與傳統的自我血糖監測系統（SBGMS）相比，連續血糖監測系統（CGMS）在糖尿病管理中越來越受歡迎。市場上現有的連續血糖監測系統根據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（例如：基于酶的Freestyle Libre）和使用壽命為幾個月的植入式系統（例如：基于熒光的Senseonics）。
據麥姆斯咨詢報道，為了克服現有的針型和植入式連續血糖監測系統的缺陷，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境中的應用，在ISM頻段（由各國政府向工業、科學、醫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化（在該項研究中，靈敏度定義為傳感器周圍材料介電常數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據處理算法來去除傳感器讀數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，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（輸入回波損耗）和（d）S22參數（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測結果。（b）傳感器的S11參數（輸入回波損耗）和（c）S22參數（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（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（穩壓器，LDO）、射頻部分（PLL、寬帶耦合器、包絡檢波器）以及數字元件（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介電常數的變化而變化，因而，通過傳感器諧振頻率的監測即可實現血糖的連續監測。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，然后便可以實現血糖監測。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，所開發的傳感器接口模塊能夠實現連續測量，并可以使用Android移動應用程序可視化實時傳感數據。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進行開發上的優化。
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