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设计互补开口谐振传感器用于监测慢性肾脏疾病

2017年 3月 13日

非传染性疾病给中低收入国家造成社会经济压力。无创技术提供了一种有效的治疗方案，能以较低的成本对这类疾病进行诊断、预防和治疗。对于慢性肾脏疾病来说，这种医学技术上的进步非常重要，因为目前这类疾病的治疗很昂贵，而且容易出错。仿真研究显示，基于互补开口谐振器（CSRR）的传感器为准确监测慢性肾脏疾病提供了一种低成本的方法。

寻找诊断和治疗非传染性疾病的低成本方法

根据世界卫生组织（WHO）的数据，非传染性疾病（NCD）每年在全世界造成 3800 万人死亡。其中，近四分之三的死亡发生在中低收入国家。因此，为了解决这些国家面临的问题，世卫组织将用于诊断和治疗非传染性疾病的低成本的方法作为重点研究项目。

近年来，无创技术已经成为一种前景广阔的治疗技术，它能以低廉的成本达到有效并且无痛的医疗保健效果。这类技术，包括可穿戴传感器和其他便携式轻型设备，可以对病人的健康进行持续监测，从而使医生能够更好地诊断和治疗疾病。让我们来看看这种技术在监测一种特定类型的非传染性疾病（慢性肾脏病）中的作用。

一张用于监测心率的可穿戴传感器的照片。
为了持续监测人体心率，这种可穿戴的传感器只需要用粘合剂贴在皮肤上。图片由 CES 提供。根据CC BY 2.0许可，通过Flickr Creative Commons共享。

肌酐水平与慢性肾脏疾病之间的联系

在人体内部，肾脏的作用是过滤血液中的废物。肌酐就是其中的一种废物，它是由肌肉代谢产生的。如果肾脏没有发挥应有的功能，人体血液中的肌酐浓度水平就会变得相当高。通过肌酐水平浓度，可以深入了解肾脏功能的衰退情况，这可能是一个渐进过程，会引发慢性肾脏疾病。

一张健康肾脏模型的照片
一个健康肾脏的模型，它能过滤血液中的肌酐等废物。图片由美国国家卫生和医学博物馆提供。根据CC BY 2.0许可，通过Flickr Creative Commons共享。

目前用于测量血液中肌酐水平的方法可能很昂贵而且容易出错，并且可能对相关浓度值的估计不精确。大量研究表明，电学特性的变化与葡萄糖水平的变化相关。为了解血肌酐水平是否存在类似的关系，University of West Indies 的一个研究团队决定对此进行研究。他们设计并分析了一个基于CSRR的传感器，如果该设计有效，可以更好地预防肾衰竭。

设计基于 CSRR 的传感器测量血肌酐水平用于监测慢性肾脏疾病

为了建立三维电磁仿真模型，研究人员使用了 COMSOL Multiphysics^®软件和其附加的射频模块。下面示意图的左侧显示了 CSRR 的尺寸，右侧显示了基于 CSRR 的传感器模型。谐振器的尺寸来自之前关于使用基于 CSRR 的传感器测量相对介电常数的研究（见参考文献8）。

Side-by-side images showing schematics of the CSRR and the CSRR-based sensor model.
CSRR 的尺寸（左）和传感器模型（右）。图片由 Z. Ramsaroop, S. Rocke, N. Gayapersad 和 J. Persad 拍摄，来自他们在COMSOL 用户年会 2016 波士顿站分享的一篇论文。

如上图所示，传感器模型由一个 CSRR 和微带铜线组成，后者由电场激发。将具有相关材料属性的人类皮肤（表皮）添加为与谐振器接触的材料。为了模拟真实应用中的传感器，采用 FR4 作为基板材料，将周围区域建模为完美匹配层（PML）。

下表列出了仿真中使用的一些不同尺寸和电学性能参数。

组件	形状和尺寸	电学性能参数
空气	球体形状半径 = 110mm	σ = 0S/m ε_r= 1 μ_r= 1
FR4 基板	原始块宽 = 40mm 深= 26mm 高= 0.8mm	σ = 0.004S/m ε_r= 4.5 μ_r= 1
表皮	原始块宽 = 40mm 深 = 26mm 高 = 1mm	σ = 0.8S/m ε_r= 1–100 μ_r= 1

为了进行分析，在 1~10GHz 的频率范围内激励微带线。这个频段属于医疗应用可接受范围内的数值，它还与检测血液介电常数变化时对皮肤组织渗透深度的要求相关。在 1~100 的相对介电常数范围内进行参数扫描，用于检测相对介电常数变化导致的谐振器的频率响应。设定使用这么宽的范围，是为了使研究人员能够考虑到在体内可能发生的血液介电特性的所有变化。

下图显示了由人类皮肤引起的 CSRR 共振频率的变化，这对传感器平面上的施加电场有扰动作用。在相对介电常数为 5~25 范围内，检测到谐振频率发生变化。在 30~100 的范围内，谐振频率趋于相同，而且反射系数随着皮肤相对介电常数的变化在深度上发生变化。后一种趋势可以在 2.65GHz 频率下观察到，这是具有这种尺寸的基于 CSRR 的传感器在无载荷情况下，即暴露在空气中时的谐振频率。

COMSOL Multiphysics® 中相对介电常数在 5 到 20 之间的反射信号和频率的比较图。

比较不同相对介电常数下的反射信号和频率。从左到右：5-20，45-60 和 85-100。图片由 Z. Ramsaroop, S. Rocke, N. Gayapersad 和 J. Persad 拍摄，来自他们的 COMSOL 用户年会 2016 波士顿站的论文。

下图比较了在施加载荷的条件下获得的反射和相对介电常数。仿真结果与理论预期的数值有很好的一致性。这表明相对于空气的变化，反射信号变化可以作为一个参数来区分血液相对介电常数的变化。

绘制了有载荷条件下的反射信号与相对电容的关系图。
施加载荷状态下的反射信号与相对介电常数的关系。图片由 Z. Ramsaroop, S. Rocke, N. Gayapersad 和 J. Persad 拍摄，来自他们在 COMSOL 用户年会 2016 波士顿站的论文。

在设置介电常数时，研究人员还考虑了介电损耗和导电性。下图显示了损耗角正切与相对介电常数的良好相关性，呈指数递减趋势。因此，这个参数可以用来测量血肌酐水平的变化，因为血肌酐水平的变化与相对介电常数的变化相关，而介电常数与介电损耗角的正切相关。将在施加载荷状态下的反射信号与损耗角正切相比较的仿真结果，进一步增强了使用基于 CSRR 的传感器检测血肌酐浓度水平的潜力。