综述：基于电磁超表面的射频传感技术在精准无创血糖检测中的应用：最新进展综述

《Measurement》：Electromagnetic Metasurface-Enabled RF sensing for accurate Non-Invasive glucose Measurements: Recent advances review

　　摘要：由于葡萄糖在生物组织中的电磁响应较弱，加之水分、温度、运动以及解剖结构差异等干扰因素的影响，无创血糖监测在糖尿病管理中仍面临重大挑战。近年来，电磁超表面作为一种极具潜力的技术平台逐渐受到重视，它通过亚波长级场约束和强化的近场相互作用，提升了射频及微波血糖传感器的灵敏度。本综述从物理角度对基于超表面的射频血糖传感技术进行了全面分析，不同于传统以几何结构为聚焦点的研究，它系统地阐述了电磁相互作用机制与传感性能之间的关系。文中探讨了介电色散、水动力学以及近场传感原理等基础问题，同时介绍了超表面设计策略、测量架构、信号处理技术以及可穿戴实现方案。通过与现有的射频、光学和电化学血糖传感技术相比，对这些方法的优点与局限性进行了深入评估。此外，还讨论了校准、个体间差异、长期稳定性以及临床验证等关键问题。通过将传感物理原理与实际工程考量相结合，本文为开发可靠、可穿戴且具有临床应用价值的无创血糖监测系统提供了清晰的框架并指出了未来的研究方向。

引言：糖尿病仍是全球范围内最为常见的慢性疾病之一，有效的血糖调控对于预防急性和慢性并发症至关重要[1]、[2]。尽管在治疗方法上取得了显著进展，但血糖监测技术的进步相对缓慢[3]。目前临床实践仍然依赖侵入性或微创技术，而这些技术往往伴随着不适感、感染风险、校准需求以及患者依从性降低等问题[4]、[5]。这些限制促使人们持续研究无创血糖监测方法[6]。在过去的二十年里，人们已经研究了多种无创血糖监测技术，包括电化学、光学、热学以及电磁学方法[7]。电化学方法虽然灵敏度较高，但通常需要与生物液体直接接触；不过，近年来利用量子点及贵金属纳米材料制成的纳米结构电极大大提升了其分析性能和检测灵敏度[8]、[9]。相比之下，光学方法具有出色的分子特异性，但会受到组织散射和穿透深度有限的影响。因此，每种技术都有其独特的优缺点，这促使人们不断探索其他传感方法。其中，射频和微波传感因能够以非接触或最小侵入的方式探测深层组织而重新受到关注[10]、[11]、[12]、[13]。与仅能作用于表面的技术不同，射频方法通过利用生物组织的介电特性，借助电磁扰动间接检测葡萄糖浓度[14]、[15]、[16]、[17]。在射频和微波频率下，与葡萄糖相关的变化表现为生物组织复介电常数的微小变化，这类变化主要受偶极弛豫以及结合水分子与自由水分子之间的相互作用所支配[18]、[19]。然而，这类介电变化本身就很微弱，常常被温度波动、水分含量、组织异质性以及运动引起的伪影等更强的干扰因素所掩盖[20]、[21]、[22]。因此，目前基于平面谐振器、传输线或腔体扰动技术的传统射频血糖传感器，在实现足够的灵敏度、选择性和重复性方面一直面临诸多挑战，难以满足实际应用需求[23]、[24]。此外，其场约束能力有限、结构较为笨重，且依赖于高品质因数谐振，这些都进一步限制了它们在微型化及可穿戴设备中的应用[25]、[26]、[27]。最近，电磁超表面的发展为解决这些难题提供了新的途径[28]、[29]。超表面是由超薄的亚波长结构组成，这些结构包含谐振或准谐振元件，能够精确控制近场分布、表面阻抗以及波与物质的相互作用[30]、[31]、[32]。通过将电磁能量集中到传感器与组织界面处的高度局部化区域，这类结构能够提升对与生理性葡萄糖变化相关的微小介电扰动的敏感度[33]、[34]、[35]。值得注意的是，这样的改进可以在平面且轻量级的结构中实现，而且这类结构与常规制造工艺兼容，因此非常适合用于可穿戴及表皮传感应用[36]、[37]。除了结构上的优势外，基于超表面的传感器还引入了新的传感机制，超越了传统设计的设计范畴[38]。通过可控的场定位、对称性破缺、各向异性响应以及人工设计的表面谐振，这类传感器能够更高效地将葡萄糖引起的介电变化转化为频率、相位或幅度的可测量变化，且通常具有更好的信噪比[39]、[40]。此外，超表面还可以支持可重构、多频段以及主动式传感平台，从而实现适应性探测和个性化校准策略，而这类功能在传统微波传感器中很难实现[41]、[42]。尽管在这一领域的研究日益增多，但现有的综述文章仍然零散，缺乏统一的视角[13]。许多研究仅对无创血糖监测技术进行一般性概述，未能详细探讨其背后的电磁机制；而另一些研究则主要侧重于列举传感器几何结构，未涉及基于超表面的场工程所带来的功能优势[5]、[43]、[44]、[45]。因此，诸如近场与远场传感的区别、穿透深度与分辨率的权衡、水介质对介电行为的影响、系统级探测方法以及迈向临床应用的路径等重要问题往往得不到充分研究[46]。此外，包括机器学习辅助分析、可穿戴超表面平台、安全问题以及数据相关挑战在内的新兴话题也很少被整合在一个统一的框架之中[47]、[48]、[49]。在此背景下，本综述从物理角度对基于超表面的射频无创血糖监测技术进行了全面阐述。与仅关注器件几何结构的不同，本综述着重探讨了决定传感性能的电磁相互作用机制、超表面设计策略以及系统级考虑因素。此外，还特别关注了一些较少被研究的领域，如含葡萄糖组织的介电色散、近场穿透行为、交叉敏感性降低，以及与可穿戴传感相关的解剖学和监管方面的限制。通过整合电磁学、材料科学、信号处理以及生物医学验证等方面的研究成果，本文旨在为开发可靠、可穿戴且具有临床应用价值的无创血糖监测技术提供清晰的路径。

