可穿戴柔性连续动态血糖监测技术发展与挑战

刘宇轩，曹 超

（山东大学 微电子学院，山东 济南 250101）

0 引言

我国是世界范围内糖尿病人口最多的国家，患病率高达10.9%，算上诊断率和糖尿糖前期的比例，我国有超过一半的人口目前或未来会受到糖尿病的困扰。随着我国老龄化社会加剧，60 岁以上的患者将高达80%，每年超过100 万患者死于糖尿病相关疾病[1]；我国糖尿病患者呈现出三高三低的特点，即：发病率高、知晓率低；危害性高，治疗率低；增长率高，控制率低。糖尿病的监测与防治，目前已经成为关系国计民生的战略问题[2-3]。近年来国家出台了一系列相关的政策和文件，如《“健康中国2030”规划纲要》等，来促进和强化糖尿病等慢病的筛查与管理，加强风险评估[4]。

1 血糖检测与动态血糖监测的需求

当前，糖尿病常用的检测手段包括空腹血糖检测（Fasting Plasma Glucose,FPG），糖化血红蛋白检测（Hemoglobin A1c,HbA1c），口服葡萄糖耐量试验（Oral Glucose Tolerance Test,OGTT）等。但是上述方法均为有创检测，会引起疼痛、易引发感染，且为单点检测，无法实现血糖的连续动态监测，不能全面、准确地反映患者全天候的血糖动态变化规律，据此用药治疗具有较高的片面性[5]。图1 形象地展示了一天内人体血糖浓度随时间的变化情况，单点采样检测的时机非常难以把握。要在日常生活中的血糖波动中把握干预的时机，就需要进行高频次的精准血糖监测。

图1 典型的一日内血糖波动图

为了克服现有技术的这些不足，近年来微创、植入式、甚至完全无创的穿戴式动态监测技术成为血糖检测领域的研究和市场热点。众多国内外企业及科研团队，开展了一系列针对连续动态血糖监测（Continuous Glucose Monitoring,CGM）技术的创新性研究。CGM 技术的不断发展，是推进和强化糖尿病等慢病的筛查与管理的重要手段。

2 动态血糖监测技术分类

当前主要的CGM 技术，按照是否对人体造成创伤，可以分为微创式CGM、全植入式CGM 和无创式CGM；按照检测原理的不同，又可以分为光谱测量法CGM、生物电阻抗法CGM、能量代谢法CGM 等。这些方法，通过直接测量血液中的葡萄糖含量，或者是测量血液替代物，如组织间液、汗液、泪液等人体体液中检测葡萄糖含量，或者是检测相关体征信息，并通过相关算法换算成血糖的浓度。在这些方法中，可穿戴柔性血糖监测技术由于灵敏度高、制备方法灵活、成本低、生物兼容性好而受到广泛的关注。本文针对近年来可穿戴柔性血糖监测技术的最新进展进行了总结与分析，并对该领域存在的挑战及未来发展趋势进行了讨论[6-7]。表1 列举了目前科研及临床领域常见的几种血糖监测技术及相关产品。

表1 血糖监测方法分类、代表性技术及其各自优势与不足的分析

CGM 的最理想情形是实现对动态血糖的完全无创监测。研究人员通过光学、电学等不同的方式，对组织间液、泪液、玻璃体液、尿液或汗液等不同体液中葡萄糖浓度的检测来测定血糖浓度。然而，总体来说目前无创血糖检测技术的准确性和可靠性尚需进一步提高，目前尚无一款真正的“无创”CGM 产品实现大规模临床应用。全植入式的CGM 技术多基于物质平衡原理的荧光检测技术，其中多数荧光素具有一定毒性，且普遍存在传感器结构复杂、尺寸大等不足，设计及制造上难度较大；同时，当前全植入式血糖检测设备的“植入”和“取出”都比较困难，需专业人员进行手术操作，这类技术仍处于实验室研究状态。

在微创血糖检测方面，通过微针或微针阵列，采集皮下组织液替代血液是当前的一大发展方向，也是目前唯一获得美国FDA 以及中国NMPA 认证的CGM 技术。因此，通过引入新材料、新结构和新原理，研发高灵敏度、高可靠性、长寿命的微创、植入式、甚至完全无创的CGM 技术，是解决当前广大糖尿病患者和临床医生迫切需求的必由之路。

