每年，互联网上都会以令人羡慕的规律性浮出谣言，称苹果即将推出一款具有测量血液中葡萄糖功能的新型智能手表。

时间流逝，下一款没有血糖仪的Apple Watch问世，仅仅一个月后，谣言又开始在互联网上流传，说下次糖的测量肯定会出现。此外，将测量体温！

但是，正如我们所知，7年来，此功能一直没有出现。没人。

有趣的是，每次有三种类型的人评论这样的新闻。有人说他们不关心手表中的血糖仪，因为这些是糖尿病患者的问题。其他人则相信，这种技术原则上是不可能的。好吧，还有一些人准备为这样的智能手表捐钱。

如今，市场上有很多健身追踪器，可以高精度地测量血氧水平和脉冲变异性.有智能手表，做心电图甚至测量无袖带血压.

但是糖有什么问题呢？为什么尽管需求巨大，但今天没有血糖仪可以在没有皮肤穿刺的情况下准确测量血糖水平？对于一个健康的人来说，甚至有必要考虑这一切吗？

我希望这篇文章能为这些问题提供全面的答案。但首先，有必要介绍那些不在主题中的人。

没有健康的人，有检查不足的人。或“傻瓜”糖尿病

当然，并非地球上所有人都患有糖尿病。根据最新数据1，今天世界上每十分之一的成年人（从20岁到80岁）是糖尿病患者，在所有II型糖尿病患者中，有一半甚至不知道。

2009年，预测20年内地球上将有4.38亿糖尿病患者，但我们已经超过这个数字1亿人，现在我们预测到2030年将有6.43亿患者（不包括儿童）。去年，每5秒就有一人死于糖尿病。

而这只是冰山一角。高血糖水平缓慢但肯定地从内部摧毁人，导致各种疾病，似乎与糖完全无关。

什么是糖尿病，糖与它有什么关系？

为了正常生活、成长和简单地运作，我们的身体不仅需要“建筑材料”（食物中消耗的蛋白质），还需要能量。

碰巧的是，生物体的主要能量来源是糖，或者更确切地说，是一种叫做葡萄糖的分子（我们称之为糖并添加到茶中的是一种更复杂的分子，由两个简单的分子组成 - 葡萄糖和果糖）。

仅大脑就消耗多达 120 克12每日葡萄糖（约420千卡）。

我们从各种各样的食物中获取它。此外，在我们体内，有糖原分子形式的葡萄糖储存，如有必要，它们会非常迅速地、轻松地分解成葡萄糖。

但是有一个有趣的细微差别与葡萄糖的吸收有关。这些分子不能自行进入细胞。它们需要所谓的转运蛋白或称为GLUT的转运蛋白的帮助，它们可以携带它们穿过细胞的不透水壳。

大约有十几种不同的GLUT转运蛋白。在脑细胞（神经元）中有glut3蛋白，在红细胞中 - GLUT1，在肌肉细胞中 - GLUT4等。

葡萄糖分子只能进入神经元，这要归功于GLUT3。因此，当葡萄糖游到神经元时，由于这种转运蛋白，它会立即穿过细胞的保护膜：

但是，当葡萄糖接近使用GLUT4转运蛋白的细胞时，会发生一些有趣的事情。葡萄糖分子根本无法进入细胞内部，因为GLUT4隐藏在细胞内。

为了传递葡萄糖，有必要将GLUT4带到膜表面。这可以通过唯一的方式完成 - 借助称为胰岛素的“钥匙”。这种激素进入一个特殊的受体，然后启动一系列生化反应，将GLUT4带到表面。

现在葡萄糖可以很容易地渗透到肌肉细胞中。

但不要以为没有胰岛素，其他细胞就能正常地与葡萄糖一起工作。尽管其余转运蛋白在没有胰岛素参与的情况下通过葡萄糖，但在细胞本身内部，葡萄糖的进一步分解（酶的激活等）是必要的。

