Η αρχή μέτρησης των εμφυτεύσιμων αισθητήρων

Ο εμφυτεύσιμος αισθητήρας είναι ένας μικρός κύλινδρος, στο μέγεθος περίπου μισού σπίρτου, που ο γιατρός τοποθετεί κάτω από το δέρμα, συνήθως στο άνω μέρος του βραχίονα. Η επέμβαση είναι σύντομη και γίνεται με τοπική αναισθησία (λιδοκαΐνη). Μόλις βρεθεί στη θέση του κάτω από το δέρμα, τον αισθητήρα τον περιβάλλει μεσοκυττάριο υγρό. Μετρά τη συγκέντρωση της γλυκόζης σε αυτό το υγρό, χωρίς άμεση σύνδεση με τα αιμοφόρα αγγεία.

Το εξωτερικό περίβλημα του αισθητήρα φέρει ένα λεπτό στρώμα πορώδους πολυμερούς. Η γλυκόζη του μεσοκυττάριου υγρού μπαινοβγαίνει ελεύθερα σε αυτό το στρώμα, οπότε η ποσότητα γλυκόζης στην εξωτερική επίστρωση ακολουθεί στενά την ποσότητα του γύρω ιστού. Μέσα στον κύλινδρο βρίσκονται μια μικρή πηγή φωτός, ανιχνευτές φωτός και ένας αισθητήρας θερμοκρασίας. Κάθε λίγα λεπτά η συσκευή ξυπνά για κλάσμα του δευτερολέπτου. Ανάβει το φως, διαβάζει την απόκριση του πολυμερούς στρώματος, τη μεταδίδει και έπειτα ξανακοιμάται [1].

Ο εμφυτεύσιμος αισθητήρας χρησιμοποιεί οπτική τεχνολογία βασισμένη στον φθορισμό. Διαφέρει από την ενζυμική, ηλεκτρική τεχνολογία των συνηθισμένων (διαδερμικών) αισθητήρων. Μέσα στην πολυμερική επίστρωση είναι αγκυρωμένα μόρια-δείκτες, χτισμένα γύρω από ομάδες βορονικού οξέος. Οι ομάδες αυτές δεσμεύονται αντιστρεπτά και εκλεκτικά με μόρια γλυκόζης και έπειτα τα αφήνουν πάλι, χωρίς να τα μεταβάλλουν [2].

Όταν δεσμευτεί η γλυκόζη, αλλάζει η οπτική συμπεριφορά του μορίου-δείκτη. Μια μικρή πηγή φωτός μέσα στον αισθητήρα στέλνει μια δέσμη στο πολυμερικό στρώμα. Τα μόρια-δείκτες απαντούν εκπέμποντας δικό τους φως, αλλά σε διαφορετικό χρώμα (μήκος κύματος). Το φαινόμενο αυτό λέγεται φθορισμός. Όσο περισσότερα μόρια-δείκτες έχουν δεσμευμένη γλυκόζη, τόσο ισχυρότερο είναι το φως που εκπέμπουν. Ένας ανιχνευτής μέσα στον αισθητήρα μετρά αυτή την ένταση και τη μετατρέπει σε συγκέντρωση γλυκόζης. Ουσίες όπως η παρακεταμόλη ή η βιταμίνη C δεν επηρεάζουν το αποτέλεσμα, επειδή εδώ δεν γίνεται καμία ενζυμική αντίδραση, όπως δείχνει η παρακάτω εικόνα [3].

Καθώς η συγκέντρωση της γλυκόζης στο μεσοκυττάριο υγρό ανεβαίνει, όλο και περισσότερα μόρια γλυκόζης μπαίνουν στο πολυμερικό στρώμα και δεσμεύονται στα μόρια-δείκτες. Το αποτέλεσμα είναι ισχυρότερο φως φθορισμού σε κάθε μέτρηση. Όταν η συγκέντρωση της γλυκόζης πέφτει, η γλυκόζη αποδεσμεύεται από τα μόρια-δείκτες και φεύγει από το στρώμα, και το φως του φθορισμού εξασθενεί. Η δέσμευση και η αποδέσμευση γίνονται γρήγορα και συνεχώς, οπότε το φωτεινό σήμα ακολουθεί τις μεταβολές του ιστού [2] [4].

Το ακατέργαστο φωτεινό σήμα από μόνο του δεν αρκεί ωστόσο. Ταυτόχρονα, ο αισθητήρας μετρά και την τοπική θερμοκρασία, επειδή η θερμοκρασία επηρεάζει τόσο το φως που στέλνεται προς τα μόρια-δείκτες όσο και τον φθορισμό που επιστρέφουν [1]. Ένα κανάλι αναφοράς (μια μέτρηση ελέγχου) εξετάζει πόσο ισχυρό είναι στην πραγματικότητα αυτό το διεγερτικό φως. Το λογισμικό λαμβάνει επίσης υπόψη τον χρόνο που πέρασε από την εμφύτευση και την αργή αποδόμηση των μορίων-δεικτών που εκτίθενται στο φως. Όλα αυτά μαζί δίνουν μια διορθωμένη τιμή για την τοπική συγκέντρωση της γλυκόζης [4].

