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2022年6月29日，全球領(lǐng)先的專業(yè)電子機(jī)構(gòu)媒體AspenCore和深圳市新一代信息通信產(chǎn)業(yè)集群聯(lián)合主辦“2022國(guó)際AIoT生態(tài)發(fā)展大會(huì)”。在同期舉辦的“智慧可穿戴分論壇”上，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的研究員聶澤東先生，分享了主題是“新型傳感器在無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)中的創(chuàng)新應(yīng)用”的演講，介紹了無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)應(yīng)用的最新進(jìn)展。

血糖儀的使用場(chǎng)景和市場(chǎng)需求

糖尿病患者是一個(gè)非常大的人群。數(shù)據(jù)顯示，2021年全球有5.37億的成年糖尿病患者(20-79歲)，預(yù)計(jì)2045年將達(dá)到7.8億，增長(zhǎng)率為46%。中國(guó)2021年的成年糖尿病患者有1.4億，到2045年預(yù)計(jì)將達(dá)到1.7億。值得注意的是，全球還有一半左右的成人糖尿病患者(2.4 億人)未被確診，在中國(guó)這個(gè)比例達(dá)到51.7%。

糖尿病導(dǎo)致的死亡率，在20-29歲年齡區(qū)間很低，30-59歲略有增長(zhǎng)但基本平穩(wěn)，60歲死亡率開(kāi)始上升，在70-79歲這個(gè)區(qū)間死亡率特別高，女性比男性大很多。全球老齡化越來(lái)越快，老年人群的健康開(kāi)始引起關(guān)注。糖尿病屬于很難治愈的疾病，很多死亡都是因?yàn)椴l(fā)癥導(dǎo)致的，患者為了控制好并發(fā)癥必須做好糖尿病的管理，必須要了解自身的健康指標(biāo)。

連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)是糖尿病管理中的關(guān)鍵，其結(jié)果有助于評(píng)估糖尿病患者糖代謝紊亂的程度，制定合理的降糖方案，反映降糖治療的效果并知道治療方案的調(diào)整。

針對(duì)糖尿病的血糖監(jiān)測(cè)儀已經(jīng)發(fā)展了很多代。目前的第三代連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)，是通過(guò)將葡萄糖傳感器注入到患者的手臂或腹部等部位，獲取血糖濃度信息，并將其傳輸?shù)揭苿?dòng)接收端。

而第四代血糖儀，毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)是無(wú)創(chuàng)連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。它能避免有創(chuàng)的痛苦和感染風(fēng)險(xiǎn)，而且是連續(xù)監(jiān)測(cè)。

新型無(wú)創(chuàng)血糖傳感的研究進(jìn)展

中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員聶澤東現(xiàn)場(chǎng)為大家分享了新型無(wú)創(chuàng)血糖傳感技術(shù)，以及可穿戴場(chǎng)景下血糖監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀，可以依據(jù)哪些人體特征的來(lái)檢測(cè)血糖?

(1)呼吸氣體—丙酮

人體呼吸中的丙酮濃度與許多疾病有關(guān)，例如哮喘、肺癌和糖尿病。很多研究者做過(guò)相關(guān)的研究，丙酮里面的葡萄糖分子和體內(nèi)的葡萄糖分子有一定的相關(guān)性。聶澤東分享了一篇科研進(jìn)展內(nèi)容，人體的呼氣體進(jìn)入包含11種丙酮傳感器的盒子，實(shí)現(xiàn)對(duì)糖尿病的篩查。

(2)代謝熱

基于代謝熱原理的無(wú)創(chuàng)血糖儀，通過(guò)溫度傳感器、紅外傳感器、光學(xué)測(cè)量等裝置獲取人體代謝產(chǎn)生的熱量、血液流速等的數(shù)據(jù)，然后計(jì)算出血糖濃度的數(shù)值。代謝熱的核心觀點(diǎn)是認(rèn)為人體的熱是平衡的，也就是說(shuō)產(chǎn)生的熱和散發(fā)的熱是平衡的，如果知道散發(fā)的熱和其中產(chǎn)生熱的因素，那就可以把葡萄糖的血糖算出來(lái)。目前市面上已經(jīng)有相關(guān)的產(chǎn)品銷(xiāo)售。

