Вибір та обґрунтування напрямку конструювання

     Вступ

 

         Цукровий діабет – розповсюджене важке ендокринне захворювання, небезпечне не тільки саме по собі, але й пізніми судинними ускладненнями. Серед усіх захворювань він займає одне з перших місць по поширеності. Цукровий діабет є не тільки медичною, але і серйозною соціальною проблемою. Дослідження американських вчених показали, що в 1992 році в США було зареєстровано більш 1 мільйона госпіталізацій, пов'язаних із цукровим діабетом, причому загальні витрати на медико-санітарну допомогу тільки хворим цукровим діабетом I типу склали $105,2 млрд., а середні витрати на одного хворого цукровим діабетом ($9493) перевищували в 3 рази відповідну цифру для інших хворих ($2604). Хворі цукровим діабетом у два рази частіше передчасно ідуть на пенсію і мають у два рази більше днів госпіталізації. При цьому витрати на лікування ускладнень цукрового діабету превалюють у загальній вартості лікування.

Цукровий діабет є  актуальною проблемою і для України, де поширеність цього захворювання за останні десять років зросла в півтора рази, а загальне число зареєстрованих хворих перевищує один мільйон, причому, як показує практика, на кожний зареєстрований випадок доводиться 2-3 невиявлених захворювання. За матеріалами міжрайонних експертних комісій в Україні близько 70 % осіб, що страждають цукровим діабетом, складають люди працездатного віку (30-60 років), з яких більш 60 % є інваліди I і II груп.

 Розробка ефективних методів і засобів ранньої діагностики цукрового діабету є однією з актуальних проблем сучасної медицини, так як ці патології відносяться до числа найбільш поширених в світі соціально-значущих захворювань. Цукровий діабет охоплює в країнах світу більше 190 мільйонів (від 2 до 6% населення). За оцінками ВООЗ ця цифра досягне 220 мільйонів до 2010 року, а до 2025 року прогнозується збільшення числа захворювань до 300 мільйонів чоловік.

Незважаючи на значний  обсяг досліджень в області кардіології та ендокринології, епідеміологічна картина цукрового діабету погіршується з кожним роком. Відсутністю регулярних профілактичних оглядів та інтенсивних програм пояснюється той факт, що понад 30% хворих взагалі не знають про наявністі у них цієї хвороби. Відзначається, що кількість зареєстрованих хворих цукрового діабету 2 типу, як правило, в 3-4 рази менше їх фактичної кількості, тому що цей тип діабету активно проявляється лише на п'ятий-сьомий рік від початку захворювання.

В останні роки значна увага приділяється вивченню коливань фізіологічних параметрів організму для досягнення різних прогностичних і лікувальних цілей. Поряд, з аналізом порушень ритму, серця і провідності при виборі тактики лікування використовуються кількісні показники моніторування. Актуальною залишається проблема, вдосконалення приладів для добового контроля, рівня глюкози в крові.

Відомо, що технологія разового вимірювання вмісту глюкози за допомогою тест-смужок не забезпечує отримання повноцінної інформації щодо зміни рівня цукру в крові, протягом  дня а індивідуальні глюкометри, які працюють за інвазивного принципом, не дозволяють проводити, цілодобового; моніторування рівня глюкози кровію. Тому одним з найважливіших завдань в даний час - створення неінвазивних методів і приладів для вимірювання концентрації глюкози в крові.

 

 

 

 

 

 

1 Вибір та обґрунтування напрямку конструювання

 

Глюкометрами у закордонній літературі скорочено називають інтелектуальними сенсорами для вимірювання вмісту глюкози в крові людини. Частіше їх називають також "приладами для вимірювання рівня цукру крові".

Відомо, що регулювання  концентрації глюкози в крові (КГК) є одним з життєво важливих процесів саморегулювання людського організму. У нормі КГК підтримується в межах від 60 до 100 мг% (від 3,3 до 5,5 ммоль / л). У цих межах забезпечується оптимальна життєдіяльність клітин та органів, особливо нервових клітин і мозку людини. Глюкоза є для клітин джерелом життєвої енергії і вихідним матеріалом для багатьох біохімічних синтезів.Сейчас у світі до 200 млн. людей хворі на діабет. Ця хвороба на сьогодні, на жаль , вважається невиліковною і супроводжує людину все життя. Щоб уникнути важких ускладнень хворі діабетом люди змушені дотримуватися   спеціального режиму життя та харчування і періодично брати проби своєї крові "на сахар". Тому ще в 70-х рр.. ХХ ст., Коли стало ясно, що діабет є масовим захворюванням, почалися інтенсивні розробки неінвазивних методів вимірювання КГК для того, щоб позбавити людей від необхідності частого травмування тіла. Конгрес США, а за ним уряду та деяких інших країн виділили на ці розробки значні кошти. Тим не менш, завдання виявилося важким.

