張超，李澍，王浩，方駿飛，孔書(shū)毅，李佳戈

1.中國(guó)食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 102629；2.深圳硅基傳感科技有限公司，廣東 深圳 518101

引言

糖尿病是威脅人類健康的慢性疾病之一，研究證明通過(guò)較好的血糖監(jiān)測(cè)及控制可以有效降低并發(fā)癥的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。目前，持續(xù)葡萄糖監(jiān)測(cè)（Continuous Glucose Monitoring，CGM）作為使用傳統(tǒng)血糖儀進(jìn)行自我監(jiān)測(cè)方式的有益補(bǔ)充，已逐漸成為血糖監(jiān)測(cè)的一種重要方式[4-7]，其相較于傳統(tǒng)的血糖監(jiān)測(cè)方法，優(yōu)勢(shì)在于能夠提供連續(xù)、全面的血糖數(shù)據(jù)，反映血糖水平的波動(dòng)趨勢(shì)[8]，同時(shí)大幅降低患者疼痛感、操作復(fù)雜程度以及試紙購(gòu)買成本。目前我國(guó)對(duì)CGM系統(tǒng)按照Ⅲ類（風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高）醫(yī)療器械進(jìn)行管理[9]，但是對(duì)于該類產(chǎn)品臨床試驗(yàn)前的性能質(zhì)量評(píng)價(jià)并沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以依據(jù)，傳統(tǒng)血糖儀標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19634[10]不適用于CGM系統(tǒng)也無(wú)法全面準(zhǔn)確的考量其性能，因此需要明確針對(duì)CGM系統(tǒng)性能方面的評(píng)價(jià)思路和關(guān)鍵性能指標(biāo)，探索相應(yīng)的檢測(cè)方法。

1 評(píng)價(jià)思路設(shè)計(jì)

評(píng)價(jià)思路設(shè)計(jì)的主線是從CGM系統(tǒng)的測(cè)量原理出發(fā)確定關(guān)鍵部件，同時(shí)結(jié)合臨床使用過(guò)程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)發(fā)掘干擾因素，確定關(guān)鍵性能指標(biāo)，并設(shè)計(jì)系列試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。從原理上來(lái)說(shuō)，目前已上市的CGM系統(tǒng)多采用電化學(xué)反應(yīng)的原理測(cè)量組織間液中的葡萄糖濃度[11]，傳感器上的葡萄糖氧化酶催化葡萄糖發(fā)生系列反應(yīng)后會(huì)釋放電子，進(jìn)而可被發(fā)射器監(jiān)測(cè)到所產(chǎn)生電流，通過(guò)一定的算法處理即可建立電流大小與葡萄糖濃度的關(guān)系曲線，運(yùn)用組織間液中的葡萄糖濃度與血糖具有的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性[12-13]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)血糖的測(cè)量。由此可見(jiàn)CGM系統(tǒng)中的傳感器、發(fā)射器及顯示終端是較為關(guān)鍵的組成部分。同時(shí)從電化學(xué)反應(yīng)本身及生物酶活性的角度來(lái)說(shuō)，在臨床實(shí)際使用過(guò)程中較易受到例如溫度、氧氣分壓和藥物成分等干擾因素的影響，本文將針對(duì)以上CGM系統(tǒng)的關(guān)鍵部件及抗干擾性能的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究。

2 關(guān)鍵性能指標(biāo)的確定及檢測(cè)方法

2.1 傳感器方面

目前，CGM系統(tǒng)的傳感器多采用三電極技術(shù)，即工作電極、對(duì)電極和參考電極，示意圖如圖1所示。

圖1 傳感器三電極示意圖

其中，工作電極的作用是表面的酶使葡萄糖發(fā)生氧化還原反應(yīng)；對(duì)電極的作用是與工作電極形成回路；參考電極的作用是與組織間液、工作電極形成電勢(shì)差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作電極與組織間液電勢(shì)差的監(jiān)測(cè)。由于傳感器測(cè)量血糖的相關(guān)性能是由臨床試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析得出。在臨床試驗(yàn)前的質(zhì)量評(píng)價(jià)階段，應(yīng)在模擬葡萄糖溶液的環(huán)境下考量傳感器產(chǎn)生電流方面的性能，包括電流與葡萄糖濃度的線性相關(guān)系數(shù)及線性偏差、重復(fù)性、穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間，各指標(biāo)設(shè)計(jì)及檢測(cè)意義，見(jiàn)表1。

