持續葡萄糖監測系統質量評價思路及檢測方法探討

張超，李澍，王浩，方駿飛，孔書毅，李佳戈

1.中國食品藥品檢定研究院 醫療器械檢定所，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，研究證明通過較好的血糖監測及控制可以有效降低并發癥的發生風險[1-3]。目前，持續葡萄糖監測（Continuous Glucose Monitoring，CGM）作為使用傳統血糖儀進行自我監測方式的有益補充，已逐漸成為血糖監測的一種重要方式[4-7]，其相較于傳統的血糖監測方法，優勢在于能夠提供連續、全面的血糖數據，反映血糖水平的波動趨勢[8]，同時大幅降低患者疼痛感、操作復雜程度以及試紙購買成本。目前我國對CGM系統按照Ⅲ類（風險等級最高）醫療器械進行管理[9]，但是對于該類產品臨床試驗前的性能質量評價并沒有相關標準可以依據，傳統血糖儀標準GB/T 19634[10]不適用于CGM系統也無法全面準確的考量其性能，因此需要明確針對CGM系統性能方面的評價思路和關鍵性能指標，探索相應的檢測方法。

1 評價思路設計

評價思路設計的主線是從CGM系統的測量原理出發確定關鍵部件，同時結合臨床使用過程中的潛在風險點發掘干擾因素，確定關鍵性能指標，并設計系列試驗實現測量。從原理上來說，目前已上市的CGM系統多采用電化學反應的原理測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生系列反應后會釋放電子，進而可被發射器監測到所產生電流，通過一定的算法處理即可建立電流大小與葡萄糖濃度的關系曲線，運用組織間液中的葡萄糖濃度與血糖具有的強關聯性[12-13]，從而實現對血糖的測量。由此可見CGM系統中的傳感器、發射器及顯示終端是較為關鍵的組成部分。同時從電化學反應本身及生物酶活性的角度來說，在臨床實際使用過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，本文將針對以上CGM系統的關鍵部件及抗干擾性能的質量評價方法進行研究。

2 關鍵性能指標的確定及檢測方法

2.1 傳感器方面

目前，CGM系統的傳感器多采用三電極技術，即工作電極、對電極和參考電極，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生氧化還原反應；對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、工作電極形成電勢差，從而實現對工作電極與組織間液電勢差的監測。由于傳感器測量血糖的相關性能是由臨床試驗結果統計分析得出。在臨床試驗前的質量評價階段，應在模擬葡萄糖溶液的環境下考量傳感器產生電流方面的性能，包括電流與葡萄糖濃度的線性相關系數及線性偏差、重復性、穩定性和響應時間，各指標設計及檢測意義，見表1。

考慮到傳感器產生的電流通常為nA級，建議使用多通道電化學工作站作為主要的測試儀器。試驗布置示意圖，見圖2。

圖2 傳感器檢測試驗布置示意圖

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，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定，使用生化分析儀對各濃度的葡萄糖濃度進行標定并記錄。將傳感器三電極引出接至電化學工作站相應的電極，先將傳感器置于0的葡萄糖溶液中使電化學工作站的響應電流穩定，隨后即可開展不同濃度葡萄糖溶液的測試，以測得電流為自變量x，葡萄糖溶液標定濃度為因變量y，擬合線性回歸方程y=ax+b，進而可以計算出線性相關系數及線性偏差。需要注意的是在進行重復性測試時，在兩次測試之間應把傳感器置于0的葡萄糖溶液中使響應電流“歸零”，可以選擇多個傳感器測量不同濃度的葡萄糖溶液以提高效率。對于響應時間起止點的選擇，可以定義從原濃度葡萄糖溶液移出傳感器的時間點為t0，傳感器在新濃度葡萄糖溶液中測得電流首次達到穩定電流95%的時間點為t1，二者之差即為響應時間。對于穩定性測試，應當覆蓋整個使用周期，至少每24 h記錄一次電流數據，計算每24 h的變化率。

2.2 發射器及顯示終端方面

傳感器產生電流后，發射器會檢測電流并將其編碼后轉化為無線信號發送給顯示終端，在這個過程中存在兩個質控關鍵點：① 發射器電流測量準確性；② 發射器與顯示終端唯一匹配性。

2.2.1 發射器電流測量準確性的評價

可參照圖3的布置設計如下試驗：將發射器檢測電流的觸點引出，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，進入顯示終端后臺查看并記錄接收到的電流值的大小，進而可以計算出發射器電流測量的準確度、重復性、線性等。需要注意的是選擇測試的電流范圍應當至少能夠覆蓋傳感器性能評價時所能產生的電流范圍。

圖3 發射器檢測試驗布置示意圖

2.2.2 發射器與顯示終端唯一匹配性的評價

在正常使用時可能會出現多臺設備同時處于同一房間中的情況，例如病房、會議室、家庭等，是典型的無線共存問題[14]，目前的評價方法較為簡單直觀，模仿正常使用方法安裝并啟動CGM系統，將多個CGM系統置于同一空間中，各個CGM系統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值是否出現串擾的情況。對于系統兼容性宣稱數量較多的情況，可能無法通過實測葡萄糖濃度來判斷測量結果來源于哪個CGM系統，可先將各個系統分開運行而后聚集在同一空間運行，對比前后實測數據差異的方法來進行驗證。

