电极形状对无创血糖检测精度影响的研究*

钟晓玲, 张晓霞， 聂泽东， 于兴明

(1.成都理工大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610059；2.中国科学院 深圳先进技术研究院，广东 深圳 518000)



电极形状对无创血糖检测精度影响的研究*

钟晓玲1, 张晓霞1， 聂泽东2， 于兴明1

(1.成都理工大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610059；2.中国科学院 深圳先进技术研究院，广东 深圳 518000)

在低频段时，为了提高基于射频信号的无创血糖检测的精度，本文探讨了圆形、方形、螺旋形电极分别在模拟的三种不同浓度血糖溶液中对S11参数的影响，从而分析电极形状对血糖检测精度的影响。研究表明：电极形状与血糖检测精度存在一定关系，在谐振点时，相较于方形电极和圆形电极，螺旋形电极所测得的S11参数幅值最小，其血糖检测精度最高，因此，该形状电极更适用于无创血糖检测。

低频段；S11参数； 电极形状； 无创血糖检测

0　引　言

随着人们体力劳动强度降低，生活水平逐步提高，糖尿病的发病率也呈逐年增加的趋势。预计到2030年，糖尿病将被认为是导致人类死亡的第七大因素[1]。目前该病只能通过自我检测法监控病情，而自我检测法中的有创或微创检测均需重复检测，给糖尿病患者的身心带来巨大痛苦。基于此，无创血糖检测技术具有广泛的应用前景。

无创血糖检测技术可分为光谱法、电阻抗谱法、离子电渗透法、体液采集法[2]、电磁波法等。其中光谱法因光的强度、生物组织等，常存在信噪比和测量精度较低等问题[3]。电阻抗谱法由于体内含水量、疾病等因素影响血糖测量。离子电渗透法的关键问题在于渗透出来的液体中所含葡萄糖的浓度极低[4]，还会引起受试者皮肤不适。体液采集法因组织间液和血液血糖的相关性还有待研究，该方法尚未成熟。而电磁波法因检测速度较快，较上述方法，具有更广泛的应用。对于电磁波法的研究，目前国内外主要集中于电磁波的阻抗分析[5]和高频段的S参数分析。Jean B R等人[6]通过实验探究了|S21|从10 MHz～2 GHz的变化，研究表明摄糖量激增能检测到血糖含量升高，但微量浓度的血糖变化能否被检测还有待检验。Yilmaz T等人[7,8]研制了一种贴片式谐振器，利用该谐振器可测量生物组织的介电常数，但该传感器结构不能渗透到生物组织3 cm以下，因此,不能用于深层组织或对无创检测有较高精度要求的情形。Hofmann M等人[9,10]研究了20 GHz时血糖浓度变化对S参数的相位有显著影响。然而，上述所研究的高频段血糖检测是否对人体存在安全隐患，并且文献[11]已提出应考虑与人体接触较频繁的穿戴式设备的工作频率是否在安全范围内。基于此，本文将探讨射频信号在 300 kHz～250 MHz范围内，不同形状电极对血糖检测的影响，以进一步提高血糖检测的精度。

1　基于射频信号的血糖检测

1.1检测原理

射频信号在信道的传输过程中会发生衰减，而S11参数反映了信号的回波损耗，它表征信号经过二端口网络后的反射情况[12]，即有多少能量返回输入端口。如图1所示，若a1为入射波，则b1为a1的反射波，a2为a1穿过网络后的出射波；b2为入射波，则a2为反射波， b1为出射波。因此，S11参数可定义为b1/a1或a2/b2。

根据上述理论，本文所研究的无创血糖检测是通过S11与血糖浓度之间建立关系模型，从而确定血糖浓度，S11参数定义为射频信号穿过人体组织后的反射波与入射波之比。理论上|S11|参数幅值越小，则信号损耗越大，穿透人体组织越深，接触血液越充分，测得的血糖浓度越可靠。因此，在无创血糖检测中，S11幅值间接地反映了血糖检测的精度。

图1　线性二端口网络

1.2检测方法

为研究电极形状与S11参数幅值在低频段的关系，本文采用三种不同形状的电极采集三种不同浓度样本的S11参数。电极的形状分别为：圆形、方形、螺旋形。其中,圆形电极片的直径为2cm，其通过一根同轴电缆与网络分析仪的接口相连。方形电极片的大小为1.2cm×1.2cm，与网络分析仪的连接方式类似于圆形电极。螺旋电极的总体尺寸为 3cm×3.2cm，外螺旋的直径为2.8cm，一片螺旋电极连接一根同轴电缆测量S11。电极的实物图如图2所示。

