據(jù)麥姆斯咨詢報道，貝魯特美國大學（American University of Beirut）的研究人員開發(fā)出一款利用電磁波與定制基于機器學習（ML）信號處理模塊相結(jié)合的個性化傳感器。這款傳感器引入了新型身體匹配且受人體脈管系統(tǒng)啟發(fā)的準天線陣列——它作為電磁傳感器，以即時、連續(xù)和無線方式感知血流中的葡萄糖變化。這款柔性傳感器可嵌入在襪子等可穿戴服裝中，其順應(yīng)性和運動彈性可保證與皮膚表面很好的貼合度。

研究表明，傳統(tǒng)的血糖監(jiān)測技術(shù)會引起患者的手指刺痛等不適感，這導致糖尿病患者不遵守常規(guī)血糖監(jiān)測，致使他們無法及時掌握自身低血糖或高血糖情況，這將造成嚴重的后果。早期，研究人員經(jīng)過努力開發(fā)了微創(chuàng)傳感器，但它依賴于插入皮膚內(nèi)的短期微針。這引起了患者的抵觸情緒，尤其是老年人和兒童。更重要的是，這種微創(chuàng)傳感器仍然使社會承擔著沉重的經(jīng)濟負擔。

為此，貝魯特美國大學的研究人員開發(fā)了一種完全非侵入性的連續(xù)血糖監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在傳感器中利用了電磁（EM）和射頻（RF）技術(shù)，其拓撲結(jié)構(gòu)模仿了人類腿部的脈管系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)。研究人員建議將這款電磁傳感器集成在糖尿病患者日常穿的襪子中。

研究人員將新型可穿戴柔性電磁傳感器與襪子集成，并加入了多個環(huán)境傳感器，以校準溫度、移動性和濕度等干擾因素（下圖A），這可以增強電磁傳感器響應(yīng)的準確性。此外，該襪子集成傳感系統(tǒng)與引入的集成在手套中的傳感器一起進行了測試，形成了一個強大的非侵入式葡萄糖傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)擴展了其功能，超越了現(xiàn)有的所有非侵入式葡萄糖傳感技術(shù)。該傳感系統(tǒng)在不同的實驗設(shè)置中均表現(xiàn)出皮摩爾級的靈敏度。整個系統(tǒng)在血清、糖尿病動物模型以及臨床對照組和糖尿病患者中進行了測試，顯示出99.01%的準確度，能夠跟蹤從低血糖到高血糖范圍內(nèi)的血糖變化。

“多傳感、多位置”非侵入式葡萄糖傳感技術(shù)原理

這款電磁傳感器的拓撲結(jié)構(gòu)模擬了與不同身體部位相對應(yīng)的血管。例如，集成在襪子中的電磁傳感器采用模仿腿部血管的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時采用準天線陣列形狀因子（下圖）。該傳感器在0.5GHz到4GHz之間的多個頻率下工作。由于優(yōu)化的傳感器拓撲結(jié)構(gòu)，該頻率范圍的電磁波可以有效地穿透人體組織，從而增強血流對電磁信號的暴露。反射波的特性，以散射參數(shù)（S參數(shù)）表示被測材料介電特性的變化，因此這些參數(shù)用于監(jiān)測血液中的葡萄糖水平。這款電磁傳感器是和人體匹配的，其是在加載人體模型時設(shè)計的。換句話說，人體是傳感器設(shè)計的一部分，傳感器與其對應(yīng)的身體位置阻抗匹配。這一特性減少了電磁波在皮膚-空氣邊界處的反射，并提高了電磁波的穿透力，從而更容易到達目標動脈和靜脈。

這款電磁傳感器的生物學靈感來自于目標血管的脈管系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)

除了常規(guī)的葡萄糖變化外，該實驗還強調(diào)了腿部電磁傳感器檢測從低血糖到高血糖范圍內(nèi)的血糖水平的能力。研究人員能夠識別出該傳感器的物理參數(shù)對葡萄糖變化表現(xiàn)出更高靈敏度的多個頻率。這對患者具有重要意義，因為不同患者天生多樣化，有不同的內(nèi)在組織，對電磁波應(yīng)用的反應(yīng)不同。因此，提供個性化監(jiān)測并找到適合不同患者的葡萄糖敏感頻率非常重要。通過這種方法，患者將作為傳感器設(shè)計的中心。

此外，研究人員開發(fā)了一個自定義信號處理模塊，根據(jù)不同傳感器收集的數(shù)據(jù)處理和預測葡萄糖水平。下圖C顯示了腿部電磁傳感器的預測結(jié)果。

腿部電磁傳感器在體外實驗中對葡萄糖變化的響應(yīng)

這款傳感器的整個可穿戴系統(tǒng)都根據(jù)溫度、濕度和運動進行了校準，從而實現(xiàn)高精度的葡萄糖變化跟蹤。對糖尿病大鼠和豬進行的體內(nèi)實驗，在廣泛的葡萄糖變化范圍內(nèi)顯示出100%的診斷準確性。對糖尿病患者和健康個體進行人體試驗時，有28名受試者接受口服葡萄糖耐量的測試，試驗結(jié)果表明，連續(xù)血糖監(jiān)測的臨床準確率為99.01%。因此，該方案確保了以極高的保真度連續(xù)跟蹤從低血糖水平到高血糖水平的葡萄糖變化。

綜上所述，在這項研究中，研究人員開發(fā)了一種非侵入性連續(xù)多模態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了機器學習（ML）輔助信號處理接口，可以在臨床試驗期間監(jiān)測血糖濃度在低血糖至高血糖范圍內(nèi)的變化。環(huán)境和生理傳感器的加入提高了超柔性電磁傳感器的精度。此外，電磁傳感器的拓撲結(jié)構(gòu)模擬血管網(wǎng)絡(luò)，準天線陣列形狀因子、操作頻率和人體匹配特性，使研究人員能夠在臨床試驗中高保真地跟蹤葡萄糖變化，這是傳統(tǒng)的非侵入性技術(shù)無法檢測到的。結(jié)合平均絕對相對誤差（MARD）和克拉克誤差網(wǎng)格（CEG），這項工作開發(fā)的系統(tǒng)具有較低的誤差和良好的預測精度。雖然最近使用電磁技術(shù)在無創(chuàng)血糖監(jiān)測方面取得了進展，但是這些以前的方法都沒有經(jīng)過臨床試驗。

這項工作開發(fā)的系統(tǒng)首次提供了一種環(huán)境和生理感知設(shè)備，針對靜脈和動脈定制的拓撲結(jié)構(gòu)顯示出強大的功能，可以在血液中以皮摩爾級的靈敏度，直接和無線地高分辨率連續(xù)監(jiān)測葡萄糖。正如臨床試驗所證明的，研究人員獨特的設(shè)計方案將患者的輕松感和舒適度視為重中之重。體外實驗不僅評估和證明了電磁傳感器對葡萄糖變化的敏感性和選擇性，而且還測試了它們在長達8小時的延長實驗持續(xù)時間的連續(xù)耐久性?！　?/p>