所以，总结一下：每个细胞都需要能量，其来源是葡萄糖。但是没有胰岛素，葡萄糖是没有用的。

如果胰腺实际上不产生胰岛素，这种病理称为第一种类型的糖尿病。如果胰岛素产生，但使用效率低下（细胞对胰岛素的敏感性受到干扰），这就是II型糖尿病。

在第一种情况下，监测血液中的葡萄糖水平以独立控制葡萄糖和胰岛素的平衡至关重要。否则，您可能会陷入糖尿病昏迷。

对于2型糖尿病，情况很危险，因为许多人甚至不知道它的存在。但随着时间的推移，血液中葡萄糖含量的持续高含量会导致可悲的情况：心脏病发作、中风、肾脏疾病、视力问题等。

这就是为什么那些认为自己不需要带血糖仪的智能手表的人大错特错的原因。测量血糖比现在流行的氧气水平测量重要得多。如果健身追踪器能够完成这项任务，那将非常酷。

今天如何确定血液中的糖含量

以前，一切都很简单——我尝了尿液，确定了葡萄糖的大致水平。这是古代唯一的“糖分析”。

当体内没有胰岛素时，细胞不能使用葡萄糖。因此，在身体看来，问题恰恰在于缺乏葡萄糖。他开始增加其量，指示胰腺合成胰高血糖素。反过来，这种激素会导致肝脏分解先前储存的糖原分子，从而提取葡萄糖。

结果，体内葡萄糖的浓度增加得更多，但细胞仍然不接受它。过量的葡萄糖开始从尿液中排出，使其具有甜味。因此，该疾病的名称 - 糖尿病（来自拉丁语糖尿病 - 像蜂蜜一样甜）。

尽管如此，今天没有人用它的“感官特性”来定义这种疾病。为此，有一种称为血糖仪的特殊设备，任何人都可以独立使用：

血糖仪的工作原理如下。将一滴血涂在特殊的试纸上，葡萄糖与涂有氧化葡萄糖的特殊酶的电极反应。

作为反应链的结果，产生电流。总电荷与血液中葡萄糖的量成正比。该设备读取此电荷并显示一位数字 - 每升血液中葡萄糖分子的数量。

通常，空腹血糖水平应在3.3至5.5 mmol / l的范围内，进食后 - 不超过8 mmol / l。

并且不要被“mmol / l”的值所混淆 - 这只是记录分子数量的一种方便形式。为了不处理难以想象的大数字（数十亿万亿），他们决定考虑分子“束”或组，其中 1 毫摩尔 （mmol） 是 6 亿万亿个分子。2.

在西方，使用一种更熟悉的记录形式代替mmol / l-mg / dL或每100毫升（1分升）血液中的毫克葡萄糖数。因此，指示60-100 mg / dL，而不是3.3-5.5 mmol / l的范围，它们只是将毫摩尔值乘以18。

电化学血糖仪有什么问题？

问题似乎解决了。毕竟，有方便，实惠且相当可靠的设备（血糖仪在95%的测量中测量葡萄糖的误差应不超过0.83 mmol / L。3).但是，事情并没有那么简单。

首先，一个健康的人不会买血糖仪，因为这不是最便宜的东西，而且他不需要每天血糖监测。

此外，对于该设备的操作，有必要不断获得消耗性材料 - 一次性试纸。不是每个人，也不是总是免费获得它们，所以对于每天花费 3-4 条的 1 型糖尿病患者来说，这是一个明显的问题。

但即使考虑到所有这些，血糖仪也不能完全解决问题，因为它们只进行一次性测量。在每次测量之间，糖水平会在白天和黑夜剧烈波动，从而伤害身体。

基本上，糖尿病患者完全可以感受到血糖水平的急剧下降（低血糖症）或血糖水平的增加（高血糖症）。但他们感觉不到致命的上升。因此，糖尿病患者通常处于葡萄糖水平保持在10-13 mmol / l区域的状态，比正常水平高2倍。

如果一个人只是想知道他的血糖水平，那么在医院的一次性测量也不能总是显示足够的图片。

即使是现在流行的糖化血红蛋白（A1c）分析也只显示“医院的平均温度”。也就是说，它显示了过去 3 个月血液中葡萄糖的平均水平。如果你让它不断从 3 毫米摩尔/升跳到 10 毫米/升，那么分析将给出完全可接受的结果 - 6.5 毫米/升。

