持续葡萄糖监测系统质量评价思路及检测方法探讨

张超，李澍，王浩，方骏飞，孔书毅，李佳戈

1.中国食品药品检定研究院 医疗器械检定所，北京 102629；2.深圳硅基传感科技有限公司，广东 深圳 518101

引言

糖尿病是威胁人类健康的慢性疾病之一，研究证明通过较好的血糖监测及控制可以有效降低并发症的发生风险[1-3]。目前，持续葡萄糖监测（Continuous Glucose Monitoring，CGM）作为使用传统血糖仪进行自我监测方式的有益补充，已逐渐成为血糖监测的一种重要方式[4-7]，其相较于传统的血糖监测方法，优势在于能够提供连续、全面的血糖数据，反映血糖水平的波动趋势[8]，同时大幅降低患者疼痛感、操作复杂程度以及试纸购买成本。目前我国对CGM系统按照Ⅲ类（风险等级最高）医疗器械进行管理[9]，但是对于该类产品临床试验前的性能质量评价并没有相关标准可以依据，传统血糖仪标准GB/T 19634[10]不适用于CGM系统也无法全面准确的考量其性能，因此需要明确针对CGM系统性能方面的评价思路和关键性能指标，探索相应的检测方法。

1 评价思路设计

评价思路设计的主线是从CGM系统的测量原理出发确定关键部件，同时结合临床使用过程中的潜在风险点发掘干扰因素，确定关键性能指标，并设计系列试验实现测量。从原理上来说，目前已上市的CGM系统多采用电化学反应的原理测量组织间液中的葡萄糖浓度[11]，传感器上的葡萄糖氧化酶催化葡萄糖发生系列反应后会释放电子，进而可被发射器监测到所产生电流，通过一定的算法处理即可建立电流大小与葡萄糖浓度的关系曲线，运用组织间液中的葡萄糖浓度与血糖具有的强关联性[12-13]，从而实现对血糖的测量。由此可见CGM系统中的传感器、发射器及显示终端是较为关键的组成部分。同时从电化学反应本身及生物酶活性的角度来说，在临床实际使用过程中较易受到例如温度、氧气分压和药物成分等干扰因素的影响，本文将针对以上CGM系统的关键部件及抗干扰性能的质量评价方法进行研究。

2 关键性能指标的确定及检测方法

2.1 传感器方面

目前，CGM系统的传感器多采用三电极技术，即工作电极、对电极和参考电极，示意图如图1所示。

图1 传感器三电极示意图

其中，工作电极的作用是表面的酶使葡萄糖发生氧化还原反应；对电极的作用是与工作电极形成回路；参考电极的作用是与组织间液、工作电极形成电势差，从而实现对工作电极与组织间液电势差的监测。由于传感器测量血糖的相关性能是由临床试验结果统计分析得出。在临床试验前的质量评价阶段，应在模拟葡萄糖溶液的环境下考量传感器产生电流方面的性能，包括电流与葡萄糖浓度的线性相关系数及线性偏差、重复性、稳定性和响应时间，各指标设计及检测意义，见表1。

考虑到传感器产生的电流通常为nA级，建议使用多通道电化学工作站作为主要的测试仪器。试验布置示意图，见图2。

图2 传感器检测试验布置示意图

具体方法为使用NaCl、NaH2PO4和Na2HPO4的混合溶液作为溶剂，固体葡萄糖作为溶质，配制不同浓度的模拟葡萄糖溶液盛装于容器中并放置在37℃的恒温水浴中至温度稳定，使用生化分析仪对各浓度的葡萄糖浓度进行标定并记录。将传感器三电极引出接至电化学工作站相应的电极，先将传感器置于0的葡萄糖溶液中使电化学工作站的响应电流稳定，随后即可开展不同浓度葡萄糖溶液的测试，以测得电流为自变量x，葡萄糖溶液标定浓度为因变量y，拟合线性回归方程y=ax+b，进而可以计算出线性相关系数及线性偏差。需要注意的是在进行重复性测试时，在两次测试之间应把传感器置于0的葡萄糖溶液中使响应电流“归零”，可以选择多个传感器测量不同浓度的葡萄糖溶液以提高效率。对于响应时间起止点的选择，可以定义从原浓度葡萄糖溶液移出传感器的时间点为t0，传感器在新浓度葡萄糖溶液中测得电流首次达到稳定电流95%的时间点为t1，二者之差即为响应时间。对于稳定性测试，应当覆盖整个使用周期，至少每24 h记录一次电流数据，计算每24 h的变化率。

