與傳統(tǒng)的自我血糖監(jiān)測系統(tǒng)（SBGMS）相比，連續(xù)血糖監(jiān)測系統(tǒng)（CGMS）在糖尿病管理中越來越受歡迎。市場上現(xiàn)有的連續(xù)血糖監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)其工作原理可分為兩類，分別為使用壽命為幾周的針型系統(tǒng)（例如：基于酶的Freestyle Libre）和使用壽命為幾個月的植入式系統(tǒng)（例如：基于熒光的Senseonics）。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了克服現(xiàn)有的針型和植入式連續(xù)血糖監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷，來自韓國國力蔚山科學技術院（Ulsan NaTIonal InsTItute of Science and Technology）以及國立首爾大學（Seoul NaTIonal University）的研究人員提出了一種基于電磁的替代性傳感器方案。據(jù)悉，所提出的傳感器可以皮下植入，并能夠跟蹤由于血糖水平（BGL）變化而引起的介電常數(shù)的微小變化。
首先，研究人員利用全波電磁仿真軟件“CST Microwave Studio”對傳感器進行了設計和仿真。隨后，考慮到其在類似于肌肉和脂肪等組成的生物環(huán)境中的應用，在ISM頻段（由各國政府向工業(yè)、科學、醫(yī)療機構開放的無線電通信頻段）內，研究人員對該傳感器的靈敏度進行了最大程度的優(yōu)化（在該項研究中，靈敏度定義為傳感器周圍材料介電常數(shù)的微小變化所引起的傳感器諧振頻率的變化）。這項研究提出的植入式傳感器如圖1b所示。圖1c展示的是植入式傳感器尺寸與硬幣尺寸的對照。據(jù)悉，該傳感器直徑只有4毫米，因而足夠緊湊，適合皮下植入。圖1d顯示了傳感器諧振頻率隨血糖水平趨勢的變化。
圖1 基于電磁（EM）的皮下植入式葡萄糖傳感器。（a）基于電磁的植入式傳感器對血糖水平進行追蹤的示意圖：（1）毛細血管；（2）電磁傳感器；（3）真皮；（4）皮下脂肪；（5）肌肉組織。（b）所提出的植入式傳感器示意圖。（c）傳感器尺寸（15mm × Φ4mm）與硬幣尺寸的對照。（d）傳感器諧振頻率趨勢及相應的血糖水平變化。
接著，研究人員將傳感器分別植入豬和比格犬體內，并進行了靜脈葡萄糖耐量試驗（IVGTT）和時長達52h的口服葡萄糖耐量試驗（OGTT）。此外，研究人員還開發(fā)了一個獨立的傳感器接口電路板和移動應用程序，可以在對傳感器性能進行長期評估的過程中，連續(xù)測量傳感器的諧振頻率。同時，研究人員采用了線性回歸和卡爾曼濾波等數(shù)據(jù)處理算法來去除傳感器讀數(shù)中的波動和高頻噪聲，并計算了平均絕對相對誤差（MARD）和回歸相關系數(shù)，驗證了傳感器實時跟蹤血糖水平的能力。
圖2 在豬身上進行靜脈葡萄糖耐量試驗（IVGTT）的結果。（a）傳感器植入和濾波后的初始諧振頻率響應：（i）手術進行傳感器植入；（ii）初始諧振頻率監(jiān)測；（iii）諧振頻率漂移；（iv）注射磷酸鹽緩沖生理鹽水（PBS）；（v）諧振頻率漂移飽和。（b）注射葡萄糖溶液后傳感器的諧振頻率響應：（i）注射葡萄糖溶液以及由此引起的傳感器諧振；（ii）諧振頻率達到峰值；（iii）諧振頻率跟隨血糖水平緩慢下降；（iv）諧振頻率恢復到初始血糖對應的水平，以及試驗過程中體溫的變化。（c）關于血糖水平的S11參數(shù)（輸入回波損耗）和（d）S22參數(shù)（輸出回波損耗）。
圖3 在比格犬身上進行靜脈葡萄糖耐量試驗（IVGTT）的結果。（a）傳感器諧振頻率隨實時血糖水平的變化：（i）注射葡萄糖溶液前的傳感器諧振頻率；（ii）注射葡萄糖溶液后的傳感器諧振頻率；（iii）諧振頻率峰值；（iv）諧振頻率隨血糖水平下降；（v）諧振頻率不隨血糖水平變化而變化以及體溫監(jiān)測結果。（b）傳感器的S11參數(shù)（輸入回波損耗）和（c）S22參數(shù)（輸出回波損耗）及相應的血糖水平。
圖4 基于傳感器和接口板的比格犬口服葡萄糖耐量試驗（OGTT）。（a）所提出的傳感器和接口電路板（Android應用程序使用藍牙、微控制單元（MCU）控制器、用于射頻（RF）生成和輸入到傳感器的鎖相環(huán)（PLL）接收傳感器信息）；接口板主要由三個部分組成：電源管理部分（穩(wěn)壓器，LDO）、射頻部分（PLL、寬帶耦合器、包絡檢波器）以及數(shù)字元件（模擬轉換器（ADC）以及MCU）。（b）OGTT（試驗對象為喂食葡萄糖溶液的比格犬）：（1）葡萄糖溶液；（2）接口板；（3）電池。（c）OGTT第1天：（i）喂食時血糖水平和傳感器諧振頻率的變化趨勢；（ii）首次口服葡萄糖溶液；（iii）具有時滯的最大血糖水平和相應的傳感器諧振頻率；（iv）傳感器諧振頻率隨著血糖水平的減小而減小。（d）OGTT第2天：（v）第二次口服葡萄糖溶液；（vi）具有時滯的最大血糖水平和對應的傳感器諧振頻率；（vii）傳感器諧振頻率隨著血糖水平的減小而減小。
綜上所述，該研究所開發(fā)的傳感器并不直接從血液或間質液（ISF）中檢測或跟蹤葡萄糖分子。其原理為，當血糖水平變化時，傳感器的諧振頻率隨著ISF介電常數(shù)的變化而變化，因而，通過傳感器諧振頻率的監(jiān)測即可實現(xiàn)血糖的連續(xù)監(jiān)測。此外，該傳感器需要設置參考點或校準點，以跟蹤血糖的變化趨勢。因此，需要通過自我血糖監(jiān)測（SBGM）進行每天一次的校準，并設置傳感器的參考諧振頻率點，然后便可以實現(xiàn)血糖監(jiān)測。此外，該研究還建立了傳感器諧振頻率與血糖水平之間的線性回歸模型，實現(xiàn)了諧振頻率與血糖水平的映射。同時，通過將傳感器植入處于控制環(huán)境的豬和比格犬體內，研究人員進行了體內試驗的初步概念驗證。在豬和比格犬體內進行的IVGTT和OGTT試驗結果顯示，傳感器諧振頻率與血糖水平之間存在良好的相關性。此外，所開發(fā)的傳感器接口模塊能夠實現(xiàn)連續(xù)測量，并可以使用Android移動應用程序可視化實時傳感數(shù)據(jù)。然而，對于實際的傳感器植入，還必須考慮其封裝的生物兼容性和長期應用的異物反應（FBR）。因而，研究人員正在著手對傳感器接口系統(tǒng)進行開發(fā)上的優(yōu)化。
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