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基於EIS的電極脫落檢測可提升CGM可靠性

本文作者：Hugh Yu 點擊： 2026-11-02 14:33

前言：

作者：ADI 資深應用經理 Hugh Yu 以及資深現場應用工程師 Selene Xie

摘要

本文針對連續血糖監測(CGM)系統中基於電化學阻抗譜(EIS)的電極脫落檢測進行了系統級分析。傳統CGM系統因為依賴直流測量而無法即時回饋電極脫落情況。相較之下，基於EIS的阻抗監測，可透過觀測阻抗的快速變化實現即時檢測。實驗結果顯示，正常、部分脫落和完全斷開三種電極狀態具有明顯區分度。

引言

全球糖尿病患病率快速上升，再加上有很大比例的未確診患者，催生了對先進血糖監測技術的強勁需求。此一趨勢正促使血糖監測從傳統間歇性檢測向連續、即時且易用的解決方案轉型，如連續血糖監測(CGM)系統。CGM系統可連續測量間質液中的葡萄糖濃度並提供血糖即時變化趨勢，進而實現更有效的糖尿病管理和臨床決策。

系統級架構

典型的CGM系統是由葡萄糖感測器、類比前端(AFE)和整合藍牙®無線介面的微控制器單元(MCU)所組成。葡萄糖感測器（電化學感測器）主要作為前端生物感測元件，負責將葡萄糖濃度轉換為電訊號。AFE負責訊號處理與轉換，將感測器輸出的微弱且對雜訊敏感的電流訊號轉換為數位訊號。MCU則是負責資料處理、控制和系統管理，將原始測量資料轉化為具有臨床意義的資訊。隨後，CGM資料透過低功耗藍牙介面無線傳輸至手機或平板電腦等外部裝置，用於資料顯示和決策支援。為確保在實際佩戴條件下實現穩定準確的血糖監測，現代CGM系統日益採用多模態感測技術，包括用於人體組織和感測器溫度監測的溫度感測器、用於心率和人體組織灌注監測的光電容積脈搏波(PPG)感測器，或是用於活動監測的加速度計。圖1展示了CGM系統。

圖1：CGM系統框圖

CGM技術趨勢與挑戰

現代CGM系統對準確性、可靠性和用戶舒適度的要求日益嚴格。電化學感測因其高靈敏度及與葡萄糖濃度的直接相關性，仍是主流技術。典型CGM感測器採用三電極結構，包含工作電極(WE)、參比電極(RE)和對電極(CE)，可精準控制電化學反應並準確測量葡萄糖相關電流。

然而在實際佩戴條件下，電極完整性成為了關鍵挑戰。運動、出汗、皮膚變形和長期佩戴等因素可能導致電極與人體組織接觸不良，甚至電極脫落。上述情況會直接影響電化學介面，導致訊號退化、漂移或雜訊增加，進而造成血糖讀數不準確，危及患者安全。此外，電極異常還可能導致胰島素劑量不當，引發醫療事故。

傳統直流檢測的侷限性

大多數CGM系統採用基於電化學反應的直流測量。此類測量依賴於酶動力學和化學平衡，因此回應速度較慢。當發生電極脫落時，直流訊號不會立即變化，而是緩慢漂移，因此無法即時檢測到脫落故障。其結果是，基於直流的系統可能會持續報告無效血糖讀數，且無明確故障指示。

基於EIS的即時檢測優勢

與依賴緩慢生化反應動力學的傳統直流測量不同，電化學阻抗譜(EIS)可直接即時監測電極-組織介面。阻抗反映的是感測器介面的電氣特性而非化學反應結果，因此可作為電極完整性的快速靈敏指標。基於EIS的監測顯示，電極脫落時阻抗會從千歐姆顯著躍升至兆歐姆。實驗結果驗證了上述突變可在數秒內實現快速檢測。因此，相較於傳統直流方法，EIS為即時電極脫落檢測提供了本質上更可靠的方案。

