可穿戴技术在糖尿病健康管理中的应用进展*

尹莲花 郑彦

国际糖尿病联盟（International Diabetes Federation，IDF）2019 年发布的第9 版全球糖尿病地图显示，2019 年全球4.63 亿20～79 岁成人糖尿病患者，中国占到1.164 亿，居全球首位；全球共2.319 亿未诊断糖尿病患者，未诊断率达50.1%，中国未诊断糖尿病患者数高达6 520 万，居全球首位；2019 年中国糖尿病相关医疗支出约1090 亿美元，位居全球第二[1]。大量统计数据表明，中国糖尿病防控形势严峻，糖尿病相关医疗支出庞大。在当前医疗条件下，糖尿病仍属终身性疾病，难以治愈，并可导致全身各组织器官的并发症，需要长期治疗，加之中国糖尿病患者基数大，病程长，医院集中化管理的难度较大。时下新兴的可穿戴技术能够实现远程监控和智能反馈，在便利性、即时性、智能化等方面具有传统医疗无法比拟的优点，有利于患者在院外或家庭环境中进行自主健康管理，从而降低慢性病健康管理的医疗成本，节约有限的医疗资源，具有广阔的应用前景。本文将就近年来可穿戴技术在国内外糖尿病健康管理中的应用情况做一综述。

1 运动手环在糖尿病健康管理中的应用

运动手环作为一种新型的融信息技术与医疗健康于一体的智能化可穿戴运动管理设备，能对人的体力活动及运动情况进行实时监测，并自带运动提醒功能，不但体积小，佩戴方便，不影响日常活动，而且操作简单，已被广泛应用于大众健身[2]。大量研究显示，运动手环的合理应用有助于增加运动趣味，起到良好的运动提醒和激励作用，从而提升糖尿病患者运动干预的依从性和积极性，3～6 个月的手环监测下运动能够有效改善BMI、腰围、糖脂代谢和胰岛素抵抗，提高患者生活质量，延缓病情进展，值得临床推广应用[3-7]。

罗佳彬等[3]采用全程通H6 移动智能手环对50 例社区2 型糖尿病（T2DM）患者进行个性化运动干预，指导研究对象查看每日运动总步数和有效步数，并养成定期记录的习惯，经6 个月干预后，与仅接受常规公共卫生服务的对照组相比，干预组的体重、BMI、腰围、空腹血糖的改善更为显著（P＜0.05 或P＜0.01）。王梦梦等[4]研究结果显示：运动手环能够督促患者有意识地完成运动目标，并享受运动乐趣，提升患者的运动依从性，3 个月的手环检测下运动干预即显著改善患者的空腹血糖（FBG）、餐后2 h 血糖（2 h PG）、糖化血红蛋白（HbA1c）、BMI 等指标。赵晓姬等[5]采用小米2 代智能运动手环对34 例T2DM 合并非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）患者进行为期3 个月的运动干预与监测后发现，干预后患者的糖脂代谢指标（包括FBG、2 h PG、HbA1c、总胆固醇TC、甘油三酯TG、低密度脂蛋白胆固醇LDL-C）较干预前均显著下降（P＜0.05），糖代谢指标2 h PG、HbA1c、脂代谢指标TC、TG、肝功能指标ALT、AST 及脂肪因子瘦素、BMI 等均显著低于未使用运动手环的对照组（P＜0.05），提示运动手环的应用可为T2DM 合并NAFLD 患者提供个性化、可动态调整的运动方案，从而显著改善其糖脂代谢和胰岛素抵抗，大幅提升运动干预的安全性、有效性和依从性，延缓病情进展。

曹创等[6-7]探讨佩戴运动手环对T2DM 患者运动行为、糖脂代谢和生活质量的影响，结果显示：佩戴组患者的日均运动步数、总运动时间及低、中、高强度的运动时间均显著高于未佩戴组（P＜0.05）；随着干预时间的延长，除TC 外，佩戴组的FBG、HbA1c、TG、高密度脂蛋白胆固醇HDL-C、LDL-C均发生明显改善，且干预6 个月后，除TC 外，佩戴组的上述指标改善程度均明显优于未佩戴组（P＜0.05）；干预后的生活质量评分较干预前明显提升（P＜0.05），提示运动手环的应用有助于提高T2DM 患者运动干预的依从性，增加患者运动量和运动强度，从而更好地改善糖脂代谢，并提高生活质量，改善运动康复疗效，值得临床推广应用。

