혈당측정기 [1]

혈당측정기 (Glucose Monitoring) [1] - 개요

출처: Medtronic

네이버 사전에서 당뇨를 다음과 같이 설명하고 있다.

"인슐린의 분비량이 부족하거나 정상적인 기능이 이뤄지지 않는 등의 대사질환의 일종으로, 혈중 포도당 농도가 높은 것이 특징인 질환" (네이버 사전)

당뇨병은 크게 제 1형 당뇨와 제 2형 당뇨로 구분이 되는데, 제 1형 당뇨의 경우 자가면역에의해서 췌장의 베타세포가 파괴되어 인슐린을 전혀 분비하지 못하는 것이 원인이 된다. 반대로, 제 2형 당뇨의 경우 인슐린 저항성(insulin resistance)가 증가하는 것으로, 췌장의 베타세포가 더 많은 인슐린을 생산해내면서, 베타세포의 파괴되면서 결국 인슐린을 전혀 분비하지 못하는 상태가되는 질환이다. 1형 당뇨의 경우 유전적인 요인이 큰 것으로 알고 있으며, 2형 당뇨의 경우 생활 습관 (비만, 흡연, 음주, 운동 부족, 임신등)이 원인으로 알려져있다.

생성되는 인슐린이 부족해짐으로써, 당뇨 환자는 여러 합병증을 겪게되는데, 고혈당성 합병증과 저혈당성 합병증으로 나눌 수 있다. 고혈당성 합병증은 고혈당성 고삼투압 증후군(hyperglycemic hyperosmolar syndrome), 당뇨병성 케톤산증 (diabetic ketoacidosis), 망막병증 (retinopathy), 신장병증 (nephropathy), 신경병증(neuropathy), 관상동맥질환 (cardiovascular disease), 뇌혈관질환 (stroke)등이 있다.

저혈당성 합병증은 저혈당 (hypoglycemia) 쇼크등이 있으며, 급성으로 발병하기 때문에 미리 예방하는 것이 매우 중요하다. 

그렇다면 당뇨환자들은 어떻게 혈당관리를 할 수 있을까?

당뇨환자들이 혈당을 관리하는 방법은 인슐린 처방이다. 부족한 인슐린을 외부에서 (펌프, 인슐린 펜, 인슐린 주사 등)으로 주입함으로, 자신의 혈당이 저혈당 (70 mg/dl)~ 고혈당(180 mg/dl) 사이에 있도록 유지하는 방법이다. 인슐린 처방은 꼭 의사분들의 진단아래에 결정되어야한다.

그리고, 당뇨 환자는 스스로 혈당을 수시로 체크할 필요가 있다. 현재 자신의 혈당이 고혈당인지, 저혈당인지를 확인할 필요가 있으며, 이에 맞는 therapeutic action들이 필요하다. 혈당을 체크하는 방법으로는 Self-Monitoring Glucose Meter (SMBG)와 Continuous Glucose Monitoring (CGM) 혹은 Flash Glucose Monitoring (FGM)등을 사용할 수 있다. 

그렇다면, 위의 기기들은 무엇이고 어떻게 혈당을 측정하는 것일까?

먼저, SMBG는 환자가 직접 채혈을 해서, 혈당을 측정하는 방법으로, 환자들이 사용할 수 있는 혈당 측정기중 가장 정확하다 (Gold standard로는 YSI가 있지만, 매우 크다고 한다.)

출처: 아이센스

SMBG 경우, 다른 기기들보다 정확하게 혈당량을 측정할 수 있지만, 실시간으로 혈당량을 측정할 수 있는 것이 아니라서, 혈당의 trend를 확인할 수 없다는 점이 단점이다. 또, 직접 환자가 채혈을 해야하기 때문에, 환자의 심리적인 부담감이 생기고, 상처가 생길 수 있다는 점이 문제다. 예를 들어, 소아 당뇨 환자 (제 1 형 당뇨 환자인데, 나이가 어린 환자들)은 직접 채혈하는 것이 부담스럽게 느껴질 수 밖에 없다.