У 80-90 роки ХХ ст. найбільші надії покладалися саме на спектрофото-метричні методи. З самого початку було ясно, що видима область спектра не підходить для цих вимірів, оскільки глюкоза тут прозора, тобто практично не поглинає світло. Тому зусилля були спрямовані на створення неінвазивного спектрофотометріческого глюкометра в інфрачервоній (ІЧ) області спектра. Головною перешкодою в цій області виявилася завжди присутня в біологічній тканині у великій кількості вода, яка сильно поглинає інфрачервоне світло. Тим не менш, вона має кілька спектральних "вікон прозорості" в діапазонах довжин хвилі до 1,35 мкм, від 1,55 до 1,85 мкм і від 2,1 до 2,3 мкм.

               

Рисунок 1 - Спектр поглинання води в ближній інфрачервоній області      спектру

 

При довжині хвилі поглинання коефіцієнт води перевищує вже 6 мм-1, тобто на кожному міліметрі колії лише за рахунок поглинання молекулами води таке ІК-випромінювання послаблюється.

 

1.1. Огляд існуючих технічних рішень

 

Перші спектрофотометричні  глюкометри фірми Futrex

Одними з перших на розробку промислового неінвазивного аамеофотометричного глюкометра наважилися R. Rosenthal і його фірма Futrex Inc. (США). Для вимірювань вони просвічували світлом з безперервним спектром палець руки. Світло, що пройшло крізь палець, розкладався в спектр, і вимірювалися спектральні інтенсивності цього світла на декількох довжинах хвилі. У БІК області до 1,8 мкм були відібрані спектральні інтервали, характерні для поглинання світла глюкозою і для поглинання іншими, «фоновими» речовинами тіла (вода, жири, гемоглобін і інші білки). Для розрахунку концентрації глюкози застосовувалися методики многоволнової спектрофотометрії, щоб можна було виділити внесок і визначити відносно невелику концентрацію ааме глюкози. Розробникам вдалося  вимірювати малі концентрації глюкози на рівні 100 мг% у кюветах з калібруваними розчинами глюкози і фонових речовин.

 

                             

Рисунок 2 – Зовнішній  вигляд спектрофотометричних глюкометрів фірми Futrex

 

Однак при випробуваннях  на реальних об'єктах - пальцях людини - все виявилося набагато гірше. Розробники не врахували те, що кров у тканинах пальця займає лише 1-5% обсягу, тобто середня концентрація глюкози в тканини пальця становить не 100 мг%, як в крові, а в 20-100 разів менше. Кількість молекул глюкози на шляху світла в тілі майже на 4 порядки менше, ніж кількість молекул води, і на 2 порядки менше, ніж кількість молекул гемоглобіну. Ця обставина, а також нерозуміння розробниками проблеми коректного перерахунку вимірюваної концентрації глюкози в тканинах на КГК завадили доведення розробки неінвазивного глюкометра до промислових зразків.

 

 

 

1.2 Особливості  порушення шкіряного покриву при інсулінзалежному цукровому діабеті

 

 Наростання частоти  захворюваності на інсулінозалежний  цукровий діабет у дітей та підлітків вимагають розширення досліджень з профілактичного та раннього виявлення як доклінічних стадій цукрового діабету, так і його ускладнень,своєчасне виявлення і лікування яких є головним у запобіганні інвалідизації та смертності хворих. При СД1 уражаються всі органи і тканини організма, найбільш загальним механізмом ураження є формування діабетичної мікроангіопатії, у тому числі внаслідок різкого збільшення продуктів глікозілірованія, з особливою роллю підвищеної активації поліольний шляху обміну глюкози. Ряд авторів визнають, що поразка шкіри при СД1 не тільки є доступною ознакою для клінічної оцінки лікарем, але й простежують зв'язок між ураженням шкіри при СД1 і такими ускладненнями цього захворювання як       нефропатія, нейропатія, ретинопатія.

Частина дослідників  вказує на зв'язок ураження шкіри і  розвитку обмеження рухливості суглобів. Більшість робіт, проведених, в основному, у дорослих хворих, страждають як інсуліннезалежний цукровий діабет (ЦД2), так і СД1, статистично достовірно показують, що частота народження сімптомокомплекса ураження шкіри, Найчастіше описуваного як "діабетична дермопатія" возрастає з підвищенням частоти інших специфічних ускладнень ЦД. Всі досліджень відзначають, що своєчасна діагностика та лікування, що включає підвищення рівня глікемічного контролю, зменшують прояви ускладнень, а на ранніх стадіях роблять можливим їх зворотний розвиток.

Більшість дослідників  вважає, що ураження шкіри при ЦД зустрічаються довільно часто, і, при обліку мікроскопічних змін, вони можуть досягати 100% навіть при маніфестації захворювання. За допомогою гістологічних та електронно-мікроскопічних досліджень знайдено схожість морфологічної будови шкіри хворих на ЦД у віці молодше 40 років і практично здорових людей старше 60 років.