3 微创型可穿戴柔性CGM 技术进展

3.1 硬质微针血糖监测技术

为了减小传统指血法给患者带来的痛苦，基于微针阵列的传感器由于其微创性、较高的灵敏度和连续动态监测的优势，最先实现了CGM 的临床应用。美国德康公司的Dexcom G 系列、雅培公司的瞬感系列CGM 产品以及美敦力公司的CGMS Gold 系列等是较早获得医疗器械注册证，并应用于临床的CGM 产品。在国内，不少医疗器械公司，也推出了国产的CGM 产品，包括三诺生物公司推出的第三代“三诺爱看”CGM，鱼跃医疗推出的“安耐糖”CGM 产品等。该类产品一般由两部分组成：插入皮下的葡萄糖传感器微针，以及位于体外（一般是手上臂或腹部等部位）的可穿戴主机。通过葡萄糖传感器检测组织间液中的葡萄糖含量，并通过相应算法转换为血糖浓度，数据可通过低功耗蓝牙、近场通讯等无线通信技术，上传至手机APP 及数据库等。表2 列出了几种国内外代表性的微创CGM 产品。

表2 典型进口与国产微创CGM 产品

但是由于人体皮肤及肌肉均为柔性的特点，硬质微针插入人体后，在人体活动过程中，有可能发生葡萄糖传感器与人体的贴合不够紧密的问题，导致测量误差增大；另一方面，由于硬质微针与人体之间持续的相对运动，还有可能造成人体组织损伤、传感器寿命降低等问题。

3.2 软质微针血糖监测技术

柔性材料由于具有良好延展性，能够与人体皮肤组织完美贴合。基于柔性材料研制的可穿戴柔性CGM 产品具有轻便、穿戴舒适、精确度高等优点，在解决现有硬质微针的局限性方面体现出较大优势[18-20]。

中山大学微电子学院谢曦、陈惠琄课题组基于平面微针片组装成三维微针阵列的制造策略，开发了一种用于连续实时检测皮下离子的微针传感阵列集成系统，如图2 所示，图中，（a）为微针电极荧光图像，（b）为施加在猪皮上的微针电极荧光图像，（c）为微针电极实验设置示意图，（d）为离子感应微针电极对不同浓度的Ca2+、K+和Na 的线性响应的图。该系统基于组装平面微针片以形成3D 微针阵列的制造策略，通过组装通过激光微加工制造的平面微针片，解决了制备具有多个电极通道的3D 微针结构的局限性，避免了将紧密间隔的微针尖端修饰成不同功能化类型的电极的技术挑战[21]。Samant 等提出了一种可穿戴微针阵列传感器，用于连续测量真皮组织间液中的葡萄糖浓度反应人体血糖水平[22]。Zhao 等设计了一款能够通过蚕丝与D-山梨糖醇的比例来控制断裂强度进而保证微针渗透到皮肤中的用于进行连续血糖监测的微针的电化学生物传感器，这种新型微针生物传感器在实际应用中是一种很有前景的可穿戴微创CGM 技术[23]。

图2 用于连续实时检测皮下离子的微针传感阵列集成系统

4 无创型可穿戴柔性CGM 技术进展

微创型CGM 技术的应用，极大地降低了传统的指尖采血或静脉采血检测技术给用户造成的创伤，降低了生理及心理的影响，同时将“点检测”升级为“连续动态监测”。虽然是微创，该类CGM 技术依然需要在体内插入微针，造成一定程度的侵害，并存在一定的感染风险[24]。为此，研究人员正在研究无创型的CGM 技术。

无创型的CGM 技术，根据其工作原理的不同，主要包括光学无创CGM 技术、电化学无创型CGM 技术和基于能量代谢守恒原理的无创CGM 技术[11]。无创型的CGM 技术完全避免了对患者的创伤，解除了患者天然的畏惧与排斥心理，可以提升使用的长期依从性，消除了潜在的感染风险[25]。

4.1 基于光学原理的无创CGM 技术

基于光学原理的无创CGM 技术主要形式是通过特定波长的光源照射人体组织特定区域，并检测照亮区域的光谱，根据光谱特征峰值的变化，计算血糖的浓度信息。由于只需要光学照明和检测，可以做到完全无接触的无创物理检测，不存在检测样本污染检测探头等问题，适合于较为长期的监测，是可穿戴CGM 技术的理想形式之一。目前常见的无创光学CGM 技术[24]主要包括中、近红外光谱法[26-27]，拉曼光谱法[28]，光声光谱法等。

Yu 等采用近红外光谱法，在对采集的原始光谱进行预处理后，比较了群智能算法（Swarm Intelligence,SI）和遗传算法（Genetic Algorithm,GA）两种不同的特征提取算法，在此基础上，建立了偏最小二乘（Partial Least Squares,PLS）和极限学习机（Extreme Learning Machines,ELM）两种定量预测模型，并使用模型转移方法TrAdaBoost 来提高模型的准确性和稳定性[29]。实验结果表明，采用近红外光谱仪结合机器学习和化学计量方法的计算模型可实现对血糖浓度的较准确测量。

