УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ Российский патент 2016 года по МПК G01N33/48 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для неинвазивного определения содержания глюкозы в крови с использованием электромагнитных волн.

Диабет является одним из распространенных опасных заболеваний человека. Важнейшей задачей профилактики заболевания диабетом и протекания болезни у человека является постоянный контроль содержания глюкозы в крови человека. При этом необходимо своевременно устанавливать, когда содержание глюкозы приближается к критическим значениям и немедленно принимать меры для восстановления нормального содержания глюкозы в крови.

Известно устройство для неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови, работающее в оптическом диапазоне длин волн, содержащее средство для регулирования тока в цепи источника питания и для обработки данных, соединенные последовательно с цифроаналоговым преобразователем, блок питания полупроводникового лазера, регулятор температуры, полупроводниковый лазерный источник излучения и оптическое средство [1].

Недостатки этого устройства:

- большая погрешность (20-30%) в определении содержания глюкозы в крови,

- необходимость использования дорогостоящей лазерной и спектральной аппаратуры.

Известно устройство для определения содержания глюкозы в крови, содержащее отрезок металлической волноводной линии передачи, снабженный фланцами с обоих концов, с размерами внутреннего поперечного сечения, при которых в отрезке металлической волноводной линии передачи распространяется электромагнитная волна сантиметрового или миллиметрового диапазона длин волн, плоскопараллельную пластину из диэлектрика, которая расположена на одном конце отрезка металлической волноводной линии перпендикулярно направлению распространения электромагнитной волны в металлической волноводной линии передачи, при этом плоскопараллельная пластина из диэлектрика, расположенная на одном конце упомянутого отрезка волноводной линии передачи, контактирует с кожной поверхностью человека - объектом с кровью, другой конец отрезка металлической волноводной линии передачи предназначен для соединения его с источником электромагнитной волны и измерителем коэффициента отражения электромагнитной волны [2] - прототип.

Это устройство

- повышает точность измерений за счет согласования волноводной линии передачи с кожной поверхностью с помощью согласующей плоскопараллельной пластины из диэлектрика,

- снижает стоимость медицинских исследований за счет использования широко распространенных панорамных измерителей коэффициента отражения электромагнитной волны сантиметрового или миллиметрового диапазона длин волн.

Недостатки этого устройства:

- для улучшения согласования падающей электромагнитной волны с кожным покровом человека - объектом с кровью согласующая диэлектрическая пластина должна иметь толщину, кратную нечетному числу четверти длины электромагнитной волны в диэлектрическом материале пластины, при этом величина добротности снижается и коэффициент отражения электромагнитной волны по мощности от кожного покрова человека не имеет четко выраженного минимума, что затрудняет определение частоты, соответствующей минимуму коэффициента отражения электромагнитной волны по мощности, и тем самым снижает точность определения содержания глюкозы в крови,

- величина диэлектрической проницаемости пластины должна быть выбрана такой, при которой выполняются оптимальные условия согласования, однако это условие практически не выполнимо, поскольку пластина изготавливается из диэлектрического материала с определенной величиной диэлектрической проницаемости, которая отличается от оптимальной величины диэлектрической проницаемости, что снижает точность определения содержания глюкозы в крови.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение точности определения содержания глюкозы в крови при сохранении низкой стоимости используемой аппаратуры.

Указанный технический результат достигается предложенным устройством для определения содержания глюкозы в крови, содержащим

отрезок металлической волноводной линии передачи, снабженный фланцами с обоих концов, с размерами внутреннего поперечного сечения, при которых в отрезке металлической волноводной линии передачи распространяется электромагнитная волна сантиметрового или миллиметрового диапазонов длин волн,

плоскопараллельную пластину, расположенную на одном конце отрезка металлической волноводной линии перпендикулярно направлению распространения электромагнитной волны в металлической волноводной линии передачи,

при этом другой конец отрезка металлической волноводной линии передачи предназначен для соединения его с источником электромагнитной волны и измерителем коэффициента отражения электромагнитной волны, в котором

дополнительно введен второй отрезок металлической волноводной линии передачи, снабженный фланцами с обоих концов, одинакового внутреннего поперечного сечения с первым отрезком металлической волноводной линии передачи,

внутренняя часть второго отрезка металлической волноводной линии передачи заполнена диэлектриком,

плоскопараллельная пластина выполнена из металла и снабжена резонансным окном с размерами, меньшими размеров внутреннего поперечного сечения первого отрезка металлической волноводной линии передачи,

фланец одного конца первого отрезка металлической волноводной линии передачи, плоскопараллельная пластина и фланец одного конца второго отрезка металлической волноводной линии передачи соединены между собой механически,

другой конец второго отрезка металлической волноводной линии передачи предназначен для контакта с объектом с кровью,

при этом длина второго отрезка металлической волноводной линии передачи кратна половине длины электромагнитной волны в отрезке металлической волноводной линии передачи с диэлектриком.

