国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（51627808）成果科普
-血糖血脂无创便携式核磁共振检测
5657威尼斯江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验——精准医学与磁共振课题组：
易红 陆荣生 孙子林 倪中华 袁扬 邱山虎
引言
糖尿病是现代人最应关注的慢性病之一。2020年4月，国际顶级医学期刊BMJ在线发表了中国最新糖尿病流行病学调查文章[1]，调查结果显示，根据美国糖尿病协会(ADA)诊断标准，中国成年人总糖尿病患病率为12.8%，糖尿病患者总数约为1.298亿(男性为7040万，女性为5940)；糖尿病前期患病率为35.2%。一直以来，糖尿病患者的诊断以及治疗体验的改善是产业各界共同追寻的目标。仅仅依靠血液或体液频繁进行体外快速测定的传统血糖管理手段，易对糖尿病人带来较大的身体创伤和心理负担。因而目前的检测方法已从即时检测（POCT）、持续监测（CGM）发展到了无创监测阶段。
由于无创手段相比于传统测量方法具备独特优势，世界各国都在加快研发用于无创血糖监测的辅助设备。美国、以色列、韩国、德国等相继开展无创血糖方法研究，其中发展较早的Combo Glucometer[2]（Cnoga）、GlucoWatch[3]（Cygnus）都曾获得过FDA或CFDA认证，但进入市场不久后又相继被撤回。无创血糖监测仍属于新兴领域，罗氏、雅培等老牌企业目前也大都处于有创的POCT与CGM技术层面当中，全球无创血糖监测企业上市产品数量寥寥无几。2019年8月，博邦芳舟[4]基于代谢热整合法研发的国内首款无创血糖仪获批上市；2021年11月，FDA授予GWave[5]（Hagar）突破性设备称号，其首次将射频波用于血糖检测产品。然而上述产品均未大规模发售，国内外市场上仍不多见有关此类设备的报道。无创血脂检测产品更是鲜有研究。
pMRGlu
日前，江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室、5657威尼斯精准医学与磁共振研究团队在国家自然科学基金重大科研仪器研制项目的资助下，首次提出将便携式核磁共振技术应用于人体血糖血脂测量。提到核磁共振技术，可能大家会觉得陌生，用一句话来概括，核磁共振就是处于静磁场中的物质，在射频电磁场的作用下，发生共振并释放电信号的一种现象。一般这种电信号的频率远低于正常手机电磁信号几个数量级。因此，核磁共振是一种真正对人体健康无损的技术，目前也已经在医学上获得了极为广泛的应用。
当然，我们见到的传统的医学核磁共振设备体积都较为庞大，需要检测对象到设备所在地，而不是将核共振设备带到检测对象需要检测的现场。庆幸的是，随着科学技术的进步，特别是永磁材料性能的提高、永磁体设计与制造水平的发展，电子技术的进步和新型信号处理算法的飞跃发展，研制一种实现现场在线检测的便携式核磁共振仪器成为了可能。国家十四五医疗装备产业发展规划也明确提出了要发展可移动式核磁共振成像设备[6]。
项目组通过卓越努力，解决了人体血糖血脂便携式磁共振检测仪器设计与制造中涉及的诸多关键技术问题，提出了用于人体手指便携式核磁共振检测的超低深宽比磁体、高均匀性探头[7]和高性能电子部件，开发了用于人体血糖血脂核磁共振信号获取与辨识的算法，并充分发挥项目组在医工结合方面的优势，研发了血糖血脂便携式核磁共振监测设备——pMRGlu。该设备既可对血清、全血血液样本中的葡萄糖和甘油三酯含量进行检测，也可直接通过人体手指，无创获取患者当前血糖及血脂四项水平。设备进行无创检测时操作简单，无需耗材，90s内可获取全部五项数值，并可后台存储用户数据至个人帐号，支持多用户同时使用，方便糖尿病患者进行长期自我血糖管理。
图1 便携式核磁共振监测设备pMRGlu原型及样机
pMRGlu包含微创、无创两大模块，分别用于血液样本以及手指无创的检测。
pMRGlu微创模块通过特异性生化反应，将血液中的葡萄糖或甘油三酯精确的转化为设备可识别的核磁共振信号差异，单次检测仅需10uL血液，检测准确度可达0.5mmol/L以下[8]。
图2 将微小的血液特征转化为可识别的核磁共振信号
pMRGlu无创模块通过原创脉冲序列设计，多维度采集手指磁电信号，深入挖掘其包含的生理信息中与血糖及血脂四项相关的特征参数，借助特定处理算法将磁共振信号特征转化为对应指标的具体数值。检测全过程耗时仅需90s，可同步读取当前手指血糖及血脂四项水平。用户数据库模式可自定义创建用户模板，支持一台设备同时用于多个患者的日常监管，满足设备在社区医院或医疗点的灵活便捷使用需求。
图3 pMRGlu操作界面及用户数据库
