《Electronics》：A Dual-Form Spiral-like Microwave Sensor for Non-Invasive Glucose Monitoring: From Planar Design to Wearable Implementation
Zaid A. Abdul Hassain,
Malik J. Farhan and
Taha A. Elwi
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本文提出了一种基于共面波导馈电的平面螺旋状多频微波传感器，并通过嵌套同心环结构支持多个谐振模式，建立了全电磁模型以解析预测谐振行为。该传感器在多个频率上展现出高血糖灵敏度，并通过结构优化转换为适合手指包裹的半圆柱柔性形式，在机械形变下仍保持谐振并增强与生物组织的近场交互。结合物理信息深度学习框架，显著提升了预测精度，为无创、多频、被动式连续血糖监测提供了可靠平台。
糖尿病作为一种慢性代谢疾病，其准确诊断与持续监测对于预防严重并发症至关重要。传统血糖监测技术主要依赖有创的指尖采血，这不仅给患者带来不适，也限制了频繁测量的可能性。因此，开发可靠的无创监测方法成为研究热点。尽管基于泪液、唾液、汗液和尿液等替代生物流体的早期方案避免了针刺，但这些体液中葡萄糖浓度远低于血液，导致信号可靠性降低，难以满足连续实时监测的需求。在此背景下，基于微波的传感技术因其能够以非接触或微创方式探测生物组织的介电特性而成为一种有前景的解决方案。由于血液的介电常数和电导率会随葡萄糖浓度发生细微变化，微波传感器可通过监测谐振频率、相位响应或散射参数的变化来检测血糖波动。然而，这些介电变化本身非常微小，因此需要具有高品质因数（Q factor）的高灵敏度谐振器结构来确保足够的光谱选择性和可测量的频率偏移。
为了应对单频带操作、灵敏度有限、刚性基底限制与生物曲面共形接触等问题，并实现多频带操作、高灵敏度、机械柔性与稳定近场耦合的集成平台，研究人员在《Electronics》期刊上发表了一项创新研究。他们提出了一种新型的、受分形几何启发的同心环结构，由共面波导（CPW）馈电，通过可控的同心环间电耦合支持多个谐振频率。与纯仿真驱动的方法不同，该研究引入了确定性几何公式来解析预测谐振频率并解释电流分布机制。全波仿真验证了多频带响应，并证实了该结构适用于传感和通信应用。为了进一步利用丰富的多频带电磁特性并解决实际传感环境中的非线性和测量变异性，研究还集成了物理信息深度学习框架。这种混合策略将电磁建模与数据驱动的优化相结合，增强了鲁棒性，并实现了对提取的微波特征的量化解释。
研究人员开展此项研究主要运用了以下几项关键技术方法：1. 传感器设计与电磁建模：基于共面波导馈电，设计了具有嵌套同心环的平面螺旋状几何结构，并建立了全电磁解析模型来预测其多频谐振行为，通过与计算机仿真技术（CST）的模拟结果对比进行验证。2. 结构优化与可穿戴转换：将平面传感器结构转换为半圆柱形柔性形式，以适应手指包裹，并研究其在机械形变下的共振保持能力和近场交互增强效果。3. 传感性能测试与数据分析：在多个谐振频率下测试传感器对不同葡萄糖浓度的反射系数变化，量化其灵敏度，并分析反射幅度与葡萄糖水平的相关性。4. 物理信息深度学习框架集成：利用该框架处理传感数据中的非线性和变异性，以提升血糖浓度预测的准确性和鲁棒性。
2. Proposed Sensor Geometry and Configuration （传感器几何结构与配置）
研究提出了一种分形启发的几何结构，由四个蚀刻在FR4介质基板上的同心金属环组成，并通过交替的上下互连形成螺旋状电流路径。该结构由CPW传输线馈电。通过公式推导，给出了各环半径的定义及其谐振频率的近似表达式，并引入了有效介电常数的计算公式。所有结构元件都具有明确的电磁功能：外环主导基本谐振，内环引入高次谐振模式，缝隙增强了电容灵敏度，CPW馈电则确保了有效的阻抗匹配和稳定的模式激励。
2.1. Design Rationale and Structural Evolution （设计原理与结构演进）
该结构并非任意选择，而是通过系统的电磁设计方法演化而来，旨在实现多频带操作、增强的场限制和改善的介电灵敏度。设计从耦合到CPW馈线的单环谐振器开始。引入了缝隙以增加电容负载和电场集中。随后，通过近场电容和电感耦合机制，加入了额外的同心环以产生多个谐振模式。环间间距经过优化以控制耦合强度，平衡模式分离并最小化辐射损耗。通过迭代的全波仿真，优化了几何参数以最大化传感区域内的场限制，同时保持稳定的谐振行为。
研究结果表明，所开发的电磁模型在四个谐振频率（2.7, 6.44, 8.0, 和 12.8 GHz）上与CST仿真结果达到了极好的一致性。传感器在多个频率上表现出高葡萄糖灵敏度，在10.1 GHz和6.22 GHz处的峰值分别达到0.05 dB/mg/dL和0.038 dB/mg/dL。为增强适形性和皮肤接触，天线被进一步转换为适合手指包裹的半圆柱柔性形式。尽管发生了机械形变，该结构仍保持了其谐振，同时提供了与生物组织增强的近场交互。折叠后的传感器在5.25 GHz处实现了0.032 dB/mg/dL的灵敏度和6.05 dB的峰值增益，验证了其用于可穿戴部署的鲁棒性。反射幅度与葡萄糖水平之间清晰的相关性（R > 0.99）证实了该传感器作为被动、多频带、无创血糖监测平台的潜力。
归纳研究的结论与讨论部分，此项工作展示了一种新型的同心环结构，其灵感来源于分形螺旋构型并由CPW馈电。所提出的架构通过同心环之间的受控电耦合支持多个谐振频率。与纯仿真驱动的方法不同，引入的确定性几何公式能够解析预测谐振频率并解释电流分布机制。全波仿真验证了多频带响应，并确认了该结构适用于传感和通信应用。为了进一步利用丰富的多频带电磁特性并解决实际传感环境中的非线性和测量变异性，集成了物理信息深度学习框架。这种混合策略桥接了电磁建模与数据驱动的优化，增强了鲁棒性，并实现了对提取的微波特征的量化解释。物理信息残差深度学习框架显著提高了预测精度，实现了0.28 mg/dL的均方根误差（RMSE）、0.13%的平均绝对相对差（MARD），并将100%的训练和留出预测结果限制在<5%的类ISO风险区域内，从而确保了稳健且临床可靠的无创血糖估计。这项工作为结合了增强介电灵敏度、可穿戴适应性和改善实用性的集成平台，用于连续无创葡萄糖监测的创新微波传感器架构的发展提供了重要思路。
