定期監(jiān)測(cè)血糖水平對(duì)于糖尿病的管理和制定適當(dāng)?shù)闹委煼桨竵?lái)說(shuō)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的血糖（BG）檢測(cè)需要刺破手指，是一種侵入性技術(shù)。如指尖采血檢測(cè)等侵入性過(guò)程對(duì)患者的依從性有負(fù)面影響。隨著尖端傳感器和醫(yī)療保健技術(shù)的發(fā)展，糖尿病患者的生活質(zhì)量得到了顯著改善。但全球糖尿病發(fā)病率的提升正促使研究者競(jìng)相開(kāi)發(fā)可穿戴且精確的無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，由印度Amal Jyothi工程學(xué)院（Amal Jyothi College of Engineering）的Abubeker K. M領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)在Scientific Reports期刊上發(fā)表了以“Internet of Things enabled open source assisted real-time blood glucose monitoring framework”為主題的文章。該論文的第一作者和通訊作者為Abubeker K. M。

這項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的可穿戴血糖監(jiān)測(cè)（iGM）系統(tǒng)，用以改變糖尿病護(hù)理并提高生活質(zhì)量。研究人員將覆蓋監(jiān)測(cè)血糖的紅光和近紅外（R-NIR）光譜范圍的TTGOT-ESP32物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)集成到可穿戴設(shè)備中。這項(xiàng)研究主要目的在于持續(xù)監(jiān)測(cè)、降低感染風(fēng)險(xiǎn)并提高生活質(zhì)量。該研究通過(guò)在亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)核心（AWS IoT Core，一種托管的云平臺(tái)）上實(shí)時(shí)傳輸血糖值，使糖尿病患者能夠有效地管理其病情，從而為基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療解決方案的不斷發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

圖1展現(xiàn)了該研究使用的iGM- AWS物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。所提出的iGM傳感器陣列已被開(kāi)發(fā)并部署在配備有OLED顯示屏、嵌入式C結(jié)構(gòu)的開(kāi)源軟件和AWS IoT Core基礎(chǔ)架構(gòu)的ESP32物聯(lián)網(wǎng)模塊中。

圖1 用于無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)的AWS輔助iGM架構(gòu)

這項(xiàng)研究利用紅光和近紅外光信號(hào)輔以物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)來(lái)改善血糖監(jiān)測(cè)。圖2為皮膚的反射特性：當(dāng)葡萄糖分子存在時(shí)，紅光信號(hào)吸收率較高。近紅外光能夠比可見(jiàn)光更深入地穿透人體，到達(dá)皮下動(dòng)脈。此外，通過(guò)收集不同光波長(zhǎng)和不同血糖濃度下的反射光可對(duì)其進(jìn)行多元分析。

圖2 人體皮膚對(duì)紅光和近紅外光信號(hào)的吸收特性

測(cè)量時(shí)，傳感器被置于手腕皮膚上（設(shè)備與人體間隔約3 mm），在不受外界噪聲和干擾的情況下具有更好的測(cè)量精度和光反射性。如圖3所示，傳感器陣列包括近紅外LED（880 nm）、跨阻放大器（TIA）和光電二極管（800-1700 nm）。當(dāng)光與活體組織接觸時(shí)，吸收和散射會(huì)降低光的強(qiáng)度。手腕部會(huì)反射出衰減和失真的光，而后被探測(cè)器接收。通過(guò)噪聲濾波元件來(lái)降低光噪聲，然后放大接收到的光信號(hào)，這樣可以使低強(qiáng)度光信號(hào)傳播得更遠(yuǎn)。目前基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)方法較少，本研究的iGM架構(gòu)通過(guò)將AWS IoT Core與個(gè)性化傳感器電路融合來(lái)提供基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)。

圖3 iGM傳感器電路原理圖

圖4展示了利用嵌入式C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的iGM架構(gòu)的開(kāi)源庫(kù)結(jié)構(gòu)，該開(kāi)源庫(kù)由麻省理工學(xué)院（MIT）授權(quán)。

圖4 由MIT授權(quán)的iGM開(kāi)源庫(kù)結(jié)構(gòu)

研究人員對(duì)iGM傳感器監(jiān)測(cè)血糖的準(zhǔn)確率等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，在禁食10小時(shí)后使用iGM傳感器的血糖監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為98.82%，在早餐2小時(shí)后使用iGM傳感器的血糖監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為98.04%。圖5顯示了戴于患者手腕上的利用紅光和近紅外光譜開(kāi)發(fā)的iGM設(shè)備，該設(shè)備配備有OLED顯示屏。

圖5 佩戴于糖尿病患者手腕的實(shí)時(shí)iGM系統(tǒng)

綜上所述，這項(xiàng)研究提出的iGM架構(gòu)有助于糖尿病患者持續(xù)監(jiān)測(cè)血糖水平，以改善治療效果并提高生活質(zhì)量。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將監(jiān)測(cè)的血糖情況發(fā)送給醫(yī)生，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控血糖水平并得到及時(shí)治療。這款可穿戴iGM傳感器使用了定制型紅光和近紅外光譜傳感器和集成電路總線(xiàn)（I2C）協(xié)議接口。另外，開(kāi)源架構(gòu)提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、用戶(hù)適應(yīng)性和醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員的創(chuàng)造力，同時(shí)也促進(jìn)了該架構(gòu)的增強(qiáng)和修改。iGM傳感器的信號(hào)質(zhì)量和實(shí)時(shí)傳輸功能非常適合ICU患者和隔離患者。這款產(chǎn)品的主要挑戰(zhàn)是電池續(xù)航，目前續(xù)航長(zhǎng)達(dá)23天，并且可以通過(guò)更換鋰離子電池來(lái)提升。未來(lái)iGM性能的提升有望通過(guò)集成納米傳感器、部署人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，數(shù)據(jù)可視化工具也將提升用戶(hù)解讀血糖數(shù)據(jù)的體驗(yàn)，并促進(jìn)其積極決策。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41598-024-56677-z

審核編輯：劉清