利用EIS电极脱落检测提升CGM可靠性

“ 本文对连续血糖监测(CGM)系统中基于电化学阻抗谱(EIS)的电极脱落检测进行了系统级分析。传统CGM系统依赖直流测量，无法即时反馈电极脱落情况。相比之下，基于EIS的阻抗监测可通过观测阻抗的快速变化实现实时检测。实验结果表明，正常、部分脱落和完全断开三种电极状态具有明显区分度。
”

作者：Hugh Yu，高级应用经理

Selene Xie，高级现场应用工程师

摘要

本文对连续血糖监测(CGM)系统中基于电化学阻抗谱(EIS)的电极脱落检测进行了系统级分析。传统CGM系统依赖直流测量，无法即时反馈电极脱落情况。相比之下，基于EIS的阻抗监测可通过观测阻抗的快速变化实现实时检测。实验结果表明，正常、部分脱落和完全断开三种电极状态具有明显区分度。

引言

全球糖尿病患病率快速上升，再加上有很大比例的未确诊患者，催生了对先进血糖监测技术的强劲需求。这一趋势正促使血糖监测从传统间歇性检测向连续、实时且易用的解决方案转型，如连续血糖监测(CGM)系统。CGM系统可连续测量间质液中的葡萄糖浓度并提供血糖实时变化趋势，从而实现更有效的糖尿病管理和临床决策。

系统级架构

典型的CGM系统由葡萄糖传感器、模拟前端(AFE)和集成蓝牙®无线接口的微控制器单元(MCU)组成。葡萄糖传感器（电化学传感器）作为前端生物传感元件，负责将葡萄糖浓度转换为电信号。AFE负责信号调理与转换，将传感器输出的微弱且对噪声敏感的电流信号转换为数字信号。MCU负责数据处理、控制和系统管理，将原始测量数据转化为具有临床意义的信息。随后，CGM数据通过低功耗蓝牙接口无线传输至手机或平板电脑等外部设备，用于数据显示和决策支持。为确保在实际佩戴条件下实现稳定准确的血糖监测，现代CGM系统日益采用多模态传感技术，包括用于人体组织和传感器温度监测的温度传感器、用于心率和人体组织灌注监测的光电容积脉搏波(PPG)传感器，或是用于活动监测的加速度计。图1展示了CGM系统。

图1：CGM系统框图

CGM技术趋势与挑战

现代CGM系统对准确性、可靠性和用户舒适度的要求日益严格。电化学传感因其高灵敏度及与葡萄糖浓度的直接相关性，仍是主流技术。典型CGM传感器采用三电极结构，包含工作电极(WE)、参比电极(RE)和对电极(CE)，可精确控制电化学反应并准确测量葡萄糖相关电流。

然而在实际佩戴条件下，电极完整性成为关键挑战。运动、出汗、皮肤变形和长期佩戴等因素可能导致电极与人体组织接触不良甚至电极脱落。上述情况会直接影响电化学界面，导致信号退化、漂移或噪声增加，进而造成血糖读数不准确，危及患者安全。此外，电极异常还可能导致胰岛素剂量不当，引发医疗事故。

传统直流检测的局限性

大多数CGM系统采用基于电化学反应的直流测量。此类测量依赖于酶动力学和化学平衡，响应速度较慢。发生电极脱落时，直流信号不会立即变化而是缓慢漂移，因此无法即时检测到脱落故障。因此，基于直流的系统可能会持续报告无效血糖读数，且无明确故障指示。

基于EIS的即时检测优势

与依赖缓慢生化反应动力学的传统直流测量不同，电化学阻抗谱(EIS)可直接即时监测电极-组织界面。阻抗反映的是传感器界面的电气特性而非化学反应结果，因此可作为电极完整性的快速灵敏指标。基于EIS的监测显示，电极脱落时阻抗会从千欧级显著跃升至兆欧级。实验结果验证了上述突变可在数秒内实现快速检测。因此，与传统直流方法相比，EIS为实时电极脱落检测提供了本质上更可靠的方案。

实验结果

为验证基于EIS方法的实时检测能力及实用性，研究结合市售CGM传感器与ADI MAX30134评估系统开展了多项验证实验。MAX30134评估系统可统一评估MAX30131/MAX30132/MAX30134的功能特性，支持直流测量和EIS测量。实验采用MAX30132；重复测量结果一致，表明具有良好的重复性和可靠性。以下表格展示了一组具有代表性的测试数据。

表1：传感器完全插入体内时的EIS数据

表2：传感器拔出75%时的EIS数据

表3：传感器完全拔出时的EIS数据

表1、表2和表3的数据清楚表明，传感器完全插入、部分脱落（拔出75%）和完全脱落三种状态在实部、虚部和阻抗幅值等所有EIS参数上均表现出显著差异。图2对不同状态下幅值数据的直接比较进一步凸显了各电极状态间的明显区别。上述结果不仅证实了阻抗测量对电极状态的高度敏感性，还验证了基于EIS的检测方法在瞬时响应、实用性和测量可靠性方面的有效性。

图2：传感器的不同状态下的EIS数据

结语

与传统直流测量相比，基于EIS的检测方法为监测电极完整性提供了本质上更优越的方案。因此，EIS能够即时检测电极异常，传感器脱落后数秒内阻抗即从千欧级明显跃升至兆欧级。

MAX30132集成EIS功能，为CGM系统中的实时电极监测提供了稳健实用的解决方案。借助基于阻抗的检测技术，系统可快速识别传统方法难以发现的传感器脱落或接触不良状况。此功能显著提升了测量可靠性，确保及时标记或剔除不准确的血糖读数。

从系统和临床角度看，实时检测电极脱落情况对于维护数据完整性和保障患者安全至关重要。即时故障检测有助于避免误导性血糖读数，支持更精准的临床决策，并增强用户对CGM设备的整体信心。因此，基于MAX30132的EIS监测代表了CGM解决方案向更安全、更可靠、更精准方向迈出的重要一步。

参考文献

1 Hend S. Magar、Rabeay Y. A. Hassan和Ashok Mulchandani，“电化学阻抗谱(EIS)：原理、构建及生物传感应用。”Sensors，第21卷，第19期，2021年10月。

作者简介

Hugh Yu是ADI上海公司的高级应用经理。他于2001年毕业于南京邮电大学，获电子与信息工程硕士学位。2002年至2005年，他在通用电气医疗系统中国有限公司担任高级超声硬件工程师；2005年至2010年，在西门子中国研究院担任研究员。

Selene Xie现任ADI深圳公司的高级现场应用。她于2014年获得深圳大学生物医学工程理学学士学位。2014年至2018年，她在Lifotronic担任硬件工程师。2018年至2022年，她在Arrow担任ADI的DFAE，专注于医疗健康和工业市场。