片段一：射频场与含葡萄糖生物介质的电磁相互作用：无创射频血糖监测是基于检测复杂生物组织内的微小介电变化。与侵入式的电化学方法不同，射频方法并不直接测量葡萄糖分子，而是响应介质的整体电磁行为，而这种行为受组织成分、水动力学以及频率依赖的极化机制的影响。因此，深入理解这些相互作用不仅对传感器设计至关重要……

片段二：超表面物理在超高灵敏度射频生物传感中的应用：电磁超表面通过改变电磁场的约束方式及其与生物介质的相互作用，为射频生物传感带来了显著变革。传统的微波谐振器由于其场分布范围达到波长级别，导致其对微小介电变化的敏感度较低。而超表面则利用亚波长结构产生高度局部化的电磁响应，从而大幅提升了灵敏度……

片段三：基于超表面的射频血糖传感器的分类：基于超表面的射频血糖监测技术发展迅速，出现了多种不同的设计，这些设计不仅在几何结构上存在差异，其在电磁行为、能量控制机制以及适应生理条件的能力方面也有区别。仅依据谐振器形状或制造方法对这些系统进行分类，难以准确了解它们的传感能力。相比之下，从物理角度出发进行分类，才能更有效地理解这些系统的功能……

片段四：测量架构与探测技术：虽然超表面设计决定了射频血糖传感器的固有灵敏度，但这些系统的最终性能和临床适用性在很大程度上取决于测量架构和探测策略。在实际应用中，能否可靠地提取出由葡萄糖引起的电磁特征，不仅取决于传感器设计，还取决于在真实生理条件下射频能量的发射、耦合以及处理方式。本节将探讨最常见的……

片段五：信号处理与数据解读策略：尽管超表面设计和测量架构决定了射频血糖传感器的物理灵敏度，但信号处理和数据解读才是决定是否能在真实生理条件下可靠获取葡萄糖相关信息的关键。实际上，由葡萄糖引起的电磁扰动通常比基线漂移、环境波动以及由温度、水分和运动引起的交叉敏感性要弱得多。因此，……