虽然近红外光谱技术拥有诸多优点，但是对于人体这样的复杂系统，影响血液中的葡萄糖含量的因素众多，葡萄糖的吸收峰强度很小且可能存在谱峰的偏移，由于人体的生理背景和测量中的环境背景复杂多变，仅通过近红外光谱信号进行葡萄糖吸收峰的鉴别具有较大的技术挑战。另外，由于多种组织成分可能在同一波长位置存在重叠的吸收峰，单纯地通过吸收峰来验证葡萄糖的特异性的准确性较低[30]。

拉曼光谱技术是另一种使用较广泛的无创CGM 技术[31]。如图3 所示，Pandy 等提出了一系列方法解决了使用拉曼光谱准确测量血糖的关键挑战，引入了非成像光学元件来解决自发拉曼散射强度较弱的问题；此外还将传质建模引入化学计量算法，解决了实际血糖和测量的间质液葡萄糖值之间的生理滞后问题，为低血糖的预测测量提供了工具[32]。同时该计算模型可被扩展以提供葡萄糖浓度的纵向跟踪，不需要广泛的先验浓度信息，并能够解释皮肤异质性和红细胞比容水平的受试者间变化。为解决微血管中的葡萄糖渗透到间质液中的生理过程的时间延迟所导致的测量误差，Li 等将激光直接聚焦在人类甲襞浅层的微血管上，并获得了具有多个血液特征峰的拉曼光谱。通过结合主成分分析（Principle Component Analysis,PCA）和反向传播人工神经网络（Back Propagation Artificial Neural Networks,BPANN）的多元方法，得到了在临床相关范围内进行可接受的血糖预测值，该成果验证了通过拉曼光谱检测微血管中的血糖实现拉曼光谱无创CGM 技术的可行性[33]。

图3 基于拉曼光谱的经皮血糖检测示意图

但是当前拉曼光谱无创CGM 技术需要控制射入激光的强度以减小激光对人体的损害，同时激光在波长和强度上的不稳定性也会对血糖的测量造成影响[34]。此外基于该技术的CGM 产品往往包含可调谐激光器、光纤探针、光电探测器、数据采集与处理等模块，系统较复杂，难于集成与微型化，因此限制了其应用的进一步推广。

4.2 基于电化学原理的无创CGM 技术

基于电化学方法的无创CGM 技术主要是以泪液、尿液、汗液等外排体液中葡萄糖等物质为检测对象，通过离子电渗驱动主动诱导或者被动收集外排体液，检测体液分析中葡萄糖等物质含量，并根据与体内血糖含量的相关性，推测血糖变化情况，其中基于汗液检测的CGM 较多。根据体液取样方式，目前基于电化学方法的无创CGM 技术主要包括传感器直接贴附皮肤的柔性电化学传感技术和采用柔性微流控芯片进行样本采样并且多标志分区检测的柔性电化学传感技术。

直接贴附皮肤的柔性电化学传感技术是将可拉伸的贴片传感器黏贴到人的皮肤表面，从而对人体排出的汗液进行检测[35]。Lee 等开发出开发了一种基于贴片的可穿戴一次性血糖检测系统(图4)，用于进行非侵入式汗液葡萄糖监测。该系统主要采取贴片式一次性微型传感器设计，即使在较少量的汗液下也能进行汗液分析，并且能够通过汗液中的pH、温度和湿度传感的实时校正来修正汗液中葡萄糖水平[36]。其柔性基质的特点使其与皮肤保持较为紧密的接触，从而有效收集汗液，并在拉伸状态下仍然能够保持对汗液中葡萄糖检测的准确性与稳定性。

图4 基于贴片的可穿戴一次性血糖检测系统

为解决柔性电化学血糖传感器续航时间短等问题，2020 年Baghelani 等报道了一种基于微波平面谐振器技术的零功耗、高灵敏度的可穿戴葡萄糖监测传感器（如图5 所示）[37]。当待测组织液中葡萄糖浓度变化时，该微波传感器能在葡萄糖浓度的生理范围内较高精度的检测葡萄糖。由于基于被动收集外排体液的CGM 策略难以保证收集到足够的待测样本，Chen 等提出了一种通过离子电渗驱动主动诱导外排体液的无创CGM 技术（图6），该传感器由柔性的纸质电池贴片和超薄的生物传感器贴片组成，通过打破组织间液过滤和重吸收之间的平衡，从而促进动脉端的血管内血糖再过滤，减少静脉端的重吸收，导致更多的血管内血糖被排出血管，并被输送到皮肤表面，大大提高了汗液内糖分含量与血糖的相关性[38]。针对在皮肤拉伸状态下传感器的稳定性和准确度的问题，Hong 等开发了一种可拉伸并且能够与皮肤紧密贴合的电化学传感器（图7），用于检测汗液中的葡萄糖含量和pH 值[39]。通过将该可拉伸传感器与粘性硅弹性体封装在一起，形成了一个可附着在皮肤上的汗液传感器，并在潮湿的皮肤环境下也表现出和良好的粘附性，扩展了柔性血糖监测系统的应用范围。