實驗結果

為驗證基於EIS方法的即時檢測能力及實用性，研究結合市售CGM感測器與ADI MAX30134評估系統展開多項驗證實驗。其可統一評估MAX30131/MAX30132/MAX30134的功能特性，支援直流測量和EIS測量。實驗採用MAX30132；重複測量結果一致，顯示具有良好的重複性和可靠性。以下的表格分別展示了一組具有代表性的測試資料。

表1：感測器完全插入體內時的EIS資料

頻率(Hz)	實部(Ω)	虛部(Ω)	幅值(Ω)	相位(°)
500	38201	-9563	39379	-14.05
1000	31735	-7920	32708	-14.01
1500	31860	-6622	32541	-11.74
2000	30705	-4994	31109	-9.24
2500	29302	-4107	29588	-7.98
3000	29864	-4433	30191	-8.44
3500	29325	–4147	29617	-8.05
4000	29615	-4002	29884	-7.7
4500	29345	-3908	29604	-7.59
5000	29439	-4063	29718	-7.86

表2：感測器拔出75%時的EIS資料

頻率(Hz)	實部(Ω)	虛部(Ω)	幅值(Ω)	相位(°)
500	49461	-53239	72669	-47.11
1000	53291	-17363	56048	-18.05
1500	60906	-10935	61880	-10.18
2000	61984	-13201	63374	-12.02
2500	55250	-4608	55442	-4.77
3000	57256	-11168	58335	-11.04
3500	59516	-16822	61848	-15.78
4000	57196	-14977	59124	-14.67
4500	56248	-9952	57121	-10.03
5000	54597	-7368	55092	-7.69

表3：感測器完全拔出時的EIS資料

頻率(Hz)	實部(Ω)	虛部(Ω)	幅值(Ω)	相位(°)
500	148673	-143009	206289	-43.89
1000	777545	134775	789139	9.83
1500	790204	-732384	1077409	-42.83
2000	-81767	-1103861	1106885	-94.24
2500	848428	135257	859142	9.06 9.06
3000	260914	-1025018	1057704	-75.72
3500	-57670	-922712	924513	-93.58
4000	150463	-932873	944930	-80.84
4500	101187	-104676	1017270	-5.91
5000	-151183	-545339	565907	-105.49

表1、表2和表3的資料清楚表示，感測器完全插入、部分脫落（拔出75%）和完全脫落三種狀態在實部、虛部和阻抗幅值等所有EIS參數上均表現出顯著差異。圖2對不同狀態下幅值資料的直接比較進一步突顯各電極狀態間的明顯區別。上述結果不僅證實了阻抗測量對電極狀態的高度敏感性，並驗證基於EIS的檢測方法在暫態響應、實用性和測量可靠性方面的有效性。

圖2：不同感測器狀態下的EIS數據

結論

相較於傳統直流測量，基於EIS的檢測方法為監測電極完整性提供了本質上更優異的方案。因此，EIS能夠即時檢測電極異常，感測器脫落後數秒內阻抗即從千歐姆明顯躍升至兆歐姆。

MAX30132整合EIS功能，為CGM系統中的即時電極監測提供了穩健實用的解決方案。藉由基於阻抗的檢測技術，系統可快速識別傳統方法難以發現的感測器脫落或接觸不良狀況。此功能顯著提升了測量可靠性，確保及時標記或剔除不準確的血糖讀數。

從系統和臨床角度看，即時檢測電極脫落情況對於維護資料完整性和保障患者安全非常重要。即時故障檢測有助於避免誤導性血糖讀數，支援更精準的臨床決策，並增強使用者對CGM設備的整體信心。因此，基於MAX30132的EIS監測，代表了CGM解決方案向更安全、更可靠、更精準的方向所邁出之重要進展。

參考資料

1 Hend S. Magar、Rabeay Y. A. Hassan和Ashok Mulchandani，「電化學阻抗譜(EIS)：原理、建構及生物感測應用。」Sensors，第21卷，第19期，2021年10月。

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