Tổng quan những thách thức của kỹ thuật theo dõi bệnh tiểu đường bằng phương pháp không xâm lấn

Bài báo này đề cập đến tổng quan các vấn đề xoay quanh bệnh tiểu đường, phương pháp đo lường xâm lấn hiện tại và chi tiết về các phương án cho tương lai. Phương pháp không xâm lấn cũng còn nhiều điều cần làm sáng tỏ. Trong khi những tiến bộ đã được tìm thấy và bước đầu thực hiện, độ tin cậy và hiệu chuẩn của công cụ không xâm lấn có thể vẫn chưa được cải thiện, và ngày càng có nhiều hơn nữa nghiên cứu được tiến hành trong điều kiện sinh lý khác nhau của sự trao đổi chất, tuần hoàn chất lỏng trong cơ thể, và các thành phần máu cần thiết. Mời các bạn cùng tham khảo!

Trang 1

Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Chử Đức Hoàng Viện Điện tử - Viễn thông Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Hà Nội, Việt Nam

hoang.chuduc@hust.edu.vn

Lê Thị Như Viện Điện tử - Viễn thông Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

nhult@bme.edu.vn

Trần Minh Tú Viện Điện tử - Viễn thông Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

minhtu.tran@bme.edu.vn

Hoàng Đình Đại Viện Điện tử - Viễn thông Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

daihd@bme.edu.vn

Đỗ Xuân Hiếu Viện Điện tử - Viễn thông Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

hieudx@bme.edu.vn

Tóm tắt: Tỉ lệ bệnh nhân mắc bệnh tiểu đường mỗi năm

trên thế giới ngày càng tăng nhanh với hơn 6% dân số thế

giới Bệnh nhân tiểu đường được các chuyên gia yêu cầu

theo dõi nồng độ glucose trong máu thường xuyên và liên

tục để kiểm soát tình trạng bệnh của họ Tuy nhiên, các

phương pháp đo glucose hiện thời là không thuận tiện Sự

nghiên cứu và phát triển kỹ thuật không xâm lấn là thực

sự cần thiết Bài báo này đề cập đến tổng quan các vấn đề

xoay quanh bệnh tiểu đường, phương pháp đo lường xâm

lấn hiện tại và chi tiết về các phương án cho tương lai

Phương pháp không xâm lấn cũng còn nhiều điều cần làm

sáng tỏ Trong khi những tiến bộ đã được tìm thấy và

bước đầu thực hiện, độ tin cậy và hiệu chuẩn của công cụ

không xâm lấn có thể vẫn chưa được cải thiện, và ngày

càng có nhiều hơn nữa nghiên cứu được tiến hành trong

điều kiện sinh lý khác nhau của sự trao đổi chất, tuần

hoàn chất lỏng trong cơ thể, và các thành phần máu cần

thiết Đó thực sự là các thách thức lớn đối với công cuộc

tìm ra cái mới.

Từ khóa: Không xâm lấn, theo dõi tiểu đường, bệnh tiểu

đường, đo nồng độ glucose…

1 GIỚI THIỆU Bệnh đái tháo đường (diabetes mellitus), hay còn có tên

khác là bệnh tiểu đường, được biết đến là nhóm bệnh rối loạn

chuyển hóa, trong đó có mức đường trong máu cao trong một

khoảng thời gian dài [1][2] Các triệu chứng thường thấy của

hiện tượng lượng đường trong máu cao bao gồm đi tiểu thường

xuyên, khát nước nhiều và nhanh đói Nếu không có biện pháp

kiểm soát và chữa trị, bệnh tiểu đường có thể gây ra nhiều biến chứng nguy hiểm [3] Các biến chứng cấp tính bao gồm tiểu đường nhiễm xe-ton axit (diabetic ketoacidosis) - và đường quá cao – nonketotic thẩm thấu quá cao (nonketotic hyperosmolar coma) [4] Các biến chứng mãn tính thường gặp như bệnh tim mạch, đột quỵ, suy thận, loét chân, mù mắt…

Bệnh tiểu đường là bệnh do tuyến tụy không sản xuất đủ insulin hoặc các tế bào của cơ thể không đáp ứng với insulin được sản xuất [5] Bệnh tiểu đường được phân ra gồm ba loại chính:

 Tiểu đường Tuýp 1

 Tiểu đường thai kỳ Tiểu đường Tuýp 1 do bị thiếu insulin, có nghĩa cơ thể không sản xuất đủ lượng insulin cần thiết hoặc không sản xuất insulin Trước đây, nó được biết đến với tên gọi “tiểu đường phụ thuộc insulin” (insulin-dependent diabetes mellitus – IDDM) Phần lớn các trường hợp được chẩn đoán là trẻ em và người trẻ trưởng thành, nên còn có cách gọi khác là “ Tiểu đường vị thành niên” [3] Đến nay, vẫn chưa có nghiên cứu nào chỉ ra được nguyên nhân tại sao

Tiểu đường Tuýp 2 xảy ra do hiện tượng kháng insulin, một trạng thái mà các tế bào trong cơ thể không khớp với insulin đúng cách [3] Điều này cũng có thể xảy ra khi hiện tượng thiếu insulin trở nên trầm trọng hơn [6] Dạng này được gọi là “tiểu đường không phụ thuộc insulin” (non- insulin-dependent diabetes mellitus – NIDDM) hoặc “tiểu đường khởi phát ở người lớn” Nguyên nhân chính gây ra thường là ở Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Trang 2

