柔性尺(柔性印刷的电磁传感器开发更灵敏的可穿戴无创血糖仪)

Posted 2023-05-29

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柔性尺(柔性印刷的电磁传感器开发更灵敏的可穿戴无创血糖仪)

柔性印刷的电磁传感器开发更灵敏的可穿戴无创血糖仪

尿病是一种慢性病，影响了全球超过8.5％的人口。定期监测血糖水平（BGL）对于控制糖尿病的进展是必要的。侵入性的血糖仪是监测葡萄糖水平（GLs）的标准工具。这种方法既痛苦又不舒服。此外，它不适合提供连续的血糖监测（CGM），通常会导致手指刺针测量之间可能发生的一些严重的血糖过高和血糖过低的事件。

为了克服这个问题，已经开发了微创技术。然而，这些技术的频繁使用不仅会给社会经济带来沉重负担，还会引起不适和疼痛。因此，负担得起的无创CGM设备的开发将改变全世界糖尿病患者的生活。无创葡萄糖监测解决方案已经引入诸如反向离子电渗，生物阻抗光谱，红外和眼光谱，和超声。这些技术遭受若干困难。例如，与血浆GL相比，组织液GL测量带有严重的时间延迟。此外，基础技术的稳定性，安全性和可移植性构成了其主要挑战.。

在此基础上，贝鲁特美国大学提出了一种首创，高度灵敏，无创的连续血糖监测可穿戴式多传感器系统。所提出的传感器已在糖尿病的血清，动物组织和动物模型上以及在临床环境中得到验证。

近期，贝鲁特美国大学在国际著名期刊《Science Advances》上发表了他们关于血糖仪的最新研究成果。

论文作者将柔性的电磁传感器用于血糖的连续监测，并将其与手套集成在一起，开发出可穿戴的无创血糖仪。实验数据表明：该血糖仪人体测试结果与血糖水平的相关性大于0.9。

图1 仿生血管电磁场传感器

贴片天线(贴片天线对葡萄糖变化具有很高的灵敏度)和带阻滤波器的两个原型被设计在柔性和刚性基板上，作为无创葡萄糖监测系统的主要传感元件。通过组合两个传感器的响应并依靠包装技术选择最重要的功能，我们能够将MARD从仅天线的2.84％降低到组合系统的0.91％。多感测系统通过从两个不同的位置监视GL来减少现实生活中干扰因素的影响，例如表面温度，湿度和运动。

其中，罗杰斯RO3003刚性天线使用厚度为0.5毫米的基板材料。但是，柔性天线是通过使用厚度为136μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板材料设计的，介电常数为2.9，损耗角正切为0.00579。每个天线的缝隙通过电磁耦合通过螺旋馈线激励。它们被设计为在UHF和较低的微波频段范围内运行。优化了模仿手部血液网络的基底和集成插槽的尺寸，以使其在被人手模型加载时以所需的操作频率以非常匹配的方式进行操作。根据不同血管的平均直径（在1.2至2.8 mm之间），同时优化了插槽的长度，使其具有0.5至3 GHz之间的多个工作频率。对于女性和男性，手的长度分别在167.9和187.9毫米之间，在宽度上则在75.2和83.6毫米之间。优化后，将柔性天线的最终尺寸设置为70 mm x 80 mm。该尺寸经过优化，可集成到可穿戴手套中。刚性天线是使用计算机数控铣床制造的。另一方面，柔性天线是使用喷墨打印机，PET和银纳米墨水制造的。

所提出的滤波器由三层组成，包括馈电网络，介电基片和八个谐振槽。在这种情况下，这些缝隙是受人下前臂的脉管解剖学启发的，并且主要模仿手臂的尺动脉。

柔性电磁传感器

研究者采用上述传感器系统分别在大鼠上的体内实验(所有动物程序均按照美国公共卫生服务局关于人文护理和实验动物使用的政策进行，并得到贝鲁特美国大学机构动物护理和使用委员会的批准。) 该研究共招募了33名志愿者（14名女性和19名男性，年龄在19至37岁之间）。国际审查委员会批准了实验，所有志愿者都签署了同意书。如果受试者年龄在18至70岁之间并且能够提供知情同意，则认为他们符合研究条件。种族，性别或种族均不受限制。药物滥用，哺乳，怀孕以及参与介入试验是唯一的标准。在研究的第一阶段中，仅招募了血红蛋白A1c水平低于6％，血压正常且没有血脂异常迹象的健康受试者。每位志愿者参加了多个单独的改良OGTT实验，每15分钟测量一次血糖。糖摄入前十分钟（75克糖），将开发的传感器放置在相应的感应位置，并在整个OGTT 2小时的时间范围内固定。然后启动计时器，将糖摄入时间控制在10至15分钟内。之后，每15分钟进行一次手指葡萄糖监测，每5分钟进行一次VNA节省。我们依靠内插法在5分钟的间隔内填充其余的参考葡萄糖点。在实验过程中，志愿者被留在室内，并被要求坐在椅子上以尽可能地限制他们的活动。

人体试验期间的非侵入性测量结果表明，系统的物理参数与血糖水平之间具有高度相关性（> 0.9），没有任何时间滞后。传感器的准确实时响应归因于其独特的脉管解剖学启发式可调电磁拓扑。这些可穿戴服装以高保真度无线感应低血糖到高血糖的变化。

在糖尿病大鼠上的体内实验

对健康志愿者的人体试验

人体试验期间的非侵入性测量结果表明，系统的物理参数与血糖水平之间具有高度相关性（> 0.9），没有任何时间滞后。传感器的准确实时响应归因于其独特的脉管解剖学启发式可调电磁拓扑。这些可穿戴服装以高保真度无线感应低血糖到高血糖的变化。随着柔性电子打印技术和多传感器融合研究的日渐成熟，相信该技术将很快能推向市场，大规模商业化，造福更多糖尿病患者和血液测量健康追踪。