您还可以通过对C肽的分析来检查体内胰岛素的产生量。但这只能让你做出诊断，而不是每天控制血糖。

因此，具有测量糖水平功能的智能手表只是许多问题的神奇解决方案。但是我们稍后会讨论魔术，在此之前，我们将考虑在过去十年中流行的CGM系统。

使用 CGM 进行连续糖监测

部分解决糖尿病患者的问题可以CGM系统或连续血糖监测（连续监测葡萄糖）。这些设备通常由小型一次性传感器和无线电发射器组成。

传感器通过特殊的贴片连接到身体上，在连接时薄电极无痛地进入皮肤，并将无线电发射器放在传感器的顶部。它看起来像这样：

发射器将葡萄糖信息发送到特殊设备、普通智能手机或智能手表。特别是，苹果在WWDC 2017上宣传了与Apple Watch配合使用的其中一个系统。

因此，您可以实时监测血液中的葡萄糖水平。更重要的是，当身体接近低血糖或高血糖时，系统会自动提醒您。

基本上，CGM系统每5分钟测量一次糖含量，误差约为10%4.也就是说，如果实际葡萄糖水平为6.7 mmol / l，那么平均而言，系统可以显示从6.03到7.37 mmol / l，这是完全可以接受的。

CGM系统的明显优势是，您不仅会看到断章取义的数字，而且知道变化的趋势或方向。

例如，如果血糖仪显示 10 mmol / l 的值，您会怎么做？你会通过注射胰岛素来降低糖分吗？

如果在此之前 20 分钟葡萄糖水平为 13 mmol / l，而更早一点 - 15 mmol / l？也就是说，显然葡萄糖的下降速度相当快，但您只看到数字“10”并且必须做出决定。风险太大，特别是如果这是睡前最后一次测量葡萄糖。

一桶葡萄糖中的一勺焦油

不幸的是，CGM系统的缺点已经足够了。首先，这种设备使用进入皮肤下的电极（或将整个传感器植入体内）来测量葡萄糖水平。

为了使异物不会在体内引起立即排斥反应，它由特殊的生物相容性材料制成。但如果异物没有被排斥，它就会开始迅速被一层蛋白质覆盖。

因此，电极上的蛋白质每天都变得越来越多，测量精度会降低，这需要使用常规血糖仪定期校准，或者经常更换传感器。无论如何，几乎所有的CGM系统都不允许您使用一个传感器超过7天（那些完全植入体内的传感器可以工作长达90天而无需更换）。

除了明显的不便之外，所有这些都会导致严重的成本，因为一个传感器的成本，工作约7天，很容易达到80美元。

但还有其他缺点。首先，所有CGM系统都不测量血液中的葡萄糖水平，而是测量细胞外液中的葡萄糖水平。也就是说，葡萄糖在细胞和血管外进行分析，相对于血液，葡萄糖以一定的延迟（约15分钟）进入。因此，CGM系统永远不会显示血糖的当前值。值本身可能会有所不同，因为相关性是间接的。5.

此外，当移动或改变身体的位置时，传感器可以与组织接触，从而限制或完全阻止电极进入液体。结果，一个人会收到关于低血糖发作的误报信号。

而且，当然，绝大多数健康人不会为购买昂贵的设备和频繁更换传感器来监测血糖水平而烦恼。这是没有意义的，你不妨观察任何其他分泌由大脑控制的激素。

我们需要一种工具，让您轻松了解糖含量，而无需刺穿皮肤或在身体下方植入传感器，该工具不需要消耗品或使用说明。

一个人只需按下手表上的按钮即可获得结果。只有在这种情况下，每个人都会想要检查血糖并定期进行，这可以显着改善世界各地的糖尿病情况。

带糖分测量功能的智能手表——白日梦还是对科学的大胆挑战？

因此，制造商面临着在不刺穿皮肤和不使用血液或细胞外液的情况下测量血液中葡萄糖水平的任务。我该怎么做？

首先想到的是分析其他液体：眼泪、汗水、唾液。事实上，这种尝试一再发生。

例如，2014年，谷歌（其研究中心Verily）开发了具有测量糖分功能的隐形眼镜。但经过4年的现场践踏，该项目被关闭，在官方博客上报道6这是一项棘手的任务，因为血糖和眼泪的相关性不足以使这种镜片获得认证并成为医疗设备。