Tổng quan những thách thức của kỹ thuật theo dõi

bệnh tiểu đường bằng phương pháp không xâm lấn

Chử Đức Hoàng Viện Điện tử - Viễn thông

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

hoang.chuduc@hust.edu.vn

Lê Thị Như Viện Điện tử - Viễn thông

nhult@bme.edu.vn

Trần Minh Tú Viện Điện tử - Viễn thông

minhtu.tran@bme.edu.vn

Hoàng Đình Đại Viện Điện tử - Viễn thông

daihd@bme.edu.vn

Đỗ Xuân Hiếu Viện Điện tử - Viễn thông

hieudx@bme.edu.vn

Tóm tắt: Tỉ lệ bệnh nhân mắc bệnh tiểu đường mỗi năm

trên thế giới ngày càng tăng nhanh với hơn 6% dân số thế

giới Bệnh nhân tiểu đường được các chuyên gia yêu cầu

theo dõi nồng độ glucose trong máu thường xuyên và liên

tục để kiểm soát tình trạng bệnh của họ Tuy nhiên, các

phương pháp đo glucose hiện thời là không thuận tiện Sự

nghiên cứu và phát triển kỹ thuật không xâm lấn là thực

sự cần thiết Bài báo này đề cập đến tổng quan các vấn đề

xoay quanh bệnh tiểu đường, phương pháp đo lường xâm

lấn hiện tại và chi tiết về các phương án cho tương lai

Phương pháp không xâm lấn cũng còn nhiều điều cần làm

sáng tỏ Trong khi những tiến bộ đã được tìm thấy và

bước đầu thực hiện, độ tin cậy và hiệu chuẩn của công cụ

không xâm lấn có thể vẫn chưa được cải thiện, và ngày

càng có nhiều hơn nữa nghiên cứu được tiến hành trong

điều kiện sinh lý khác nhau của sự trao đổi chất, tuần

hoàn chất lỏng trong cơ thể, và các thành phần máu cần

thiết Đó thực sự là các thách thức lớn đối với công cuộc

tìm ra cái mới.

Từ khóa: Không xâm lấn, theo dõi tiểu đường, bệnh tiểu

đường, đo nồng độ glucose…

1 GIỚI THIỆU Bệnh đái tháo đường (diabetes mellitus), hay còn có tên

khác là bệnh tiểu đường, được biết đến là nhóm bệnh rối loạn

chuyển hóa, trong đó có mức đường trong máu cao trong một

khoảng thời gian dài [1][2] Các triệu chứng thường thấy của

hiện tượng lượng đường trong máu cao bao gồm đi tiểu thường

xuyên, khát nước nhiều và nhanh đói Nếu không có biện pháp

kiểm soát và chữa trị, bệnh tiểu đường có thể gây ra nhiều biến chứng nguy hiểm [3] Các biến chứng cấp tính bao gồm tiểu đường nhiễm xe-ton axit (diabetic ketoacidosis) - và đường quá

cao – nonketotic thẩm thấu quá cao (nonketotic hyperosmolar coma) [4] Các biến chứng mãn tính thường gặp như bệnh tim

mạch, đột quỵ, suy thận, loét chân, mù mắt…

Bệnh tiểu đường là bệnh do tuyến tụy không sản xuất đủ insulin hoặc các tế bào của cơ thể không đáp ứng với insulin

được sản xuất [5] Bệnh tiểu đường được phân ra gồm ba loại chính:

 Tiểu đường thai kỳ Tiểu đường Tuýp 1 do bị thiếu insulin, có nghĩa cơ thể

không sản xuất đủ lượng insulin cần thiết hoặc không sản xuất insulin Trước đây, nó được biết đến với tên gọi “tiểu đường

phụ thuộc insulin” (insulin-dependent diabetes mellitus – IDDM) Phần lớn các trường hợp được chẩn đoán là trẻ em và

người trẻ trưởng thành, nên còn có cách gọi khác là “ Tiểu đường vị thành niên” [3] Đến nay, vẫn chưa có nghiên cứu nào

chỉ ra được nguyên nhân tại sao

Tiểu đường Tuýp 2 xảy ra do hiện tượng kháng insulin, một trạng thái mà các tế bào trong cơ thể không khớp với

insulin đúng cách [3] Điều này cũng có thể xảy ra khi hiện tượng thiếu insulin trở nên trầm trọng hơn [6] Dạng này được gọi là “tiểu đường không phụ thuộc insulin” (non- insulin-dependent diabetes mellitus – NIDDM) hoặc “tiểu đường khởi phát ở người lớn” Nguyên nhân chính gây ra thường là ở

những người có trọng lượng cơ thể quá mức, thừa cân và không thường xuyên vận động [3]

Tiểu đường thai kỳ là tiểu đường “ có điều kiện”, đó là sự rối loạn đường huyết trong máu khi mang thai Nguyên nhân gây ra do khi mang thai có sự thay đổi hoạt động nội tiết: tăng tiết các hormon cần cho thai kỳ nhưng lại làm giảm tác dụng của insulin

Tiểu đường đã và đang là một trong những thách thức lớn đối với ngành y tế trên thế giới Nồng độ glucose trong máu thay đổi theo bất kì hướng nào, tăng hoặc giảm đều có thể dẫn đến tử vong Một người bình thường có nồng độ glucose trong máu đạt từ 70mg/dL đến 110mg/dL hoặc 3.9 đến 6.0 mM/L

Nhưng ngay sau khi nạp đường vào cơ thể, mức độ này có thể lên đến 140 mg/dL Để kiểm tra và kiểm soát nồng độ glucose, các chuyên gia yêu cầu bệnh nhân phải thường xuyên tiến hành các biện pháp đo lường Tuy nhiên, hiện nay, biện pháp phổ biến vẫn là lấy mẫu máu và đo bằng các phản ứng hóa học

Phương pháp này gây đau đớn, khó chịu và tốn kém cho bệnh nhân Vì vậy, yêu cầu tìm ra một thiết bị đo nồng độ đường huyết không xâm lấn, theo dõi liên tục, chính xác là vô cùng cần thiết

Để phòng ngừa và điều trị bệnh tiểu đường cần có một chế

độ ăn uống hợp lý và luyện tập thể dục thường xuyên, không

sử dụng thuốc lá và duy trì cơ thể ở trạng thái cân nặng bình thường Kiểm soát huyết áp và chăm sóc chân phù hợp cũng là việc hết sức quan trọng đối với người mắc bệnh tiểu đường