图2　圆形、方形、螺旋形电极

正常人空腹时全血血糖浓度为0.003 3～0.006 1 mol/L，餐后0.5～1 h，全血血糖浓度为0.01～0.11 mol/L，餐后2 h，血糖浓度约为0.007 8～0.008 9 mol/L。为模拟上述不同时段人体的血糖浓度，本文采用0.9 %的生理盐水将一定量分析纯葡萄糖(白色粉末状，分子式为C6H12O6·H2O，分子量为198.17)溶解，分别选取代表各时段的3个样本点进行分析。为了提高样品称量的精度，配制样本时将选择的浓度点扩大100倍。因此，本文选取的样本浓度为0.5 ，1.0，0.8 mol/L。

根据所选择的电极和样本浓度，具体步骤如下：

1)计算各样本所需分析纯葡萄糖的质量和生理盐水的体积。为保证电极在50 mL烧杯内完全浸没，配制样本的体积取为30 mL。

2)用药匙取所需分析纯葡萄糖置于电子天平中称量；用100 mL量筒量取0.9 %的生理盐水30 mL，注意量筒的精度。

3)将称量的分析纯葡萄糖和生理盐水放入50 mL的烧杯内，并用玻璃棒搅拌至完全溶解。

4)将连接在矢量网络分析仪上的实验电极浸没在样本溶液中，并存取S11的数据。实验采用的矢量网络分析仪型号为E5061A。

为了减少其他因素对实验的影响，整个检测过程的室温控制在27 ℃，检测前用温度计测量样本溶液的温度并记录，每次测量的温度固定在23 ℃。此外，存取数据前必须保证样本溶液呈稳定状态且电极摆放在相同位置。连续检测10天后用Matlab提取数据并分析S11幅值与电极形状的关系。

2　实验结果与分析

图3为三种不同浓度葡萄糖盐溶液中的S11曲线，曲线的颜色代表不同葡萄糖盐溶液的浓度。分析S11曲线时，由于全频段范围内不易确定溶液浓度与S11幅值的关系，因此，常选择曲线变化较剧烈的位置，如谐振点，即图中曲线的最低点。由下列三个图可看出，在谐振点处，随着葡萄糖盐溶液浓度升高，|S11|曲线的幅度随之降低，其浓度从下到上依次为0.5，0.8，1 mol/L，这种变化趋势可由图4进一步表明。此外，图4还表明不同浓度溶液中三种电极在谐振点处S11幅值的关系，即相同浓度的葡萄糖盐溶液，螺旋电极的S11谐振点幅值最高，其次为方形电极，圆形电极的最低。

图3　三种电极在不同浓度葡萄糖盐溶液中的S11曲线

图4　三种电极的S11谐振幅值与葡萄糖盐溶液浓度的关系

S11在谐振点的幅度/dB葡萄糖盐溶液浓度/(mol/L)0.50.81.0螺旋形-12.7352-12.1299-11.3856方形-13.3408-12.7735-11.8553圆形-14.1198-13.5700-12.7616

表1列出了S11参数在谐振点处的具体幅值。从表中同样可得出，在相同浓度溶液中，螺旋电极的|S11|谐振点幅值均最小，其次为方形电极，最大的为圆形电极。

3　结　论

在300 kHz～250 MHz范围内，本文分析了三种不同形状的电极在3种不同浓度的葡萄糖盐溶液中S11幅值曲线，研究表明:S11幅值曲线的谐振点与电极形状存在显著关系。因此，在无创血糖检测中，为提高血糖检测精度，应选择|S11|谐振点幅值较小的电极，所以,相对于方形电极和圆形电极，螺旋形电极更适用于无创血糖检测。

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Study on impact of electrode shape on detection precision of noninvasive blood glucose*

ZHONG Xiao-ling1， ZHANG Xiao-xia1, NIE Ze-dong2， YU Xing-ming1

(1.College of Information Science and Technology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;2.Shenzhen Institutes of Advanced Technology,Chinese Academy of Sciences,Shenzhen 518000,China)

In order to improve precision of noninvasive blood glucose detection based on radio frequency signal in lower frequency band,investigate impact of circular,square,spiral electrodes onS11parameter respectively in simulation of three concentrations of glucose solution，so as to further analyze influence of electrode shape on blood glucose detection precision.Study shows that electrode shape has a certain relationship with blood glucose detection precision,besides,compared with square and circular electrodes,the measured amplitude ofS11parameter of spiral electrode is the smallest at resonant point,while blood glucose detection precision is the highest,so spiral electrode is more suitable for noninvasive blood glucose detection.

low frequency band;S11parameter; electrode shape; noninvasive blood glucose detection

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0036—03

2016—06—02

国家自然科学基金资助项目(41304117)

TH 776

A

1000—9787(2016)09—0036—03

钟晓玲(1976-),女，四川泸州人，副教授，主要从事信号与处理方向的研究工作。