基于微波传感原理的无创血糖监测系统

糖尿病是世界上最主要的慢性疾病之一，每年导致约150万人死亡。据国际糖尿病联合会（IDF）统计，仅在2021年，就有数百万人死于糖尿病，并且全世界约有5.37亿（十分之一）年龄在20至79岁之间的成年人患有糖尿病。糖尿病患者的数量正以惊人的速度上升，尤其是在低收入和中等收入国家，每4个成年人中就有3个患有糖尿病。糖尿病增加的主要原因之一是肥胖，另一个原因是健康意识的缺乏。糖尿病会导致许多其它严重的健康问题，包括心血管疾病、肾脏疾病、神经系统损伤和视力障碍。如果人体血糖水平没有得到适当的监测和控制，这些疾病会进一步恶化，引起器官衰竭并最终导致患者死亡。

胰岛素是一种由胰腺产生的激素，可调节人体内的血糖水平（BGL）。糖尿病的发病原因主要分为两种，一种是患者的胰腺无法产生足够的胰岛素激素，另一种是患者体内细胞对胰岛素没有反应（胰岛素抵抗）。其中，胰岛素分泌不足被归类为1型糖尿病，其高发人群为儿童；胰岛素抵抗则被归类为2型糖尿病；而怀孕期间罹患的糖尿病属于妊娠糖尿病。目前，全世界范围内，被诊断为2型糖尿病的患者在所有糖尿病患者中占比最高。糖尿病无法根治，有效的糖尿病管理是糖尿病患者获得优质生活的唯一途径。有效的糖尿病管理包括通过注射或其它给药方式摄入人工胰岛素进行治疗、锻炼、谨慎饮食以及经常性的血糖监测。

传统的血糖水平检测方法是指尖采血法。由于它可以由患者独自完成，因此被称为自我血糖监测（SMBG）设备。这是一种基于电化学原理的血糖监测方法，通过刺破手指，并用试纸吸取几滴血，便可以在几秒钟内读取出一个血糖浓度值。该方法是患者在家测量血糖的金标准。然而，这种方法虽然准确率高，但对于很多患者来说还是很不方便，因为一天要测好几次，且扎手指会有轻微的疼痛感；另外，血糖检测试纸很贵，而且只能一次性使用。这些原因使得每天多次进行血糖水平检测缺乏可行性，尤其是在低收入国家。另外，这种方法只能实现每天2-3次的离散检测，不能准确跟踪血糖浓度在全天范围内的连续变化。这一现状促使了无创连续血糖监测设备的开发。

2004年，美敦力（Medtronic，总部位于美国加利福尼亚州圣何塞）推出了第一个供糖尿病患者个人使用的商用连续血糖监测（CGM）设备。随后，同属美国加利福尼亚州圣地亚哥地区的德康医疗（Dexcon）和雅培糖尿病护理公司（Abbott Diabetes Care）也相继推出了连续血糖监测设备，并致力于延长半侵入式贴片的使用寿命和提高设备的血糖监测准确性。此后，各行业纷纷致力于改进和更新连续血糖监测设备的精度、寿命和校准问题。此外，已开发出的连续血糖监测设备还以图形界面的形式引入了智能功能模块，在智能手机上即可实时查看血糖水平的变化，并能通过提示音警示高血糖和低血糖水平。

美敦力的商用连续血糖监测设备

德康医疗的商用连续血糖监测设备

雅培的商用连续血糖监测设备

然而，尽管连续血糖监测设备已在国际市场上销售，但其仍有许多挑战需要克服。首先，连续血糖监测设备是半侵入式或微创设备，需要由专业医疗人员操作植入。其次，连续血糖监测设备价格昂贵，使用起来有点复杂，并且与侵入式血糖监测方法相比其准确性较低。因此，为了吸引全球市场和大众消费者，连续血糖监测设备需要在准确性、成本和技术方面进行改进。在过去的二十年中，也出现了开发用于葡萄糖监测的光学设备的研究趋势，其目标是实现成本效益和无创性。目前，许多使用不同技术的研究工作已经显示出了可喜的成果。总而言之，微创和无创血糖监测技术已经成为一个有趣的新兴研究领域。研究人员的下一步目标是通过集成智能监测设备，以最小的痛苦或无痛的方法实现连续血糖监测。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自巴基斯坦拉合尔管理科学大学（Lahore University of Management and Sciences）的研究人员于Sensors期刊发表了题为“Noninvasive Blood Glucose Monitoring Systems Using Near-Infrared Technology-A Review”的综述性文章，该文章讨论了无创血糖监测技术，并特别关注了基于近红外（NIR）技术的血糖监测研究工作。

图1 无创血糖监测系统的技术分类

首先，作者们讨论了使用不同无创技术在无创血糖监测方面所做的一些研究工作；随后，作者们简要介绍了近红外光谱法；接着，作者们讨论了使用近红外技术进行血糖监测的研究工作，并特别关注了利用光电容积脉搏波描记法（PPG）特征信号进行血糖监测的研究；最后，作者们对过往研究的关键点进行了总结讨论，并对无创血糖监测技术的发展进行了展望。

图2 基于微波传感原理的无创血糖监测系统

图3 基于940 nm波长近红外（NIR）透射光谱的无创葡萄糖监测系统

图4 具有机器学习功能的基于近红外光电容积脉搏波描记法（PPG）特征信号的葡萄糖传感平台

此外，针对过往研究工作，作者们指出了一些关键问题。首先，到目前为止，使用近红外技术进行的实验和研究更多地是基于从成年志愿者（健康受试者和患有2型糖尿病的糖尿病患者）那里收集到的数据。因而，相关研究需要扩大数据收集范围，以囊括更多的包括1型糖尿病患者在内的患有低血糖症的糖尿病受试者。此外，除了扩大受试者范围，也需要增加受试者的多样性。因此，应鼓励不同地区的志愿者参与。这将有助于为机器学习方法开发一个通用的训练模型。同时，葡萄糖传感器的再现性也很重要。为了检验传感器的再现性，应从不同的地区，跨越数月的不同时间点收集数据。最后，近红外PPG信号容易产生运动伪影，因此需要更多的研究工作来开发一个稳定可靠的血糖监测设备，以此减轻运动伪影，从而避免对人体血糖水平的估计产生影响。

编辑：黄飞