 У них зникають  еластичні волокна і активуються  фібробласти, відзначаються ра-зриви колагенових пучків, зниження синтезу еластину і полімеризації колагену при підвищенні кількості колагенових білків, глюкозоаміногліканов, структурних глікопротеїнів. При цьому встановлено, що зниження кількості еластичних волокон на всіх стадіях старіння шкіри зазвичай передує змінам колагену.

Таким чином, в даний  час ураження шкіри при СД1 може бути класифікувати як первинне, вторинне і змішане (поєднане) ураження шкіри, метаболіческе порушення шкіри і ураження шкіри, пов'язані з лікуванням СД1.

Первинне ураження шкіри - це судинні ураження (ускладнення) мікроангіо-патіческого генезу - структурні та функціональні порушення в дрібних судинах (артеріоли, венули, капіляри).

Вторинне ураження шкіри включає шкірні інфекції - бактеріальні і грибкові, і неврологічні порушення - сенсорні, моторні та автономні.

Хворі на ЦД схильні до розвитку інфекційно-запальних захворювань, особливо при незадовільному контролі глікемії. На поверхні шкіри хворих на ЦД виявляється в 2,5 рази більше мікроорганізмів, ніж у здорових осіб (52), а бактеріцідна активність шкіри у хворих на ЦД нижче, ніж у здорових, в середньому на 20%.

До змішаного (сочетаного) ураження шкіри при ЦД умовно відносять: потовщення шкіри (синдром "діабетичної руки" - з потовщенням шкіри і склеродермоподібним синдромом), жовтий колір шкіри і нігтів, синдром "діабетичних бульбашок", пошкодження волосся. Потовщення шкіри - швидше за все, обумовлено неферментативному глікозилюванню колагену.

 

 

 

         1.3. Нове покоління для допомоги діабетиків

 

GlucoWatch - єдиний на сьогодні  безкровний глюкометр, про який можна найти багато вдячних відгуків користувачів. Схожий прилад під назвою Pendragon виробництва швейцарської фірми кілька років тому був популярний у країнах Європи, але зараз про нього нічого не чутно. Інші, не менш привабливі «інтересності» поки не запущені в серійне виробництво, а деякі взагалі припадають пилом в базах перспективних проектів. Коли вони з'являться у продажу і з'являться взагалі - поки невідомо.

Так, відома компанія з міжнародними інвестиціями ( Кембридж, штат Массачусетс) розробляє прилад під назвою SonoPrep. Це сенсор-датчик, імплантується під шкіру. Він і визначає рівень «цукру» в крові. Після цього радіочіп передає дані на зовнішнє обладнання - глюкометр, який чіпляється на поясі. До речі, замість глюкометра дані від чіпа може приймати звичайний багатофункціональний мобільний телефон – смартофон (з вихідом до Інтернету).

Тим часом група фахівців Массачусетського технологічного інституту під керівництвом Майкла Крайна створила принципово нову методику вимірювання «цукру» у діабетиків. Мова йде про спеціальне татуювання з допомогою нанотехнологій.

Дослідники розробили  сенсор на основі вуглецевих нанотрубок. Вони покриті полімером, який флуоресціює (світиться) за наявності молекул глюкози. Фізіологічний розчин з такими сенсорами можна наносити діабетикам під шкіру у вигляді татуювання. І чим більше буде концентрація глюкози в крові, тим яскравіше буде флуоресценція медичного тату. Для більшої зручності вчені сконструювали невеликий пристрій, схожий на наручний годинник. Він опромінює сенсори інфрачервоним світлом і визначає інтенсивність світіння сенсорів.

 Один з розробників Пол Бероун зазначив, що на відміну від деяких інших величин, вуглецеві нанотрубки не руйнуються під впливом світла. Завдяки цьому сенсорні татуювання для виміру «цукру» в крові можна використовувати безперервно тривалий час.

 

 

          2 Класифікація глюкометрів

 

 Той факт, що кількість  уживаних в їжу вуглеводів впливає на стан здоров’я діабетиків, був встановлений досить давно. Однак довгий час перевірити рівень цукру можна було лише в сечі. Для цього застосовувався так званий реактив Бенедикта, який представляв собою суміш сульфату міді, лимонної кислоти і карбонату натрію. Вміст глюкози визначався за інтенсивністю забарвлюючого розчину в блакитний колір, що відбувався в результаті специфічної хімічної реакції, а також по кількості осаду, що випадає при цьому. Зрозуміло, що виконання подібної технології могло дати лише досить приблизні результати, точно інтерпретувати які було під силу тільки фахівцям. По-цьому дослідження в даній області тривали, і в 1956 з'явилися перші тест-смужки з сухим реактивом. Проте справжній прорив стався лише через тридцять років, коли в серію були запущені біосенсори, що вимірювали рівень цукру в крові.