基于各種生物友好型壓電材料和超聲原理的MEMS血糖傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，印度Siksha ‘O’ Anusandhan大學(xué)和英國雷丁大學(xué)（University of Reading）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在scientific reports期刊上發(fā)表了題為“Experimental and probabilistic model validation of ultrasonic MEMS transceiver for blood glucose sensing”的論文，提出了一種基于超聲MEMS收發(fā)器和RVM概率模型的血糖傳感系統(tǒng)，這種低成本系統(tǒng)可以根據(jù)需要定期測量患者的血糖水平。該論文提出的系統(tǒng)可以檢測高達(dá)450mg/dl的血糖水平，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與商用血糖儀讀數(shù)高度相關(guān)，在不久的將來，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈⑿桶姹究赡軐θ祟惿鐣杏谩?/p>

圖1（a）血糖水平測量系統(tǒng)的流程圖；（b）采購的超聲收發(fā)器對（WZT40和WZR40）；（c）樣本夾具

慢性糖尿病，通常被稱為“糖尿?。―M）”，正呈指數(shù)級增長，預(yù)計到2030年，全球患者將超過5.52億，這是世界衛(wèi)生組織（WHO）的預(yù)測。這導(dǎo)致20至70歲年齡組的死亡率升高。由于這一日益嚴(yán)重的事件，WHO已將糖尿病宣布為世界流行病。預(yù)計到2030年，全球每年用于糖尿病管理的醫(yī)療保健支出將從3760億美元增加到4900億美元。定期監(jiān)測血糖并維持身體血糖水平是預(yù)防糖尿病的有效措施。為此，有必要設(shè)計/制造成本低、制造工藝簡單、連續(xù)監(jiān)測且穩(wěn)定的最佳血糖監(jiān)測系統(tǒng)。

商用的無創(chuàng)或微創(chuàng)血糖儀通常從血液樣本中測量葡萄糖水平。由于測試條成本高，這些方法很昂貴，而且每次刺入指尖以采集血液樣本時使人疼痛。目前人們正在研究無創(chuàng)血糖儀，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的無痛測量。目前的無創(chuàng)血糖監(jiān)測方法有熒光法、經(jīng)皮提取法、電磁變化法、旋光法和光譜法等。這些方法的精度、成本以及簡便性，是需要考慮的主要因素?，F(xiàn)有的商用血糖儀（BGM）的精度達(dá)到96%。為了獲得更高的精度，人們正在研究新的測量方法。這些方法大多基于無創(chuàng)系統(tǒng)。

全球眾多開發(fā)和研究人員的目標(biāo)是研發(fā)無創(chuàng)血糖監(jiān)測技術(shù)，以改善數(shù)百萬糖尿病患者的生活。然而，要使這些技術(shù)像常規(guī)血糖測試條一樣精確是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

研究人員嘗試了使用可見光、近紅外（NIR）和中紅外（MIR）的光學(xué)技術(shù)以及非光學(xué)技術(shù)測量血糖濃度。然而，散射現(xiàn)象和較低帶寬與血液中葡萄糖的相關(guān)性較差。同時，中紅外的基本限制是它只能在反射模式下使用，因?yàn)樗谌梭w組織中的穿透深度有限，所以無法估計血管中的葡萄糖濃度。光的大量散射和其他生理因素限制了光學(xué)旋光法在皮膚血糖測量中的應(yīng)用。

微波器件，特別是平面諧振器件，具有一些優(yōu)點(diǎn)，例如制造和集成簡單、尺寸小、成本低、令人感興趣的穿透深度，特別是對于具有最小組織散射的無創(chuàng)測量。在0.64至18.63 GHz的工作頻率范圍內(nèi)，研究人員深入研究了基于平面諧振的測量的基本原理和便利性，并設(shè)計了基于葡萄糖傳感的3D可打印GHz范圍的器件。

然而，如果長時間連續(xù)使用GHz量級高頻的無創(chuàng)方式檢測血糖，則會對組織造成損害。為此，在本文的研究工作中，作者們選擇了kHz量級的低頻范圍。本文的研究工作在40kHz超聲MEMS收發(fā)器上進(jìn)行血糖傳感。超聲技術(shù)被用作微波技術(shù)的替代品。WZT40和WZR40收發(fā)器對是從electronics-store4u采購的低功率單向超聲收發(fā)器，在40 kHz正弦波下的靈敏度為?63±?3 dB。目前研究的重點(diǎn)是設(shè)計一種方便無痛的血糖測量設(shè)備。但所有設(shè)備都處于研發(fā)階段，包括臨床試驗(yàn)在內(nèi)的整改工作仍在持續(xù)進(jìn)行中。

胰島素抵抗與血清白蛋白水平升高有關(guān)。然而，血清白蛋白本身對糖尿病的發(fā)展沒有影響。盡管尿液中含有極低含量的蛋白質(zhì)是正常的，但白蛋白高含量是慢性腎臟?。–KD）的眾多標(biāo)志之一，慢性腎臟病是1型和2型糖尿病的常見后果。此前，作者所在團(tuán)隊(duì)提出了基于各種生物友好型壓電材料的基于超聲原理的MEMS血糖傳感器。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐之前，他們使用領(lǐng)先的壓電材料進(jìn)行模擬，以測試原理的可靠性?；趬弘姴牧系氖瞻l(fā)器用于產(chǎn)生和接收通過血液樣本介質(zhì)的定向超聲波。利用商用血糖儀（CBGM），所接收的信號在模擬環(huán)境中測量血液介質(zhì)的葡萄糖水平，精度達(dá)到99%。

在本文中，為了測量血液介質(zhì)中的葡萄糖水平，作者們提出了一種基于超聲MEMS收發(fā)器和RVM概率模型的系統(tǒng)。這種低成本系統(tǒng)可以根據(jù)需要定期測量患者的血糖水平。超聲收發(fā)器由工作頻率為40 kHz和電壓為1.6 V的頻率發(fā)生器供電，葡萄糖水平的變化會影響超聲收發(fā)器的讀數(shù)。RVM概率模型用于確定血液樣本中葡萄糖水平的變化。他們同時使用商用血糖儀測量血糖水平以對系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。該論文提出的基于超聲MEMS的血糖儀測量的血糖水平為257±21 mg/dl，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與商用血糖儀讀數(shù)高度相關(guān)，在不久的將來，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈⑿桶姹究赡軐θ祟惿鐣杏谩?/p>

圖2 基于RVM的預(yù)測分析示意圖

圖3 血糖測量結(jié)果：（A）Accu-ckeck Aviva商用血糖儀（259.23±109.37 mg/dl）；（B）該論文提出的血糖儀（257.23±131.33 mg/dl）

審核編輯：郭婷