2 可穿戴微型传感器在无创血糖监测中的应用

对于糖尿病患者而言，血糖监测一般通过静脉或指尖采血完成。然而，针刺采血或抽血的疼痛感可能影响患者持续血糖监测的依从性和积极性。可穿戴式葡萄糖传感器的诞生填补了这项医疗需求。研究表明，可穿戴的传感器可以持续监测皮肤间质液（ISF）、泪液、唾液或汗液中的目标分析物[8]。其中，皮肤间质液取样需要将针头插入皮肤，而汗液、泪液和唾液可以通过佩戴在体外的设备取样。可穿戴设备采集最广泛的代谢物是用于监测糖尿病患者的皮肤间质液血糖。持续ISF 血糖监测可以在便捷、无痛苦、不浪费毛细血管血糖检测的指尖血液的情况下评估血糖浓度，这是糖尿病患者确定胰岛素给药剂量和制定饮食、运动计划的参考依据。汗液作为一种重要的体液，含有许多重要的代谢生物标志物，可以提供汗液葡萄糖的生理信息。汗液中的葡萄糖浓度在微摩尔（μmol）范围内，名义上小于100 μmol，远低于血液中的葡萄糖浓度。随着可穿戴设备的出现，笔者观察到，在恒速运动中，汗液中的葡萄糖浓度先升后降。可穿戴的汗液生物传感器通常是在与皮肤形成共性接触的柔性基底上制备的，将所需的汗液体积减至最小，方可正确地收集和分析汗液样本[9]。2016 年，FDA 批准了一个连续血糖监测仪，其MARD 为9.0%，用于非调整用途。美国Russell 等[10]研究发现，可穿戴式仿生胰腺能自动接收连续葡萄糖监测器的血糖数据，从而靶向调节胰岛素和胰高血糖素的皮下递送，改善1 型糖尿病患者的平均血糖水平，降低低血糖发生率。大量研究显示，将生物传感器附于腕表背面或牙线上，可以提供无创、便捷的实时血糖追踪监测或微针治疗，为推动糖尿病的治疗和改善血糖控制提供了有效途径[11-14]。

2.1 基于汗液的智能可穿戴传感器在血糖监测和干预中的应用 Zilberstein 等[11]报道了一款用于血糖浓度检测的无创微型传感器，该款传感器内置于带有PPG/HRM（光体积/心率监测传感器）的智能手表后面板，通过手腕或指尖轻触后面板涂有一层薄玻璃或聚合物薄膜的化学变色混合物上实现血糖的监测。该传感器的原理是采用化学变色成分测量汗液中存在的丙酮、丙酮β-羟丁酸酯、乙酸乙酯、水、二氧化碳、乳酸阴离子、丙酮酸、钠盐和钾盐等代谢物的绝对值，并综合上述参数值，通过基于传感器内置神经网络算法的多元分析自动算出血糖浓度。克拉克误差网格分析显示，标准侵入式血糖测试仪与现有非侵入式血糖测试仪在不同时点（早餐前/中/后、午餐前/中/后）、针对不同个体（男/女）的检测数据均具有良好的相关性，误差为±15%。作者认为，这种新型的非侵入式间接血糖测量传感器是完全微型化的，易于使用和操作，对于个人用户而言，可以作为目前临床环境下侵入式检测工具的有效替代。

Zhao 等[12]报道了另一款同样通过汗液检测葡萄糖浓度的可穿戴式三电极电化学生物传感器，该传感器的原理是通过干法纺丝和化学镀生产可伸长弹性金纤维，在此基础上，用循环伏安法在纤维上进一步电沉积了一层Ag/AgCl 或普鲁士蓝。研究显示，以Au/AgCl 改性纤维为参比电极，以葡萄糖氧化酶（GOx）进一步修饰PB 改性纤维为工作电极，以未修饰的金纤维为对电极，将上述功能纤维缠绕在弹性纤维芯上，可在200%的应变下获得优异的电化学性能。在高度拉伸状态下，该传感器对葡萄糖检测的灵敏度可达11.7 μA·mM-1·cm-2，且具有较高的选择性，能够监测人工汗液中的葡萄糖水平。作者认为，该传感器在可穿戴纺织品生物诊断领域具有潜在的应用前景。