(3)唾液、眼里、尿液

基于唾液的方式是一種無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)。有研究者的論文中，將血糖傳感器集成在牙套上檢測(cè)血糖的濃度，這里面實(shí)際上檢測(cè)的是葡萄糖氧化酶。另一種方法是通過(guò)化學(xué)試劑條檢測(cè)，通過(guò)手機(jī)拍照實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別。

另外，還有在鼻梁上放置一個(gè)傳感器，通過(guò)吸取眼淚檢測(cè)，這個(gè)方法的問(wèn)題在于眼淚是刺激出來(lái)的。此外，還有研究是在紙尿褲加上傳感器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，人體喝水之后的數(shù)值會(huì)有變化，這是該方法的最大問(wèn)題。

(4)心電信號(hào)

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所微創(chuàng)中心聶澤東研究員團(tuán)隊(duì)，針對(duì)采用心電信號(hào)進(jìn)行無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)的研究做了很多工作。

圖1：血糖變化與人體主要器官的相互影響(圖源：中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院官網(wǎng))

人體生理信號(hào)例如心電變化與血糖水平存在相關(guān)性?？紤]到心電信號(hào)可通過(guò)可穿戴設(shè)備獲取，具有無(wú)創(chuàng)、便捷、舒適等優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)提出了基于心電的無(wú)創(chuàng)血糖水平分段監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)采用片段心電心跳波形，設(shè)計(jì)一種基于DBSCAN-CNN算法進(jìn)行血糖水平監(jiān)測(cè)(圖2)。相關(guān)結(jié)果表明，其低血糖、高血糖監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度分別為87.94%和86.39%，平均準(zhǔn)確率為81.69%。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)采用Grad-CAM方法可視化了心電特征與血糖變化的相關(guān)性，揭示了與血糖水平變化關(guān)聯(lián)的心電信號(hào)MARK點(diǎn)(圖3)。

圖2 基于DBSCAN-CNN的無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)算法框架(圖源：中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院官網(wǎng))

圖3 與不同血糖水平相關(guān)的心電重要特征可視化(圖源：中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院官網(wǎng))

另一條路線是基于ECG的無(wú)創(chuàng)HbA1c(糖化血紅蛋白)檢測(cè)方法，并設(shè)計(jì)一種基于多片段融合和自適應(yīng)權(quán)重(CNN-MFVW)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確度為90.15%，AUC值為0.9899。

圖4：生理信號(hào)的時(shí)空特征挖掘和多模態(tài)分類算法框架(圖源：中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院官網(wǎng))

此外還有，通過(guò)建立可穿戴生理信號(hào)與血糖波動(dòng)的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)一種無(wú)創(chuàng)的血糖波動(dòng)檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)糖尿病前期的篩查，結(jié)果表明采用融合ECG和EEG信號(hào)的算法的糖尿病前期篩查精度達(dá)到95.0%。

聶澤東還介紹了當(dāng)前傳感方面的研究進(jìn)展，例如，光聲探測(cè)、NIR-近紅外、PPG等的最新研究成果。聶澤東表示，射頻傳感在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很大的潛力，不同頻率下生物組織具有不同的相對(duì)介電常數(shù)與極化特性，不同頻率下電磁波具有不同組織穿透特性，可以做很多生理參數(shù)的檢測(cè)。

最后，聶澤東總結(jié)了目前無(wú)創(chuàng)血糖的難點(diǎn)，一是體內(nèi)/體表標(biāo)志物和血糖的關(guān)聯(lián)性，無(wú)論是唾液、尿液都存在有這樣的問(wèn)題，這些問(wèn)題不解決也就很難真正做到無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)。其次，對(duì)于傳感技術(shù)的挑戰(zhàn)，從體內(nèi)到體表監(jiān)測(cè)的過(guò)程中有很多響應(yīng)的過(guò)程，不僅僅是葡萄糖，怎么去除一些干擾數(shù)據(jù)是非常大的課題，也是比較難的地方。還有一個(gè)挑戰(zhàn)是在于AI，對(duì)于健康檢測(cè)監(jiān)測(cè)，AI能否解決數(shù)據(jù)、個(gè)性化等問(wèn)題是需要探討的。