可穿戴技術在糖尿病健康管理中的應用進展*

尹蓮花 鄭彥

國際糖尿病聯盟（International Diabetes Federation，IDF）2019 年發布的第9 版全球糖尿病地圖顯示，2019 年全球4.63 億20～79 歲成人糖尿病患者，中國占到1.164 億，居全球首位；全球共2.319 億未診斷糖尿病患者，未診斷率達50.1%，中國未診斷糖尿病患者數高達6 520 萬，居全球首位；2019 年中國糖尿病相關醫療支出約1090 億美元，位居全球第二[1]。大量統計數據表明，中國糖尿病防控形勢嚴峻，糖尿病相關醫療支出龐大。在當前醫療條件下，糖尿病仍屬終身性疾病，難以治愈，并可導致全身各組織器官的并發癥，需要長期治療，加之中國糖尿病患者基數大，病程長，醫院集中化管理的難度較大。時下新興的可穿戴技術能夠實現遠程監控和智能反饋，在便利性、即時性、智能化等方面具有傳統醫療無法比擬的優點，有利于患者在院外或家庭環境中進行自主健康管理，從而降低慢性病健康管理的醫療成本，節約有限的醫療資源，具有廣闊的應用前景。本文將就近年來可穿戴技術在國內外糖尿病健康管理中的應用情況做一綜述。

1 運動手環在糖尿病健康管理中的應用

運動手環作為一種新型的融信息技術與醫療健康于一體的智能化可穿戴運動管理設備，能對人的體力活動及運動情況進行實時監測，并自帶運動提醒功能，不但體積小，佩戴方便，不影響日常活動，而且操作簡單，已被廣泛應用于大眾健身[2]。大量研究顯示，運動手環的合理應用有助于增加運動趣味，起到良好的運動提醒和激勵作用，從而提升糖尿病患者運動干預的依從性和積極性，3～6 個月的手環監測下運動能夠有效改善BMI、腰圍、糖脂代謝和胰島素抵抗，提高患者生活質量，延緩病情進展，值得臨床推廣應用[3-7]。

羅佳彬等[3]采用全程通H6 移動智能手環對50 例社區2 型糖尿病（T2DM）患者進行個性化運動干預，指導研究對象查看每日運動總步數和有效步數，并養成定期記錄的習慣，經6 個月干預后，與僅接受常規公共衛生服務的對照組相比，干預組的體重、BMI、腰圍、空腹血糖的改善更為顯著（P＜0.05 或P＜0.01）。王夢夢等[4]研究結果顯示：運動手環能夠督促患者有意識地完成運動目標，并享受運動樂趣，提升患者的運動依從性，3 個月的手環檢測下運動干預即顯著改善患者的空腹血糖（FBG）、餐后2 h 血糖（2 h PG）、糖化血紅蛋白（HbA1c）、BMI 等指標。趙曉姬等[5]采用小米2 代智能運動手環對34 例T2DM 合并非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）患者進行為期3 個月的運動干預與監測后發現，干預后患者的糖脂代謝指標（包括FBG、2 h PG、HbA1c、總膽固醇TC、甘油三酯TG、低密度脂蛋白膽固醇LDL-C）較干預前均顯著下降（P＜0.05），糖代謝指標2 h PG、HbA1c、脂代謝指標TC、TG、肝功能指標ALT、AST 及脂肪因子瘦素、BMI 等均顯著低于未使用運動手環的對照組（P＜0.05），提示運動手環的應用可為T2DM 合并NAFLD 患者提供個性化、可動態調整的運動方案，從而顯著改善其糖脂代謝和胰島素抵抗，大幅提升運動干預的安全性、有效性和依從性，延緩病情進展。

曹創等[6-7]探討佩戴運動手環對T2DM 患者運動行為、糖脂代謝和生活質量的影響，結果顯示：佩戴組患者的日均運動步數、總運動時間及低、中、高強度的運動時間均顯著高于未佩戴組（P＜0.05）；隨著干預時間的延長，除TC 外，佩戴組的FBG、HbA1c、TG、高密度脂蛋白膽固醇HDL-C、LDL-C均發生明顯改善，且干預6 個月后，除TC 外，佩戴組的上述指標改善程度均明顯優于未佩戴組（P＜0.05）；干預后的生活質量評分較干預前明顯提升（P＜0.05），提示運動手環的應用有助于提高T2DM 患者運動干預的依從性，增加患者運動量和運動強度，從而更好地改善糖脂代謝，并提高生活質量，改善運動康復療效，值得臨床推廣應用。

