本發(fā)明屬于微波無創(chuàng)血糖檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及血糖濃度的檢測評估。

背景技術(shù)：

社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，隨之而來的快速的生活節(jié)奏、不健康的飲食習(xí)慣、久坐缺乏適當(dāng)運(yùn)動(dòng)的生活方式等都增加了糖尿病的發(fā)病率。糖尿病作為一種以長期高血糖為特征的慢性疾病，其患病人數(shù)正在全球范圍內(nèi)不斷增加。如果能夠及時(shí)地了解血糖水平，采取適當(dāng)?shù)尼t(yī)療措施，糖尿病及其并發(fā)癥造成的危害就能得到有效地減緩和控制。而諸多無創(chuàng)和微創(chuàng)的方法都未免給患者帶來身體上的痛苦和精神的壓力，同時(shí)，也存在感染的風(fēng)險(xiǎn)，并不適合長期連續(xù)的監(jiān)測。無創(chuàng)血糖檢測因?yàn)闊o創(chuàng)、無痛、可持續(xù)性監(jiān)測等優(yōu)勢受到了研究者的極大關(guān)注。其中微波無創(chuàng)血糖檢測是無創(chuàng)血糖檢測的重要發(fā)展方向之一。它是利用天線來發(fā)射微波信號，通過接收經(jīng)過人體組織反射、散射或者透射后的信號，并對其所攜帶的人體信息進(jìn)行分析和提取來達(dá)到精準(zhǔn)檢測的目的。它是基于血液的介電特性隨血糖濃度的變化而變化的特點(diǎn)。人們需要通過電磁信號對介電特性的響應(yīng)來間接換算得出血糖濃度水平。不同電磁信號對血糖濃度的響應(yīng)情況不同，對應(yīng)不同的換算關(guān)系和敏感度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種利用s21相位無創(chuàng)檢測人體血糖濃度的方法。該方法檢測的目標(biāo)為耳垂。不同血糖濃度對應(yīng)不同的介電特性，不同介電特性導(dǎo)致s21相位的差異，因此，通過分析s21相位的變化可以間接換算出它們各自對應(yīng)的血糖水平。s21相位對血糖濃度變化具有良好的敏感度，它為無創(chuàng)血糖檢測評估提供一種新的方法和思路。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于s21相位的無創(chuàng)血糖濃度檢測方法，包括下列步驟：

(1)構(gòu)建多層耳垂模型。

(2)將兩個(gè)天線置于耳垂模型的兩側(cè)，發(fā)射天線發(fā)射高斯波信號，接收天線接收穿過耳垂模型的微波信號；

(3)改變仿真中耳垂模型中血液層的血糖濃度，并接收穿過耳垂模型的微波信號；

(4)對接收到的信號進(jìn)行s21相位分析，找出s21相位與血糖濃度的變化規(guī)律,通過線性方程擬合s21解包裹相位與葡萄糖濃度、頻率之間的變化關(guān)系；

(5)通過線性方程去匹配評估未知的血糖濃度，實(shí)現(xiàn)血糖水平的檢測和評估。

附圖說明

圖1.三維耳垂電磁模型和收發(fā)天線

圖2.發(fā)射天線發(fā)射的高斯波信號

圖3.不同葡萄糖濃度對應(yīng)的s21解包裹相位

圖4.以500mg/dl葡萄糖濃度對應(yīng)的s21解包裹相位值為基底，換算圖3各葡萄糖濃度對應(yīng)的s21解包裹相位值得到的s21解包裹相位差

圖5.不同頻點(diǎn)下，s21解包裹相位差與葡萄糖濃度的關(guān)系

圖6.原始值和擬合值的比較，實(shí)線表示原始值，點(diǎn)表示線性公式擬合的值

具體實(shí)施方式

1.耳垂部位血液豐富、生物結(jié)構(gòu)相對簡單、位置便于測量，故以耳垂為研究對象，基于時(shí)域有限差分算法(finitedifferencetimedomain,fdtd)算法并利用matlab軟件編程建立三維耳垂電磁仿真模型以及收發(fā)天線結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證該方法的有效性。三維耳垂電磁模型的整體尺寸為30mm×30mm×5mm，圖1是建立的三維耳垂電磁模型和天線收發(fā)結(jié)構(gòu)的示意圖。該模型分為三層，厚度為1mm的皮膚層覆蓋在厚度為3mm的脂肪層兩側(cè)。利用擴(kuò)散限制凝聚(diffusionlimitedaggregation,dla)分形方法構(gòu)建的血液結(jié)構(gòu)分布在脂肪層中，占脂肪所在空間的50.14％。