除了检测汗液中的葡萄糖水平，Oh 等[13]还发现了一种可以同时用于汗液中pH 值检测的可拉伸电化学传感器，该传感器对葡萄糖和pH 值的检测灵敏度分别达到10.89 μA·mM-1·cm-2和71.44 mV·pH-1，机械稳定性可达30%，空气稳定性可达10 d。此外，在湿润的皮肤上，它同样展现出良好的附着力，可在贴附于皮肤的同时检测跑步运动产生的汗液中的葡萄糖和pH 值。研究表明，这种可伸展、可贴附于皮肤的电化学传感器是一种高性能的医疗可穿戴设备，可以应用于糖尿病患者的健康管理[14]。

Lee 等[15]研发了一款基于贴片的带有多级经皮药物输送模块的可穿戴/一次性监测装置，不但可以用于汗液中葡萄糖的无创监测，还可实施基于微针的即时治疗，为糖尿病的无痛、无压力护理及治疗提供了重要工具。研究发现，通过多模式葡萄糖传感结合温度、湿度和多模式pH 传感的实时信号校正，可最大限度地提高此类血糖监测的准确性。

2.2 基于唾液的智能牙线传感器在血糖监测中的应用 Sha 等[16]创造性地开发了一种可反复使用的用于人类口腔唾液中葡萄糖检测的智能牙线传感器，该传感器由碳石墨墨水和Ag/AgCl 墨水在牙线上涂制而成，通过葡萄糖氧化酶的固定化实现对葡萄糖的监测，检测范围为0.048～19.5 mM，响应时间约为2 min。de Castro 等[17]开发了一种微型化可拆卸的“腔式传感器”，传感器表面基于GOx 改进聚乙二醇材质制成，其中集成了无线收发器，安装在定制的单片护齿上匹配佩戴者牙齿的形状，用于固定在护齿上测量唾液葡萄糖。

2.3 基于泪液的智能隐形眼镜在血糖监测和药物输送领域的应用 泪液是无线、非侵入性可穿戴传感器的首选目标之一，尽管越来越多的泪液分析物被证实与多种疾病相关，但葡萄糖仍然是基于泪液的可穿戴设备的首要监测靶点[18]。Park 等[19]研发了一种柔软、透明的智能隐形眼镜，镜片中含有透明且富有弹性的纳米结构葡萄糖传感器和无线充电回路，通过石墨烯传感器感知用户葡萄糖水平的变化，并通过LED 显像技术实时传输和显示测得的葡萄糖浓度。当用户泪液中测得的葡萄糖水平超过阈值时，通过关闭微小的嵌入式LED 灯警示佩戴者血糖变化。活体兔子实验显示，将该款软透镜戴到兔眼上后，通过观察LED 的开/关操作无线监测血糖浓度有无超过阈值。实验发现，当葡萄糖浓度超过0.9 mM 时，LED 熄灭。作为首款能在柔软的隐形眼镜上显示像素以提供葡萄糖信息的设备，它在糖尿病前期指标和每日血糖的监测方面预期具有良好的应用前景。

Sempionatto 等[20]报道了一款可穿戴泪液生物电子平台，通过将微流控电化学检测器集成至眼镜的鼻桥垫上，实现对泪液中葡萄糖的无创检测。与隐形眼镜平台的传感器系统不同，该款可穿戴泪液检测设备无须与眼睛直接接触，用户使用安全度更高。

Keum 等[21]研发了一款可远程控制的多功能智能隐形眼镜，用于非侵入性血糖监测和受控药物输送，旨在定向治疗糖尿病视网膜病变。该款隐形眼镜主要由5 个部分组成：实时电化学生物传感器、按需灵活药物输送系统（f-DDS）、谐振感应无线能量传输系统、基于互补集成电路的带电源管理单元的微控制器芯片和远程射频通信系统。药物可以通过远程通信从自我调节的脉动f-DDS 中释放出来。与铜接收器线圈的谐振电感耦合允许使用发射器线圈从外部电源无线供电，该设备通过射频通信与外部控制器通信。活体兔子实验显示，该款隐形眼镜可以实现血糖水平监测并向眼部输送药物。