Bệnh tiểu đường Tuýp 1 phải được kiểm soát bằng cách tiêm insulin [3] Tiểu đường Tuýp 2 có thể điều trị bằng thuốc [7]

Insulin và một số loại thuốc lại có thể gây ra lượng đường trong máu thấp [8] Phẫu thuật giảm cân ở những người béo phì đôi khi cũng là một biện pháp tốt đối với người bị bệnh tiểu đường Tuýp 2 [9] Riêng đối với trường hợp tiểu đường thai kì thì người bệnh thường sẽ tự khỏi sau khi sinh [10]

2 TỔNG QUAN VỀ BỆNH TIỂU ĐƯỜNG

2.1 Bệnh Đái tháo đường (Tiểu đường)

Đái tháo đường là thuật ngữ dùng để chỉ trạng thái cơ thể không phù hợp với số lượng hoặc chất lượng hormon insulin được sản xuất cần thiết để duy trì mức đường huyết lưu thông bình thường

Chỉ số đường huyết an toàn:

 Trước bữa ăn: 90 – 130 mg/dL (5.0 – 7.2 mM/L)

 1 -2 giờ sau bữa ăn: dưới 180 mg/dL (10mM/L)

 Trước khi đi ngủ: 110 – 150 mg/dL (6.0 – 8.3 mM/L)

Nếu một người có mức đường huyết nằm ngoài các khoảng trên thì cần phải được xét nghiệm và chẩn đoán kịp thời Theo

số liệu thống kê, các nhà nghiên cứu nhận thấy có ba loại bệnh tiểu đường chính: bệnh tiểu đường tuýp 1, tiểu đường tuýp 2 và tiểu đường thai kỳ Tiểu đường Tuýp 1 là Tiểu đường phụ thuộc Insulin (IDDM), chiếm 5 – 10% các trường hợp mắc bệnh tiểu đường Tiểu đường Tuýp 2 hay còn gọi là Tiểu đường không phụ thuộc insulin (NIDDM) chiếm 90 – 95%

tổng số ca mắc bệnh Trong khi IDDM thường xảy ra ở trẻ em

và trẻ vị thành niên, đòi hỏi phải có đủ số insulin để duy trì sự sống kết hợp chế độ ăn uống lành mạnh và tập thể dục thường

xuyên thì NIDDM thường được tìm thấy ở bệnh nhân lớn hơn

40 tuổi, có thể tiêm insulin hoặc kiểm soát với thuốc uống, giảm cân, chế độ ăn hợp lý và kế hoạch thể dục thường xuyên

Cả hai loại tiểu đường tuýp 1 và tuýp 2 đều là mãn tính, không

có bất kì phương pháp nào chữa khỏi hoàn toàn Tiểu đường thai kì có ảnh hưởng đến phụ nữ mang thai nhưng có thể kiểm soát lượng đường trong máu Nó chỉ diễn ra trong thời gian ngắn và tự trở lại bình thường sau khi sinh

Theo số liệu thống kê, gần 18 triệu người trên thế giới phải chịu chung số với bệnh tiểu đường, chỉ riêng nước Mỹ đã có đến 5% tổng dân số bị bệnh Bệnh tiểu đường là nguyên nhân cao thứ 7 dẫn đến tử vong Dự đoán đến năm 2020, các chi phí liên quan đến điều trị đái tháo đường được dự đoán có thể lên đến 192 tỷ đô la Mỹ (Freer, tháng 3 năm 2011) [11] Đến giờ vẫn chưa có biện pháp nào chữa khỏi hoàn hoàn bệnh tiêu đường Vì vậy, việc đo nồng độ glucose trong máu ở bệnh nhân tiểu đường thường xuyên và kiểm soát insulin là chìa khóa cho việc kiểm soát tình hình

2.2 Phương pháp đo nồng độ glucose xâm lấn hiện tại

Hầu hết các bệnh nhân tiểu đường chỉ biết đến phương pháp xâm lấn Bệnh nhân được yêu cầu theo dõi mức đường huyết hai đến ba lần một ngày Họ kiểm tra lượng đường trong máu bằng cách sử dụng kim nhọn – trích vào ngón tay để lấy mẫu máu vào que thử, lấy que thử ra và gắn vào máy Sau một thời gian ngắn, máy này sẽ đọc và cho ra số liệu Mặc dù cho kết quả khá chính xác và ổn định thì phương pháp xâm lấn hiện tại thực sự có nhiều bất lợi: gây đau đớn, chi phí cao, nguy cơ gây ra bệnh truyền nhiễm và không thể theo dõi mức đường huyết liên tục

Dưới đây là mô hình cơ bản của phương pháp xâm lấn:

Hình 1 Phương pháp đo nồng độ glucose xâm lấn

Để giải quyết những vấn đề trên, việc tìm ra phương pháp theo dõi glucose không xâm lấn là cần thiết Các phương pháp không xâm lấn kỳ vọng là phương pháp không đau, tiện lợi và chính xác

Trang 3

2.3 Phương pháp đo glucose không xâm lấn

Đo glucose không xâm lấn dùng để chỉ phương pháp đo

nồng độ glucose trong máu (yêu cầu đối với bệnh nhân tiểu

đường nhằm ngăn ngừa các biến chứng cấp và mãn tính) mà

không cần lấy mẫu máu, không gây tổn thương trên người bệnh

và không đau [12] Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng có ba

phương pháp đo glucose không xâm lấn:

