无创微波血糖浓度检测系统的研究与设计

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糖尿病是一种非常常见的疾病,主要特点为体内血糖浓度偏高。其常见症状包括突然失明、餐后低血糖、多尿、多食和消瘦等。血糖的长期偏高会导致机体多种器官受损,给人们的身体健康及生活方面等带来极大的影响。近年来糖尿病患者人数呈上升趋势。对于糖尿病的防控,患者不仅需要保持心态积极、生活规律,安全便捷的血糖检测装置也必不可少。而现在市售的血糖仪都需要有创取血,不仅给患者身心带来痛苦,也存在皮肤感染的风险。为此,本文基于微波法研究一款无创血糖测试系统的设计。本文研究内容有以下几点:1、对葡糖糖溶液和血液各自的复介电常数与葡萄糖浓度、频率之间的关系进行分析可得,较高的工作频率可使传感器对溶液浓度的变化更加敏感。同时查阅资料发现,频率大于100MHz后,细胞膜的充电效应会迅速减慢,组织的相对介电常数将不再依赖膜结构。此外,通过分析电磁波对人体各组织的穿透深度可知,穿透深度随频率的增大而变浅。综合以上几点,传感器的工作频率选择在1GHz左右,并选择传感区域为血管分布相对较多的人体手指。同时通过比较几种常用的传感器结构类型,确定本文传感器类型为微带形式。2、从提高灵敏度和小型化两方面入手设计了微波传感器。其基本原理是谐振频率随溶液浓度的变化而变化。先对最基本的微带方环形谐振器进行仿真,发现电场主要分布在两条耦合缝隙附近,且其尺寸较大,手指不能完全覆盖。通过弯折导体带,得到的谐振器总体尺寸可减小一半多,被测物部分覆盖在谐振器缝隙处时灵敏度不高;但全覆盖时会产生多谐振情况,影响传感器的性能。为改善以上缺点,采用SRR作为传感器,利用高阻抗微带馈线增强电磁耦合,该结构具有电场分布集中、尺寸小等优点,将被测物置于其开口附近,仿真发现相比弯折闭环谐振器,其灵敏度有了一定提高,整体尺寸更小。由于被测溶液会对谐振器开口处的等效电容会产生影响,为进一步提高传感器的灵敏度,用交指电容代替SRR的开口电容,即将ICLLR作为传感器。仿真结果表明ICLLR灵敏度更高,尺寸大大缩小,仅为2.2mm×2.2mm×0.8mm(0.03380?×0.03380?×0.01230?)。因此,选用ICLLR作为传感器,来对葡萄糖溶液和血液进行仿真。仿真分析结果显示,谐振器谐振频率与浓度近似成线性关系,利用该传感器测量浓度是可行的。3、设计系统总体方案,完成信号源和检波器的设计,简要介绍了系统软件设计流程。系统信号源选择ADF4351芯片。利用ADIsimPLL设计环路滤波器,进而设计了信号源的外围电路与其PCB版图。接着对检波芯片AD8313做了简要介绍并设计了原理图及其PCB版图。最后简单介绍了DSP对扫频源的控制设计、AD采样设计、显示屏的设计流程。
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