考慮到傳感器產(chǎn)生的電流通常為nA級(jí)，建議使用多通道電化學(xué)工作站作為主要的測(cè)試儀器。試驗(yàn)布置示意圖，見(jiàn)圖2。

圖2 傳感器檢測(cè)試驗(yàn)布置示意圖

具體方法為使用NaCl、NaH2PO4和Na2HPO4的混合溶液作為溶劑，固體葡萄糖作為溶質(zhì)，配制不同濃度的模擬葡萄糖溶液盛裝于容器中并放置在37℃的恒溫水浴中至溫度穩(wěn)定，使用生化分析儀對(duì)各濃度的葡萄糖濃度進(jìn)行標(biāo)定并記錄。將傳感器三電極引出接至電化學(xué)工作站相應(yīng)的電極，先將傳感器置于0的葡萄糖溶液中使電化學(xué)工作站的響應(yīng)電流穩(wěn)定，隨后即可開(kāi)展不同濃度葡萄糖溶液的測(cè)試，以測(cè)得電流為自變量x，葡萄糖溶液標(biāo)定濃度為因變量y，擬合線性回歸方程y=ax+b，進(jìn)而可以計(jì)算出線性相關(guān)系數(shù)及線性偏差。需要注意的是在進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試時(shí)，在兩次測(cè)試之間應(yīng)把傳感器置于0的葡萄糖溶液中使響應(yīng)電流“歸零”，可以選擇多個(gè)傳感器測(cè)量不同濃度的葡萄糖溶液以提高效率。對(duì)于響應(yīng)時(shí)間起止點(diǎn)的選擇，可以定義從原濃度葡萄糖溶液移出傳感器的時(shí)間點(diǎn)為t0，傳感器在新濃度葡萄糖溶液中測(cè)得電流首次達(dá)到穩(wěn)定電流95%的時(shí)間點(diǎn)為t1，二者之差即為響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于穩(wěn)定性測(cè)試，應(yīng)當(dāng)覆蓋整個(gè)使用周期，至少每24 h記錄一次電流數(shù)據(jù)，計(jì)算每24 h的變化率。

2.2 發(fā)射器及顯示終端方面

傳感器產(chǎn)生電流后，發(fā)射器會(huì)檢測(cè)電流并將其編碼后轉(zhuǎn)化為無(wú)線信號(hào)發(fā)送給顯示終端，在這個(gè)過(guò)程中存在兩個(gè)質(zhì)控關(guān)鍵點(diǎn)：① 發(fā)射器電流測(cè)量準(zhǔn)確性；② 發(fā)射器與顯示終端唯一匹配性。

2.2.1 發(fā)射器電流測(cè)量準(zhǔn)確性的評(píng)價(jià)

可參照?qǐng)D3的布置設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)：將發(fā)射器檢測(cè)電流的觸點(diǎn)引出，接至精密電流源的輸出端，使用精密電流源為其輸入不同大小的電流，進(jìn)入顯示終端后臺(tái)查看并記錄接收到的電流值的大小，進(jìn)而可以計(jì)算出發(fā)射器電流測(cè)量的準(zhǔn)確度、重復(fù)性、線性等。需要注意的是選擇測(cè)試的電流范圍應(yīng)當(dāng)至少能夠覆蓋傳感器性能評(píng)價(jià)時(shí)所能產(chǎn)生的電流范圍。

圖3 發(fā)射器檢測(cè)試驗(yàn)布置示意圖

2.2.2 發(fā)射器與顯示終端唯一匹配性的評(píng)價(jià)

在正常使用時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備同時(shí)處于同一房間中的情況，例如病房、會(huì)議室、家庭等，是典型的無(wú)線共存問(wèn)題[14]，目前的評(píng)價(jià)方法較為簡(jiǎn)單直觀，模仿正常使用方法安裝并啟動(dòng)CGM系統(tǒng)，將多個(gè)CGM系統(tǒng)置于同一空間中，各個(gè)CGM系統(tǒng)置于不同濃度的葡萄糖溶液中，觀察顯示終端的葡萄糖溶度數(shù)值是否出現(xiàn)串?dāng)_的情況。對(duì)于系統(tǒng)兼容性宣稱數(shù)量較多的情況，可能無(wú)法通過(guò)實(shí)測(cè)葡萄糖濃度來(lái)判斷測(cè)量結(jié)果來(lái)源于哪個(gè)CGM系統(tǒng)，可先將各個(gè)系統(tǒng)分開(kāi)運(yùn)行而后聚集在同一空間運(yùn)行，對(duì)比前后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差異的方法來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 抗干擾性能方面