 Kĩ thuật quang

 Sử dụng nước bọt

 Phân tích glucose trong nước mắt

3 PHƯƠNG PHÁP ĐO GLUCOSE KHÔNG XÂM LẤN

Trong bài báo này, chúng ta sẽ xem xét tất cả các phương

pháp đo glucose không xấm lấn như bất kì phương pháp nào

mà không cần trích da Các kĩ thuật/công nghệ khác nhau sẽ

được liệt kê Các nguyên tắc về công nghệ, cùng với những lợi

thế và hạn chế của nó cũng sẽ được thảo luận

3.1 Đo đường huyết sử dụng nước bọt

Các nghiên cứu cho thấy có mối quan hệ giữa nồng độ

glucose trong máu và trong nước bọt

Về cơ bản, việc sử dụng nước bọt cũng tương tự như

phương pháp truyền thống là sử dụng máu, điều khác biệt duy

nhất đó là nước bọt, không phải máu Bệnh nhân tiểu đường

đặt que thử vào miệng khoảng vài giây để lấy một lượng nhỏ

nước bọt làm mẫu phân tích và sau đó đặt que thử vào máy đọc

và cho ra kết quả

3.2 Sử dụng nước mắt để theo dõi nồng độ glucose

Bệnh nhân tiểu đường cũng có khả năng sử dụng nước mắt

để đo nồng độ glucose Mức đường huyết trong nước mắt thấp

hơn từ 30 đến 50 lần trong máu Người bệnh không phải cố

khóc để lấy mẫu, các cảm biến có thể nhẹ nhàng đặt trên bề

mặt của mắt để thu hút chất lỏng

Phương pháp này có hạn chế là nó sẽ cho thông số sai lệch

khi bệnh nhân cố kích thích chảy nước mắt

3.3 Kĩ thuật quang

Phương pháp đo lường nồng độ glucose không xâm lấn sử

dụng kĩ thuật quang học là kĩ thuật tập trung một chùm sóng

lên cơ thể Chùm sáng này sẽ bị suy giảm sau khi truyền qua

lớp mô Một kết quả sẽ nhận được từ ánh sáng khuếch tán đi ra

khỏi mô Sự hấp thụ ánh sáng của da sẽ phụ thuộc vào thành

phần cấu tạo của da (nước, hemoglobin, melanin, chất béo và

glucose) Việc truyền tải ánh sáng ở mỗi bước sóng là hàm phụ

thuộc độ dày, màu sắc và cấu trúc da, xương, máu và các thành

phần khác mà ánh sáng đi qua

Sự tập trung glucose có thể được xác định rõ bằng cách

phân tích sự thay đổi tín hiệu quang trong mỗi bước sóng, sự

phân cực hoặc cường độ của ánh sáng Thể tích mẫu được đo

bằng các phương pháp này phụ thuộc vào vị trí đo Sự tương

quan với mức đường huyết dựa trên cơ sở phần trăm mẫu chất

lỏng ở kẽ, nội bào hoặc mao mạch

Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống đo glucose không xâm lấn

được mô tả trong hình dưới đây:

Hình 2 Sơ đồ khối hệ thống đo glucose không xâm lấn

Về cơ bản, mô hình của thiết bị đo glucose không xâm lấn

có cấu trúc như trên Cảm biến được dùng thường là một số loại cảm biến quang học Với mỗi phương thức khác nhau sau đây, sẽ dựa trên cùng nguyên lý cơ bản trên nhưng với sóng ánh sáng khác nhau

BẢNG 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO GLUCOSE

KHÔNG XÂM LẤN

Phổ hồng ngoại gần Near Infrared Spectroscopy (NIR)

Hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng có bước sóng từ 0.7 – 2.5 um, phổ được so sánh để tìm ra glucose

Phổ Raman Raman Spectroscopy Ánh sáng laser được sử dụngđể cảm ứng ánh sáng phát ra

từ vùng chuyển đổi gần ngưỡng kích thích

Quang phổ ảnh âm Photoacoustics Spectroscopy Chất lỏng có thể gây kích thích sóng laser Điều này

được sử dụng để tạo ra một

âm thanh phản hồi và một một quang phổ sinh ra sẽ được hiệu chỉnh

Thay đổi tán xạ Scatter Changes Sự tán xạ của laser có thểđược sử dụng để chỉ ra sự

thay đổi trong thành phần các chất trong các lần thử nghiệm

Thay đổi sự phân cực Polarization Changes Sự có mặt của glucose trong chất lỏng là nguyên nhân dẫn

đến sự phân cực nhiều hơn của sóng truyền qua

Phổ nửa hồng ngoại Mid – Infrared Spectroscopy (MIR)

Hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng trong khoảng 2.5 – 10

um được kiểm tra và sử dụng

để định lượng glucose trong chất lỏng

Phổ hồng ngoại gần có quang phổ nằm trong vùng bước

sóng từ 730 – 2500 nm Nó cho phép đo glucose trong máu trong các mô bởi sự biến động của cường độ ánh sáng, dựa trên

truyền và phản xạ [15] Khi so sánh với MIR, ánh sáng tập trung vào cơ thể được hấp thụ một phần và tán xạ một phần do

sự tương tác của nó với các thành phần hóa học trong mô

Nồng độ glucose được ước tính bằng cường độ chùm sáng truyền qua mô và phản xạ từ chính mô đó

Ưu điểm: Độ chính xác cao, tín hiệu đo có năng lượng cao hơn phổ MIR [14]

Nhược điểm: cần tác dụng một áp lực quét, sự khác biệt sinh

lý không liên quan đến đường huyết, các phần tương đối nhỏ của glucose trong máu tương quan yếu, độ ổn định kém [15]

Phổ nửa hồng ngoại (MIR) dựa trên sóng ánh sáng có phổ

bước sóng từ 2500 – 10000 nm [14] Sự hấp thụ ánh sáng nửa hồng ngoại khác nhau có thể được biểu diễn bởi một mô hình

kĩ thuật phân tích định lượng quang phổ Hiện nay, thuật toán bình phương tối thiểu thường được sử dụng để hiệu chuẩn đa biến cho các thành phần [15] Để các bước sóng cao hơn, vật tạo sóng nửa hồng ngoại làm giảm hiện tượng tán xạ và tăng sự hấp thụ [14]

Ưu điểm: Sóng nửa hồng ngoại đem so sánh với phổ sóng hồng ngoại thì tín hiệu thu được phản ánh mức glucose có độ sắc nhọn hơn, tín hiệu NIR có phổ rộng và yếu hơn