尽管如此，这些都不适合手表。因此，需要完全不同的技术。它们存在，理论上可以分析葡萄糖水平，但实际上一切都不像看起来那么简单。我们将在最后一部分中讨论这一点。

如果苹果或任何其他公司确实发布了具有测量血糖功能的智能手表，其工作将基于以下原则之一：

反向离子电渗疗法

离子电渗疗法是医学和美容学中在电流影响下移动各种离子（带电荷的分子）的一种流行方式。

只有当离子电渗疗法用于在皮肤下注射物质时，反向离子电渗疗法才会执行相反的任务 - 它会在不违反皮肤完整性的情况下将分子拉出。

因此，我们可以以最直接的方式采取行动——将葡萄糖分子通过皮肤拉到智能手表的传感器并计算它们的数量。

为此，我们需要在皮肤上施加正极和负极，然后施加小电流。由此产生的电场将把带负电的分子吸引到正极，把带正电的分子吸引到负极。

唯一的问题是葡萄糖不带电荷，因为它是极性分子（极性分子的一侧总是有一个“加号”，另一侧有一个“减号”）。所以它不关心智能手表产生的电场。

但这种方法确实有效，因为除了细胞外液中的葡萄糖外，还有带电分子，例如钠或氯（正式这些不是分子，而是化学元素）。因此，它们在电场的影响下移动，产生葡萄糖在其中移动的液体流动（电渗效应）。)7:

这种方法构成了世界上第一个基于手腕的血糖仪之一的基础，该血糖仪可以在不刺穿皮肤的情况下测量血糖水平。这些是臭名昭著的GlucoWatch，大约20年前发布，不久后破产。

为了提取足够数量的葡萄糖分子，有必要提高电极上的电压，这通常会导致皮肤灼伤。此外，还需要每天更换表盖上的一次性垫圈进行电化学葡萄糖测量，然后重新校准。

当检测到汗水时，手表完全停止工作，或者出现巨大错误。但最重要的问题是血糖降低时测量的准确性。当葡萄糖很多时，手表并不总是设法收集足够的葡萄糖，更不用说低血糖了。

自GlucoWatch以来已经有无限长的时间了，从在技术方面.在过去的20年里，传感器的质量和灵敏度显着提高，我们现在正在经历神经网络的繁荣，承担越来越多的任务。

因此，基于反向离子电渗疗法技术的新型无创血糖仪（非侵入性 - 无皮肤穿孔）的发布是一个非常真实的事件。

如果血糖水平超过4.4 mmol / L，这种类型的最新血糖仪显示出高精度（误差~12%）。 但是当葡萄糖下降时，误差增加到19%（>3.3毫摩尔/升）或27%的葡萄糖从2.2毫摩尔/升8.

分子光谱

这是最广泛的分子分析方法集，同时也是最方便的，因为该设备不含任何耗材。所有这些方法都基于对分子与光相互作用的分析（我所说的光是指一般的电磁辐射，而不仅仅是可见光谱）。

简单来说，智能手表背面用来测量血液中氧气水平的所有这些绿色、红色和红外线灯泡都是一种光谱学：

而且大多数用户确信手表中的血糖仪将与测量血液中氧气的脉搏血氧仪的工作原理相同。也许情况会是这样，但为此有必要解决非常严重的问题。

基本上，对于智能手表，您可以使用以下技术之一：

• 近红外光谱（近红外光谱）
• 拉曼光谱

如果我们谈论的是红外近红外光谱，那么测量血液中葡萄糖的过程如下。LED在近距离内用红外线照射皮肤，频率为200至400 THz（这比5G的频率高一万倍）。

当这种不可见的光照射到分子时，它可以部分吸收它，部分消散它或反射它。我们已经在dR的页面上多次讨论了物质吸收光的“力学”。但在这里我只想指出，红外光谱的能量太小而无法被电子吸收。

