设计基于CSRR的传感器来监测慢性肾脏疾病

2017年3月13日

非传染性疾病给低至中等收入国家带来了社会经济压力。非侵入性技术的出现提供了一种解决方案，可有效诊断，预防和治疗这些疾病，费用较低。对于慢性肾脏疾病，一种非传染性疾病的一种类型的进步很重要，因为目前的方法昂贵且容易出错。如仿真研究所示，基于互补的拆分环共振器（CSRR）的传感器提供了一种廉价的方法来准确监测慢性肾脏疾病。

寻找具有成本效益的方法来诊断和治疗非传染性疾病

根据世界卫生组织（WHO），非传染性疾病（NCD）每年在全球造成3800万人死亡。在这些死亡中，将近四分之三发生在低至中等收入国家。因此，谁将重点放在这些国家 /地区提供的NCD具有成本效益的预防形式。

近年来，非侵入性技术已成为一种潜在的解决方案，以低成本提供有效（和无痛的）医疗保健。该技术包括可穿戴传感器和其他便携式轻量级设备，可以连续监测患者的健康状况，从而使医生能够更好地诊断和治疗此类疾病。让我们看一下该技术在监测特定类型的NCD：慢性肾脏疾病（CKD）中的作用。

可穿戴传感器的照片，用于监测心率。
为了连续监测一个人的心律，该可穿戴的传感器只需要用粘合剂固定在皮肤上即可。CES揭幕。获得许可CC由2.0，通过Flickr Creative Commons。

肌酐水平与慢性肾脏疾病之间的联系

在人体内部，肾脏从血液中滤除废物。乐动体育app无法登录这些废物之一是肌酐，它是由肌肉代谢产生乐动体育app无法登录的。如果肾脏无法正常运作，那么人的血液中肌酐浓度水平就会变得很高。因此，这些水平可以为肾功能放缓提供重要的见解，这是一种逐渐导致慢性肾脏疾病的过程。

一张显示健康肾脏模型的照片。
健康肾脏的模型，它从血液中过滤了肌酐等废物。乐动体育app无法登录国家卫生与医学博物馆的图像。获得许可CC由2.0，通过Flickr Creative Commons。

用于测量血液中肌酐水平的当前方法可能是昂贵且容易出错的方法，倾向于就浓度值提供不精确的估计。许多研究表明，电性能的变化与可以在葡萄糖水平中检测到的变化相关。为了看看是否与血液肌酐水平存在类似的关系，西印度群岛大学的研究小组决定进行调查。他们设计和分析了基于CSRR的传感器，该传感器可以更好地预防肾衰竭。

通过设计基于CSRR的传感器来测量血肌酐水平来监测CKD

为了构建其3D EM仿真模型，研究人员使用了COMSOLMultiphysics®软件和附加RF模块。在下面的示意图中，基于CSRR的传感器模型显示在右侧，CSRR的尺寸突出显示在左侧。谐振器的尺寸源自先前关于使用基于CSRR的传感器来测量相对介电常数的研究（参见本文中的参考文献8）。

并排图像显示了CSRR和基于CSRR的传感器模型的示意图。
CSRR（左）和传感器模型（右）的尺寸。Z. Ramsaroop，S。Rocke，N。Gayapersad和J. Persad的图像，从他们的乐动滚球app下载Comsol会议2016波士顿纸。

如上图所示，传感器模型包括CSRR和微带铜系，后者是由电场激发的。具有相关材料特性的人体皮肤（表皮）被添加为与谐振器接触的材料。为了模拟传感器的实际应用，将FR4用作底物材料，周围区域被建模为完美匹配的层（PML）。

下表提供了模拟中使用的不同维度和电参数的概述。

零件	形状和尺寸	电参数
空气	球形半径= 110毫米	σ= 0 s/m ε_r= 1 μ_r= 1
FR4底物	原始块宽度= 40毫米深度= 26毫米高度= 0.8毫米	σ= 0.004 s/m ε_r= 4.5 μ_r= 1
表皮	原始块宽度= 40毫米深度= 26毫米高度= 1毫米	σ= 0.8 s/m ε_r= 1-100 μ_r= 1

为了进行分析，在1至10 GHz的频带上，微带线在传感器平面下方激发。该频带反映了属于医疗应用可接受范围内的值。当检测血液介电常数的变化时，它还与对皮肤组织的穿透深度的要求相关。由于相对介电常数的变化，参数扫描的相对介电常数范围为1至100，以检测谐振器的频率响应。使用如此广泛的范围使研究人员能够说明可能发生的血液介电特性的所有可能变化体内。

下面的图显示了由于人类皮肤的存在，CSRR的共振频率转移，这是对传感器平面上施加的电场的扰动。在5至25的相对介电常数之间，检测到共振的变化。在30到100的范围内，共振频率倾向于重叠，并且随着皮肤的相对介电特征的变化，反射系数的深度变化。后一种趋势可以在2.65 GHz的频率下观察到。这是卸载基于CSRR的传感器的共振频率，并在暴露于空气时具有这些尺寸。

在COMSOLMultiphysics®中，相对频繁的相对频率介于5到20之间的反射信号和频率的图。

比较不同相对介电的反射信号和频率。从左到右：5–20、45-60和85-100。Z. Ramsaroop，S。Rocke，N。Gayapersad和J. Persad的图像，从他们的Comsol Conference 2016 Boston Pap乐动滚球app下载er取自。

以下图将在加载条件下获得的反射与相对介电常数进行比较。结果表明，与理论预期的价值相吻合。这表明，相对于空气的反射变化可以用作区分血液相对介电常数的参数。

图形在加载条件下与相对介电常数相比，绘制反射信号的图。
在加载条件与相对介电常数中反射信号。Z. Ramsaroop，S。Rocke，N。Gayapersad和J. Persad的图像，从他们的Comsol Conference 2016 Boston Pa乐动滚球app下载per取自。

在解决相对介电常数时，研究人员还考虑了介电损失和电导率。下图显示了与指数降低形式的相对介电常数的良好相关性。因此，该参数可用于衡量血液肌酐水平的变化，这是由于其与损失切线的关系而导致的相对介电常数的变化所致。比较在加载条件下的反射信号与损失切线进一步迭代使用基于CSRR的传感器检测血肌酐浓度水平的潜力。