基于微波傳感原理的無創血糖監測系統

糖尿病是世界上最主要的慢性疾病之一，每年導致約150萬人死亡。據國際糖尿病聯合會（IDF）統計，僅在2021年，就有數百萬人死于糖尿病，并且全世界約有5.37億（十分之一）年齡在20至79歲之間的成年人患有糖尿病。糖尿病患者的數量正以驚人的速度上升，尤其是在低收入和中等收入國家，每4個成年人中就有3個患有糖尿病。糖尿病增加的主要原因之一是肥胖，另一個原因是健康意識的缺乏。糖尿病會導致許多其它嚴重的健康問題，包括心血管疾病、腎臟疾病、神經系統損傷和視力障礙。如果人體血糖水平沒有得到適當的監測和控制，這些疾病會進一步惡化，引起器官衰竭并最終導致患者死亡。

胰島素是一種由胰腺產生的激素，可調節人體內的血糖水平（BGL）。糖尿病的發病原因主要分為兩種，一種是患者的胰腺無法產生足夠的胰島素激素，另一種是患者體內細胞對胰島素沒有反應（胰島素抵抗）。其中，胰島素分泌不足被歸類為1型糖尿病，其高發人群為兒童；胰島素抵抗則被歸類為2型糖尿??；而懷孕期間罹患的糖尿病屬于妊娠糖尿病。目前，全世界范圍內，被診斷為2型糖尿病的患者在所有糖尿病患者中占比最高。糖尿病無法根治，有效的糖尿病管理是糖尿病患者獲得優質生活的唯一途徑。有效的糖尿病管理包括通過注射或其它給藥方式攝入人工胰島素進行治療、鍛煉、謹慎飲食以及經常性的血糖監測。

傳統的血糖水平檢測方法是指尖采血法。由于它可以由患者獨自完成，因此被稱為自我血糖監測（SMBG）設備。這是一種基于電化學原理的血糖監測方法，通過刺破手指，并用試紙吸取幾滴血，便可以在幾秒鐘內讀取出一個血糖濃度值。該方法是患者在家測量血糖的金標準。然而，這種方法雖然準確率高，但對于很多患者來說還是很不方便，因為一天要測好幾次，且扎手指會有輕微的疼痛感；另外，血糖檢測試紙很貴，而且只能一次性使用。這些原因使得每天多次進行血糖水平檢測缺乏可行性，尤其是在低收入國家。另外，這種方法只能實現每天2-3次的離散檢測，不能準確跟蹤血糖濃度在全天范圍內的連續變化。這一現狀促使了無創連續血糖監測設備的開發。

2004年，美敦力（Medtronic，總部位于美國加利福尼亞州圣何塞）推出了第一個供糖尿病患者個人使用的商用連續血糖監測（CGM）設備。隨后，同屬美國加利福尼亞州圣地亞哥地區的德康醫療（Dexcon）和雅培糖尿病護理公司（Abbott Diabetes Care）也相繼推出了連續血糖監測設備，并致力于延長半侵入式貼片的使用壽命和提高設備的血糖監測準確性。此后，各行業紛紛致力于改進和更新連續血糖監測設備的精度、壽命和校準問題。此外，已開發出的連續血糖監測設備還以圖形界面的形式引入了智能功能模塊，在智能手機上即可實時查看血糖水平的變化，并能通過提示音警示高血糖和低血糖水平。

美敦力的商用連續血糖監測設備

德康醫療的商用連續血糖監測設備

雅培的商用連續血糖監測設備

然而，盡管連續血糖監測設備已在國際市場上銷售，但其仍有許多挑戰需要克服。首先，連續血糖監測設備是半侵入式或微創設備，需要由專業醫療人員操作植入。其次，連續血糖監測設備價格昂貴，使用起來有點復雜，并且與侵入式血糖監測方法相比其準確性較低。因此，為了吸引全球市場和大眾消費者，連續血糖監測設備需要在準確性、成本和技術方面進行改進。在過去的二十年中，也出現了開發用于葡萄糖監測的光學設備的研究趨勢，其目標是實現成本效益和無創性。目前，許多使用不同技術的研究工作已經顯示出了可喜的成果?？偠灾?，微創和無創血糖監測技術已經成為一個有趣的新興研究領域。研究人員的下一步目標是通過集成智能監測設備，以最小的痛苦或無痛的方法實現連續血糖監測。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來自巴基斯坦拉合爾管理科學大學（Lahore University of Management and Sciences）的研究人員于Sensors期刊發表了題為“Noninvasive Blood Glucose Monitoring Systems Using Near-Infrared Technology-A Review”的綜述性文章，該文章討論了無創血糖監測技術，并特別關注了基于近紅外（NIR）技術的血糖監測研究工作。

圖1 無創血糖監測系統的技術分類

首先，作者們討論了使用不同無創技術在無創血糖監測方面所做的一些研究工作；隨后，作者們簡要介紹了近紅外光譜法；接著，作者們討論了使用近紅外技術進行血糖監測的研究工作，并特別關注了利用光電容積脈搏波描記法（PPG）特征信號進行血糖監測的研究；最后，作者們對過往研究的關鍵點進行了總結討論，并對無創血糖監測技術的發展進行了展望。

圖2 基于微波傳感原理的無創血糖監測系統

圖3 基于940 nm波長近紅外（NIR）透射光譜的無創葡萄糖監測系統

圖4 具有機器學習功能的基于近紅外光電容積脈搏波描記法（PPG）特征信號的葡萄糖傳感平臺

此外，針對過往研究工作，作者們指出了一些關鍵問題。首先，到目前為止，使用近紅外技術進行的實驗和研究更多地是基于從成年志愿者（健康受試者和患有2型糖尿病的糖尿病患者）那里收集到的數據。因而，相關研究需要擴大數據收集范圍，以囊括更多的包括1型糖尿病患者在內的患有低血糖癥的糖尿病受試者。此外，除了擴大受試者范圍，也需要增加受試者的多樣性。因此，應鼓勵不同地區的志愿者參與。這將有助于為機器學習方法開發一個通用的訓練模型。同時，葡萄糖傳感器的再現性也很重要。為了檢驗傳感器的再現性，應從不同的地區，跨越數月的不同時間點收集數據。最后，近紅外PPG信號容易產生運動偽影，因此需要更多的研究工作來開發一個穩定可靠的血糖監測設備，以此減輕運動偽影，從而避免對人體血糖水平的估計產生影響。

編輯：黃飛

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