基于飞行时间（ToF）的无创血糖测量技术
2024-12-14 09:49:46 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文所提出的传感器允许使用相对便宜的现成商用组件，根据光通过样品的飞行时间（ToF）变化来检测葡萄糖浓度变化。
根据世界卫生组织（WHO）的数据，全世界有超过4.22亿人患有糖尿病。这直接或通过引起继发性健康问题，每年导致数百万人死亡。为了管理糖尿病，患者需要全天密切监测自己的血糖水平。不幸的是，目前的主要血糖测量方法是侵入性的，需要血液样本来准确确定血糖水平。为此，人们付出了巨大努力来降低血糖监测的侵入性（通过大幅减少采血量以及将采血部位更换到对疼痛不太敏感的部位）。
据麦姆斯咨询报道，近日，雅典国家技术大学（National Technical University of Athens）的研究人员利用飞行时间（ToF）技术开发了一种用于测量样品中葡萄糖水平的新型低成本传感器。该传感器由现成的商用组件构成，利用葡萄糖分子对光的散射，通过测量穿过样品传播的光信号的相移来确定浓度变化。实验验证证明了这种方法的可行性，将葡萄糖浓度与波长为850 nm的光散射效应相关联。该技术为传统葡萄糖监测方法提供了一种经济高效、无创无痛的替代方案，可应用于连续血糖监测系统，通过减少患者不适和提高监测精度来改善糖尿病管理。不过，仍然需要进一步优化传感器参数和扩展测试。相关研究成果以“Non-Invasive Glucose Measurement Technique Based on Time-of-Flight”为题发表在Applied Sciences期刊上。
所提出的传感器基于光穿过含有葡萄糖的样品时ToF变化的测量。实验装置包括一个基于商用组件定制设计的传感器、一个样品支架和一个3D打印适配器。该传感器围绕德州仪器OPT8320 IC构建，该IC利用基于相位的ToF方法来测量距离。选择850 nm波长是因为传感器的峰值透射率在850 nm处，并且位于组织光学窗口内，允许最佳的光穿透。此外，葡萄糖浓度会显著影响该波长范围内的散射。
所开发的实验装置
在对传感器操作进行初步验证后，研究人员使用开发的传感器对全部样品进行测量。初始结果与预期不符，表明样品中的葡萄糖浓度并非所预期的那样。这导致需要重新制备样品，并使用实验室仪器进行验证。然后根据测量的葡萄糖浓度重新标记样品。最终测量结果如下图所示。
样品中不同葡萄糖浓度的平均传感器输出（接收信号的相位）与传感器像素的关系
样品中不同葡萄糖浓度的平均传感器输出（接收信号的幅度）与传感器像素的关系
为了将测量值与实际葡萄糖值相关联，移动平均窗口增加到4000个样品。下图显示了所接收数据的平均值与浓度的关系图。仅在传感器测量中添加了误差线——样品的葡萄糖浓度是用现有的认证传感器验证的。尝试进行初始线性拟合——选择多项式次数，以达到R² > 0.95。因此，针对振幅数据和相位数据都选择了一次多项式。
不同葡萄糖浓度的平均传感器输出（相位通道）
不同葡萄糖浓度的平均传感器输出（振幅通道）
不同葡萄糖浓度的平均传感器输出（相位通道按振幅通道缩放）
总而言之，基于光学性质的变化，所开发的传感方法在水溶液中葡萄糖测量方面显示出前景。该传感器允许使用相对便宜的现成商用组件，根据光通过样品的飞行时间（ToF）变化来检测葡萄糖浓度变化。该传感器的实验结果显示了测量值与样品葡萄糖浓度之间的相关性。误差范围相对较高，但通过进一步微调不同的传感器变量和电路设计，应该可以改善这些误差。研究人员认为开发的传感器位于TRL3（技术成熟度等级3）——该传感器在研究环境中展示了基本功能；然而，还需要进一步的研究。
该TRL3传感器的未来工作应从实验设计开始，将体外和体内测试阶段结合起来，并与基准设备进行直接比较。在传感器参数达到明确的状态后，实验应扩展到包括活体生物标本或人类受试者（如适用），以最终观察传感器在生物基质中的行为，并揭示其它生物材料、响应时间变化和其它传感器-材料相互作用的潜在影响。
论文信息：https://www.mdpi.com/2076-3417/14/24/11602
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