Ο εμφυτευμένος αισθητήρας δεν έχει μπαταρία και δεν εκπέμπει συνεχώς δικό του ραδιοσήμα. Το εξάρτημα που φοριέται στο δέρμα, που βρίσκεται ακριβώς πάνω από το εμφύτευμα, περιέχει ένα πηνίο που παράγει μαγνητικό πεδίο (NFC) κάθε λίγα λεπτά. Το πεδίο αυτό περνά μέσα από το δέρμα και τροφοδοτεί τον αισθητήρα για λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο. Τον υπόλοιπο χρόνο, ο αισθητήρας παραμένει ανενεργός [1].

Η πληροφορία ταξιδεύει μέσα από το ίδιο μαγνητικό πεδίο. Ο αισθητήρας μεταβάλλει ελαφρώς το πεδίο, και το εξάρτημα στο δέρμα διαβάζει αυτές τις αλλαγές, ανακτώντας την ένταση του ακατέργαστου φωτεινού σήματος μαζί με τη μετρημένη θερμοκρασία. Από το σήμα αυτό, το εξωτερικό εξάρτημα υπολογίζει τη διορθωμένη συγκέντρωση γλυκόζης, την αποθηκεύει τοπικά και τη στέλνει μέσω Bluetooth στην εφαρμογή του κινητού σου [2] [5]. Το μαγνητικό πεδίο λειτουργεί μόνο σε πολύ μικρή απόσταση. Χωρίς το εξάρτημα του δέρματος σωστά τοποθετημένο, ο αισθητήρας δεν μπορεί να ενεργοποιηθεί ούτε να επικοινωνήσει.

Όχι. Τα μόρια-δείκτες του εμφυτεύσιμου αισθητήρα δεσμεύουν τη γλυκόζη και έπειτα την αφήνουν, χωρίς να τη διασπούν και χωρίς να τη μετατρέπουν σε κάτι άλλο. Αυτό λέγεται μέτρηση με συγγένεια, δηλαδή μέτρηση με αντιστρεπτή έλξη, και η ποσότητα της γλυκόζης στον ιστό μένει αμετάβλητη. Αυτό που διαβάζει ο αισθητήρας είναι στην ουσία μια ισορροπία ανάμεσα στο πόσα μόρια γλυκόζης είναι δεσμευμένα, κάθε δεδομένη στιγμή, στα μόρια-δείκτες [6].

Οι συμβατικοί αισθητήρες, που φοριούνται στο δέρμα, δουλεύουν διαφορετικά. Στηρίζονται σε ένα ένζυμο, την οξειδάση της γλυκόζης, που διασπά τη γλυκόζη στην επιφάνεια ενός ηλεκτροδίου και παράγει ηλεκτρικό ρεύμα ανάλογο με τη συγκέντρωση της γλυκόζης. Η ποσότητα που καταναλώνεται είναι ελάχιστη και δεν αλλάζει τη γλυκόζη του αίματός σου, αλλά η αντίδραση εξαρτάται από την παρουσία οξυγόνου και εξαντλεί σταδιακά το ένζυμο. Το κύριο πλεονέκτημα της μέτρησης με συγγένεια είναι η μακροχρόνια σταθερότητά της, που επιτρέπει στα σημερινά μοντέλα εμφυτεύσιμων αισθητήρων να λειτουργούν έως έναν χρόνο [7].

Η ίδια η ανίχνευση της γλυκόζης γίνεται εξ ολοκλήρου μέσα στον εμφυτευμένο αισθητήρα, αφού εκεί βρίσκονται το πολυμερικό στρώμα με τα μόρια-δείκτες, η πηγή φωτός και οι ανιχνευτές. Το εξάρτημα που φοριέται στο δέρμα δεν έρχεται ποτέ σε επαφή με το μεσοκυττάριο υγρό, οπότε δεν ανιχνεύει το ίδιο γλυκόζη [2]. Υπολογίζει ωστόσο την τιμή που εμφανίζεται από το σήμα που λαμβάνει από το εμφύτευμα, οπότε το σύστημα δεν μπορεί να λειτουργήσει χωρίς αυτό.

Το εξωτερικό εξάρτημα:

• τροφοδοτεί τον αισθητήρα·
• ενεργοποιεί κάθε μέτρηση·
• λαμβάνει το ακατέργαστο σήμα·
• το μετατρέπει σε συγκέντρωση γλυκόζης με υπολογισμούς και διορθώσεις·
• αποθηκεύει τις ενδείξεις·
• σε ειδοποιεί με δόνηση όταν χρειάζεται·
• στέλνει τα δεδομένα στο κινητό σου [5].

Αν το βγάλεις, ο αισθητήρας μένει στη θέση του και ανέπαφος, αλλά δεν καταγράφονται ενδείξεις μέχρι να το ξαναβάλεις, σωστά τοποθετημένο πάνω από το εμφύτευμα. Το εξωτερικό εξάρτημα αυτού του συνεχούς καταγραφής γλυκόζης συστήματος λέγεται πομπός.