Сущность изобретения.

Второй отрезок металлической волноводной линии передачи, заполненный диэлектриком, с одной стороны которого расположена отражающая стенка в виде плоскопараллельной пластины, выполненной из металла, а с другой стороны поглощающе- отражающая стенка - объект с кровью, представляет собой резонатор с отражающей и поглощающе-отражающей стенками.

Поскольку длина второго отрезка металлической волноводной линии передачи L выбрана кратной половине длины электромагнитной волны в отрезке металлической волноводной линии передачи с диэлектриком (L=m×λв/2, где λв - длина электромагнитной волны в металлической волноводной линии передачи с диэлектриком, m=1, 2, 3, …), то в резонаторе устанавливаются стоячие волны.

В силу электромагнитных процессов, протекающих в резонаторе, он является существенно узкополосным устройством: на частотах, близких к резонансной частоте, коэффициент отражения электромагнитной волны по мощности имеет острый минимум.

Величину этого минимума коэффициента отражения электромагнитной волны по мощности и частоту, на которой он достигается, измеряют на панорамном измерителе коэффициента отражения электромагнитных волн с высокой точностью (менее 1%), что обеспечивает существенное увеличение точности определения содержания глюкозы в крови.

При этом, как и в прототипе, величину минимума коэффициента отражения электромагнитной волны по мощности и частоту, на которой он достигается, измеряют на панорамном измерителе коэффициента отражения электромагнитных волн сантиметрового или миллиметрового диапазона длин волн, что обеспечивает сохранении низкой стоимости используемой аппаратуры.

Таким образом, комплексный подход в предложенном устройстве для определения содержания глюкозы в крови, а именно выполнение

двух отрезков металлической волноводной линии передачи с размерами внутреннего поперечного сечения, при которых в них распространяется электромагнитная волна сантиметрового или миллиметрового диапазона длин волн,

с длиной второго отрезка металлической волноводной линии передачи, кратной половине длины электромагнитной волны,

плоскопараллельной пластины из металла, снабженной резонансным окном с размерами, меньшими размеров внутреннего поперечного сечения отрезка металлической волноводной линии передачи,

заполнение диэлектриком внутренней части второго отрезка металлической волноводной линии передачи,

соединение между собой механически фланца одного конца первого отрезка металлической волноводной линии передачи, плоскопараллельной пластины и фланца одного конца второго отрезка металлической волноводной линии передачи,

позволит по сравнению с прототипом использовать узкополосные резонансные явления и тем самым максимально увеличить точность определения содержания глюкозы в крови.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 дан чертеж предложенного устройства для определения содержания глюкозы в крови в разрезе, где

- отрезки металлической волноводной линии передачи - 1 и 2 соответственно,

- фланцы отрезков металлической волноводной линии передачи - 3, 4, 5 и 6 соответственно,

- плоскопараллельная пластина из металла - 7, которая снабжена

- резонансным окном - 8,

- диэлектрик - 9,

- исследуемый объект с кровью - 10.

На фиг. 2 дан общий вид экспериментальной установки для измерения содержания глюкозы в крови:

- панорамный измеритель коэффициента отражения PNA - L N5230C - 1,

- коаксиальный кабель - 2,

- коаксиально-волноводный переход - 3,

- предлагаемое устройство - 4,

- исследуемый объект с кровью - 5.

