根據世界衛生組織（WHO）的數據，全世界有超過4.22億人患有糖尿病。這直接或通過引起繼發性健康問題，每年導致數百萬人死亡。為了管理糖尿病，患者需要全天密切監測自己的血糖水平。不幸的是，目前的主要血糖測量方法是侵入性的，需要血液樣本來準確確定血糖水平。為此，人們付出了巨大努力來降低血糖監測的侵入性（通過大幅減少采血量以及將采血部位更換到對疼痛不太敏感的部位）。
據麥姆斯咨詢報道，近日，雅典國家技術大學（National Technical University of Athens）的研究人員利用飛行時間（ToF）技術開發了一種用于測量樣品中葡萄糖水平的新型低成本傳感器。該傳感器由現成的商用組件構成，利用葡萄糖分子對光的散射，通過測量穿過樣品傳播的光信號的相移來確定濃度變化。實驗驗證證明了這種方法的可行性，將葡萄糖濃度與波長為850 nm的光散射效應相關聯。該技術為傳統葡萄糖監測方法提供了一種經濟高效、無創無痛的替代方案，可應用于連續血糖監測系統，通過減少患者不適和提高監測精度來改善糖尿病管理。不過，仍然需要進一步優化傳感器參數和擴展測試。相關研究成果以“Non-Invasive Glucose Measurement Technique Based on Time-of-Flight”為題發表在Applied Sciences期刊上。
所提出的傳感器基于光穿過含有葡萄糖的樣品時ToF變化的測量。實驗裝置包括一個基于商用組件定制設計的傳感器、一個樣品支架和一個3D打印適配器。該傳感器圍繞德州儀器OPT8320 IC構建，該IC利用基于相位的ToF方法來測量距離。選擇850 nm波長是因為傳感器的峰值透射率在850 nm處，并且位于組織光學窗口內，允許最佳的光穿透。此外，葡萄糖濃度會顯著影響該波長范圍內的散射。
所開發的實驗裝置
在對傳感器操作進行初步驗證后，研究人員使用開發的傳感器對全部樣品進行測量。初始結果與預期不符，表明樣品中的葡萄糖濃度并非所預期的那樣。這導致需要重新制備樣品，并使用實驗室儀器進行驗證。然后根據測量的葡萄糖濃度重新標記樣品。最終測量結果如下圖所示。
樣品中不同葡萄糖濃度的平均傳感器輸出（接收信號的相位）與傳感器像素的關系
樣品中不同葡萄糖濃度的平均傳感器輸出（接收信號的幅度）與傳感器像素的關系
為了將測量值與實際葡萄糖值相關聯，移動平均窗口增加到4000個樣品。下圖顯示了所接收數據的平均值與濃度的關系圖。僅在傳感器測量中添加了誤差線——樣品的葡萄糖濃度是用現有的認證傳感器驗證的。嘗試進行初始線性擬合——選擇多項式次數，以達到R2 > 0.95。因此，針對振幅數據和相位數據都選擇了一次多項式。
不同葡萄糖濃度的平均傳感器輸出（相位通道）
不同葡萄糖濃度的平均傳感器輸出（振幅通道）
不同葡萄糖濃度的平均傳感器輸出（相位通道按振幅通道縮放）
總而言之，基于光學性質的變化，所開發的傳感方法在水溶液中葡萄糖測量方面顯示出前景。該傳感器允許使用相對便宜的現成商用組件，根據光通過樣品的飛行時間（ToF）變化來檢測葡萄糖濃度變化。該傳感器的實驗結果顯示了測量值與樣品葡萄糖濃度之間的相關性。誤差范圍相對較高，但通過進一步微調不同的傳感器變量和電路設計，應該可以改善這些誤差。研究人員認為開發的傳感器位于TRL3（技術成熟度等級3）——該傳感器在研究環境中展示了基本功能；然而，還需要進一步的研究。
該TRL3傳感器的未來工作應從實驗設計開始，將體外和體內測試階段結合起來，并與基準設備進行直接比較。在傳感器參數達到明確的狀態后，實驗應擴展到包括活體生物標本或人類受試者（如適用），以最終觀察傳感器在生物基質中的行為，并揭示其它生物材料、響應時間變化和其它傳感器-材料相互作用的潛在影響。
論文信息：
https://www.mdpi.com/2076-3417/14/24/11602