2.3.1 溫度影響

研究表明，人體皮下溫度會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化出現(xiàn)波動(dòng)[15-16]，使用CGM系統(tǒng)的患者會(huì)存在個(gè)體之間的體溫差異或是出現(xiàn)發(fā)熱的情況，而對(duì)于CGM系統(tǒng)傳感器中的葡萄糖氧化酶和整個(gè)反應(yīng)體系來(lái)說(shuō)，溫度又是一個(gè)關(guān)鍵因素[17]，因此有必要對(duì)不同溫度下傳感器的性能進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)?？煽紤]兩種方法進(jìn)行檢測(cè)：① 采用圖2的試驗(yàn)布置，分別將恒溫水浴設(shè)置成不同的溫度，例如32℃、37℃、40℃等，而后按照傳感器線性的試驗(yàn)方法，依次求出不同溫度點(diǎn)下的線性回歸方程，進(jìn)而計(jì)算線性偏差。需要注意的是不同濃度的葡萄糖溶液在不同溫度點(diǎn)下均需進(jìn)行標(biāo)定以獲得該溫度點(diǎn)下的標(biāo)稱值。根據(jù)試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，在不同溫度點(diǎn)下傳感器的線性回歸方程不盡相同，制造商會(huì)在發(fā)射器中增加測(cè)溫模塊來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量人體溫度，進(jìn)而在算法中進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證血糖測(cè)量的準(zhǔn)確度，因此還需要考慮增加對(duì)發(fā)射器測(cè)溫性能，例如準(zhǔn)確性、重復(fù)性、穩(wěn)定性、測(cè)溫頻率等項(xiàng)目的考量；② 模仿正常使用方法安裝并啟動(dòng)CGM系統(tǒng)，將傳感器置于不同溫度下同一濃度的葡萄糖溶液中，分別記錄不同溫度下顯示終端上的實(shí)測(cè)葡萄糖溶液濃度，計(jì)算變化率，從而可以判斷傳感器性能是否受到溫度的影響，這種方法相當(dāng)于直接考量了系統(tǒng)的性能，更為簡(jiǎn)潔。

2.3.2 氧分壓影響

目前已上市的CGM系統(tǒng)中使用較普遍的是第一代傳感器和第二代傳感器[18-19]，第一代傳感器以氧氣作為電子的傳遞介質(zhì)。第二代傳感器以電子介體作為電子的傳遞介質(zhì)，常見(jiàn)的有氧化還原金屬聚合物和納米材料，在生物酶與電極之間增加用于電子傳遞的介體層，利用可快速進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的介體材料作為酶活性中心與電極表面電子傳遞的中間體，氧化態(tài)酶氧化葡萄糖轉(zhuǎn)化為還原態(tài)酶，同時(shí)將介體物質(zhì)還原氧化，將反應(yīng)電荷傳遞至電極表面，反應(yīng)過(guò)程如式(1)～(3)所示。

式中GOx(ox)、GOx(red)分別為氧化態(tài)和還原態(tài)的酶，Med(ox)、Med(red)分別為氧化態(tài)和還原態(tài)的介體。在第一代傳感器的反應(yīng)體系中，氧氣直接參與并且作為電子的傳遞介質(zhì)，因此傳感器的性能直接受到氧氣濃度的影響。在第二代傳感器的反應(yīng)體系過(guò)程(2)中，氧氣同樣可以將還原態(tài)的酶氧化，從而與電子介體形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，導(dǎo)致傳感器的電流密度降低。因此有必要評(píng)價(jià)在不同氧分壓條件下傳感器的性能。有資料表明，正常情況下人體內(nèi)氧分壓為15～40 mmHg，換算后氧氣濃度約為2%～5%[20]，由于傳感器植入皮下組織可能會(huì)引起一定程度的異體排異反應(yīng)而導(dǎo)致氧濃度降低，因此在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)可將氧濃度范圍設(shè)定為1%～5%，其余為氮?dú)狻＞唧w方法為按照傳感器線性偏差的檢測(cè)方法及圖4的試驗(yàn)布置，分別擬合出不同氧濃度下的線性回歸方程，進(jìn)而計(jì)算線性偏差，或是直接對(duì)比氧氣濃度變化前后傳感器靈敏度的變化程度，即能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器在不同氧分壓條件下性能的評(píng)價(jià)。