2 可穿戴微型傳感器在無創血糖監測中的應用

對于糖尿病患者而言，血糖監測一般通過靜脈或指尖采血完成。然而，針刺采血或抽血的疼痛感可能影響患者持續血糖監測的依從性和積極性。可穿戴式葡萄糖傳感器的誕生填補了這項醫療需求。研究表明，可穿戴的傳感器可以持續監測皮膚間質液（ISF）、淚液、唾液或汗液中的目標分析物[8]。其中，皮膚間質液取樣需要將針頭插入皮膚，而汗液、淚液和唾液可以通過佩戴在體外的設備取樣。可穿戴設備采集最廣泛的代謝物是用于監測糖尿病患者的皮膚間質液血糖。持續ISF 血糖監測可以在便捷、無痛苦、不浪費毛細血管血糖檢測的指尖血液的情況下評估血糖濃度，這是糖尿病患者確定胰島素給藥劑量和制定飲食、運動計劃的參考依據。汗液作為一種重要的體液，含有許多重要的代謝生物標志物，可以提供汗液葡萄糖的生理信息。汗液中的葡萄糖濃度在微摩爾（μmol）范圍內，名義上小于100 μmol，遠低于血液中的葡萄糖濃度。隨著可穿戴設備的出現，筆者觀察到，在恒速運動中，汗液中的葡萄糖濃度先升后降。可穿戴的汗液生物傳感器通常是在與皮膚形成共性接觸的柔性基底上制備的，將所需的汗液體積減至最小，方可正確地收集和分析汗液樣本[9]。2016 年，FDA 批準了一個連續血糖監測儀，其MARD 為9.0%，用于非調整用途。美國Russell 等[10]研究發現，可穿戴式仿生胰腺能自動接收連續葡萄糖監測器的血糖數據，從而靶向調節胰島素和胰高血糖素的皮下遞送，改善1 型糖尿病患者的平均血糖水平，降低低血糖發生率。大量研究顯示，將生物傳感器附于腕表背面或牙線上，可以提供無創、便捷的實時血糖追蹤監測或微針治療，為推動糖尿病的治療和改善血糖控制提供了有效途徑[11-14]。

2.1 基于汗液的智能可穿戴傳感器在血糖監測和干預中的應用 Zilberstein 等[11]報道了一款用于血糖濃度檢測的無創微型傳感器，該款傳感器內置于帶有PPG/HRM（光體積/心率監測傳感器）的智能手表后面板，通過手腕或指尖輕觸后面板涂有一層薄玻璃或聚合物薄膜的化學變色混合物上實現血糖的監測。該傳感器的原理是采用化學變色成分測量汗液中存在的丙酮、丙酮β-羥丁酸酯、乙酸乙酯、水、二氧化碳、乳酸陰離子、丙酮酸、鈉鹽和鉀鹽等代謝物的絕對值，并綜合上述參數值，通過基于傳感器內置神經網絡算法的多元分析自動算出血糖濃度。克拉克誤差網格分析顯示，標準侵入式血糖測試儀與現有非侵入式血糖測試儀在不同時點（早餐前/中/后、午餐前/中/后）、針對不同個體（男/女）的檢測數據均具有良好的相關性，誤差為±15%。作者認為，這種新型的非侵入式間接血糖測量傳感器是完全微型化的，易于使用和操作，對于個人用戶而言，可以作為目前臨床環境下侵入式檢測工具的有效替代。

Zhao 等[12]報道了另一款同樣通過汗液檢測葡萄糖濃度的可穿戴式三電極電化學生物傳感器，該傳感器的原理是通過干法紡絲和化學鍍生產可伸長彈性金纖維，在此基礎上，用循環伏安法在纖維上進一步電沉積了一層Ag/AgCl 或普魯士藍。研究顯示，以Au/AgCl 改性纖維為參比電極，以葡萄糖氧化酶（GOx）進一步修飾PB 改性纖維為工作電極，以未修飾的金纖維為對電極，將上述功能纖維纏繞在彈性纖維芯上，可在200%的應變下獲得優異的電化學性能。在高度拉伸狀態下，該傳感器對葡萄糖檢測的靈敏度可達11.7 μA·mM-1·cm-2，且具有較高的選擇性，能夠監測人工汗液中的葡萄糖水平。作者認為，該傳感器在可穿戴紡織品生物診斷領域具有潛在的應用前景。