Nhược điểm: Mức độ thâm nhập sâu yếu

Thay đổi sự phân cực dựa trên hiện tượng xảy ra khi sóng

phân cực ngang trong một dung dịch có chứa chất hoạt quang (như các phân tử chiral) Glucose là một phân tử chiral, đặc tinh quay ánh sáng của nó có thể được biết đến trong thời gian dài Thật vậy, các cuộc điều tra về sự thay đổi phân cực gây ra bởi glucose đã cho thấy kĩ thuật không xâm lấn đầu tiên cho việc đo glucose ở người [14]

Ưu điểm: Kĩ thuật này có thể cho phép dùng với ánh sáng nhìn thấy, phù hợp với môi trường tự nhiên [14]

Nhược điểm: Nhạy cảm với các tán xạ của các mô, vì có hiện tượng phản phân cực tán xạ [14]

Phổ Raman dựa trên việc sử dụng sóng laser để tạo lên sự

rung lắc và quay đảo của các phân tử và hậu quả sự phát hành của ánh sáng tán xạ ảnh hưởng bởi sự rung của các phân tử

[14] Hiệu ứng này phụ thuộc vào nồng độ các phân tử glucose

Kĩ thuật này có thể đo lường với cả những tín hiệu yếu, thậm chí trong các dịch trong cơ thể con người Bởi sự phát xạ ánh sáng tán xạ bị ảnh hưởng bởi sự rung động của các phần tử, do

đó có thể dùng để ước tính nồng độ glucose trong cơ thể người

Phổ glucose có thể dùng để phân biệt với các hợp chất khác trong cùng một dải này

Ưu điểm: Phổ Raman cho tín hiệu sắc nét và không bị chồng chéo lên nhau như NIR Bước sóng laser cố định thường được

sử dụng với chi phí thấp

Nhược điểm: Chịu ảnh hưởng của sự không ổn định của bước sóng và cường độ sóng laser, thời gian thu lại quang phổ lâu

Phổ âm ảnh sử dụng chùm tia quang học để nhanh chóng

làm nóng mẫu và tạo ra một làn sóng áp suất âm và có thể thu được bằng glucose

Nhược điểm: chịu ảnh hưởng của các thành phần hóa học, sinh học cũng như các tác động vật lí như nhiệt độ, áp suất

[16]

3.4 Một số phương pháp mới 3.4.1Một số phương pháp mới được công bố

Trước tình hình phát triển nhanh của khoa học – công nghệ

và để đáp ứng yêu cầu cấp bách về thiết bị đo tiểu đường không xâm lấn, các nhóm nghiên cứu hiện nay đã cho ra đời những sản phẩm mới, không đi theo lối mòn của các kỹ thuật nói trên

Thử tiểu đường bằng hình xăm tạm, người ta sẽ in các

điện cực lên giấy dung làm hình xăm tạm, các điện cực này được kết nối với cảm biến, sau mỗi bữa ăn các điện cực sẽ sinh điện trong 10 phút, dòng điện sẽ thu hút glucose đến sát với mặt da, giúp cảm biến đo được lượng đường huyết

Thiết bị vòng xoắn đặt trong ruột: bác sĩ sẽ đưa thiết bị

vòng xoắn vào ruột bệnh nhân như mổ nội soi Khi được đưa vào và định vị, nó sẽ làm một vật cản luồng thức ăn đi vào thành ruột, làm thay đổi đường đi của thức ăn và cách thức làm việc của hệ thống tiêu hóa Thiết bị này tỏ ra hiệu quả trong việc giảm glucose trong máu và giảm nhanh số đo vòng bụng

3.4.2 Phương án đề xuất: Máy đo đường huyết không xâm lấn tối thiểu và dự án Zinmed

Một nhóm nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

đã và đang triển khai một dự án lớn dành cho cộng đồng bệnh nhân tiểu đường – Zinmed - giải pháp giúp hỗ trợ quản lý và điều trị bệnh tiểu đường

Hình 3 Mô hình đơn giản thiết bị đo glucose không xâm lấn

Zinmed Zinmed bao gồm hệ thống website quản lý, ứng dụng di động, máy đo đường huyết xâm lấn tối thiểu và tin tức chuyên sâu trong hệ thống website vệ tinh Bệnh nhân tiến hành đo tiểu đường bằng phương pháp không xâm lấn tối thiểu, dữ liệu được hiển thị và lưu trên smartphone; đồng thời hệ thống website quản lý và các website vệ tinh giúp kết nối với các bệnh nhân tiểu đường khác và cung cấp cho người dùng cẩm nang cần thiết để phòng và điều trị bệnh tiểu đường Hiện tại,

hệ thống website quản lý và website vệ tinh đã hoạt động mạnh

mẽ, nhận được sự quan tâm của nhiều người

Tuy các thiết bị này còn đang trong quá trình hoàn thiện và thử nghiệm trên quy mô rộng lớn hơn nhưng rõ ràng chúng cho thấy một sự nỗ lực, phấn đấu không ngừng nghỉ của các nhà khoa học trên thế giới Và với trình độ khoa học – kỹ thuật hiện nay hoàn toàn có thể tạo ra được thiết bị với phương pháp tối

ưu và độ chính xác chấp nhận được trong điều kiện Việt Nam Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Trang 4

truyền và phản xạ [15] Khi so sánh với MIR, ánh sáng tập

trung vào cơ thể được hấp thụ một phần và tán xạ một phần do

sự tương tác của nó với các thành phần hóa học trong mô

Nồng độ glucose được ước tính bằng cường độ chùm sáng

truyền qua mô và phản xạ từ chính mô đó

Ưu điểm: Độ chính xác cao, tín hiệu đo có năng lượng cao

hơn phổ MIR [14]

Nhược điểm: cần tác dụng một áp lực quét, sự khác biệt sinh

lý không liên quan đến đường huyết, các phần tương đối nhỏ

của glucose trong máu tương quan yếu, độ ổn định kém [15]