2.4 实时HRV 检测有望用于早期低血糖监测 Olde Bekkink 等[22]指导23 名1 型糖尿病患者佩戴可监测心率等多种健康参数的VitalPatch 设备，并通过指血测定患者血糖。当患者血糖低于70 mg/dL（3.9 mmol/L）时，判定为低血糖事件，同时记录患者心率，研究期间共发现66 个低血糖事件。统计分析显示，仅3%的低血糖事件未出现心率变异性（HRV）变化，82%的低血糖事件中观察到心率变化，其中55%为典型HRV 变化模式，27%为非典型HRV 变化模式。作者认为，1 型糖尿病患者在出现低血糖事件之前可以检测到心率变异性模式。因此，测量实时HRV 的可穿戴设备有望应用于早期低血糖监测。

3 可穿戴设备联合云管理平台在糖尿病健康管理中的应用

时下常见的智能手环、智能手表、智能血糖监测仪等医疗级别的可穿戴设备，常通过蓝牙连接将监测到的各项运动或健康数据实时传输至手机应用程序，并通过云管理平台共享至医院服务器，医生通过数据分析给出健康管理建议并远程反馈，患者足不出户即可获取专业的医学建议。除了常规的运动心率、每日步数监测之外，可穿戴设备还可同步监测T2DM 患者的肌氧含量等健康标志物。贾竹敏等[23]研究便携式可穿戴设备肌氧监测仪、心率臂带结合手机应用程序（APP）和运动管理平台对66 例T2DM 患者糖脂代谢、肌氧、心率等指标的影响。结果显示：经24 周干预后，可穿戴组的FBG、HbA1c均明显低于仅接受常规运动宣教的对照组，在同等运动速度下的肌肉力量改善更为显著（P＜0.05），提示便携式可穿戴设备结合运动管理平台的应用可有效改善T2DM 患者的糖代谢情况并改善肌氧量。

Lim 等[24]采用随机对照临床试验将60 岁以上T2DM 患者随机分为自我血糖检测组（SMBG 组）和u-healthcare 组（U 医疗保健系统组）各50 例，指导u-healthcare 组受试者使用特殊设计的血糖仪和活动监视器，可以自动将相关测试结果实时传输至医院服务器，并将关于血糖、饮食和体力活动的反馈建议自动发送至患者手机或特定网站，经过6个月的随访，与SMBG 组相比，u-healthcare 组的HbA1c 水平显著下降（P＜0.01），且u-healthcare 组HbA1c 水平＜7%且无低血糖的患者比例26%明显高于SMBG 组12%（P＜0.05），u-healthcare 组脂肪量下降且血脂指标改善而SMBG 组未见类似改变。作者认为，u-healthcare 服务可为T2DM 老年患者提供有效治疗。

4 可穿戴技术在糖尿病健康管理中的应用展望

近年来，数字医疗技术发展迅速。随着新兴的医疗技术的出现，可穿戴设备已经成为一种标准的医疗干预手段。作为一种安全、经济的医疗保健设备，可穿戴设备在跟踪体力活动方面受到广泛关注，可通过每天持续收集体力活动等数据，使医疗服务提供者能够远程监控佩戴者的体力活动情况并据此制定个性化干预措施，同时采用警报提醒模式促进积极的生活方式。移动应用程序和可穿戴设备有利于实时评估饮食摄入、体力活动量、血糖动态值等，并提供反馈，从而鼓励个人积极改变不良的生活行为方式，改善血糖控制和糖尿病管理，降低糖尿病等慢性病风险。一项系统回顾指出，使用可穿戴设备的人群，无论年龄、性别或健康状况如何，均可提高其体力活动量和每日步数[25]。可穿戴设备在增加体力活动方面起一定作用，从而有助于改善患者的临床预后[26]。基于国家中医药管理局中医康复研究中心（TCM Rehabilitation research center of SATCM），为了让患者参与可穿戴数据收集，需要解决以患者为中心的关键问题，这些问题涉及医疗保健的有效性和动机、数据的准确性、安全性和隐私性等，这是未来可穿戴技术在糖尿病健康管理应用研究中需要思考的问题。