pMRGlu项目团队于2021年9月至11月期间，与南京中大医院展开了临床合作研究（批件号：2021ZDSYLL268-P01），基于研制的pMRGlu无创核磁共振检测仪，进行了临床数据采集及分析验证,共采集病例1000人次以上。实验室结果分析，无创血糖血脂检测与静脉血检测结果具有较好的一致性变化，可以辅助血糖血脂异常人群进行日常健康管理。它不使用任何耗材，降低了多用户使用时的交叉感染风险，提高患者生活质量，也可以给代谢异常人群带来极大便利。对健康人群，由于检测过程完全无痛无害，也可酌情使用，可了解自身代谢规律，同时及时发现预测潜在患病风险。
图4 pMRGlu的临床测试
在未来的版本中，研究团队希望进一步提高便携性能及血糖血脂测量准确程度，同时充分发挥核磁共振技术在分子水平检测方面的优势，解锁更多生化指标的无创检测，进一步致力于人体代谢相关疾病的诊断及预测工作。
当然，便携式核磁共振作为核磁共振技术发展的新阶段，未来在临床医学现场检测方面将有更广阔的舞台，家庭化方面将朝着掌上型、可穿戴式人体生理指标日常监测方向发展，临床方面将朝着可移动式现场检测，用于疾病的筛查、救护现场的即时诊断、术中辅助等方向发展，科研工业方面将朝着桌面式仪器，成为一种通用型类似于普通光学显微镜的实验室常规标配设备方向发展。
参考文献
[1]Li Y, Teng D, Shi X, et al. Prevalence of diabetes recorded in mainland China using 2018 diagnostic criteria from the American Diabetes Association: national cross sectional study [J]. BMJ, 2020, 369:m997
[2]https://www.cnogacare.co/cog-hybrid-glucometer
[3]https://www.diabetesnet.com/diabetes-technology/meters-monitors/animas-glucowatch/
[6]“十四五”医疗装备产业发展规划[Z]. 2021.
[7]Junnan Wang RL, Layale Bazzi, Xiaowen Jiang, Yi Chen, Zhengxiu Wu, Qing Yang, Zhonghua Ni, Hong Yi, Dan Xiao. Optimized radio frequency coil for noninvasive magnetic resonance relaxation etection of human finger [J]. Journal of Magnetic Resonance, 2022, 335
[8]Chen Y, Jiang XW, Wang JN, et al. Sensitive Oxidation of Sorbitol-Mediated Fe2+ by H2O2: A Reliable TD-NMR Method for Clinical Blood Glucose Detection [J]. Analytical Chemistry, 2021, 93(42):14153-14160
项目负责人简介：
易红教授，5657威尼斯江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验主任，国家973首席科学家。本硕博毕业于清华大学，历任5657威尼斯校长、党委书记，现任中南大学党委书记。长期从事先进制造理论及相关技术，微纳生物医疗器械、精准医学检测装置等设计与制造方面的研究。
先后主持国家973项目、国家863项目、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金面上项目、江苏省自然科学基金重点项目、江苏省科技成果转化项目等近40多项国家级及部省级科研项目。先后获得了国家教学成果奖二等奖1项、江苏省教学改革成果特等奖1项，以及机械部科技进步特等奖、江苏省科技进步一、二等奖等省部级科技进步奖6项。
先后入选国家级“新世纪百千万人才工程”、享受国务院“政府特殊津贴”专家、“江苏青年五四奖章”、江苏省“333”科技领军人才、江苏省有突出贡献中青年专家等荣誉。
课题组简介：
5657威尼斯江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验——精准医学与磁共振课题组，多年来一直致力于核磁共振仪器的便携化、微型化和检测极限研究，探索其在生物医学和工业方面的现场应用。承担了国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、面上项目等多项国家级科研课题。课题组学术带头人为易红教授，科研骨干由国家973首席科学家、教育部新世纪人才、教育部CJ学者兼职教授和国家外专局教科文卫高端外国仪器专家等。
作者：姜晓文 陈逸 王俊楠
编辑：翁月蓉