2.2 发射器及显示终端方面

传感器产生电流后，发射器会检测电流并将其编码后转化为无线信号发送给显示终端，在这个过程中存在两个质控关键点：① 发射器电流测量准确性；② 发射器与显示终端唯一匹配性。

2.2.1 发射器电流测量准确性的评价

可参照图3的布置设计如下试验：将发射器检测电流的触点引出，接至精密电流源的输出端，使用精密电流源为其输入不同大小的电流，进入显示终端后台查看并记录接收到的电流值的大小，进而可以计算出发射器电流测量的准确度、重复性、线性等。需要注意的是选择测试的电流范围应当至少能够覆盖传感器性能评价时所能产生的电流范围。

图3 发射器检测试验布置示意图

2.2.2 发射器与显示终端唯一匹配性的评价

在正常使用时可能会出现多台设备同时处于同一房间中的情况，例如病房、会议室、家庭等，是典型的无线共存问题[14]，目前的评价方法较为简单直观，模仿正常使用方法安装并启动CGM系统，将多个CGM系统置于同一空间中，各个CGM系统置于不同浓度的葡萄糖溶液中，观察显示终端的葡萄糖溶度数值是否出现串扰的情况。对于系统兼容性宣称数量较多的情况，可能无法通过实测葡萄糖浓度来判断测量结果来源于哪个CGM系统，可先将各个系统分开运行而后聚集在同一空间运行，对比前后实测数据差异的方法来进行验证。

2.3 抗干扰性能方面

2.3.1 温度影响

研究表明，人体皮下温度会随着环境温度的变化出现波动[15-16]，使用CGM系统的患者会存在个体之间的体温差异或是出现发热的情况，而对于CGM系统传感器中的葡萄糖氧化酶和整个反应体系来说，温度又是一个关键因素[17]，因此有必要对不同温度下传感器的性能进行质量评价。可考虑两种方法进行检测：① 采用图2的试验布置，分别将恒温水浴设置成不同的温度，例如32℃、37℃、40℃等，而后按照传感器线性的试验方法，依次求出不同温度点下的线性回归方程，进而计算线性偏差。需要注意的是不同浓度的葡萄糖溶液在不同温度点下均需进行标定以获得该温度点下的标称值。根据试验我们发现，在不同温度点下传感器的线性回归方程不尽相同，制造商会在发射器中增加测温模块来实时测量人体温度，进而在算法中进行补偿，从而保证血糖测量的准确度，因此还需要考虑增加对发射器测温性能，例如准确性、重复性、稳定性、测温频率等项目的考量；② 模仿正常使用方法安装并启动CGM系统，将传感器置于不同温度下同一浓度的葡萄糖溶液中，分别记录不同温度下显示终端上的实测葡萄糖溶液浓度，计算变化率，从而可以判断传感器性能是否受到温度的影响，这种方法相当于直接考量了系统的性能，更为简洁。

2.3.2 氧分压影响

目前已上市的CGM系统中使用较普遍的是第一代传感器和第二代传感器[18-19]，第一代传感器以氧气作为电子的传递介质。第二代传感器以电子介体作为电子的传递介质，常见的有氧化还原金属聚合物和纳米材料，在生物酶与电极之间增加用于电子传递的介体层，利用可快速进行氧化还原反应的介体材料作为酶活性中心与电极表面电子传递的中间体，氧化态酶氧化葡萄糖转化为还原态酶，同时将介体物质还原氧化，将反应电荷传递至电极表面，反应过程如式(1)～(3)所示。

