非侵入式无创血糖监测传感器技术

糖尿病给全球健康带来了重大挑战，凸显了对准确且持续的血糖监测传感器技术的迫切需求。

近日，西班牙加泰罗尼亚理工大学的研究团队在Sensors期刊上发表了题为“Sensor Technologies for Non-Invasive Blood Glucose Monitoring”的综述论文，全面分析了侵入式和非侵入式（无创）血糖监测传感器技术，重点聚焦天线传感器及其工作原理。文中深入探讨了衬底和导电材料的选择、制造工艺，以及刚性和柔性天线传感器设计方面的最新进展。值得注意的是，纺织天线传感器因其有望无缝集成至日常服装而受到越来越多的关注。此外，文中还研究了人体对天线传感器性能的影响，强调了人体体模模拟与制造在精准建模和验证中的重要性。最后，本文指出了柔性天线传感器发展过程中所面临的技术挑战，并探讨了其在实现下一代、无创、以患者为中心的血糖监测解决方案中的变革潜力。

研究人员首先综述了广泛应用于血糖监测的侵入式与非侵入式传感器技术。

目前，在医疗环境和日常生活中监测血糖水平的主要方法基于两种侵入式传感器技术。第一种是自我血糖监测（SMBG）系统，用于检测毛细血管血液中的葡萄糖水平。第二种是持续血糖监测（CGM）系统，旨在测量组织间液中的葡萄糖水平。这些方法仍然是有效管理血糖水平的首选方案。尽管包括SMBG和CGM在内的侵入式传感器技术仍被视为血糖监测的临床“金标准”，但它们也存在诸多显著的局限性。其中一个主要问题是频繁的皮肤穿刺或长期使用皮下传感器所带来的疼痛与不适。另一个关键隐患是传播血源性疾病的潜在风险，尤其是在多位患者共用血糖监测设备的环境中。

因此，开发能够在不造成身体伤害的前提下可靠地测量血糖水平的非侵入式无创传感器技术已成为医疗创新中的关键研究方向。这类技术的进步将显著提升患者的舒适度，并减少传统侵入式操作所带来的弊端和风险。

非侵入式无创血糖监测技术大致可分为两类：光学传感技术和非光学传感技术。前者利用光的传播特性来监测血糖水平，而后者则依赖其它物理或化学原理进行监测。

光学传感技术可根据波长和相互作用方式进一步细分为多种方法，包括近红外和中红外光谱法、荧光光谱法、拉曼光谱法以及光学相干断层扫描（OCT）等。

非光学传感技术包括生物阻抗光谱法、反向电渗透法、血液替代物测量、代谢平衡分析以及电磁技术等。非光学血糖传感技术涵盖了多种物理机制，旨在通过探索葡萄糖的替代生理指标，克服光学方法在散射、吸收重叠和皮肤穿透深度等方面的限制。然而，这一转变也带来了新的复杂性：多数非光学方法并不直接测量葡萄糖，而是监测间接指标，因此极易受到水合作用、皮肤状况和个体差异等混杂因素的影响。因此，这些技术的有效性不仅取决于传感器硬件，还取决于能够从生理噪声中准确识别出葡萄糖特异性信号的可靠信号解析模型。因此，非光学技术为非侵入式无创血糖监测提供了一种有前景但本质上是多变量的方法。

研究人员重点研究了最突出的基于电磁（EM）原理的血糖传感方法——天线传感器，重点探讨其基本原理、设计考量、已有报道的性能表现以及在实际应用中的局限性。

因其独特的传感与无线通信功能相结合的特性，天线传感器在非侵入式血糖监测中展现出极具前景的应用潜力。与传统传感器不同，天线传感器本身兼具检测器与数据传输器的双重功能。这种双重功能简化了系统架构，并支持无源工作，因为传感信息可以直接编码在天线信号中，无需外部电源。此外，天线传感器支持多路复用与分布式传感，有助于构建大规模传感阵列和多参数检测平台。它们的结构形式灵活多样，包括平面型、低剖面型及柔性设计，可无缝集成于可穿戴设备及人体表面之上。此外，天线传感器可利用成熟的印刷电路板（PCB）或增材制造技术以低成本生产。

