糖尿病是一種慢性病，影響了全球超過8.5％的人口。定期監(jiān)測血糖水平（BGL）對于控制糖尿病十分必要的。現(xiàn)有檢測葡萄糖水平（GLs）的方法有侵入式血糖儀以及微創(chuàng)技術(shù)，但他們面臨著不適合提供連續(xù)的血糖監(jiān)測（CGM）、經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)重、引起不適疼痛等問題。因此，開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用性無創(chuàng)CGM設(shè)備將改變?nèi)澜缣悄虿』颊叩纳睢?span id="thbfhz7" class="wpcom_tag_link">無創(chuàng)葡萄糖監(jiān)測包括反向離子電滲、生物阻抗光譜、紅外和眼光譜和超聲，但這些技術(shù)遭受若干困難。
1. 多感測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
貝魯特美國大學(xué)Rouwaida Kan, Joseph Costantine和Assaad A. Eid團(tuán)隊(duì)在《Science Advances》上發(fā)表Noninvasive, wearable, and tunable electromagnetic multisensing system for continuous glucose monitoring, mimicking vasculature anatomy，文章首次介紹了非侵入性可穿戴方法，該方法依賴于可與身體曲率對齊并適應(yīng)微小運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器，同時(shí)通過有效調(diào)整電磁（EM）波以直接監(jiān)測血液中的血糖（GL）（圖1）。該系統(tǒng)由兩個(gè)EM傳感器組成：一個(gè)多頻段縫隙天線和一個(gè)多頻段濾波器（圖1A）。為了保持對葡萄糖變化的高敏感性，傳感器設(shè)計(jì)在較高超高頻（UHF，500 MHz-3 GHz之間）和較低微波頻帶中運(yùn)行。該頻率范圍可通過皮膚、肌肉和脂肪組織層（圖1B），并到達(dá)靜脈和動(dòng)脈，同時(shí)保持良好的靈敏度。系統(tǒng)還模仿了脈管系統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)（圖1A）。此外，多個(gè)時(shí)隙會(huì)導(dǎo)致多頻帶響應(yīng)，這使系統(tǒng)能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)監(jiān)視GL。作者采用人體匹配的方法使天線與人體匹配，通過該方法可以減少空氣-皮膚邊界處的反射，并向人體傳輸更多能量，從而更可靠地分析血糖變化。濾波器的調(diào)諧功能增加了設(shè)計(jì)的另一個(gè)自由度，從而進(jìn)一步定制傳感系統(tǒng)以更好地適應(yīng)特定的個(gè)人特征。
2.響應(yīng)葡萄糖變化及GL估算
正常的禁食期BGL低于100 mg / dl，而糖尿病患者的BGL高于126 mg / dl，為了檢測糖尿病患者葡萄糖微小的變化，作者從天線和過濾器中收集輸入復(fù)反射系數(shù)（S11），以及不同頻率段的前向復(fù)傳輸系數(shù)（S21）和輸出復(fù)反射系數(shù)（S22）。兩個(gè)傳感器的響應(yīng)性都與商用血糖儀測量的參考GL的曲線保持高相關(guān)性（R > 0.9）。柔性天線的S11在頻率為1.15 GHz時(shí)，R = 0.98（圖3B，左），而柔性濾波器的S11相位為1.575 GHz時(shí)，R=0.95 （圖3C，左）。這表明傳感器的響應(yīng)與GL之間有很強(qiáng)的關(guān)系。即使在多個(gè)頻率下，傳感器與參考GL的物理參數(shù)在重復(fù)實(shí)驗(yàn)中保持穩(wěn)定，并表現(xiàn)出一致的行為（圖3F）。作者對各種頻率下的S參數(shù)（幅度和相位）進(jìn)行歸一化，然后通過用于GL估計(jì)的高斯過程（GP）回歸模型進(jìn)行合并，然后比較估計(jì)的平均GL與參考GL，其比較相對差都表現(xiàn)優(yōu)異。
3.糖尿病動(dòng)物模型的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)
作者在七只大鼠（雌性和雄性）上進(jìn)行了體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，以評估傳感系統(tǒng)檢測跨活組織BGL的功效。在實(shí)驗(yàn)過程中，所有大鼠均注射了胰島素以誘導(dǎo)低血糖癥。原始的S參數(shù)曲線很好地與BGL的增加或減少保持一致（圖4B，C），在低血糖和高血糖范圍內(nèi)均具有良好的相關(guān)性（R = 0.89，0.97）。準(zhǔn)確性的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是克拉克誤差網(wǎng)格（CEG），圖4D顯示了所有實(shí)驗(yàn)的CEG，并能對BGL進(jìn)行良好的預(yù)測，所有結(jié)果均落在臨床可接受的區(qū)域內(nèi)。
4.健康對照人體試驗(yàn)
作者在21名健康志愿者上測試了天線，其中每人接受了3次單獨(dú)的口服葡萄糖耐量（OGTT）。柔性天線和剛性天線固定在志愿者的手上（圖5A）。S11與參考BGL達(dá)到高相關(guān)性的趨勢（[R = -0.94; 圖5B）。此外，在GP模型獲得的BGL與參考BGL的趨勢非常吻合，誤差極小。剛性和柔性天線的傳感系統(tǒng)具有很高的準(zhǔn)確性，甚至可與商業(yè)自監(jiān)視系統(tǒng)相媲美。男女性別對葡萄糖變化的敏感性都非常相似。
5.一個(gè)帶有多個(gè)傳感器的系統(tǒng)
為了克服某些環(huán)境因素帶來的技術(shù)難題并提高設(shè)備的靈敏度，作者將天線和濾波器合并為一個(gè)多傳感系統(tǒng)。通過組合兩個(gè)傳感器的響應(yīng)并依靠包裝技術(shù)選擇最重要的功能，能夠?qū)⑵骄^對相對差（MARD）從2.84％降低到0.91％。多感測系統(tǒng)還可以通過從兩個(gè)不同位置監(jiān)視GL來減少現(xiàn)實(shí)生活中干擾因素的影響，例如表面溫度，濕度和運(yùn)動(dòng)。傳感器的響應(yīng)因患者而異，因此，通過使用天線和濾波器同時(shí)監(jiān)視GL并通過調(diào)整濾波器，能夠定制建議的傳感系統(tǒng)，以更好地捕獲特定個(gè)體的特征。使用包裝器特征選擇技術(shù)，能夠通過分析每個(gè)志愿者的個(gè)人數(shù)據(jù)來確定最重要的特征，這些數(shù)據(jù)可以顯著提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。
