Mikrovlnný senzor pro stanovení koncentrace glukózy v krvi

Abstract

Je známo, že permitivita a vodivost krve v mikrovlnném pásmu je ovlivněna koncentrací glukózy v krevní plazmě. K detekci těchto změn je možné využít mikrovlnných senzorů, jejichž výhody spočívají v neinvazivnosti a možnosti měření v reálném čase. Cílem této práce bylo vytvořit a otestovat numerický model mikrovlnného senzoru glukózy v programu COMSOL Multiphysics pro 2 různé dielektrické modely roztoku krev-glukóza. První model předpovídá lineární a druhý nelineární závislost permitivity. Geometrie vycházela z již existujícího návrhu metamateriálového senzoru. Numerické simulace byly porovnány s experimentálním měřením fáze S21 parametru na vyrobeném senzoru a prasečí krvi s přidanou koncentrací glukózy až do 33 mmol/l. U všech experimentálních měření byla pozorována nelineární charakteristika průběhu fáze v závislosti na koncentraci glukózy. V souladu s aktuálními poznatky z literatury, s vyšší hodnotou glykémie klesaly i měřitelné dielektrické změny. Regresní analýza byla provedena proložením naměřených hodnot polynomem 2. stupně, u jehož koeficientů byl určen interval spolehlivosti. Při experimentech bylo dosaženo změny fáze až k 60° při zvýšení koncentrace z 5 na 18 mmol/l. To značí velkou senzitivitu senzoru na změnu permitivity krve. U výsledků simulací založených na obou modelech byl pozorován opačný průběh závislosti změny fáze na koncentraci glukózy, než jaký byl pozorován u experimentálního měření.

It is known that the permittivity and the conductivity of the blood in the microwave band is affected by blood plasma glucose level. Microwave sensors can be used to detect these changes, with the benefits which are a non-invasiveness and possibility of real-time measurements. The aim of this work was to create and test the numerical model of the microwave glucose sensor in the COMSOL Multiphysics software for two different dielectric blood glucose models. The first model predicts linear and second nonlinear dependence on permittivity. Geometry is based on an existing metamaterial sensor design. Numerical simulations were compared with the experimental measurements of the phase of S21 parameter with use of fabricated sensor. The pig blood with an added glucose concentration of up to 33 mmol/l was used for experimental measurements. In all experimental measurements, a nonlinear phase characteristic was observed depending on the glucose concentration. According to the actual knowledge the higher glycemic values resulted in smaller dielectric changes. The regression analysis was carried out by fitting the measured values by a polynomial of the 2nd degree. The confidence intervals of those coefficients were determined. During the experiments, a phase change of up to 60° was achieved at an increased concentration from 5 to 18 mmol/l. It shows the high sensitivity of the sensor to changes of the permittivity of the blood. In the simulation results based on both models, the opposite trend of phase dependence on glucose concentration was observed in comparison with experimental measurements.