天线传感器在无创血糖监测方面展现出了良好前景。在Feer的一项开创性研究中，首次系统性地探讨了该方法的可行性。Feer的实验使用了一个五层人体组织体模（如图1所示）和一款位于其表面的宽带单极天线传感器。研究结果表明，血糖水平的变化会改变血液层的相对介电常数。这些变化反过来又对天线的辐射特性产生了直接影响，导致其性能指标出现了可检测的变化。通过捕捉和分析这些变化，天线传感器有效地将它们与血糖浓度相关联，展现了其作为无创血糖监测工具的潜力。

图1 人体组织体模及天线传感器示意图

传统的天线传感器通常采用刚性材料制造，在设计与性能方面具有多项显著优势。首先，刚性材料坚固耐用，具有极强的抗外力冲击、振动和机械应力的能力。这种鲁棒性确保天线传感器即使在具有挑战性的环境中也能保持其结构完整性与功能稳定性。其次，刚性材料有利于实现高精度的几何结构，这对于获得最佳的辐射效率、精确的阻抗匹配以及优良的取向性至关重要。这些特性对于确保传感应用中信号的准确传输和接收至关重要。此外，刚性材料在市场上广泛可用，并受益于成熟的制造技术，这些技术简化了制造工艺并降低了生产成本。这种成本效益使刚性天线传感器成为各种应用中大规模部署的有吸引力的选择。

研究人员介绍了各种用于非侵入式无创血糖监测的刚性天线传感器配置，包括贴片天线传感器、超构材料（Metamaterial）天线传感器、超宽带（UWB）天线传感器、谐振式天线传感器，每种配置在灵敏度、设计灵活性和建模潜力方面都具有独特的优势。然而，体积大、柔性不足和用户不适等障碍仍阻碍它们在长期可穿戴应用中的适用性，这些问题随着柔性天线传感器平台的出现正在逐步得到解决。

图2 贴片天线传感器的设计及位于两个贴片天线传感器之间的前臂体模示意图

图3 超宽带天线传感器及谐振频率和血糖水平的监测

柔性电子设备，尤其是柔性天线传感器，具有极其重要的意义。这类天线被设计为具备优异的机械柔性，使其能够适应如人体等非平整表面，同时不影响其性能。这种柔性确保了天线传感器即使在弯曲、拉伸或扭转的情况下，仍能保持稳定的无线通信与传感能力。

柔性天线传感器在非侵入式无创血糖监测方面表现出了明显的适用性，最近的研究验证了它们在体外和体内环境中的性能。通过利用可穿戴设备兼容材料、基于纺织品的制造工艺和仿生解剖学设计，这些传感器在生理相关的葡萄糖范围内实现了高灵敏度。它们能够无缝集成到手套或服装等日常用品中，凸显了其在实际持续血糖监测应用中的潜力。

图4 柔性天线传感器的刺绣工艺及三种糖尿病状态下谐振频率偏移的线性回归分析

图5 集成在手套内的缝隙（Slot）天线传感器

综上所述，这项研究探讨了多种血糖监测传感器技术，包括侵入式和非侵入式方法，以评估它们在提供可靠且持续的人体血糖监测方面的潜力。其中，天线传感器因其成本低、设计紧凑且适合集成到可穿戴设备中，已成为一种有前景的替代方案。

这篇综述聚焦于刚性与柔性天线传感器之间的对比研究。刚性天线传感器通常由金属制成，以其在检测人体血糖水平时的高精度和稳定性而闻名。然而，它们的刚性和体积限制了其在可穿戴应用中的实用性，而在这些应用中，舒适性和移动性至关重要。另一方面，由纺织品、聚合物和导电织物等材料制成的柔性天线传感器在舒适性、可穿戴性和与人体无缝集成方面具有显著优势。这些传感器是无创、持续、实时血糖监测的理想选择，因为它们允许长时间使用而不会引起不适，并且可以很容易地集成到日常服装中，使其非常适合日常糖尿病管理。

用于血糖监测的柔性天线传感器的开发代表了可穿戴医疗设备领域的一项重大突破，对不同人群具有深远的影响。对于糖尿病患者而言，无创和持续的人体血糖监测可以显著提高生活质量，优化疾病管理，降低长期医疗成本。对于高风险人群，实时血糖监测有助于早期发现问题并实施个性化健康管理，有望延缓或预防疾病进展。对于医疗系统来说，实时数据传输可提高诊断效率，推进精准医疗，并减轻因糖尿病并发症带来的社会负担。从更广泛的社会层面来看，这项技术有助于促进健康老龄化，减轻医疗保健和经济压力。