Zasada pomiaru w sensorach wszczepialnych

Sensor wszczepialny to mały walec, wielkości mniej więcej połowy zapałki, który lekarz umieszcza pod skórą, zwykle na ramieniu. Zabieg jest szybki i wykonuje się go w znieczuleniu miejscowym (lidokainą). Umieszczony pod skórą sensor jest otoczony płynem tkankowym. Mierzy stężenie glukozy w tym płynie, bez żadnego bezpośredniego połączenia z naczyniami krwionośnymi.

Zewnętrzna obudowa sensora ma cienką warstwę porowatego polimeru. Glukoza z płynu tkankowego swobodnie wnika do tej warstwy i z niej wychodzi, więc ilość glukozy w powłoce zewnętrznej blisko podąża za ilością w otaczającej tkance. Wewnątrz walca znajdują się małe źródło światła, detektory światła i czujnik temperatury. Co kilka minut urządzenie budzi się na ułamek sekundy. Włącza światło, odczytuje odpowiedź warstwy polimeru, przekazuje ją dalej i znowu zasypia [1].

Sensor wszczepialny korzysta z technologii optycznej opartej na fluorescencji. Różni się od enzymatycznej, elektrycznej technologii sensorów zwykłych (przezskórnych). W powłoce polimerowej zakotwiczone są cząsteczki wskaźnikowe, zbudowane wokół grup kwasu boronowego. Grupy te wiążą się odwracalnie i wybiórczo z cząsteczkami glukozy, a potem je uwalniają, nie zmieniając ich [2].

Gdy glukoza się zwiąże, zmienia się zachowanie optyczne cząsteczki wskaźnikowej. Małe źródło światła wewnątrz sensora wysyła wiązkę w warstwę polimeru. Cząsteczki wskaźnikowe odpowiadają, emitując własne światło, ale o innej barwie (innej długości fali). Zjawisko to nazywa się fluorescencją. Im więcej cząsteczek wskaźnikowych ma związaną glukozę, tym silniejsze światło wysyłają. Detektor wewnątrz sensora mierzy tę intensywność i przelicza ją na stężenie glukozy. Substancje takie jak paracetamol albo witamina C nie wpływają na wynik, bo nie zachodzi tu żadna reakcja enzymatyczna, jak pokazuje rysunek poniżej [3].

W miarę jak stężenie glukozy w płynie tkankowym rośnie, coraz więcej cząsteczek glukozy wnika do warstwy polimeru i wiąże się z cząsteczkami wskaźnikowymi. W efekcie przy każdym pomiarze światło fluorescencyjne jest silniejsze. Gdy stężenie glukozy spada, glukoza odłącza się od cząsteczek wskaźnikowych i opuszcza warstwę, a światło fluorescencyjne słabnie. Wiązanie i uwalnianie zachodzą szybko i bez przerwy, więc sygnał świetlny podąża za zmianami w tkance [2] [4].

Sam surowy sygnał świetlny jednak nie wystarcza. W tym samym czasie sensor mierzy również miejscową temperaturę, bo temperatura wpływa i na światło wysyłane w stronę cząsteczek wskaźnikowych, i na fluorescencję, którą one oddają [1]. Kanał odniesienia (pomiar kontrolny) sprawdza, jak silne naprawdę jest to światło pobudzające. Oprogramowanie uwzględnia też czas, jaki upłynął od wszczepienia, oraz powolny rozkład cząsteczek wskaźnikowych wystawionych na światło. Wszystko to razem daje skorygowaną wartość miejscowego stężenia glukozy [4].

Wszczepiony sensor nie ma baterii i nie nadaje stale własnego sygnału radiowego. Element noszony na skórze, umieszczony bezpośrednio nad implantem, zawiera cewkę, która co kilka minut wytwarza pole magnetyczne (NFC). Pole to przenika przez skórę i zasila sensor przez czas krótszy niż sekunda. Przez resztę czasu sensor pozostaje nieaktywny [1].

Informacja podróżuje przez to samo pole magnetyczne. Sensor lekko je zmienia, a element na skórze odczytuje te zmiany, odtwarzając intensywność surowego sygnału świetlnego wraz ze zmierzoną temperaturą. Z tego sygnału element zewnętrzny oblicza skorygowane stężenie glukozy, zapisuje je u siebie i wysyła przez Bluetooth do aplikacji w telefonie [2] [5]. Pole magnetyczne działa tylko na bardzo krótkim dystansie. Bez prawidłowo umieszczonego elementu na skórze sensora nie da się uruchomić ani się z nim porozumieć.

Nie. Cząsteczki wskaźnikowe w sensorze wszczepialnym wiążą glukozę, a potem ją uwalniają, nie rozkładając jej i nie przekształcając w nic innego. Nazywa się to wykrywaniem powinowactwowym, czyli pomiarem przez odwracalne przyciąganie, a ilość glukozy w tkance pozostaje niezmieniona. To, co sensor odczytuje, jest w istocie równowagą między liczbą cząsteczek glukozy związanych w danej chwili z cząsteczkami wskaźnikowymi [6].

Sensory konwencjonalne, noszone na skórze, działają inaczej. Opierają się na enzymie, oksydazie glukozowej, która rozkłada glukozę na powierzchni elektrody i wytwarza prąd elektryczny proporcjonalny do stężenia glukozy. Zużywana ilość jest znikoma i nie zmienia glikemii, ale reakcja zależy od obecności tlenu i stopniowo wyczerpuje enzym. Główną zaletą wykrywania powinowactwowego jest jego trwałość w czasie, dzięki której obecne modele sensorów wszczepialnych działają nawet do roku [7].

Samo wykrywanie glukozy odbywa się w całości wewnątrz wszczepionego sensora, bo to tam znajdują się warstwa polimeru z cząsteczkami wskaźnikowymi, źródło światła i detektory. Element noszony na skórze nigdy nie styka się z płynem tkankowym, więc sam glukozy nie wykrywa [2]. Oblicza jednak pokazywaną wartość na podstawie sygnału, który otrzymuje z implantu, więc system bez niego nie zadziała.

Element zewnętrzny:

• zasila sensor;
• uruchamia każdy pomiar;
• odbiera surowy sygnał;
• przelicza go na stężenie glukozy dzięki obliczeniom i poprawkom;
• zapisuje odczyty;
• ostrzega wibracją, gdy trzeba;
• wysyła dane do telefonu [5].

Jeśli go zdejmiesz, sensor pozostaje na miejscu i nieuszkodzony, ale żadne odczyty nie są zapisywane, dopóki go nie założysz z powrotem, prawidłowo umieszczonego nad implantem. Element zewnętrzny tego systemu ciągłego monitorowania glukozy nazywa się nadajnikiem.