이런 문제들을 해결하기 위해서 개발된 것이 CGM 즉, 연속혈당측정기이다. CGM은 직접 채혈을 하지 않고, 피하 (subcutaneous)에 센서가 주입되서 피하의 혈당 값 (interstitial fluid)을 측정하는 방법이다. 혈관에서의 혈당을 측정하는 것이 아닌, "확산"에 의한 interstitial fluid에서의 혈당을 측정하는 것이기 때문에 당연히 time-lag가 생기지만, 여러 논문은 5~15분 혹은 12.5분으로 보고 있다. 이를 보정하는 알고리즘은 당연히 개발되어 있다. (B. Wayne Bequeette, Continuous Glucose Monitoring: Real-Time Algorithms for Calibration, Filtering, and Alarms, http://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/193229681000400222)

출처: Medtronic (정말 작다)

나는 CGM을 연구하고 있어서, CGM의 구체적인 알고리즘과 processing 순서들을 + 활용 예들 알고 있는데, 나중에 논문을 작성하고나서 review하는 형식으로 slide를 공유할 계획이다.

쨋든, CGM을 개발하는 기업은 크게, Medtronic, Dexcom, Abbott등이 있다. 이 기업들은 매우 정확한 MARD (Mean Absolute Relative Differences)을 갖고 혈당 값을 추정하고 있다. 이는 매우 당뇨 환자에게 좋은 소식일 수 밖에 없다. 특히, Dexcom은 이 세 기업중에 매우 개선된 accuracy를 갖고 있다.

CGM은 interstitial fluid의 혈당 값을 측정하는 것인데, 측정 값을 보정해주기 위해서 하루에 2~3번 정도의 calibration을 필요로 한다. 즉, 하루에 2~3번 정도는 SMBG로 혈당 값을 측정해야한다는 것이다. calibration하는 것이 중요한데, Dexcom은 2 mg/dl/min 미만일 때 calibration할 것을 적극 권장한다. 혈당이 크게 변할 때는 calibration을 하지 말라는 것이다. (이는 큰 오류를 유발한다)

CGM을 사용해도 혈당 값을 얻기 위해서는 하루에 2~3번 정도의 calibration이 필요하다면, 2~3번 정도의 피를 뽑아야한다는 문제가 생긴다. 완벽히 SMBG를 대체하지는 못한 것이다. 

FGM은 이를 대체하기 위해서 개발되었다. 현재 FGM은 Abbott의 FreeStyle Libre가 있으며 (다른 것도 있는지는 논문을 follow up 해야할 것 같다.) 보정을 필요로하지 않는다. 논문에서 읽어보면, factory에서 보정이되어서 출시가 되기 때문에 보정을 필요로 하지않아, SMBG 값을 요구하지 않는다. 정확도는 Dexcom보다는 낮지만, 피를 더이상 뽑지 않아야한다는 것이 주목할 점으로 보인다. 하지만, Flash라는 단어가 있듯이, Libre는 실시간이 아니라, NFC 통신을 통해서 혈당 값을 확인할 수 있어서, 저혈당이나 고혈당을 미리 예방하는 것은 무리가 있다. 

출처 : FreeStyle Libre (Abbott)

앞으로 계속 논문을 follow up 해봐야겠지만, 혈당이라는 것이 식사, 스트레스, 음주, 운동 등 생활 습관에 매우 크게 영향을 받아서, 이 둘 사이의 연관성을 찾는 연구도 진행되고 있을 뿐만 아니라, FDA 인증을 받은 가상환자 환경 (UVA/Padova Type 1 Diabetes)을 구성해서도 연구가 계속해서 진행되고 있다. 최근에는 인공지능 (Artificial Intelligence)가 사용되고 있는데, Medtronic의 Sugar.IQ (IBM과 협업)이 대표적인 사례이다. 앞으로 논문을 review하면서 정리하도록 하겠다.

가상환자 환경 (Modeling in Physiology and Medicine) 에 대한 좋은 블로그가 있어서 공유합니다.

https://diabetesntechnologies.com/