Современные методы скрининга обычно предполагают посещение медицинского учреждения для лабораторного тестирования и/или использование портативного глюкометра для тестирования на дому, что означает, что доступ и стоимость могут быть препятствиями для более широкого скрининга. Но исследователи из Вашингтонского университета, возможно, нашли золотую середину, когда дело доходит до повышения уровня раннего выявления преддиабета. Команда разработала GlucoScreen, новую систему, которая использует емкостные сенсорные возможности любого смартфона для измерения уровня глюкозы в крови без использования отдельного считывающего устройства.

Исследователи описывают глюкоскрин в новой статье, опубликованной 28 марта в the Материалы Ассоциации вычислительной техники по интерактивным, мобильным, носимым и повсеместным технологиям.

Результаты исследователей свидетельствуют о том, что точность GlucoScreen сравнима с точностью стандартного тестирования глюкометром. Команда обнаружила, что система работает с точностью до критического порога между нормальным уровнем глюкозы в крови, равным или ниже 99 мг/ дл, и преддиабетом, определяемым как уровень глюкозы в крови между 100 и 125 мг/дл. Такой подход мог бы сделать тестирование на глюкозу менее дорогостоящим и более доступным - особенно для одноразового скрининга большой популяции.

"При обычном скрининге человек наносит каплю крови на тест-полоску, где кровь вступает в химическую реакцию с ферментами на полоске. Глюкометр используется для анализа этой реакции и определения уровня глюкозы в крови", - сказал ведущий автор Анандган Вагмаре, докторант Калифорнийского университета в Пол Дж. Школа компьютерных наук и инженерии имени Аллена. "Мы взяли ту же тест-полоску и добавили недорогую схему, которая передает данные, генерируемые этой реакцией, на любой смартфон посредством имитации нажатия на экран. Затем GlucoScreen обрабатывает данные и отображает результат прямо на телефоне, предупреждая человека, если он находится в группе риска, чтобы он знал, что следует проконсультироваться со своим врачом."

В частности, тест-полоска GlucoScreen измеряет амплитуду электрохимической реакции, которая происходит, когда образец крови смешивается с ферментами, пять раз в секунду.

Затем полоса передает данные об амплитуде на телефон посредством серии касаний с переменной скоростью, используя технику, называемую "широтно-импульсная модуляция". Термин "ширина импульса" относится к расстоянию между пиками сигнала - в данном случае к длине между ответвлениями. Каждая длительность импульса представляет собой значение вдоль кривой. Чем больше расстояние между отводами для определенного значения, тем выше амплитуда, связанная с электрохимической реакцией на полоске.

"Вы общаетесь со своим телефоном, постукивая пальцем по экрану", - сказал Вагмар. "По сути, это то, что делает strip, только вместо одного нажатия для выполнения одного действия он выполняет несколько нажатий с разной скоростью. Это сравнимо с тем, как азбука Морзе передает информацию с помощью постукиваний".

Преимущество этого метода заключается в том, что для него не требуются сложные электронные компоненты. Это сводит к минимуму затраты на изготовление ленты и мощность, необходимую для ее работы, по сравнению с более традиционными способами связи, такими как Bluetooth и Wi-Fi. Вся обработка данных и вычисления происходят по телефону, что упрощает процесс и еще больше снижает стоимость.

Тест-полоска также не нуждается в батарейках. Вместо этого он использует фотодиоды, чтобы получать то небольшое количество энергии, которое ему требуется от вспышки телефона.

Вспышка автоматически включается приложением GlucoScreen, которое проводит пользователя по каждому этапу процесса тестирования. Сначала пользователь прикрепляет каждый конец тест-полоски к передней и задней стенкам телефона в соответствии с указаниями. Затем они прокалывают палец ланцетом, как при обычном тестировании, и наносят каплю крови на биосенсор, прикрепленный к тест-полоске. После передачи данных с полоски на телефон приложение применяет машинное обучение для анализа данных и расчета уровня глюкозы в крови.

Эта стадия процесса аналогична той, которая выполняется на коммерческом глюкометре. Что отличает GlucoScreen от других, помимо его новой сенсорной технологии, так это его универсальность.

"Поскольку мы используем встроенный емкостный сенсорный экран, который присутствует в каждом смартфоне, наше решение может быть легко адаптировано для широкого использования. Кроме того, наш подход не требует низкоуровневого доступа к емкостным сенсорным данным, поэтому вам не нужно обращаться к операционной системе, чтобы заставить GlucoScreen работать", - сказал соавтор Джейсон Хоффман, докторант Калифорнийского университета в школе Аллена. "Мы разработали его по принципу "подключи и играй". Вам не нужно рутировать телефон - фактически, вам не нужно ничего делать с телефоном, кроме установки приложения. Какая бы модель у вас ни была, она будет работать в готовом виде".

Исследователи оценили свой подход, используя комбинацию лабораторных и клинических испытаний. Из-за пандемии COVID-19 им пришлось отложить последнее до 2021 года, когда во время поездки домой в Индию Вагмаре связался с доктором Шайлеш Питале из Dew Medicare и больницы Тринити. Узнав о проекте UW, доктор Питале согласился содействовать проведению клинического исследования с участием 75 согласившихся пациентов, у которых уже был запланирован забор крови для лабораторного анализа на уровень глюкозы в крови. Используя этот лабораторный тест в качестве основы, Вагмар и его команда оценили эффективность GlucoScreen по сравнению с обычными полосками и глюкометром.

По словам исследователей, учитывая, насколько распространены преддиабет и сахарный диабет во всем мире, этот тип технологий потенциально может изменить клиническую помощь.

"Одним из препятствий, которые я вижу в своей клинической практике, является то, что многие пациенты не могут позволить себе самостоятельно тестироваться, поскольку глюкометры и их тест-полоски слишком дороги. И обычно с самыми большими препятствиями сталкиваются люди, которым больше всего нужен анализ на глюкозу", - сказал соавтор исследования доктор Мэтью Томпсон, профессор семейной медицины в Медицинской школе Калифорнийского университета и глобального здравоохранения. "Учитывая, сколько моих пациентов сейчас пользуются смартфонами, такая система, как GlucoScreen, могла бы действительно изменить наши возможности по скринингу и мониторингу людей с преддиабетом и даже сахарным диабетом".

Глюкоскрин в настоящее время является исследовательским прототипом. По словам команды, потребуются дополнительные ориентированные на пользователя клинические исследования, а также изменения в способах изготовления и упаковки тест-полосок, прежде чем система сможет стать широко доступной.

Но, добавили исследователи, проект демонстрирует, что мы только начали использовать потенциал смартфонов в качестве инструмента проверки состояния здоровья.

"Теперь, когда мы показали, что можем создавать электрохимические анализы, которые могут работать со смартфоном вместо специального считывающего устройства, вы можете представить себе расширение этого подхода для скрининга других состояний", - сказал старший автор Шветак Патель, профессор Вашингтонского исследовательского фонда предпринимательства в области компьютерных наук и инженерии, а также электротехники и вычислительной техники в Калифорнийском университете.

Дополнительными соавторами являются Фаршид Салеми Паризи, бывший докторант Калифорнийского университета в области электротехники и вычислительной техники, который в настоящее время является старшим инженером по машинному обучению в OctoML, и Юнтао Ван, профессор-исследователь Университета Цинхуа и бывший приглашенный профессор Школы Аллена. Это исследование частично финансировалось Фондом Билла и Мелинды Гейтс.