定期監(jiān)測血糖水平對于糖尿病的管理和制定適當(dāng)?shù)闹委煼桨竵碚f至關(guān)重要。傳統(tǒng)的血糖（BG）檢測需要刺破手指，是一種侵入性技術(shù)。如指尖采血檢測等侵入性過程對患者的依從性有負(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相開發(fā)可穿戴且精確的無創(chuàng)血糖監(jiān)測系統(tǒng)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(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)研究開發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的可穿戴血糖監(jiān)測（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、降低感染風(fēng)險(xiǎn)并提高生活質(zhì)量。該研究通過在亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)核心（AWS IoT Core，一種托管的云平臺）上實(shí)時傳輸血糖值，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傳感器陣列已被開發(fā)并部署在配備有OLED顯示屏、嵌入式C結(jié)構(gòu)的開源軟件和AWS IoT Core基礎(chǔ)架構(gòu)的ESP32物聯(lián)網(wǎng)模塊中。

圖1 用于無創(chuàng)血糖監(jiān)測的AWS輔助iGM架構(gòu)

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

圖2 人體皮膚對紅光和近紅外光信號的吸收特性

測量時，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，吸收和散射會降低光的強(qiáng)度。手腕部會反射出衰減和失真的光，而后被探測器接收。通過噪聲濾波元件來降低光噪聲，然后放大接收到的光信號，這樣可以使低強(qiáng)度光信號傳播得更遠(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)通過將AWS IoT Core與個性化傳感器電路融合來提供基于物聯(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語言開發(fā)的iGM架構(gòu)的開源庫結(jié)構(gòu)，該開源庫由麻省理工學(xué)院（MIT）授權(quán)。

圖4 由MIT授權(quán)的iGM開源庫結(jié)構(gòu)

研究人員對iGM傳感器監(jiān)測血糖的準(zhǔn)確率等指標(biāo)進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示，在禁食10小時后使用iGM傳感器的血糖監(jiān)測準(zhǔn)確率為98.82%，在早餐2小時后使用iGM傳感器的血糖監(jiān)測準(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)測血糖水平，以改善治療效果并提高生活質(zhì)量。通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將監(jiān)測的血糖情況發(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（I2C）協(xié)議接口。另外，開源架構(gòu)提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性、用戶適應(yīng)性和醫(yī)療專業(yè)人員的創(chuàng)造力，同時也促進(jìn)了該架構(gòu)的增強(qiáng)和修改。iGM傳感器的信號質(zhì)量和實(shí)時傳輸功能非常適合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)航長達(dá)23天，并且可以通過更換鋰離子電池來提升。未來iGM性能的提升有望通過集成納米傳感器、部署人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）算法來實(shí)現(xiàn)。此外，數(shù)據(jù)可視化工具也將提升用戶解讀血糖數(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