圖4 傳感器氧氣響應(yīng)試驗(yàn)布置示意圖

2.3.3 藥物影響

有研究表明，部分藥物成分例如抗壞血酸（維生素C）、醋氨酚、布洛芬，會(huì)影響血糖的測(cè)量結(jié)果[21]，因?yàn)檫@類干擾物質(zhì)在特定電壓下具有一定的電活性，被氧化后會(huì)降低CGM傳感器電極的選擇性，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，而這些又是人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常會(huì)服用的保健品或者藥品，因此有必要設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)其抗藥物干擾能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，可選擇傳感器對(duì)含有干擾物質(zhì)的葡萄糖溶液的測(cè)量偏差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體試驗(yàn)可設(shè)計(jì)為首先使用高純度的干擾物質(zhì)作為溶質(zhì)，固定濃度的葡萄糖溶液作為溶劑（可選擇5 mmol/L或10 mmol/L），配制干擾物濃度為0.2 mmol/L的干擾液，按照傳感器線性的檢測(cè)方法，擬合出線性回歸方程y=ax+b，其中a即為傳感器的靈敏度，單位為nA/mmol/L，而后將傳感器置于固定濃度的葡萄糖溶液中，記錄穩(wěn)態(tài)電流I1，隨后將傳感器置于干擾液中，記錄穩(wěn)態(tài)電流I2，I1/a、I2/a即為實(shí)測(cè)葡萄糖濃度，二者差值與葡萄糖溶液標(biāo)定濃度的比值即為傳感器的測(cè)量偏差。

3 試驗(yàn)結(jié)果

選取一款CGM系統(tǒng)采用本文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行試驗(yàn)，第一次測(cè)試響應(yīng)時(shí)間為54 s，第二次測(cè)試響應(yīng)時(shí)間為80 s，第三次測(cè)試響應(yīng)時(shí)間為76 s。相應(yīng)指標(biāo)的測(cè)量結(jié)果均滿足制造商的聲稱范圍，詳細(xì)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2～8所示。

表2 線性偏差測(cè)試結(jié)果

表3 重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

表4 穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

表5 發(fā)射器電流測(cè)量準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果

表6 抗溫度影響測(cè)試結(jié)果

表7 抗氧分壓影響測(cè)試結(jié)果

表8 抗藥物影響測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論與展望

本文針對(duì)目前CGM系統(tǒng)性能質(zhì)量評(píng)價(jià)無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依據(jù)的問(wèn)題，通過(guò)分析目前CGM系統(tǒng)測(cè)量血糖的原理及各組成部分在系統(tǒng)中的作用，明確傳感器和發(fā)射器及顯示終端為關(guān)鍵部件，分析了對(duì)其開(kāi)展質(zhì)量評(píng)價(jià)的必要性，給出了具體評(píng)價(jià)思路和評(píng)價(jià)方法，同時(shí)結(jié)合反應(yīng)體系中的關(guān)鍵因素及臨床使用過(guò)程中可能存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，明晰了針對(duì)溫度、氧分壓和藥物三類干擾因素的傳感器抗干擾性能的評(píng)價(jià)方法，通過(guò)對(duì)一款CGM系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了方法的可行性，為該類產(chǎn)品的質(zhì)量評(píng)價(jià)提供的參考，為監(jiān)管提供了技術(shù)支撐。

同時(shí)，通過(guò)本文的介紹可以看到，針對(duì)傳感器的性能測(cè)試較為復(fù)雜、過(guò)程繁瑣，經(jīng)常需要人為將傳感器轉(zhuǎn)移至不同濃度的葡萄糖溶液，試驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)使用的儀器較多，尤其是電化學(xué)工作站穩(wěn)態(tài)電流等待時(shí)間較長(zhǎng)，完成整個(gè)試驗(yàn)消耗的人力成本、時(shí)間成本較大。目前我們也在積極探索開(kāi)發(fā)一套針對(duì)傳感器測(cè)試的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，利用注射泵、電磁閥等實(shí)現(xiàn)葡萄糖溶液濃度及干擾物濃度控制，利用流量計(jì)、壓力閥等實(shí)現(xiàn)氧氣控制，利用恒溫水浴、溫度探頭等實(shí)現(xiàn)溫度控制，最后利用各儀器已有信號(hào)口建立通訊，降低人為介入的程度，將大幅提高檢測(cè)效率。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，諸如無(wú)酶?jìng)鞲衅?、全植入傳感器等新型傳感器技術(shù)將被應(yīng)用在CGM系統(tǒng)中，如何針對(duì)這類新技術(shù)發(fā)掘臨床使用潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，開(kāi)展科學(xué)合理以及有針對(duì)性的質(zhì)量評(píng)價(jià)，是我們下一步的研究方向。