Заявленное устройство (фиг. 1) содержит второй отрезок металлической волноводной линии передачи 2 с внутренним поперечным сечением с размерами широкой стороны стенки, равной а, и узкой равной b, длиной L, кратной половине длины волны в отрезке металлической волноводной линии с диэлектриком 9, и плоскопараллельной пластины из металла 7, расположенной на одном конце первого отрезка металлической волноводной линии 1. В плоскопараллельной пластине 7 выполнено резонансное окно 8 шириной а1 и высотой b1. Первый отрезок металлической волноводной линии передачи 1 одними концом посредством фланца 3 подключен к волноводной линии передачи от источника электромагнитной волны сантиметрового или миллиметрового диапазона длин волн. Второй отрезок металлической волноводной линии передачи 2 одним концом посредством фланца 6 приведен в контакт с объектом с кровью. Фланцы 4 и 5 других концов отрезков металлической волноводной линии передачи и пластина из металла 7 соединены между собой механически.

Устройство работает следующим образом.

При проведении измерений на измерительной установке, изображенной на фиг. 2, электромагнитная волна от панорамного измерителя коэффициента отражения 1 по коаксиальному кабелю 2 и коаксиально-волноводному переходу 3 поступает в заявленное устройство 4, где взаимодействует с объектом с кровью 5. Отраженная от устройства электромагнитная волна возвращается к панорамному измерителю, на экране которого отображается резонансная зависимость коэффициента отражения по мощности R устройства от частоты f.

Коэффициент отражения по мощности R определяется как отношение отраженной от устройства мощности Р_отр к падающей мощности Р_пад

или в логарифмическом масштабе

где β_св - коэффициент связи, который равен

$${\beta }_{св}=\frac{{\text{P}}_{\text{св}}}{{\text{P}}_{\text{рез}}}$$ ,

Р_рез - мощность, поглощаемая в самом резонаторе,

Р_св - мощность, которая возвращается назад из отрезка линии передачи через резонансное окно в подводящую линию.

Различают следующие режимы работы устройства:

1) при β_св=1 существует режим критической связи, мощность, рассеиваемая в самом резонаторе Р_рез, в точности равна мощности, излучаемой из резонатора Р_св и рассеиваемой во внешних линиях передач;

2) при β_св<1 существует режим недосвязи, мощность, рассеиваемая в самом резонаторе, превосходит мощность, рассеиваемую во внешних линиях передач;

3) при β_св>1 существует режим пересвязи, мощность, передаваемая из резонатора во внешнюю линию передач, превосходит мощность, рассеиваемую в самом резонаторе.

Максимальная чувствительность коэффициента отражения по мощности устройства к изменению состава крови в объекте с кровью будет наблюдаться при коэффициенте связи β_св, стремящемся к 1.

Пример.

Устройство было реализовано в сантиметровом диапазоне длин волн. Два отрезка металлической волноводной линии 1 и 2 выполнены из меди одинакового прямоугольного внутреннего поперечного сечения с размером широкой стороны а=22,86 мм и узкой стороны b=10,16 мм. В плоскопараллельной пластине из металла 7 выполнено прямоугольное резонансное окно 8 с размерами, меньшими размеров внутреннего поперечного сечения отрезка волноводной линии, шириной а₁=9,542 мм, высотой b₁=10,16 мм и толщиной пластины 0,28 мм [3]. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика 9 - фторопласта, заполняющего отрезок волноводной линии передачи 2, равнялась 2,04.

Рабочим типом волны в прямоугольном волноводе является волна H₁₀.

Величина мощности потерь Р_св задается шириной размера резонансного окна в пластине из металла [3], а мощность, поглощаемая в самом резонаторе Р_рез, определяется значением коэффициента отражения на границе диэлектрик - объект с кровью.

Для измерения малых изменений содержания глюкозы в крови работают в диапазоне модулей коэффициентов отражения по мощности в логарифмическом масштабе от минус 30 до минус 40 дБ. В этом случае погрешность измерений коэффициента отражения по мощности панорамного измерителя не превышает 1%.

На изготовленном образце устройства были измерены модули коэффициента отражения по мощности.

С помощью заявленного устройства предварительно снималась так называемая «сахарная кривая». Выделялся участок запястья на руке пациента, и снималась резонансная кривая резонатора, нагруженного на выделенный участок на руке. Фиксировались резонансная частота и минимум коэффициента отражения на резонансной частоте. Одновременно с помощью инвазивного глюкометра ONE TOUCH определялось содержание глюкозы в крови пациента.