除了檢測汗液中的葡萄糖水平，Oh 等[13]還發現了一種可以同時用于汗液中pH 值檢測的可拉伸電化學傳感器，該傳感器對葡萄糖和pH 值的檢測靈敏度分別達到10.89 μA·mM-1·cm-2和71.44 mV·pH-1，機械穩定性可達30%，空氣穩定性可達10 d。此外，在濕潤的皮膚上，它同樣展現出良好的附著力，可在貼附于皮膚的同時檢測跑步運動產生的汗液中的葡萄糖和pH 值。研究表明，這種可伸展、可貼附于皮膚的電化學傳感器是一種高性能的醫療可穿戴設備，可以應用于糖尿病患者的健康管理[14]。

Lee 等[15]研發了一款基于貼片的帶有多級經皮藥物輸送模塊的可穿戴/一次性監測裝置，不但可以用于汗液中葡萄糖的無創監測，還可實施基于微針的即時治療，為糖尿病的無痛、無壓力護理及治療提供了重要工具。研究發現，通過多模式葡萄糖傳感結合溫度、濕度和多模式pH 傳感的實時信號校正，可最大限度地提高此類血糖監測的準確性。

2.2 基于唾液的智能牙線傳感器在血糖監測中的應用 Sha 等[16]創造性地開發了一種可反復使用的用于人類口腔唾液中葡萄糖檢測的智能牙線傳感器，該傳感器由碳石墨墨水和Ag/AgCl 墨水在牙線上涂制而成，通過葡萄糖氧化酶的固定化實現對葡萄糖的監測，檢測范圍為0.048～19.5 mM，響應時間約為2 min。de Castro 等[17]開發了一種微型化可拆卸的“腔式傳感器”，傳感器表面基于GOx 改進聚乙二醇材質制成，其中集成了無線收發器，安裝在定制的單片護齒上匹配佩戴者牙齒的形狀，用于固定在護齒上測量唾液葡萄糖。

2.3 基于淚液的智能隱形眼鏡在血糖監測和藥物輸送領域的應用 淚液是無線、非侵入性可穿戴傳感器的首選目標之一，盡管越來越多的淚液分析物被證實與多種疾病相關，但葡萄糖仍然是基于淚液的可穿戴設備的首要監測靶點[18]。Park 等[19]研發了一種柔軟、透明的智能隱形眼鏡，鏡片中含有透明且富有彈性的納米結構葡萄糖傳感器和無線充電回路，通過石墨烯傳感器感知用戶葡萄糖水平的變化，并通過LED 顯像技術實時傳輸和顯示測得的葡萄糖濃度。當用戶淚液中測得的葡萄糖水平超過閾值時，通過關閉微小的嵌入式LED 燈警示佩戴者血糖變化。活體兔子實驗顯示，將該款軟透鏡戴到兔眼上后，通過觀察LED 的開/關操作無線監測血糖濃度有無超過閾值。實驗發現，當葡萄糖濃度超過0.9 mM 時，LED 熄滅。作為首款能在柔軟的隱形眼鏡上顯示像素以提供葡萄糖信息的設備，它在糖尿病前期指標和每日血糖的監測方面預期具有良好的應用前景。

Sempionatto 等[20]報道了一款可穿戴淚液生物電子平臺，通過將微流控電化學檢測器集成至眼鏡的鼻橋墊上，實現對淚液中葡萄糖的無創檢測。與隱形眼鏡平臺的傳感器系統不同，該款可穿戴淚液檢測設備無須與眼睛直接接觸，用戶使用安全度更高。

Keum 等[21]研發了一款可遠程控制的多功能智能隱形眼鏡，用于非侵入性血糖監測和受控藥物輸送，旨在定向治療糖尿病視網膜病變。該款隱形眼鏡主要由5 個部分組成：實時電化學生物傳感器、按需靈活藥物輸送系統（f-DDS）、諧振感應無線能量傳輸系統、基于互補集成電路的帶電源管理單元的微控制器芯片和遠程射頻通信系統。藥物可以通過遠程通信從自我調節的脈動f-DDS 中釋放出來。與銅接收器線圈的諧振電感耦合允許使用發射器線圈從外部電源無線供電，該設備通過射頻通信與外部控制器通信。活體兔子實驗顯示，該款隱形眼鏡可以實現血糖水平監測并向眼部輸送藥物。