图5 基于微波平面谐振器技术的可穿戴葡萄糖监测传感器

图6 血管内血糖监测的完全无创生物传感器

图7 基于银纳米线氯化法的可穿戴葡萄糖电化学传感器

另外，基于完全柔性血糖检测传感器的需求，Bandodkar 等提出了一种基于全打印临时纹身的无创CGM技术（图8）。该CGM 传感器作为首次将柔性电子纹身作为葡萄糖传感器，初步证明了基于纹身的离子电渗传感器平台在血糖监测方面的可行性，并且具备对间质液中其他生物分子进行监测的可扩展性[40]。体外研究表明，该传感器对葡萄糖监测具有较好的线性响应曲线，并能够在一定程度上抑制来自常见共存电活性物质的干扰，对血糖的监测具有较好的准确性和稳定性。

2021 年天津大学栗大超教授团队报道了一种基于柔性电子器件的表皮生物微流控CGM 技术（图9），该技术克服了目前可穿戴设备可靠性差的缺点[41]。该CGM传感器类似于创可贴，可以紧密地附着在皮肤表面，避免了由于器件和皮肤之间的相对运动导致的汗液提取失败以及所测量的血糖浓度准确性降低等问题。此外，该团队还提出了一种Na+传感器和校正模型来消除个体差异的影响，并设计了一种具有3D 纳米结构工作电极表面的电化学传感器，以实现精确的原位葡萄糖测量[41]。

图9 基于柔性电子器件的表皮生物微流控技术的血糖传感器预测结果对比图

为了进一步提升对样品液体的体积操控、反应过程操控的能力，也有团队提出采用柔性微流控技术进行汗液等体液的收集和预处理，再运输到电化学传感器电极进行检测的技术，这样能够被用于连续、快速、低成本和可靠的方式检测生物样品中的葡萄糖等各种生物标志物[42]。Xiao 等报告了一种基于微流控芯片的可穿戴比色血糖传感器，该装置由五个从中心分支出来的微流体通道组成，并连接到检测微腔，该传感器具有较高的精度，能够揭示禁食后汗液葡萄糖浓度和口服葡萄糖后汗液葡萄糖浓度之间存在的细微差异[43]。不过，虽然这类微流控技术的应用可以满足单次或者少数几次的样本采集，但对于长期观测来说，仍有进一步的技术升级空间。

为了提高血糖监测的准确度和稳定性，研究者还提出了多传感器集成，与多参数同步检测与融合分析的CGM 技术[44]。例如，Gao 等提出了一种用于多路原位汗液分析的机械柔性和集成式传感器阵列[45]，可以同时检测汗液代谢产物（如葡萄糖和乳酸）和电解质（如钠和钾离子），以及皮肤温度（以校准传感器的响应），并通过数据处理技术得到血糖信息。相较于单一检测葡萄糖的CGM 技术，该CGM 技术呈现出较好的准确性与稳定性。

4.3 基于能量代谢守恒的无创CGM 技术

基于能量代谢守恒技术的血糖监测系统通过计算人体热负荷，对外界做功，与外界发生热交换，如供给其他生化反应的其他途径四个部分的能量，将这些数据综合葡萄糖代谢所产生的总能量和血液中氧的供给水平从而得出血糖浓度[12]。

Zhu 等提出了一种代谢热构象法检测血糖浓度的原理，并建立了基于能量代谢守恒的血糖浓度检测数学模型（图10）。此外，该课题组还提出了一种计算身体代谢产热的方法，并设计了一种佩戴在手腕上的多传感器集成检测探头，用于获取多种生理参数。通过综合使用多元多项式回归和反向传播神经网络（Back Propagation Neural Networks,BPNN）两种机器学习算法，建立了预测血糖浓度的回归模型并通过实验证明了基于能量代谢守恒的无创血糖浓度检测的可行性[46]。