2.兩個(gè)天線分別放置在耳垂組織的兩側(cè)，分別用于發(fā)射和接收高斯波。采用輔助微分方程(auxiliarydifferentialequation,ade)與fdtd結(jié)合的方式來處理生物組織的色散特性，該方法是基于各生物組織的debye模型，其參數(shù)如表1所示。其中，debye模型是使用debye公式來描述各生物組織的寬帶介電特性的，debye公式如式(1)所示。

表1.耳垂模型的debye參數(shù)

備注：x代表血液中葡萄糖濃度，單位是mg/dl.

其中，ε'復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部，通常稱為相對介電常數(shù)，ε”為復(fù)介電常數(shù)的虛部，通常被稱為介電損耗，ε∞為頻率無窮大時(shí)的相對介電常數(shù)，δεk為色散值,τk是弛豫時(shí)間，p是debye模型的擬合階數(shù)。文中使用單階debye模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，p取值為1。

3.血液層的血糖濃度范圍為100～500mg/dl。通過改變血液層的電磁參數(shù)來模擬耳垂模型中血糖濃度的變化并進(jìn)行仿真，接收到的穿過耳垂模型的微波信號，此處是s21解包裹相位如圖3所示。為了更直觀地觀察和分析s21相位在不同頻率下對血糖濃度變化的敏感度，以及不同血糖濃度之間的差異和聯(lián)系，文中選擇血糖濃度500mg/dl對應(yīng)的s21解包裹相位值為基準(zhǔn)，換算圖3中數(shù)值結(jié)果，通過差值的方式來體現(xiàn)各濃度之間的差異，換算結(jié)果如圖4所示。可以看到，當(dāng)頻點(diǎn)固定時(shí)，s21相位變化與血糖濃度變化之間似乎是線性關(guān)系。在4-6ghz之間以0.5ghz為間隔選取5個(gè)頻點(diǎn)，分析5個(gè)頻點(diǎn)下葡萄糖濃度變化與s21相位變化之間的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。可以看出，在此5個(gè)頻點(diǎn)下，s21解包裹相位差的幅度和葡萄糖濃度之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。文中將圖5所提供的數(shù)據(jù)擬合到線性公式中，參見式(2)。基于線性關(guān)系在各頻點(diǎn)都存在的假設(shè)，它必定與頻率相關(guān)，因此，使用頻率相關(guān)的二階多項(xiàng)式來擬合式(2)中的系數(shù)。

y＝kx+b(2)

其中，x是以mg/dl為單位的葡萄糖濃度，y是s21的解包裹相位差的幅度。

經(jīng)過數(shù)值擬合，得到式(2)中的系數(shù)的表達(dá)式如式(3)、(4)所示。

k＝-5.566×10-5×f2+6.923×10-4×f-2.268×10-3(3)

b＝0.02779×f2-0.3456×f+1.132(4)

其中，f是以ghz為單位的頻率。

在4-6ghz范圍以0.2ghz為步長選取頻點(diǎn)值，選擇100mg/dl、200mg/dl、300mg/dl、400mg/dl這4個(gè)濃度值，通過式(2)、(3)和(4)計(jì)算s21解包裹相位差的幅度值。將原始數(shù)據(jù)與線性方程計(jì)算的擬合數(shù)據(jù)比較，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看到，原始數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)之間有良好的匹配度。因此，可以通過線性方程精確地構(gòu)建s21解包裹相位與葡萄糖濃度、頻率之間的變化關(guān)系。這意味著可以通過足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立以上所述的線性關(guān)系，之后通過線性關(guān)系去匹配評估未知的葡萄糖濃度，實(shí)現(xiàn)葡萄糖水平的檢測和評估。

總結(jié)

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