一種基于高品質因數等離子體微波諧振器的無創血糖監測傳感器

據麥姆斯咨詢報道，近日，伊朗贊詹大學（University of Zanjan）、國立云林科技大學（National Yunlin University of Science and Technology）、臺大醫院云林分院（National Taiwan University Hospital Yunlin Branch）等機構的研究人員組成的團隊在Scientific Reports期刊上發表了題為“On-body non-invasive glucose monitoring sensor based on high figure of merit (FoM) surface plasmonic microwave resonator”的論文，提出了一種基于高品質因數（FoM）等離子體微波諧振器的無創血糖監測傳感器，用于監測成年人體內的血糖變化率，以滿足糖尿病患者以及其它生物醫學應用的需要。

該論文所提出的傳感器的諧振頻率大約為f??＝3.25 GHz和f??＝4.67 GHz，這適用于監測組織間質液（ISF）中的血糖變化率。研究人員將40 mm x 40 mm的傳感器包裹在人體手臂上，通過傳感器的振幅和頻率變化監測人體血糖變化率。測量到的振幅變化和頻率偏移分別約為7 dB和30 MHz。測量結果表明，由于所設計的微波傳感器與人體的阻抗匹配良好，因此所提出的方法具有很高的精度，能描繪出有效的血糖變化率圖。與傳統傳感器相比，該論文所提出的傳感器靈敏度提高了5倍。

微波等離子體Fano諧振傳感器

微波諧振器不僅可用于通信系統，還可用于多種應用的傳感器。與傳統的微波諧振器相比，表面等離子體諧振器是一種高靈敏度的諧振器，通過它，電磁波可以與周圍介質產生強烈的相互作用。本研究將這種類型的微波諧振器用于葡萄糖監測。圖1顯示了帶有N個分支的等離子體Fano諧振傳感器的示意圖。

圖1 帶有N個分支的等離子體Fano諧振傳感器的示意圖

研究人員比較了傳統的階梯式阻抗諧振器（SIR）和等離子體Fano諧振器（PFR）傳感器的靈敏度（如圖2所示），其中以歸一化特性阻抗以及敏感區域的電氣長度或相位為參數。

圖2 傳統的階梯式阻抗諧振器（SIR）和等離子體Fano諧振器（PFR）傳感器的靈敏度3D圖

傳感器設計與表征

研究人員設計并制造了PFR，圖3（a）展示了制造的PFR的仿真和實測性能，同時附有其數碼照片。圖3（b）顯示了PFR傳感器對于具有不同介電常數的材料的電磁性能。

圖3（a）制造的PFR的仿真和實測性能（b）PFR傳感器對于具有不同介電常數的材料的電磁性能

研究人員設計了一項血糖監測實驗。如圖4a所示，PFR傳感器被放置在右臂上，諧振器緊貼志愿者的手臂，并且器件結構面朝上。接下來，如圖4b所示，PFR傳感器被一塊血壓袖帶包裹。設計的實驗包括以下三個步驟：首先，在志愿者沒有進行任何體育鍛煉或運動的情況下，記錄與人體血糖水平相關的諧振頻率；接著，在志愿者左手用啞鈴熱身10分鐘的過程中，監測并記錄諧振頻率的變化；然后，在實驗的最后部分，志愿者逐漸食用200克的蜂蜜，耗時約10分鐘。

圖4（a）PFR傳感器放置在志愿者手臂上，（b）完整的PFR傳感器測量設置

圖5 血糖監測實驗結果

PFR傳感器通過跟蹤電磁波回波損耗（S??）的變化來監測血糖，其變化與人體血糖變化成比例。圖5（a）顯示了不同采樣條件下的S??。在不同的采樣條件下，f?? = 3.25 GHz和f?? = 4.67 GHz附近存在兩個明顯的諧振頻率，它們分別被稱為圖5（b）、（c）中的第一和第二諧振頻率。

綜上所述，本研究設計了一種基于高品質因數表面等離子體微波諧振器的無創血糖監測傳感器，并將其包裹在人體手臂上，此后，開展了三步驟實驗來監測人體血糖變化。仿真結果驗證了所提方法的有效性。未來的工作方向可以設計一種非連接式VNA傳感器，為該傳感器開發一種調制器電路，以傳輸較低或較高的頻率，并將其記錄在智能手表、智能手機等接收設備中。此外，PFR傳感器還可以利用機器學習技術來預測低血糖和高血糖情況。

審核編輯：劉清