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        《電子技術應用》
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        研究人員開發出基于機器學習信號處理模塊相結合的個性化傳感器

        2022-09-30
        來源:MEMS

          據麥姆斯咨詢報道,貝魯特美國大學(American University of Beirut)的研究人員開發出一款利用電磁波與定制基于機器學習(ML)信號處理模塊相結合的個性化傳感器。這款傳感器引入了新型身體匹配且受人體脈管系統啟發的準天線陣列——它作為電磁傳感器,以即時、連續和無線方式感知血流中的葡萄糖變化。這款柔性傳感器可嵌入在襪子等可穿戴服裝中,其順應性和運動彈性可保證與皮膚表面很好的貼合度。

          研究表明,傳統的血糖監測技術會引起患者的手指刺痛等不適感,這導致糖尿病患者不遵守常規血糖監測,致使他們無法及時掌握自身低血糖或高血糖情況,這將造成嚴重的后果。早期,研究人員經過努力開發了微創傳感器,但它依賴于插入皮膚內的短期微針。這引起了患者的抵觸情緒,尤其是老年人和兒童。更重要的是,這種微創傳感器仍然使社會承擔著沉重的經濟負擔。

          為此,貝魯特美國大學的研究人員開發了一種完全非侵入性的連續血糖監測系統,該系統在傳感器中利用了電磁(EM)和射頻(RF)技術,其拓撲結構模仿了人類腿部的脈管系統解剖結構。研究人員建議將這款電磁傳感器集成在糖尿病患者日常穿的襪子中。

          研究人員將新型可穿戴柔性電磁傳感器與襪子集成,并加入了多個環境傳感器,以校準溫度、移動性和濕度等干擾因素(下圖A),這可以增強電磁傳感器響應的準確性。此外,該襪子集成傳感系統與引入的集成在手套中的傳感器一起進行了測試,形成了一個強大的非侵入式葡萄糖傳感系統,該系統擴展了其功能,超越了現有的所有非侵入式葡萄糖傳感技術。該傳感系統在不同的實驗設置中均表現出皮摩爾級的靈敏度。整個系統在血清、糖尿病動物模型以及臨床對照組和糖尿病患者中進行了測試,顯示出99.01%的準確度,能夠跟蹤從低血糖到高血糖范圍內的血糖變化。

          

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          “多傳感、多位置”非侵入式葡萄糖傳感技術原理

          這款電磁傳感器的拓撲結構模擬了與不同身體部位相對應的血管。例如,集成在襪子中的電磁傳感器采用模仿腿部血管的拓撲結構設計,同時采用準天線陣列形狀因子(下圖)。該傳感器在0.5GHz到4GHz之間的多個頻率下工作。由于優化的傳感器拓撲結構,該頻率范圍的電磁波可以有效地穿透人體組織,從而增強血流對電磁信號的暴露。反射波的特性,以散射參數(S參數)表示被測材料介電特性的變化,因此這些參數用于監測血液中的葡萄糖水平。這款電磁傳感器是和人體匹配的,其是在加載人體模型時設計的。換句話說,人體是傳感器設計的一部分,傳感器與其對應的身體位置阻抗匹配。這一特性減少了電磁波在皮膚-空氣邊界處的反射,并提高了電磁波的穿透力,從而更容易到達目標動脈和靜脈。

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          這款電磁傳感器的生物學靈感來自于目標血管的脈管系統解剖結構

          除了常規的葡萄糖變化外,該實驗還強調了腿部電磁傳感器檢測從低血糖到高血糖范圍內的血糖水平的能力。研究人員能夠識別出該傳感器的物理參數對葡萄糖變化表現出更高靈敏度的多個頻率。這對患者具有重要意義,因為不同患者天生多樣化,有不同的內在組織,對電磁波應用的反應不同。因此,提供個性化監測并找到適合不同患者的葡萄糖敏感頻率非常重要。通過這種方法,患者將作為傳感器設計的中心。

          此外,研究人員開發了一個自定義信號處理模塊,根據不同傳感器收集的數據處理和預測葡萄糖水平。下圖C顯示了腿部電磁傳感器的預測結果。

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          腿部電磁傳感器在體外實驗中對葡萄糖變化的響應

          這款傳感器的整個可穿戴系統都根據溫度、濕度和運動進行了校準,從而實現高精度的葡萄糖變化跟蹤。對糖尿病大鼠和豬進行的體內實驗,在廣泛的葡萄糖變化范圍內顯示出100%的診斷準確性。對糖尿病患者和健康個體進行人體試驗時,有28名受試者接受口服葡萄糖耐量的測試,試驗結果表明,連續血糖監測的臨床準確率為99.01%。因此,該方案確保了以極高的保真度連續跟蹤從低血糖水平到高血糖水平的葡萄糖變化。

          綜上所述,在這項研究中,研究人員開發了一種非侵入性連續多模態系統,該系統結合了機器學習(ML)輔助信號處理接口,可以在臨床試驗期間監測血糖濃度在低血糖至高血糖范圍內的變化。環境和生理傳感器的加入提高了超柔性電磁傳感器的精度。此外,電磁傳感器的拓撲結構模擬血管網絡,準天線陣列形狀因子、操作頻率和人體匹配特性,使研究人員能夠在臨床試驗中高保真地跟蹤葡萄糖變化,這是傳統的非侵入性技術無法檢測到的。結合平均絕對相對誤差(MARD)和克拉克誤差網格(CEG),這項工作開發的系統具有較低的誤差和良好的預測精度。雖然最近使用電磁技術在無創血糖監測方面取得了進展,但是這些以前的方法都沒有經過臨床試驗。

          這項工作開發的系統首次提供了一種環境和生理感知設備,針對靜脈和動脈定制的拓撲結構顯示出強大的功能,可以在血液中以皮摩爾級的靈敏度,直接和無線地高分辨率連續監測葡萄糖。正如臨床試驗所證明的,研究人員獨特的設計方案將患者的輕松感和舒適度視為重中之重。體外實驗不僅評估和證明了電磁傳感器對葡萄糖變化的敏感性和選擇性,而且還測試了它們在長達8小時的延長實驗持續時間的連續耐久性。



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