2.4 實時HRV 檢測有望用于早期低血糖監測 Olde Bekkink 等[22]指導23 名1 型糖尿病患者佩戴可監測心率等多種健康參數的VitalPatch 設備，并通過指血測定患者血糖。當患者血糖低于70 mg/dL（3.9 mmol/L）時，判定為低血糖事件，同時記錄患者心率，研究期間共發現66 個低血糖事件。統計分析顯示，僅3%的低血糖事件未出現心率變異性（HRV）變化，82%的低血糖事件中觀察到心率變化，其中55%為典型HRV 變化模式，27%為非典型HRV 變化模式。作者認為，1 型糖尿病患者在出現低血糖事件之前可以檢測到心率變異性模式。因此，測量實時HRV 的可穿戴設備有望應用于早期低血糖監測。

3 可穿戴設備聯合云管理平臺在糖尿病健康管理中的應用

時下常見的智能手環、智能手表、智能血糖監測儀等醫療級別的可穿戴設備，常通過藍牙連接將監測到的各項運動或健康數據實時傳輸至手機應用程序，并通過云管理平臺共享至醫院服務器，醫生通過數據分析給出健康管理建議并遠程反饋，患者足不出戶即可獲取專業的醫學建議。除了常規的運動心率、每日步數監測之外，可穿戴設備還可同步監測T2DM 患者的肌氧含量等健康標志物。賈竹敏等[23]研究便攜式可穿戴設備肌氧監測儀、心率臂帶結合手機應用程序（APP）和運動管理平臺對66 例T2DM 患者糖脂代謝、肌氧、心率等指標的影響。結果顯示：經24 周干預后，可穿戴組的FBG、HbA1c均明顯低于僅接受常規運動宣教的對照組，在同等運動速度下的肌肉力量改善更為顯著（P＜0.05），提示便攜式可穿戴設備結合運動管理平臺的應用可有效改善T2DM 患者的糖代謝情況并改善肌氧量。

Lim 等[24]采用隨機對照臨床試驗將60 歲以上T2DM 患者隨機分為自我血糖檢測組（SMBG 組）和u-healthcare 組（U 醫療保健系統組）各50 例，指導u-healthcare 組受試者使用特殊設計的血糖儀和活動監視器，可以自動將相關測試結果實時傳輸至醫院服務器，并將關于血糖、飲食和體力活動的反饋建議自動發送至患者手機或特定網站，經過6個月的隨訪，與SMBG 組相比，u-healthcare 組的HbA1c 水平顯著下降（P＜0.01），且u-healthcare 組HbA1c 水平＜7%且無低血糖的患者比例26%明顯高于SMBG 組12%（P＜0.05），u-healthcare 組脂肪量下降且血脂指標改善而SMBG 組未見類似改變。作者認為，u-healthcare 服務可為T2DM 老年患者提供有效治療。

4 可穿戴技術在糖尿病健康管理中的應用展望

近年來，數字醫療技術發展迅速。隨著新興的醫療技術的出現，可穿戴設備已經成為一種標準的醫療干預手段。作為一種安全、經濟的醫療保健設備，可穿戴設備在跟蹤體力活動方面受到廣泛關注，可通過每天持續收集體力活動等數據，使醫療服務提供者能夠遠程監控佩戴者的體力活動情況并據此制定個性化干預措施，同時采用警報提醒模式促進積極的生活方式。移動應用程序和可穿戴設備有利于實時評估飲食攝入、體力活動量、血糖動態值等，并提供反饋，從而鼓勵個人積極改變不良的生活行為方式，改善血糖控制和糖尿病管理，降低糖尿病等慢性病風險。一項系統回顧指出，使用可穿戴設備的人群，無論年齡、性別或健康狀況如何，均可提高其體力活動量和每日步數[25]。可穿戴設備在增加體力活動方面起一定作用，從而有助于改善患者的臨床預后[26]。基于國家中醫藥管理局中醫康復研究中心（TCM Rehabilitation research center of SATCM），為了讓患者參與可穿戴數據收集，需要解決以患者為中心的關鍵問題，這些問題涉及醫療保健的有效性和動機、數據的準確性、安全性和隱私性等，這是未來可穿戴技術在糖尿病健康管理應用研究中需要思考的問題。