2.3 抗干擾性能方面

2.3.1 溫度影響

研究表明，人體皮下溫度會隨著環境溫度的變化出現波動[15-16]，使用CGM系統的患者會存在個體之間的體溫差異或是出現發熱的情況，而對于CGM系統傳感器中的葡萄糖氧化酶和整個反應體系來說，溫度又是一個關鍵因素[17]，因此有必要對不同溫度下傳感器的性能進行質量評價。可考慮兩種方法進行檢測：① 采用圖2的試驗布置，分別將恒溫水浴設置成不同的溫度，例如32℃、37℃、40℃等，而后按照傳感器線性的試驗方法，依次求出不同溫度點下的線性回歸方程，進而計算線性偏差。需要注意的是不同濃度的葡萄糖溶液在不同溫度點下均需進行標定以獲得該溫度點下的標稱值。根據試驗我們發現，在不同溫度點下傳感器的線性回歸方程不盡相同，制造商會在發射器中增加測溫模塊來實時測量人體溫度，進而在算法中進行補償，從而保證血糖測量的準確度，因此還需要考慮增加對發射器測溫性能，例如準確性、重復性、穩定性、測溫頻率等項目的考量；② 模仿正常使用方法安裝并啟動CGM系統，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測葡萄糖溶液濃度，計算變化率，從而可以判斷傳感器性能是否受到溫度的影響，這種方法相當于直接考量了系統的性能，更為簡潔。

2.3.2 氧分壓影響

目前已上市的CGM系統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。第二代傳感器以電子介體作為電子的傳遞介質，常見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，利用可快速進行氧化還原反應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，氧化態酶氧化葡萄糖轉化為還原態酶，同時將介體物質還原氧化，將反應電荷傳遞至電極表面，反應過程如式(1)～(3)所示。

式中GOx(ox)、GOx(red)分別為氧化態和還原態的酶，Med(ox)、Med(red)分別為氧化態和還原態的介體。在第一代傳感器的反應體系中，氧氣直接參與并且作為電子的傳遞介質，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體系過程(2)中，氧氣同樣可以將還原態的酶氧化，從而與電子介體形成競爭關系，導致傳感器的電流密度降低。因此有必要評價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引起一定程度的異體排異反應而導致氧濃度降低，因此在試驗設計時可將氧濃度范圍設定為1%～5%，其余為氮氣。具體方法為按照傳感器線性偏差的檢測方法及圖4的試驗布置，分別擬合出不同氧濃度下的線性回歸方程，進而計算線性偏差，或是直接對比氧氣濃度變化前后傳感器靈敏度的變化程度，即能夠實現對傳感器在不同氧分壓條件下性能的評價。

圖4 傳感器氧氣響應試驗布置示意圖

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，會影響血糖的測量結果[21]，因為這類干擾物質在特定電壓下具有一定的電活性，被氧化后會降低CGM傳感器電極的選擇性，影響測量的準確性，而這些又是人們日常生活中經常會服用的保健品或者藥品，因此有必要設計試驗對其抗藥物干擾能力進行評價，可選擇傳感器對含有干擾物質的葡萄糖溶液的測量偏差作為評價指標。具體試驗可設計為首先使用高純度的干擾物質作為溶質，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，記錄穩態電流I1，隨后將傳感器置于干擾液中，記錄穩態電流I2，I1/a、I2/a即為實測葡萄糖濃度，二者差值與葡萄糖溶液標定濃度的比值即為傳感器的測量偏差。

3 試驗結果

選取一款CGM系統采用本文設計的方法進行試驗，第一次測試響應時間為54 s，第二次測試響應時間為80 s，第三次測試響應時間為76 s。相應指標的測量結果均滿足制造商的聲稱范圍，詳細數據結果如表2～8所示。

表2 線性偏差測試結果

表3 重復性測試結果

表4 穩定性測試結果

表5 發射器電流測量準確性測試結果

表6 抗溫度影響測試結果

表7 抗氧分壓影響測試結果

表8 抗藥物影響測試結果

4 結論與展望

本文針對目前CGM系統性能質量評價無標準可依據的問題，通過分析目前CGM系統測量血糖的原理及各組成部分在系統中的作用，明確傳感器和發射器及顯示終端為關鍵部件，分析了對其開展質量評價的必要性，給出了具體評價思路和評價方法，同時結合反應體系中的關鍵因素及臨床使用過程中可能存在的潛在風險點，明晰了針對溫度、氧分壓和藥物三類干擾因素的傳感器抗干擾性能的評價方法，通過對一款CGM系統進行實際測試，驗證了方法的可行性，為該類產品的質量評價提供的參考，為監管提供了技術支撐。

同時，通過本文的介紹可以看到，針對傳感器的性能測試較為復雜、過程繁瑣，經常需要人為將傳感器轉移至不同濃度的葡萄糖溶液，試驗過程中同時使用的儀器較多，尤其是電化學工作站穩態電流等待時間較長，完成整個試驗消耗的人力成本、時間成本較大。目前我們也在積極探索開發一套針對傳感器測試的自動化測試系統，利用注射泵、電磁閥等實現葡萄糖溶液濃度及干擾物濃度控制，利用流量計、壓力閥等實現氧氣控制，利用恒溫水浴、溫度探頭等實現溫度控制，最后利用各儀器已有信號口建立通訊，降低人為介入的程度，將大幅提高檢測效率。相信隨著技術的發展，諸如無酶傳感器、全植入傳感器等新型傳感器技術將被應用在CGM系統中，如何針對這類新技術發掘臨床使用潛在風險點，開展科學合理以及有針對性的質量評價，是我們下一步的研究方向。