葡萄糖无创动态监测的微波传感系统构建研究

摘要

快速实时地无创监测葡萄糖浓度在生物分析、临床监测、食品加工业等方面都具有非常重要的意义，尤其在生物医学领域，葡萄糖无创动态监测系统能够对糖尿病的诊疗以及控制起到重要作用。无创动态监测实验系统主要由具有信号的发射和接收功能的传感器、用于检测频谱信息的频谱特性分析仪、电脑这三部分构成，具有无创、快速实时、稳定性好、简便等优点。
　　本文自主研究设计，成功的构建了一套用于葡萄糖无创动态监测的微波传感系统。微波传感系统的构建过程，首先是通过对各种葡萄糖无创检测方法的对比，确定了基于微波传感的检测方法，再依据葡萄糖无创动态监测的原理、特点、结构和方法，对构成微波传感系统的核心部件天线进行自主设计，并且为满足葡萄糖无创动态监测的要求，选择了微带贴片天线，再根据对微波波谱信息分析的需要，先后选择N型频谱特性分析仪与T型（USB Mini频谱分析仪）作为频谱特性分析仪器，最后完成系统的初步构建。通过对葡萄糖水溶液、模拟血液、手指等进行一系列的实验，验证该系统的用于葡萄糖无创监测的可行性，得到如下结果:
　　(1)在0-2 GHz频段下对葡萄糖水溶液、模拟血液、手指等进行连续扫频实验。发现，葡萄糖水溶液、模拟血液、手指在该频段下的扫频实验，均存在，五个特征点集。由此可得，葡萄糖的无创检测在800 MHz-2 GHz范围内存在多特征峰值。
　　(2)提取葡萄糖水溶液实验、模拟血液实验检测结果中存在的多特征峰值，进行多元线性拟合，得到微波波谱与葡萄糖之间存在相关性。并建立了葡萄糖浓度与功率衰减值之间的关系式。
　　(3)采用构建的微波传感系统对低浓度、低浓度梯度的葡萄糖溶液在0.8-3.8 GHz进行连续扫频实验。结果可得，微波传感系统对低浓度的葡萄糖溶液具有很好的检测作用，最低可以检测到浓度为1mg/dL(0.056 mmol/L)的葡萄糖水溶液，证明该测试系统具有较高的检测精度。
　　(4)动态监测系统的建立，成功的将葡萄糖浓度与检测信号衰减值、频率之间的关系，转换为葡萄糖浓度与时间的关系。基于得到的葡萄糖浓度与功率衰减值之间的关系式，对其进行算法研究和模型建立，由此初步建立了基于微波传感的葡萄糖无创动态监测实验系统。不同的关系式建立的模型不相同，但是方法是一样的，因此可以针对检测的样品的类别不同而建立不同的动态监测实验系统。
　　(5)扩大频率范围，分别在0.8-3.8 GHz、3.8-4.8 GHz、5.1-6.15GHz范围内进行葡萄糖水溶液的无创检测。发现在0.8-3.8 GHz的频率范围内存在的特征频谱点集个数最多，这为后续的深入研究提供了理论和技术支持。
　　该实验系统的建立，无创动态监测系统性能的实现，使得葡萄糖的无创检测方法更为智能、更为先进且更为便利，在生物医学领域，提供了一种无创检测的方法在食品领域，为食品安全现场无损快速检测提供一种简单便捷的途径，为继续进一步深入研究奠定理论和技术基础。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 葡萄糖无创检测的意义

1．2 无创葡萄糖的检测方法

1．2．1 光学法

1．2．2 阻抗法

1．2．3 电化学法

1．2．4 微波法

1．3 论文的概要和安排

2．1 前言

2．2 微波

2．2．1 微波的特点

2．2．2 微波的物理特性

2．2．3 微波检测的原理

2．3 天线

2．3．1 天线的概述

2．3．2 微带贴片天线

2．3．3 微带贴片天线的基本特性

2．3．4 微带贴片天线的作用机制

2．3．5 微带贴片天线的馈电结构

2．3．6 贴片的形状

2．3．7 介质基板

2．3．8 微带贴片天线的分析方法

2．4 本章小结

3．1 前言

3．2 技术路线

3．3 系统的搭建

3．3．1 N型频谱分析仪

3．3．2 微波传感器

3．3．3 屏蔽箱

3．3．4 传输电缆

3．4 天线的设计

3．4．1 HFSS软件仿真设计流程

3．4．2 天线的设计

3．4．3 测试管的组装

3．4．4 测试管的仿真结果

3．5 实验测试平台的搭建

3．6 本章小结

4．1 前言

4．2 葡萄糖检测实验装置结构图

4．3 实验材料

4．4 样品的准备

4．5 葡萄糖的无创检测实验

4．6 数据分析处理

4．6．1 多元线性回归

4．6．2 不同浓度的葡萄糖水溶液的检测结果与数据分析

4．6．3 模拟血液的检测结果与数据分析

4．6．4 手指无创检测结果与数据分析

4．7 本章小结

5．1 前言

5．2 无创动态监测系统的基本装置结构图

5．3 实验条件的摸索

5．3．1 T型频谱分析仪

5．3．2 测试频率范围的探索

5．3．3 检测精度的探索

5．3．4 小结

5．4 葡萄糖无创动态监测系统的建立

5．4．1 实验平台的改进

5．4．2 关系模型的建立

5．4．3 算法的研究

5．4．4 无创动态监测性能的实现

5．5 本章小结

6．1 总结

6．2 创新点

6．3 不足之处与未来的展望

6．3．1 不足之处

6．3．2 未来的展望

参考文献

附录

致谢

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