片段六：人机接口与解剖学考量：人机接口是无创射频血糖监测中最关键却又最缺乏标准化的一环。即便在受控条件下，超表面传感器具备较高的固有灵敏度，但在实际应用中，它们的性能最终仍取决于电磁场在运动、变形以及生理变化情况下与多层生物组织的相互作用。本节将探讨影响射频传感器性能的解剖学和生物力学因素……

片段七：可穿戴、柔性及纺织基超表面平台：将基于超表面的射频血糖传感器从实验室演示产品发展为可穿戴系统，意味着需要克服更多超出电磁性能范畴的约束。当这类传感器应用于人体时，必须能够承受机械变形、潮湿环境以及长时间与皮肤接触，同时还要保持稳定的电磁性能。本节将探讨柔性材料、贴合式集成以及纺织载体如何改变超表面传感器的性能……

片段八：校准、验证与临床转化面临的挑战：尽管在器件和系统层面，基于超表面的射频血糖监测技术已取得显著进展，但其临床转化仍然面临诸多限制。目前的障碍已不再仅仅与电磁灵敏度有关，还包括校准稳定性、生理变异、验证方法以及监管标准等方面的问题。现有研究采用了多种体外、离体以及体内评估方法，但这些方法往往在严格控制的条件下进行……

片段九：不同无创血糖监测技术的性能对比：由于各种无创血糖监测技术的传感机制、验证流程以及成熟度各不相同，对其进行性能对比本身就具有很大难度。不过，系统性的比较对于明确各项技术的实际性能范围、找出基于超表面的射频传感技术的优势以及尚未解决的缺陷具有重要意义。本节不会按最佳性能对各类技术进行排名，而是分析它们之间的相对发展趋势……

片段十：制造、可扩展性及集成方面的挑战：尽管基于超表面的射频血糖传感器在灵敏度和形态优势方面表现不俗，但它们要走向实际应用，仍面临着制造可扩展性、系统集成以及长期可靠性等方面的限制[14]、[32]、[184]。与那些仅为概念验证而设计的实验室原型不同，可用于实际应用的传感平台必须满足高重复性、低成本、高产量以及与现有数字健康系统良好兼容等严格要求……

片段十一：未来的研究方向与未解问题：尽管在基于超表面的射频无创血糖监测技术方面已取得一定进展，但仍有若干关键问题尚未解决。因此，未来的发展更有可能依赖于集成化及自适应传感方案，而非单纯提升灵敏度。一个很有前景的方向是采用多频段和多物理场融合的超表面传感技术。通过在不同频段下工作，这类系统能够探测不同的介电色散状态……

片段十二：伦理、隐私与数据安全问题：随着无创血糖监测系统向连续监测和可穿戴形式发展，伦理和社会问题与技术设计紧密相关。与那些间歇使用的传统诊断工具不同，连续工作的射频血糖传感器会生成长期的生理数据流，这些数据可能会暴露出敏感的健康和行为模式。因此，除了关注性能之外，还必须妥善处理数据安全、知情同意以及数据处理透明度等问题……

片段十三：结论与展望：本综述从物理角度对基于超表面的射频无创血糖监测技术进行了全面阐述。与那些主要关注传感器几何结构的传统综述不同，本综述着重强调了决定葡萄糖检测效果的基本电磁相互作用机制，包括介电色散、水介质效应、近场耦合以及超表面带来的场定位效应。此外，本文还提出了基于谐振特性的结构化分类体系……

作者贡献说明：Tanya Sood：撰写原始稿件、验证、资源整理、方法设计；Pawan Kumar：参与稿件审阅与编辑、项目监督、项目管理、正式分析；Rohit Jasrotia：参与稿件审阅与编辑、资源整理、方法设计、资金申请、数据整理；Suman：无具体贡献说明；Abhishek Kandwal：参与稿件审阅与编辑、项目监督、项目管理、实验研究、正式分析、概念构思。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了西安外国语大学科研发展基金项目（RDF-24-02-004）的支持。

Tanya Sood | Pawan Kumar | Rohit Jasrotia | Suman | Abhishek Kandwal