Phổ nửa hồng ngoại (MIR) dựa trên sóng ánh sáng có phổ

bước sóng từ 2500 – 10000 nm [14] Sự hấp thụ ánh sáng nửa

hồng ngoại khác nhau có thể được biểu diễn bởi một mô hình

kĩ thuật phân tích định lượng quang phổ Hiện nay, thuật toán

bình phương tối thiểu thường được sử dụng để hiệu chuẩn đa

biến cho các thành phần [15] Để các bước sóng cao hơn, vật

tạo sóng nửa hồng ngoại làm giảm hiện tượng tán xạ và tăng sự

hấp thụ [14]

Ưu điểm: Sóng nửa hồng ngoại đem so sánh với phổ sóng

hồng ngoại thì tín hiệu thu được phản ánh mức glucose có độ

sắc nhọn hơn, tín hiệu NIR có phổ rộng và yếu hơn

Nhược điểm: Mức độ thâm nhập sâu yếu

Thay đổi sự phân cực dựa trên hiện tượng xảy ra khi sóng

phân cực ngang trong một dung dịch có chứa chất hoạt quang

(như các phân tử chiral) Glucose là một phân tử chiral, đặc

tinh quay ánh sáng của nó có thể được biết đến trong thời gian

dài Thật vậy, các cuộc điều tra về sự thay đổi phân cực gây ra

bởi glucose đã cho thấy kĩ thuật không xâm lấn đầu tiên cho

việc đo glucose ở người [14]

Ưu điểm: Kĩ thuật này có thể cho phép dùng với ánh sáng

nhìn thấy, phù hợp với môi trường tự nhiên [14]

Nhược điểm: Nhạy cảm với các tán xạ của các mô, vì có

hiện tượng phản phân cực tán xạ [14]

Phổ Raman dựa trên việc sử dụng sóng laser để tạo lên sự

rung lắc và quay đảo của các phân tử và hậu quả sự phát hành

của ánh sáng tán xạ ảnh hưởng bởi sự rung của các phân tử

[14] Hiệu ứng này phụ thuộc vào nồng độ các phân tử glucose

Kĩ thuật này có thể đo lường với cả những tín hiệu yếu, thậm

chí trong các dịch trong cơ thể con người Bởi sự phát xạ ánh

sáng tán xạ bị ảnh hưởng bởi sự rung động của các phần tử, do

đó có thể dùng để ước tính nồng độ glucose trong cơ thể người

Phổ glucose có thể dùng để phân biệt với các hợp chất khác

trong cùng một dải này

Ưu điểm: Phổ Raman cho tín hiệu sắc nét và không bị chồng

chéo lên nhau như NIR Bước sóng laser cố định thường được

sử dụng với chi phí thấp

Nhược điểm: Chịu ảnh hưởng của sự không ổn định của

bước sóng và cường độ sóng laser, thời gian thu lại quang phổ

lâu

Phổ âm ảnh sử dụng chùm tia quang học để nhanh chóng

làm nóng mẫu và tạo ra một làn sóng áp suất âm và có thể thu

được bằng glucose

Nhược điểm: chịu ảnh hưởng của các thành phần hóa học,

sinh học cũng như các tác động vật lí như nhiệt độ, áp suất

[16]

3.4 Một số phương pháp mới 3.4.1Một số phương pháp mới được công bố

Trước tình hình phát triển nhanh của khoa học – công nghệ

và để đáp ứng yêu cầu cấp bách về thiết bị đo tiểu đường không xâm lấn, các nhóm nghiên cứu hiện nay đã cho ra đời những sản phẩm mới, không đi theo lối mòn của các kỹ thuật nói trên

Thử tiểu đường bằng hình xăm tạm, người ta sẽ in các

điện cực lên giấy dung làm hình xăm tạm, các điện cực này được kết nối với cảm biến, sau mỗi bữa ăn các điện cực sẽ sinh điện trong 10 phút, dòng điện sẽ thu hút glucose đến sát với mặt da, giúp cảm biến đo được lượng đường huyết

Thiết bị vòng xoắn đặt trong ruột: bác sĩ sẽ đưa thiết bị

vòng xoắn vào ruột bệnh nhân như mổ nội soi Khi được đưa vào và định vị, nó sẽ làm một vật cản luồng thức ăn đi vào thành ruột, làm thay đổi đường đi của thức ăn và cách thức làm việc của hệ thống tiêu hóa Thiết bị này tỏ ra hiệu quả trong việc giảm glucose trong máu và giảm nhanh số đo vòng bụng

3.4.2 Phương án đề xuất: Máy đo đường huyết không xâm lấn tối thiểu và dự án Zinmed

Một nhóm nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

đã và đang triển khai một dự án lớn dành cho cộng đồng bệnh nhân tiểu đường – Zinmed - giải pháp giúp hỗ trợ quản lý và điều trị bệnh tiểu đường

Hình 3 Mô hình đơn giản thiết bị đo glucose không xâm lấn

Zinmed Zinmed bao gồm hệ thống website quản lý, ứng dụng di động, máy đo đường huyết xâm lấn tối thiểu và tin tức chuyên sâu trong hệ thống website vệ tinh Bệnh nhân tiến hành đo tiểu đường bằng phương pháp không xâm lấn tối thiểu, dữ liệu được hiển thị và lưu trên smartphone; đồng thời hệ thống website quản lý và các website vệ tinh giúp kết nối với các bệnh nhân tiểu đường khác và cung cấp cho người dùng cẩm nang cần thiết để phòng và điều trị bệnh tiểu đường Hiện tại,

hệ thống website quản lý và website vệ tinh đã hoạt động mạnh

mẽ, nhận được sự quan tâm của nhiều người

Tuy các thiết bị này còn đang trong quá trình hoàn thiện và thử nghiệm trên quy mô rộng lớn hơn nhưng rõ ràng chúng cho thấy một sự nỗ lực, phấn đấu không ngừng nghỉ của các nhà khoa học trên thế giới Và với trình độ khoa học – kỹ thuật hiện nay hoàn toàn có thể tạo ra được thiết bị với phương pháp tối