因此，红外光的吸收是通过葡萄糖分子的旋转，振动和/或拉伸来进行的：

条件分子运动示例

由于所有分子都具有不同的结构，因此每个分子都吸收其光谱的一部分。也就是说，入射光的频率必须与分子本身振动的频率一致。

这就是为什么当我们照亮某种物质然后分析返回的光时，它会根据物质内部的分子而具有不同的成分。

这就是红外光谱学的本质。近距离的红外光很容易深入皮肤并与内部组织相互作用。部分光返回传感器，之后神经网络分析其光谱和强度。通过光谱，我们知道这是葡萄糖，并且通过强度我们确定其数量。

理论上听起来很简单，不是吗？

实际上，这种方法类似于测量血液中氧气水平时使用的方法，但是存在差异并且非常大。

首先，血红蛋白（该分子负责氧气的运输）的量超过葡萄糖的量140倍。9.因此，使用如此量的物质比使用葡萄糖要容易得多。

此外，血红蛋白与氧气结合，有一种颜色，而没有氧气 - 另一种颜色。因此，很容易区分它们的光谱，因为它们吸收不同频率的电磁波。葡萄糖分子是完全无色的。

此外，许多分子具有与葡萄糖相似的结构，因此它们的信号会重叠，这使得很难将葡萄糖与葡萄糖代谢形成的其他化合物区分开来。

但这还不是全部。当我们在皮肤上发射红外光时，其中很大一部分会立即从皮肤表面反射并返回接收器（光电二极管）。这将是一个强大但完全无用甚至有害的信号，不包含任何有关葡萄糖的信息。事实上，这是噪音。

即使您在复杂的数学计算和神经网络的帮助下过滤掉噪声并隔离出与葡萄糖相关的微弱信号，如何区分糖尿病引起的葡萄糖水平下降与平庸的血管收缩，例如感冒？

毕竟，当身体感到寒冷时，四肢血管首先会变窄，从而减少血液量。而且由于血液中有很大一部分葡萄糖，传感器会注意到它的下降。但实际上，它与疾病无关。

所有这些问题都需要以某种方式解决。

为了进一步了解问题的严重程度，请看一下近红外范围内水的大致光谱。9:

1300 到 1500 nm 之间的浪涌意味着水吸收该范围内的最大电磁波数量。因此，光电二极管根本不会以我们看到峰值的频率返回光。

如果我们能在这个红外线光谱中观察水，它对我们来说似乎是黑色的不透明。但是对于我们可见范围内的波浪，水是完全透明的。

现在让我们准备一个溶液，其中会有 10% 的葡萄糖，其他一切都是水。事实上，我们会使葡萄糖浓度达到100克/升或约555毫摩尔/升，这是血液中葡萄糖水平的100倍。

如果我们比较这些光谱，我们会看到一个很大的不同：

但是，不幸的是，主要区别不是由于添加了葡萄糖，而是由于水量减少了10%。也就是说，在得到的光谱中，主要作用是由少量的水而不是已经出现的葡萄糖。如果我们从一个光谱中减去另一个光谱，我们可能会注意到葡萄糖。

但是，如果葡萄糖浓度不是555 mmol / l，如本例所示，而是5.5 mmol / l，如在体内，那么在这个规模上我们根本看不到葡萄糖。它对光谱的贡献将为零，我们必须显着放大信号才能看到其中葡萄糖的存在。

如果我们谈论的是智能手表上通过红外光谱法真正测量葡萄糖，那么即使表带张力的微小变化也会极大地扭曲结果，因为传感器会以不同的力压在皮肤上，这会影响光谱。

我所说的一切都只是真正需要解决的问题的一部分。这就是为什么我们仍然没有看到带有内置血糖仪的智能手表。没有一家公司能够在实验室条件之外达到可接受的精度。

拉曼光谱

你可以走另一条路，使用所谓的拉曼光谱（以印度物理学家的名字命名为拉曼），它也是拉曼光谱。

与传统LED的红外光谱不同，对于这种方法，您需要使用激光，即具有一个波长的光。让我提醒您，智能手表中常用的 LED 借助它测量脉冲，包含各种不同频率的波，这些波“通过肉眼”彼此没有区别。