基于能量代谢守恒技术的血糖监测系统需要建立较复杂的数学模型，这需要传感器采集更多的人体生理数据，对传感器提出了更高的要求[47]。在一种数学模型中引入多种自变量无疑会导致更多的不确定性，产生更多的干扰因素。同时这种方法在使用前需要根据不同的使用者进行校准，使其难以得到广泛的应用。

5 可穿戴柔性CGM 技术存在的挑战

虽然如今可穿戴柔性CGM 技术已经取得了较大的进展，但是当前大部分工作仍然处在实验室研究阶段，尚未实现临床应用。这是由于当前可穿戴柔性CGM 技术在准确性、安全性、可靠性、适用性等方面尚存在诸多挑战，有待研究人员进一步优化与提高。

5.1 准确性

CGM 技术面临最大的挑战是准确性问题。当前除了基于微针的检测组织间液的CGM 技术呈现出较高的检测精度外，其他微创、无创型的CGM 技术普遍存在检测精度不高的问题。一方面，通过非接触方法直接测量血液中葡萄糖浓度，容易受到不同个体的状态（如运动状态、饮水/饮食、情绪等）的干扰，在体血糖监测的准确性不高；而采用检测汗液、泪液、尿液等血液替代物的CGM 技术中，由于所检测体液中的葡萄糖浓度与血液中真实的葡萄糖浓度之间的依存相关性仍有待明确，且易受到检测环境的影响，导致目前无创型CGM 技术大多尚处于实验室研究阶段，尚没有应用于临床的产品。一种可能的提升准确性的方法，是在物理器件层面采用更多的传感器，采集更多的体征参数，如心率、呼吸率、血压等，同时构建更完善的数学模型，从而间接得到更为准确的血糖数据。

5.2 安全可靠性

在CGM 的真实应用场景中，由于需要穿戴、甚至植入人体进行长期监测（例如连续工作14 天甚至更长），因此对CGM 产品的长期安全性提出了较高的要求。首先，需要确保其佩戴的安全性，比如对支撑物材质、电极材料等加以优化，确保长期佩戴（或植入）不会对人体产生毒副作用，这就需要预先进行较为长期和完整的体外研究与验证工作。另外，由于糖尿病患者主要集中于中老年群体，CGM 传感器的应用场景较为复杂多变，操作手法不够规范，因而对传感器的可靠性具有非常高的要求。这就要求研究人员加强可穿戴柔性CGM 技术的安全性与可靠性评估，以降低柔性血糖传感器的使用风险[48]。例如采用柔性材料替代了原有的刚性电路板，导致在日常使用中的复杂形变（如大角度扭转）不会引发断裂风险。同时由于此类传感器是实现连续动态监测，长时间的监测过程中将长时间与人体的接触，人体的体液对柔性电子设备产生侵蚀而引起其电学性能下降、传感精度降低、传感器内容物流出、漏电等潜在风险都需要充分考虑与深入研究。

5.3 适用性

由于CGM 产品的主要用户是缺少专业技能的患者等个人用户，且以中老年人群体为主，这就对CGM 产品的易用性、使用成本等提出了较高的要求。同时，为了实现长时间连续监测，对CGM 产品的功耗亦提出了较高的要求[49]。基于CGM 的功耗要求，除电池供电外，研究人员也在研究其他新型的功能方式。Yu 等开发了一款基于碳纤维的柔性锌碳电池，并在弯曲测试中没有表现出任何容量损失，拥有较好的延展性和灵活性，能够作为柔性传感器的备选电源之一[50]。Cao 等通过模拟普通EMG 的结构设计了一种旋转套筒摩擦电-电磁混合纳米发电机，能够将环境机械能高效地转换为电能，该纳米发电机独特的结构和高输出性能，有望能在可穿戴无创柔性血糖监测系统中得到应用[51]。Wei 等提出的基于TENG 的高性能葡萄糖传感器，采用Ti3C2Tx（MXene）/氧化石墨烯（Graphene Oxide,GO）复合电极高性能摩擦电纳米发电机供电。这些一体式自供电葡萄糖传感系统为可穿戴传感器功能提供了新的解决思路[52]。

6 结束语

随着生物传感的不断发展，CGM 技术取得了长足的进步。当前基于微针的微创型CGM 技术已经获得了医疗器械认证，实现了临床应用。但是大部分可穿戴柔性CGM 技术由于受到传感原理的局限，其精确性和可靠性目前普遍不高，大部分尚处于实验性研究阶段。因此亟需科研领域和相关医疗装备企业共同努力，进一步发展和完善穿戴柔性血糖传感系统技术，为我国广大糖尿病患者的糖尿病管理提供有力工具[53]。