتبط عدد أكبر من الجزيئات الكاشفة بالغلوكوز، كان الضوء الذي تصدره أقوى. والكاشف داخل المستشعر يقيس هذه الشدة ويحوّلها إلى قيمة لتركيز الغلوكوز. ومواد كالباراسيتامول أو فيتامين C لا تغيّر النتيجة، لأنه لا يجري هنا أي تفاعل إنزيمي، كما يبيّن الشكل أدناه [3].

حين يرتفع تركيز الغلوكوز في السائل الخلالي، ينفذ عدد متزايد من جزيئات الغلوكوز إلى طبقة البوليمر ويرتبط بالجزيئات الكاشفة. والنتيجة ضوء تألقي أقوى، يُصدَر مع كل قياس. وحين ينخفض تركيز الغلوكوز، ينفصل الغلوكوز عن الجزيئات الكاشفة ويغادر هذه الطبقة، فيضعف الضوء التألقي. والارتباط والانفصال يجريان سريعًا وباستمرار، فتتابع الإشارة الضوئية تغيرات النسيج [2] [4].

غير أن الإشارة الضوئية الخام لا تكفي. فالمستشعر يقيس في الوقت نفسه الحرارة الموضعية، لأن الحرارة تؤثر في الضوء المرسَل إلى الجزيئات الكاشفة وفي تألقها معًا [1]. وقناة مرجعية (قياس ضبط) تتحقق من قوة ضوء التنبيه هذا في الواقع. وبرنامج الحساب يأخذ في الاعتبار الوقت المنقضي منذ الزرع والتآكل البطيء للجزيئات الكاشفة المعرَّضة للضوء. ومن كل هذه العناصر تنتج قيمة مصحَّحة لتركيز الغلوكوز الموضعي [4].

المستشعر المزروع ليست له بطارية ولا يبعث باستمرار إشارة راديو خاصة به. والمكوّن المحمول على الجلد، الموضوع فوق موضع الزرع تمامًا، يحوي ملفًّا يولّد كل بضع دقائق حقلًا مغناطيسيًا (NFC). وهذا الحقل يعبر الجلد ويغذّي المستشعر بالطاقة، أقل من ثانية. وفي بقية الوقت، يبقى المستشعر خاملًا [1].

وعبر الحقل المغناطيسي نفسه تجري المعلومة كذلك. فالمستشعر يغيّر الحقل تغييرًا طفيفًا، والمكوّن الذي على الجلد يقرأ هذه التغيرات فيحصل بذلك على شدة الإشارة الضوئية الخام، مع الحرارة المقيسة. ومن هذه الإشارة، يحسب المكوّن الخارجي القيمة المصحَّحة لتركيز الغلوكوز، ويحفظها محليًا، ويبعثها بالبلوتوث إلى التطبيق على الهاتف [2] [5]. والحقل المغناطيسي يعمل على مسافة صغيرة جدًا. فبلا المكوّن الذي على الجلد موضوعًا وضعًا صحيحًا، لا يمكن تنشيط المستشعر ولا التواصل معه.

لا. فالجزيئات الكاشفة في المستشعر القابل للزرع ترتبط بالغلوكوز ثم تطلقه، دون أن تفككه ودون أن تحوّله إلى شيء آخر. ويسمى ذلك القياس بالألفة، أي بالجذب العكوس، وكمية الغلوكوز في النسيج تبقى دون تغيير. والمستشعر يقرأ عمليًا توازنًا بين عدد جزيئات الغلوكوز المرتبطة، في كل لحظة، بالجزيئات الكاشفة [6].

والمستشعرات الكلاسيكية، المحمولة على الجلد، تعمل عملًا مختلفًا. فهي تستعمل إنزيمًا، هو أكسيداز الغلوكوز، الذي يفكك الغلوكوز على سطح مسرى ويُنتج تيارًا كهربائيًا متناسبًا مع تركيز الغلوكوز. والكمية المستهلكة ضئيلة جدًا ولا تغيّر سكر دمك، لكن التفاعل يعتمد على وجود الأكسجين ويستنفد الإنزيم تدريجيًا. والميزة الرئيسة للقياس بالألفة هي الثبات على المدى الطويل، الذي يتيح لطرازات المستشعر القابل للزرع الحالية العمل حتى سنة [7].

يجري كشف الغلوكوز نفسه كاملًا داخل المستشعر المزروع، لأن هناك تقع طبقة البوليمر بالجزيئات الكاشفة والمصدر الضوئي والكواشف. والمكوّن المحمول على الجلد لا يلامس السائل الخلالي، فهو لا يكشف الغلوكوز بنفسه [2]. لكنه يحسب مع ذلك القيمة المعروضة، انطلاقًا من الإشارة المتلقاة من الزرعة، فهو لا غنى عنه لعمل النظام.

والمكوّن الخارجي:

• يغذّي المستشعر؛
• يُطلق كل قياس؛
• يتلقى الإشارة الخام؛
• يحوّلها إلى قيمة لتركيز الغلوكوز بحسابات وتصحيحات؛
• يحفظ القيم؛
• ينذرك بالاهتزاز عند الحاجة؛
• يبعث البيانات إلى الهاتف [5].

وإن نزعته، بقي المستشعر في مكانه وسليمًا، لكن لا تُسجَّل أي قيمة حتى تعيده، موضوعًا وضعًا صحيحًا فوق الزرعة. والمكوّن الخارجي لنظام المراقبة المستمرة للغلوكوز هذا يسمى المرسِل.