一种采用缺陷地面结构并结合人工智能的微波传感器用于无创血糖监测

为什么无痛测糖很重要

对于数以百万计的糖尿病患者来说，将血糖维持在安全范围内意味着每天要用指尖采血好几次。随着时间推移，疼痛、不便和费用会让很多人比医生建议的更少检测，这会增加失明、神经损伤和心脏病的风险。本研究探讨了一种截然不同的方法：一种小型电子贴片，通过温和的无线电波从体外读取血糖，而不使用针头。如果此类传感器在真实皮肤上证明准确，它们可能把血糖检测变成像刷卡一样简单的操作。

带有特殊图案的微小天线

这项工作的核心是一枚约拇指大小的平面金属天线，呈六边形，调谐用于在4–5 GHz范围内发送和接收微波信号。该设备不是向皮肤照射光，而是使用类似于Wi‑Fi的低功率无线电波，但经精确控制，远低于安全限值。当手指放在贴片上时，一部分能量进入皮肤、脂肪和血液层，然后返回天线。天线在某一频率上“共振”的强弱取决于这些组织的电学特性，而这些特性又受到血液中溶解糖分多少的影响。

把混沌变为感测优势

设计中最不寻常的部分隐藏在天线的背面。团队没有采用实心金属背板，而是雕刻出一种迷宫般的图案，灵感来自被称为Duffing混沌吸引子的数学系统。这种复杂布局迫使电流沿着长且曲折的路径流动，储存更多能量并将无线电场集中在手指接触传感器的区域。测试和计算机模拟显示，这种“混沌”背板使天线的谐振更为尖锐，就像收紧乐器的弦一样，使其对附近组织微小性质变化的响应明显优于传统的无图案金属板。

在实验室构建逼真的手指模型

由于直接在人体上开展实验既困难又有风险，研究者先制作了一个人体指尖的替代物。他们用水、明胶、盐、油和洗涤剂的混合物铸造成模拟皮肤和脂肪的固体层，按配方匹配真实组织与微波的相互作用。作为“血液”层，他们制备了含不同葡萄糖含量的水溶液，以代表低、正常和偏高的血糖。这三层叠放在一起并压在天线上，同时在温度和测量条件上保持严格一致。

糖分如何改变信号

当假手指就位时，天线的主谐振相比在空气中的表现向更高频率移动。更重要的是，当团队将葡萄糖浓度从50升至200 mg/dL——覆盖低危、日常目标和在控制不佳的糖尿病中常见的高值——谐振频率呈单调方向变化。更高的糖水平对应明显更高的谐振频率，以及天线响应锐度的轻微变化。通过跟踪这些偏移，研究者计算出设备的信号平均每变化1 mg/dL血糖，频率约变化0.95 MHz，并且在所测范围内糖水平与频率之间存在强相关的数学关系。

这对日常生活可能意味着什么

研究表明，一种紧凑的微波天线，配以精心设计的受混沌启发的金属图案，能够在逼真的手指模型中可靠地区分低、正常和高血糖水平，且无需破皮。组织吸收的射频能量远低于国际安全限值，传感器在实验室的表现也与计算机预测高度一致。尽管实际应用还需进一步工作——例如补偿体温、运动与其他血液成分的影响并进行志愿者测试——该工作为未来可穿戴设备奠定了基础，未来人们或许只需将手指放在贴片上就能检测血糖，从而免去无数次扎针。

引用: Tekşen, F.A., Aygül, S., Çolak, B. et al. A novel AI-enhanced microwave sensor employing defected ground structure for non-invasive glucose monitoring. Sci Rep 16, 9943 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40171-9

关键词: 无创血糖监测, 微波传感器, 可穿戴糖尿病技术, 血糖感测, 基于天线的生物传感器