據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，貝魯特美國(guó)大學(xué)（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(jī)器學(xué)習(xí)（ML）信號(hào)處理模塊相結(jié)合的個(gè)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(zhǔn)天線陣列——它作為電磁傳感器，以即時(shí)、連續(xù)和無(wú)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(yùn)動(dòng)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(cè)技術(shù)會(huì)引起患者的手指刺痛等不適感，這導(dǎo)致糖尿病患者不遵守常規(guī)血糖監(jiān)測(cè)，致使他們無(wú)法及時(shí)掌握自身低血糖或高血糖情況，這將造成嚴(yán)重的后果。早期，研究人員經(jīng)過(guò)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(huì)承擔(dān)著沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

為此，貝魯特美國(guó)大學(xué)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(cè)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?fù)浣Y(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(gè)環(huán)境傳感器，以校準(zhǔn)溫度、移動(dòng)性和濕度等干擾因素（下圖A），這可以增強(qiáng)電磁傳感器響應(yīng)的準(zhǔn)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(jìn)行了測(cè)試，形成了一個(gè)強(qiáng)大的非侵入式葡萄糖傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)擴(kuò)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(shí)驗(yàn)設(shè)置中均表現(xiàn)出皮摩爾級(jí)的靈敏度。整個(gè)系統(tǒng)在血清、糖尿病動(dòng)物模型以及臨床對(duì)照組和糖尿病患者中進(jìn)行了測(cè)試，顯示出99.01%的準(zhǔn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)模擬了與不同身體部位相對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)采用準(zhǔn)天線陣列形狀因子（下圖）。該傳感器在0.5GHz到4GHz之間的多個(gè)頻率下工作。由于優(yōu)化的傳感器拓?fù)浣Y(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(qiáng)血流對(duì)電磁信號(hào)的暴露。反射波的特性，以散射參數(shù)（S參數(shù)）表示被測(cè)材料介電特性的變化，因此這些參數(shù)用于監(jiān)測(cè)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(shí)設(shè)計(jì)的。換句話說(shuō)，人體是傳感器設(shè)計(jì)的一部分，傳感器與其對(duì)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(dá)目標(biāo)動(dòng)脈和靜脈。

這款電磁傳感器的生物學(xué)靈感來(lái)自于目標(biāo)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(shí)驗(yàn)還強(qiáng)調(diào)了腿部電磁傳感器檢測(cè)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(shí)別出該傳感器的物理參數(shù)對(duì)葡萄糖變化表現(xiàn)出更高靈敏度的多個(gè)頻率。這對(duì)患者具有重要意義，因?yàn)椴煌颊咛焐鄻踊?，有不同的?nèi)在組織，對(duì)電磁波應(yīng)用的反應(yīng)不同。因此，提供個(gè)性化監(jiān)測(cè)并找到適合不同患者的葡萄糖敏感頻率非常重要。通過(guò)這種方法，患者將作為傳感器設(shè)計(jì)的中心。

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

腿部電磁傳感器在體外實(shí)驗(yàn)中對(duì)葡萄糖變化的響應(yīng)

這款傳感器的整個(gè)可穿戴系統(tǒng)都根據(jù)溫度、濕度和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了校準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)高精度的葡萄糖變化跟蹤。對(duì)糖尿病大鼠和豬進(jìn)行的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，在廣泛的葡萄糖變化范圍內(nèi)顯示出100%的診斷準(zhǔn)確性。對(duì)糖尿病患者和健康個(gè)體進(jìn)行人體試驗(yàn)時(shí)，有28名受試者接受口服葡萄糖耐量的測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)的臨床準(zhǔn)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(xiàng)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(jī)器學(xué)習(xí)（ML）輔助信號(hào)處理接口，可以在臨床試驗(yàn)期間監(jiān)測(cè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)模擬血管網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)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(yàn)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(wú)法檢測(cè)到的。結(jié)合平均絕對(duì)相對(duì)誤差（MARD）和克拉克誤差網(wǎng)格（CEG），這項(xiàng)工作開發(fā)的系統(tǒng)具有較低的誤差和良好的預(yù)測(cè)精度。雖然最近使用電磁技術(shù)在無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)方面取得了進(jìn)展，但是這些以前的方法都沒(méi)有經(jīng)過(guò)臨床試驗(yàn)。

這項(xiàng)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(duì)靜脈和動(dòng)脈定制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示出強(qiáng)大的功能，可以在血液中以皮摩爾級(jí)的靈敏度，直接和無(wú)線地高分辨率連續(xù)監(jiān)測(cè)葡萄糖。正如臨床試驗(yàn)所證明的，研究人員獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案將患者的輕松感和舒適度視為重中之重。體外實(shí)驗(yàn)不僅評(píng)估和證明了電磁傳感器對(duì)葡萄糖變化的敏感性和選擇性，而且還測(cè)試了它們?cè)陂L(zhǎng)達(dá)8小時(shí)的延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間的連續(xù)耐久性。