式中GOx(ox)、GOx(red)分别为氧化态和还原态的酶，Med(ox)、Med(red)分别为氧化态和还原态的介体。在第一代传感器的反应体系中，氧气直接参与并且作为电子的传递介质，因此传感器的性能直接受到氧气浓度的影响。在第二代传感器的反应体系过程(2)中，氧气同样可以将还原态的酶氧化，从而与电子介体形成竞争关系，导致传感器的电流密度降低。因此有必要评价在不同氧分压条件下传感器的性能。有资料表明，正常情况下人体内氧分压为15～40 mmHg，换算后氧气浓度约为2%～5%[20]，由于传感器植入皮下组织可能会引起一定程度的异体排异反应而导致氧浓度降低，因此在试验设计时可将氧浓度范围设定为1%～5%，其余为氮气。具体方法为按照传感器线性偏差的检测方法及图4的试验布置，分别拟合出不同氧浓度下的线性回归方程，进而计算线性偏差，或是直接对比氧气浓度变化前后传感器灵敏度的变化程度，即能够实现对传感器在不同氧分压条件下性能的评价。

图4 传感器氧气响应试验布置示意图

2.3.3 药物影响

有研究表明，部分药物成分例如抗坏血酸（维生素C）、醋氨酚、布洛芬，会影响血糖的测量结果[21]，因为这类干扰物质在特定电压下具有一定的电活性，被氧化后会降低CGM传感器电极的选择性，影响测量的准确性，而这些又是人们日常生活中经常会服用的保健品或者药品，因此有必要设计试验对其抗药物干扰能力进行评价，可选择传感器对含有干扰物质的葡萄糖溶液的测量偏差作为评价指标。具体试验可设计为首先使用高纯度的干扰物质作为溶质，固定浓度的葡萄糖溶液作为溶剂（可选择5 mmol/L或10 mmol/L），配制干扰物浓度为0.2 mmol/L的干扰液，按照传感器线性的检测方法，拟合出线性回归方程y=ax+b，其中a即为传感器的灵敏度，单位为nA/mmol/L，而后将传感器置于固定浓度的葡萄糖溶液中，记录稳态电流I1，随后将传感器置于干扰液中，记录稳态电流I2，I1/a、I2/a即为实测葡萄糖浓度，二者差值与葡萄糖溶液标定浓度的比值即为传感器的测量偏差。

3 试验结果

选取一款CGM系统采用本文设计的方法进行试验，第一次测试响应时间为54 s，第二次测试响应时间为80 s，第三次测试响应时间为76 s。相应指标的测量结果均满足制造商的声称范围，详细数据结果如表2～8所示。

表2 线性偏差测试结果

表3 重复性测试结果

表4 稳定性测试结果

表5 发射器电流测量准确性测试结果

表6 抗温度影响测试结果

表7 抗氧分压影响测试结果

表8 抗药物影响测试结果

4 结论与展望

本文针对目前CGM系统性能质量评价无标准可依据的问题，通过分析目前CGM系统测量血糖的原理及各组成部分在系统中的作用，明确传感器和发射器及显示终端为关键部件，分析了对其开展质量评价的必要性，给出了具体评价思路和评价方法，同时结合反应体系中的关键因素及临床使用过程中可能存在的潜在风险点，明晰了针对温度、氧分压和药物三类干扰因素的传感器抗干扰性能的评价方法，通过对一款CGM系统进行实际测试，验证了方法的可行性，为该类产品的质量评价提供的参考，为监管提供了技术支撑。

同时，通过本文的介绍可以看到，针对传感器的性能测试较为复杂、过程繁琐，经常需要人为将传感器转移至不同浓度的葡萄糖溶液，试验过程中同时使用的仪器较多，尤其是电化学工作站稳态电流等待时间较长，完成整个试验消耗的人力成本、时间成本较大。目前我们也在积极探索开发一套针对传感器测试的自动化测试系统，利用注射泵、电磁阀等实现葡萄糖溶液浓度及干扰物浓度控制，利用流量计、压力阀等实现氧气控制，利用恒温水浴、温度探头等实现温度控制，最后利用各仪器已有信号口建立通讯，降低人为介入的程度，将大幅提高检测效率。相信随着技术的发展，诸如无酶传感器、全植入传感器等新型传感器技术将被应用在CGM系统中，如何针对这类新技术发掘临床使用潜在风险点，开展科学合理以及有针对性的质量评价，是我们下一步的研究方向。