在这里，一个频率至关重要，例如，来自相同的近红外范围甚至可见光。

要了解该方法的本质，您需要记住，光不仅可以被吸收或反射，还可以散射。散射是指光与粒子碰撞，与其相互作用，并改变其特性，通常是运动方向。

而且您还需要知道有两种类型的散射 - 弹性和非弹性散射。

在第一种类型的散射（弹性）中，光不会改变其频率。我们到处都观察到这种分散，而且总是如此。例如，天空之所以是蓝色的，正是由于弹性散射，因为大气中的小颗粒会向各个方向散射蓝光，在我们看来它是蓝色的。

但是对于非弹性散射，光的频率会发生变化。具体如何取决于光与之相互作用的物质。

因此，通过这种方法进行葡萄糖分析的本质如下。智能手表在手臂上照射激光。这种光穿过皮肤下，与包括葡萄糖在内的各种物质碰撞并散射。

由于这是一种非弹性散射，我们得到了一组不同频率的光波。现在我们过滤掉弹性散射的强光，即不改变频率（这也是从皮肤反射的光）。剩下的一切都得到了加强和分析。

由于我们非常了解葡萄糖的拉曼光谱（每种物质都有自己的光谱或不同频率的波集，就像“指纹”）一样，因此在一般信号中找到它比红外光谱更简单：

葡萄糖的近似谱图

嗯，葡萄糖的量直接取决于这个光谱的强度（“亮度”）。

有趣的是，2013年有新闻10苹果聘请了封闭公司 C8 MediSensors 的关键员工，该公司刚刚从事开发一种基于拉曼光谱原理的血糖仪，即使在那时也显示出 2 mmol / l 的误差。

所考虑的技术（反向离子电渗疗法、红外光谱和拉曼光谱）是智能手表的主要竞争者。但是还有许多其他方法。

发现

文章的体积不允许我们考虑所有非侵入性测量糖的方法，包括光声效应（葡萄糖被光照射时声音的发生）、生物阻抗分析（一种也用于确定智能秤中身体成分的方法）等。

但是，我希望，我能够传达主要思想，我将再次重复论文：

• 每个人都需要知道血液中的糖含量，至少以确保没有糖尿病，尤其是2型糖尿病，它知道如何很好地隐藏。
• 用智能手表测量葡萄糖并不是一个疯狂的想法。从理论上讲，有很多方法可以在不流血和刺穿皮肤的情况下做到这一点。
• 目前，还没有一种市售的经过认证的无创血糖仪以手表或手镯的形式出现。

今年会有带血糖仪的智能手表吗？我不知道。但我可以自信地说，他们肯定不会再用试纸或可靠的认证 CGM 系统取代“经典”血糖仪 10 年。

在本文中，我们谈到了需要克服的主要问题，以便不是在市场上发布另一个玩具，而是一个有用的工具。到目前为止，还没有人能够做到这一点，尽管投资者准备向任何想尝试的人提供数百万美元。

今天，许多用户抱怨他们的健身追踪器错误地确定脉冲或血液中的氧气水平。因此，如果即使是这样的原始任务（与测量葡萄糖相比，这是一项原始任务）并不总是由跟踪器处理，那么我们甚至可以谈论什么样的糖测量？

如果血液中有大量葡萄糖（例如，从10-15 mmol / l及以上），许多非侵入性技术已经显示出良好（甚至非常好）的工作准确性。但是一旦它的水平降低，一切都会分崩离析。这是几十年来人类最优秀的头脑一直在敲打的墙。

无论如何，希望现在您对问题有了很好的了解，观察市场对您来说会更有趣。当第一家公司发布带有血糖仪的智能手表时，您已经了解了其操作原理以及必须克服的困难。