用于个性化无创血糖监测的可穿戴柔性电磁传感器
2022-09-10 08:08:09   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，贝鲁特美国大学（American University of Beirut）的研究人员开发出一款利用电磁波与定制基于机器学习（ML）信号处理模块相结合的个性化传感器。这款传感器引入了新型身体匹配且受人体脉管系统启发的准天线阵列——它作为电磁传感器，以即时、连续和无线方式感知血流中的葡萄糖变化。这款柔性传感器可嵌入在袜子等可穿戴服装中，其顺应性和运动弹性可保证与皮肤表面很好的贴合度。

研究表明，传统的血糖监测技术会引起患者的手指刺痛等不适感，这导致糖尿病患者不遵守常规血糖监测，致使他们无法及时掌握自身低血糖或高血糖情况，这将造成严重的后果。早期，研究人员经过努力开发了微创传感器，但它依赖于插入皮肤内的短期微针。这引起了患者的抵触情绪，尤其是老年人和儿童。更重要的是，这种微创传感器仍然使社会承担着沉重的经济负担。

为此，贝鲁特美国大学的研究人员开发了一种完全非侵入性的连续血糖监测系统，该系统在传感器中利用了电磁（EM）和射频（RF）技术，其拓扑结构模仿了人类腿部的脉管系统解剖结构。研究人员建议将这款电磁传感器集成在糖尿病患者日常穿的袜子中。

研究人员将新型可穿戴柔性电磁传感器与袜子集成，并加入了多个环境传感器，以校准温度、移动性和湿度等干扰因素（下图A），这可以增强电磁传感器响应的准确性。此外，该袜子集成传感系统与引入的集成在手套中的传感器一起进行了测试，形成了一个强大的非侵入式葡萄糖传感系统，该系统扩展了其功能，超越了现有的所有非侵入式葡萄糖传感技术。该传感系统在不同的实验设置中均表现出皮摩尔级的灵敏度。整个系统在血清、糖尿病动物模型以及临床对照组和糖尿病患者中进行了测试，显示出99.01%的准确度，能够跟踪从低血糖到高血糖范围内的血糖变化。

“多传感、多位置”非侵入式葡萄糖传感技术原理

这款电磁传感器的拓扑结构模拟了与不同身体部位相对应的血管。例如，集成在袜子中的电磁传感器采用模仿腿部血管的拓扑结构设计，同时采用准天线阵列形状因子（下图）。该传感器在0.5GHz到4GHz之间的多个频率下工作。由于优化的传感器拓扑结构，该频率范围的电磁波可以有效地穿透人体组织，从而增强血流对电磁信号的暴露。反射波的特性，以散射参数（S参数）表示被测材料介电特性的变化，因此这些参数用于监测血液中的葡萄糖水平。这款电磁传感器是和人体匹配的，其是在加载人体模型时设计的。换句话说，人体是传感器设计的一部分，传感器与其对应的身体位置阻抗匹配。这一特性减少了电磁波在皮肤-空气边界处的反射，并提高了电磁波的穿透力，从而更容易到达目标动脉和静脉。

这款电磁传感器的生物学灵感来自于目标血管的脉管系统解剖结构

除了常规的葡萄糖变化外，该实验还强调了腿部电磁传感器检测从低血糖到高血糖范围内的血糖水平的能力。研究人员能够识别出该传感器的物理参数对葡萄糖变化表现出更高灵敏度的多个频率。这对患者具有重要意义，因为不同患者天生多样化，有不同的内在组织，对电磁波应用的反应不同。因此，提供个性化监测并找到适合不同患者的葡萄糖敏感频率非常重要。通过这种方法，患者将作为传感器设计的中心。

此外，研究人员开发了一个自定义信号处理模块，根据不同传感器收集的数据处理和预测葡萄糖水平。下图C显示了腿部电磁传感器的预测结果。

腿部电磁传感器在体外实验中对葡萄糖变化的响应

这款传感器的整个可穿戴系统都根据温度、湿度和运动进行了校准，从而实现高精度的葡萄糖变化跟踪。对糖尿病大鼠和猪进行的体内实验，在广泛的葡萄糖变化范围内显示出100%的诊断准确性。对糖尿病患者和健康个体进行人体试验时，有28名受试者接受口服葡萄糖耐量的测试，试验结果表明，连续血糖监测的临床准确率为99.01%。因此，该方案确保了以极高的保真度连续跟踪从低血糖水平到高血糖水平的葡萄糖变化。

综上所述，在这项研究中，研究人员开发了一种非侵入性连续多模态系统，该系统结合了机器学习（ML）辅助信号处理接口，可以在临床试验期间监测血糖浓度在低血糖至高血糖范围内的变化。环境和生理传感器的加入提高了超柔性电磁传感器的精度。此外，电磁传感器的拓扑结构模拟血管网络，准天线阵列形状因子、操作频率和人体匹配特性，使研究人员能够在临床试验中高保真地跟踪葡萄糖变化，这是传统的非侵入性技术无法检测到的。结合平均绝对相对误差（MARD）和克拉克误差网格（CEG），这项工作开发的系统具有较低的误差和良好的预测精度。虽然最近使用电磁技术在无创血糖监测方面取得了进展，但是这些以前的方法都没有经过临床试验。

这项工作开发的系统首次提供了一种环境和生理感知设备，针对静脉和动脉定制的拓扑结构显示出强大的功能，可以在血液中以皮摩尔级的灵敏度，直接和无线地高分辨率连续监测葡萄糖。正如临床试验所证明的，研究人员独特的设计方案将患者的轻松感和舒适度视为重中之重。体外实验不仅评估和证明了电磁传感器对葡萄糖变化的敏感性和选择性，而且还测试了它们在长达8小时的延长实验持续时间的连续耐久性。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41598-022-19251-z

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