Затем исследуемый пациент выпивал сладкий раствор, содержащий 5 чайных ложек сахара, растворенных в стакане воды. После этого с интервалом в 10 минут снимались резонансные зависимости, в ходе которых определялись минимумы коэффициентов отражения и резонансные частоты, а глюкометром определялось содержание глюкозы в крови. Измерения проводились в течение 90 минут, полученные экспериментальные данные представлены в таблице.

Т, мин 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 R_min, дБ -34,3 -32,9 -31,8 -30,3 -30,1 -31,8 -33,7 -33,4 -33,5 -36,9 Содержание глюкозы, mmol/l 5,6 6,1 6,7 7,4 8,1 8,5 7,4 5,7 5,4 5,1

Как видно из таблицы, в течение первых 50 минут наблюдался рост содержания глюкозы в крови человека от 5,6 до 8.5 ммол/л. Одновременно увеличился и модуль коэффициента отражения резонатора от значения минус 34,3 дБ до минус 30,1 дБ. Затем при уменьшении содержания глюкозы уменьшалась и величина коэффициента отражения. То есть наблюдается корреляция между изменениями содержания глюкозы в крови пациента и изменением коэффициента отражения устройства.

Таким образом, предложенное устройство позволит измерить коэффициент отражения по мощности с высокой точностью - 1%, что примерно в 5 раз больше точности прототипа, и как следствие в 5 раз позволит увеличить точность определения содержания глюкозы в крови, в том числе в крови человека.

Источники информации

1. Патент США. Patent US #5,243,983. Sept. 14, 1993.

2. Патент США. Patent US #2006/0025664 A1, Published Feb. 2, 2006 - прототип.

3. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств, М.: Радио и связь. 1987, с 88.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для неинвазивного определения содержания глюкозы в крови с использованием электромагнитных волн. Устройство для определения содержания глюкозы в крови содержит отрезок металлической волноводной линии передачи, плоскопараллельную пластину, второй отрезок металлической волноводной линии передачи. При этом первый и второй отрезки волноводной линии передачи снабжены фланцами с обоих концов, с одинаковыми размерами внутреннего поперечного сечения. Внутренняя часть второго отрезка металлической волноводной линии передачи заполнена диэлектриком. Фланец одного конца первого отрезка металлической волноводной линии передачи, плоскопараллельная пластина и фланец одного конца второго отрезка соединены между собой механически. Другой конец первого отрезка металлической волноводной линии передачи предназначен для соединения с источником электромагнитной волны и измерителем коэффициента отражения, а другой конец второго отрезка предназначен для контакта с кровью. Длина второго отрезка кратна половине длины электромагнитной волны во втором отрезке металлической волноводной линии передачи. Устройство позволяет увеличить точность определения содержания глюкозы в крови. 2 ил., 1 табл., 1 пр.

Устройство для определения содержания глюкозы в крови, содержащее
отрезок металлической волноводной линии передачи, снабженный фланцами с обоих концов, с размерами внутреннего поперечного сечения, при которых в отрезке металлической волноводной линии передачи распространяется электромагнитная волна сантиметрового или миллиметрового диапазонов длин волн,
плоскопараллельную пластину, расположенную на одном конце отрезка металлической волноводной линии перпендикулярно направлению распространения электромагнитной волны в металлической волноводной линии передачи,
при этом другой конец отрезка металлической волноводной линии передачи предназначен для соединения его с источником электромагнитной волны и измерителем коэффициента отражения электромагнитной волны,
отличающееся тем, что
в устройство дополнительно введен второй отрезок металлической волноводной линии передачи, снабженный фланцами с обоих концов, одинакового внутреннего поперечного сечения с первым отрезком металлической волноводной линии передачи,
внутренняя часть второго отрезка металлической волноводной линии передачи заполнена диэлектриком,
плоскопараллельная пластина выполнена из металла и снабжена резонансным окном с размерами, меньшими размеров внутреннего поперечного сечения первого отрезка металлической волноводной линии передачи,
фланец одного конца первого отрезка металлической волноводной линии передачи, плоскопараллельная пластина и фланец одного конца второго отрезка металлической волноводной линии передачи соединены между собой механически,
другой конец второго отрезка металлической волноводной линии передачи предназначен для контакта с объектом с кровью,
длина второго отрезка металлической волноводной линии передачи кратна половине длины электромагнитной волны во втором отрезке металлической волноводной линии передачи с диэлектриком.