在糖尿病及其并发症的防治得到了越来越多关注的当下，高精度无创连续血糖监测（CGM）是未来糖尿病以及并发症防治的关键，而微波法是实现无创连续血糖监测的潜在技术之一。目前，研究人员对基于微波法的无创血糖监测技术进行了大量的研究。但微波法存在的辐射源方向性低、能量分散、检测精度低等问题成为限制其广泛应用于无创血糖监测领域的关键瓶颈。
据麦姆斯咨询报道，针对上述问题，来自南京信息工程大学的研究人员采用人工超构表面近场聚焦方法，通过设计谐振单元产生足够的相位差以提高微波辐射的方向性，大幅提升了基于微波的检测装置对待测介质介电常数的敏感性，从而实现高精度的葡萄糖浓度检测。
人工超构表面近场聚焦设计
通过人工超构表面的相位补偿，该研究使得经由人工超构表面反射的电磁波在焦点处实现同相聚焦。所设计的人工超构表面聚焦结构如图1所示。
图1 人工超构表面聚焦结构示意图
图2展示了提出的人工超构表面单元结构，其边长w = 20 mm，每个人工超构表面单元由谐振单元、介质基板、葡萄糖溶液层和接地层构成。介质基板使用FR4材料（εr = 4.4），厚度t₁ = 1 mm，葡萄糖溶液层厚度t₂ = 5 mm。谐振单元由中心对称的环状结构构成，其中，上下矩形的外长度为l，内宽度为d，环宽度为d，两矩形连接处的内宽度为0.2l，环宽度为0.4l-d。所设计的单元结构通过控制d和l的值，使得电磁波经人工超构表面单元反射后，能够产生0到360°的连续反射相位范围。
图2 人工超构表面单元结构
实验装置与结果分析
基于上述设计，研究人员提出了一种葡萄糖溶液检测装置。该装置由盒体、盒盖、显示屏和葡萄糖溶液检测槽构成，所设计并制作的人工电磁超构表面固定于检测槽上方一定距离的盒体内。接入电源后，将葡萄糖溶液置于检测槽中，若槽中液面高度满足检测要求，指示灯会闪烁绿光作为提示。此时馈源发出固定频率的电磁波，经过人工超构表面反射形成该浓度葡萄糖溶液对应的电场强度分布，并将实时观测到的电磁近场聚焦情况呈现在显示屏上。为使结果更加清晰，研究人员将核心部件内含待测葡萄糖溶液的人工超构表面单独取出进行实验测试。
图3 葡萄糖溶液检测装置
为获得聚焦平面的电场分布情况，本研究在微波暗室中进行平面电场近场扫描测量，并通过计算机向扫描架控制系统发送指令，控制扫描架的运动，同时通过指令控制矢量网络分析仪，使其采集测量平面上各点电场强度的幅度和相位信息。
图4 聚焦平面电场分布情况测量原理框图
此外，该研究采用标准增益喇叭天线（1 GHz ~ 18 GHz，工作频率为5 GHz）作为馈源，采用介电常数与之相近的塑料材质盒子作为葡萄糖溶液的容器。随后，将人工超构表面和容器进行固定，并放置于支架上。
图5 葡萄糖溶液检测系统配置图
为探究不同浓度的葡萄糖溶液对聚焦焦点的影响，该研究分别制备了浓度值为16 mmol/L ~ 17mmol/L的葡萄糖溶液，步长为0.1 mmol/L，并通过近场测量得到测量平面上的反射电磁波垂直分量电场强度的幅度与相位，图6和图7分别显示了葡萄糖溶液浓度为17 mmol/L与16 mmol/L时近场扫描得到的电场强度模值的二维等高线图。从图中可知，17 mmol/L葡萄糖溶液对应的焦点正中心坐标为（298，90）mm，16 mmol/L葡萄糖溶液对应的焦点正中心坐标为（319，90）mm处，相较于17 mmol/L葡萄糖溶液对应的焦点位置向右偏移了21 mm。
图6 对应于17 mmol/L葡萄糖溶液的等高线图
图7 对应于16 mmol/L葡萄糖溶液的等高线图
随后，研究人员绘制了不同浓度的葡萄糖溶液所对应电场强度模值的二维等高线图，从图中发现各浓度对应的焦点纵坐标都位于90 mm处，横坐标却不相同。如图8所示，随着葡萄糖溶液浓度的升高，焦点坐标不断向左偏移，偏移量为2 mm ~ 3 mm，且随着葡萄糖溶液浓度的升高，焦点横坐标体现了良好的线性度。
图8 葡萄糖溶液浓度与焦点横坐标关系图
此外，与标准葡萄糖溶液浓度值相比，本研究提出的基于人工电磁超构表面的葡萄糖溶液浓度检测误差不超过3.8%，检测线性度优于0.96。证明该研究提出的基于人工超构表面的葡萄糖检测装置具有应用于无创连续血糖监测的潜力。
论文信息：
DOI：10.3969/j.issn.1005-9490.2024.02.043