ưu và độ chính xác chấp nhận được trong điều kiện Việt Nam Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Trang 5

4 SO SÁNH VÀ THẢO LUẬN

4.1 So sánh các thế hệ phương pháp đo tiểu đường.

Hình 3 cho thấy sự phát triển của các thế hệ đo tiểu đường

Các thế hệ trước với nhiều nhược điểm cả về giá thành lẫn sự

bất tiện Và do vậy, việc ra đời các máy của thế hệ thứ tư

không xâm lấn là một điều tất yếu

Hình 4 Sự phát triển qua các thế hệ đo đường huyết

Như đã trình bày ở trên, thế hệ máy đo tiểu đường bằng

phương pháp xâm lấn hiện tại tồn nhiều nhược điểm Trước

tiên phải kể đến là việc bệnh nhân tiểu đường phải lấy mẫu

máu nhiều lần một ngày để theo dõi Phương pháp này chỉ cho

ra thông số tĩnh, tại thời điểm lấy máu mà không thể theo dõi

liên tục, các hiện tượng tăng hoặc hạ đường huyết không được

theo dõi tỉ mỉ Do vậy, việc theo dõi đường huyết theo phương

pháp cũ không phản ánh đúng tính chất và thực trạng của bệnh

nhân, hay đánh giá được chính xác tình trạng bệnh của bệnh

nhân Không chỉ vậy, việc lấy mẫu máu nhiều lần cũng gây

khó chịu cho bệnh nhân, đau đớn và tổn thương mô là không

thể tránh khỏi Từ đó kéo theo nhiều hệ lụy khác như bất tiện

trong sinh hoạt và làm việc, nguy cơ gây ra các bệnh truyền

nhiễm… Một điều không thể tránh khỏi là sự tiêu tốn về tài

chính lớn, mỗi lần thử máu bệnh nhân phải sử dụng một kim

trích máu hoàn toàn mới

Với thực tế này, lợi thế của phương pháp không xâm lấn là

điều có thể chinh phục những bệnh nhân khó tính nhất

Phương pháp đo glucose không xâm lấn cho phép loại bỏ

những bất lợi trên Vì sử dụng các kỹ thuật cảm biến quang

hoặc tương tự như vậy, phương pháp này hoàn toàn không gây

đau đớn cho bệnh nhân, đem lại cảm giác thoải mái khi sử

dụng Việc đem lại cảm giác thoải mái cho bệnh nhân khi tiến

hành thử nghiệm đã là một thành công lớn của phương pháp

này so với phương pháp cũ vì một trong những nguyên nhân

gây bệnh tiểu đường là căng thẳng thần kinh Việc sử dụng

phương pháp mới đã giúp bệnh nhân tránh được nguyên nhân

này Từ đó, loại bỏ hoàn toàn các rủi ro về tổn thương mô hay

bệnh truyền nhiễm Không chỉ vậy, ưu điểm vượt trội trong đo

glucose không xâm lấn là việc tiết kiệm chi phí Bệnh nhân sẽ

không phải chi trả cho các khoản que trích máu như đối với

phương pháp cũ Bởi vậy, đo glucose không xâm lấn thực sự là công nghệ trong tương tai

6.2 Những thử thách bước đầu của phương pháp đo glucose không xâm lấn

Các phần trên chúng tôi đã đi trình bày tổng quan về bệnh tiểu đường cũng như các phương pháp đo đường huyết từ quá khứ đến hiện tại và tương lai Và rõ ràng, trên thế giới đã có rất nhiều nhóm nghiên cứu đang khám phá một loạt các phương pháp tiếp cận, cố gắng phát triển một phép đo glucose không xâm lấn cho kết quả ổn định, đáng tin cậy, thuận tiện

và kinh tế Bảng 2 sau đây sẽ cho thấy một số sản phẩm mới nhất, được tham khảo trên internet như: GlucoWatch, Diasensor…

BẢNG 2 THÔNG TIN VỀ THIẾT BỊ ĐO GLUCOSE

KHÔNG XÂM LẤN

Số thứ tự

Công nghệ Định nghĩa và

hiện trạng

1 Phổ hồng ngoại gần Xuất hiện năm 2010 và

được FDA chấp thuận năm 2011

vẫn tiếp tục được nghiên cứu

3 Phổ hồng ngoại gần – Công nghệ cổng quang Xuất hiện năm 2008 và được thương nghiệp hóa

sớm vào cuối năm 2011

4 Công nghệ huỳnh quang Xuất hiện năm 2007 được

FDA chấp thuận năm 2011

5 Cộng hưởng điện từ -sinh học Xuất hiện năm 2005 và được sản xuất thí điểm

năm 2011

6 Cảm biến hóa học trong hơi thở Xuất hiện năm 2010 và đang trong quá trình phát

triển

7 Phổ huỳnh quang Xuất hiện năm 2011 và

được Canada chấp nhận thương mai hóa

Cùng với đó, Bảng 1 đã cho thấy đã có rất nhiều nhóm nghiên cứu đang làm việc trong chủ đề này, tất cả đều cố gắng tìm ra một phương pháp đo lường mới, công nghệ đo đường huyết không xâm lấn Tuy nhiên, thực tế thì phương pháp không xâm lấn còn nhiều hạn chế và vẫn chỉ đang trong quá trình nghiên cứu

Một trong những lí do chính là công nghệ, như việc hấp thụ quang phổ, cho tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp liên quan đến mức độ tập trung glucose và phổ đáp ứng Do nhu cầu lớn của thị trường cho một sản phẩm đo glucose không xâm lấn thành công, điều này đã tạo nên cuộc đua cho các nhóm nghiên cứu

để phát triển một thiết bị chính xác hơn và thiết bị quang phổ chính xác là rất quyết liệt Hơn nữa, phương pháp huấn luyện

đa biến thường được sử dụng trong phân tích định lượng các

mô hình dự đoán là dữ liệu phụ thuộc, trong khi đặc trưng của Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Trang 6

đo lường là không dễ dàng để giải quyết Mặc dù, một phương

pháp cải thiện đã được nghiên cứu cho việc phân tích định

lượng mà có thể tăng cường sự tương quan của các thuộc tính

quang phổ của phân tử glucose với nồng độ glucose trong

máu, cần nỗ lực nhiều hơn trong việc nghiêm ngặt mở rộng kĩ

thuật để kiểm soát lượng đường trong máu không xâm lấn

Hơn nữa, việc hiệu chỉnh thiết bị quang phổ là cần thiết,

bởi các yếu tố như cường độ ánh sáng có thể ảnh hường đến

kết quả Như hầu hết các công nghệ không xâm lấn này dựa

trên một số loại cảm biến quang học, thời gian trễ có thể xảy

ra giữa các phép đo glucose, do đó có thể dẫn đến lỗi hiệu

chỉnh

Ngoài ra, các nhân tố bên ngoài như nhiệt độ cũng ảnh

hưởng đến kết quả dự đoán, đặc biệt với công nghệ cảm biến

quang học, vì việc thay đổi một vài độ cũng ảnh hưởng đáng

kể đến mức năng lượng của phổ hấp thụ

Một điều quan trọng nhất là nguyên nhân đến từ tác dụng

sinh lí của con người Sự khác biệt về sinh lí sẽ ảnh hưởng đến

độ tin cậy của công nghệ, vì chúng chủ yếu là do chuyển hóa

cá nhân, thành phần máu, và lưu thông chất lỏng trong cơ thể

quyết định Các quang phổ hấp thụ chủ yếu là phát hiện phân

tử glucose và glucose có thể phát hiện ở khắp mọi nơi trên cơ

thể Do đó, rất khó có thể sản xuất được một mô hình bao

quát, có thể thường xuyên tự hiệu chuẩn sử dụng duy nhất cho

tất cả mọi người

5.KẾT LUẬN Hiện nay, trên thế giới, việc theo dõi đường huyết bằng

phương pháp xâm lấn vẫn đang là phương pháp phổ biến hơn

cả Mặc dù có nhiều bất lợi, nhưng đó vẫn là giải pháp ưu việt

cho tới hiện tại khi mà sự phát triển của thế hệ thứ tư – thế hệ

không xâm lấn vẫn còn nhiều tranh cãi và ý kiến trái chiều Bài

viết này đã trình bày hầu hết các phương pháp không xâm lấn,

đánh giá và so sánh, và nhận thấy rằng thực tế chưa có một

thiết bị không xâm lấn nào có thể đáp ứng độ chính xác và

được áp dụng Đứng trước những thách thức, việc tìm kiếm

một phương pháp tối ưu, chính xác và phổ quát là một thành

công lớn, tạo lên một bước ngoặt lớn trong việc chăm sóc sức

khỏe trên toàn thế giới

6 THAM KHẢO [1] "Diabetes Blue Circle Symbol" International Diabetes

Federation 17 March 2006

[2] "About diabetes" World Health Organization

Retrieved 4 April 2014

[3] "Diabetes Fact sheet N°312" WHO October 2013

Retrieved25 March 2014

[4] Kitabchi, AE; Umpierrez, GE; Miles, JM; Fisher, JN

(Jul 2009) "Hyperglycemic crises in adult patients with

diabete."Diabetes Care 32 (7):

1335–43.doi:10.2337/dc09-9032 PMC 2699725 PMID 19564476

[5] Shoback, edited by David G Gardner, Dolores (2011)

"Chapter 17".Greenspan's basic & clinical endocrinology

(9thed.) New York: McGraw-Hill Medical ISBN

0-07-162243-8

[6] RSSDI textbook of diabetes mellitus (Rev 2nded.) New Delhi: Jaypee Brothers Medical Publishers 2012 p 235 ISBN 9789350254899

[7] "The top 10 causes of death Fact sheet N°310" World Health Organization Oct 2013

[8] Rippe, edited by Richard S Irwin, James M (2010)

Manual of intensive care medicine (5thed.) Philadelphia: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins p 549 ISBN 9780781799928

[9] Picot, J; Jones, J; Colquitt, JL; Gospodarevskaya, E; Loveman, E; Baxter, L; Clegg, AJ (September 2009) "The clinical effectiveness and cost-effectiveness of bariatric (weight loss) surgery for obesity: a systematic review and eonomic evaluation" Health technology assessment (Winchester, England) 13 (41): 1–190, 21 –357, iii–

iv.doi:10.3310/hta13410 PMID 19726018

[10] Cash, Jill (2014) Family Practice Guidelines (3rded.) Springer p 396.ISBN 9780826168757

[11] Anas Mazady, Electrical and Computer Engineering Department,The University of Connecticut, Storrs, CT 06269-2157

[12] Noninvasive glucose monitor, https://en.wikipedia.org/wiki/Noninvasive_glucose_monitor

[13] Overview of Non-Invasive Fluid Glucose Measurement Using Optical Techniques to Maintain Glucose Control in Diabetes Mellitus, R W Waynant, Ph.D.* and V M Chenault, Ph.D., MT(ASCP)**, Food and Drug Administration; Center for Devices and Radiological Health; Office of Science and Technology* and Office of Device Evaluation**

[14] Akesh Govada, Ch Renumadhavi, K B Ramesh, “Non-Invasive Blood Glucose Measurement”, International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering, Vol 3, Issue 1, January 2014 [15] Chi-Fuk So, Kup-Sze Choi, Thomas KS Wong, Joanne

WY Chung, “Recent advances in noninvasive glucose monitoring,”

[16] Megha C.Pande, Prof.A K Joshi/International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA)

“Non-Invasive Optical Blood Glucose Measurement”

Định dạng
Số trang	6
Dung lượng	739,59 KB