TWI847911B - 基於等離子體法諾共振的無創血糖監測器 - Google Patents

Abstract

本發明為一種基於等離子體法諾共振（Plasmonic Fano Resonance，PFR）的無創血糖監測器，為利用一束帶將一等離子體法諾共振傳感器拘束在一人體肌膚上，而以非侵入性的方式監測一受測者的血糖變化，該等離子體法諾共振傳感器與該人體肌膚之處的血糖具有位於3.25 GHz區段和4.67 GHz區段之諧振頻率，透過該等離子體法諾共振傳感器的所感應到振動幅度和頻率數值變化來監測血糖變化，能夠高精密地反應血糖的變化。

Description

基於等離子體法諾共振的無創血糖監測器

本發明有關於血糖監測器，尤其有關於一種無創血糖監測器。

糖尿病是一種代謝性疾病，糖尿病需要長期且定時的使用藥物與飲食控制，而定期的自我監測血糖可做為糖尿病藥物調整及食物控制的依據，良好的血糖控制可減少低血糖和酮酸中毒的發生，並可預防併發症的出現。

傳統要自我監測血糖，需要使用採血針採集血液，在採集血液會有疼痛感，因此如台灣公告第I749984B號，其揭露一種「可減少刺痛感之抛棄式採血安全針結構及其方法」，可以減少疼痛感，然而，仍然有侵入人體且手指皮膚破損的感染風險。

無創傷血糖監測方法可分為光學、電化學、電磁（EM）和機電四類，其中光學有信號分辨率低而難以普遍應用的問題。電化學方式則需採集汗液、唾液、尿液和眼淚等等，以偵測血糖濃度，但受到身體不斷變化的影響而變異甚大。如超聲波之機電方式，作用原理是讓超聲波深入滲透到皮膚和組織，在計算血糖濃度方面，顯示出精確的數據，但會受到溫度變化的影響，而影響到準確度。

而關於電磁（EM）方式，為將電流從一側引入人體，並在另一側接收電流，根據歐姆標準找到相關的阻抗。組織和含有液體和離子（即Na+、K-和CL-）的血液在人體中傳導電流方面發揮著獨特的作用，即血糖含量與特定的共振頻率相關聯，該頻率與人體的阻抗成正比。然而電磁方式的問題在於常常發生干擾與血糖相關的信號，無法令人滿意地追踪血糖的波動。

爰此，本發明之主要目的在於揭露一種無創血糖監測器，其使用的等離子體法諾共振傳感器和人體有良好的阻抗匹配，能夠高精密地反應血糖的變化。

本發明提供一種基於等離子體法諾共振的無創血糖監測器，供監測一受測者的一人體肌膚之處的血糖變化，包含一等離子體法諾共振傳感器、一拘束元件與一頻率接收器，其中該等離子體法諾共振傳感器與該人體肌膚之處的血糖具有位於3.25 GHz區段和4.67 GHz區段之諧振頻率。該拘束元件讓該等離子體法諾共振傳感器固定貼附於該受測者的該人體肌膚上。該頻率接收器為電性連接該等離子體法諾共振傳感器，並接收取得該等離子體法諾共振傳感器所監測到該人體肌膚之處的血糖之一即時諧振頻率。

據此，本發明透過監測該人體肌膚之處的血糖之該即時諧振頻率，可以得知該受測者在不同狀態下的該即時諧振頻率的振動幅度和頻率數值變化，而該些變化與血糖相關，能夠高精密地反應血糖的變化。

為俾使  貴委員對本發明之特徵、目的及功效，有著更加深入之瞭解與認同，茲列舉一較佳實施例並配合圖式說明如後：

請參閱「圖1」與「圖2」所示，本發明提供一種基於等離子體法諾共振的無創血糖監測器，供監測一受測者10的一人體肌膚11之處的血糖變化，包含一等離子體法諾共振傳感器20、一拘束元件30與一頻率接收器40，其中該等離子體法諾共振傳感器20與該人體肌膚11之處的血糖具有位於3.25 GHz區段和4.67 GHz區段之諧振頻率。一實施例中，該等離子體法諾共振傳感器20為使用介電常數為10.2的50 密耳玻璃纖維增強的PTFE（聚四氟乙烯）基板來製造，如可以使用50 密耳Rogers 6010 基板。且該等離子體法諾共振傳感器20為具有7個短截線(short-circuited stub)21。

一實施例中，該等離子體法諾共振傳感器20的結構為預先在ADS（Advanced Design System @Agilent）中進行模擬和優化，以實現最高靈敏度。優化後，該等離子體法諾共振傳感器20的佈局被列印在 50 密耳Rogers 6010 基板上。此步驟之後，用硫酸鋁蝕刻印刷版圖一小時。在顯微鏡下檢查蝕刻的感測器以檢查電路。 下一步是將 SMA 同軸連接器新增至電路中，以便透過向量網路分析儀 (VNA) 進行測量。

該拘束元件30讓該等離子體法諾共振傳感器20固定貼附於該受測者10的該人體肌膚11上。一實施例中，該拘束元件30為一束帶31，該束帶31綁繫於一受測者10的一手臂12上，且壓制該等離子體法諾共振傳感器20固定貼附於該受測者10的該人體肌膚11上。

該頻率接收器40為電性連接該等離子體法諾共振傳感器20，並接收取得該等離子體法諾共振傳感器20所監測到該人體肌膚11之處的血糖之一即時諧振頻率。一實施例中，該頻率接收器40為一示波器41，該示波器41顯示該即時諧振頻率的波形，以供受測者10參考。在其他的實施方式，該頻率接收器可以是伺服器、智慧型主機或智能手錶...等等。

請再參閱「圖3A」、「圖3B」與「圖3C」所示，為本發明受測者10量測之回波損耗(S11)-頻率響應圖，共分為四組進行量測，其中一組為對照組(No MUT：a)，進行空量測(該等離子體法諾共振傳感器20未貼覆於該人體肌膚11上)。其於三組分別為實驗組一~三，該等離子體法諾共振傳感器20皆貼覆於該人體肌膚11上，並實驗組一為該受測者10處於沒有活動(Arm MUT：b)，實驗組二為手臂12活動1分鐘(Arm MUT：c)，實驗組三為該受測者10開始進食蜜糖後 3 分鐘(Arm MUT：d)，其中「圖3B」與「圖3C」為「圖3A」之局部放大圖。

由對照組與實驗組一~三之回波損耗-頻率圖可知，本發明採用的該等離子體法諾共振傳感器20，與該人體肌膚11之處的血糖具有位於3.25 GHz區段(第一諧振頻率區段)和4.67 GHz區段(第二諧振頻率區段)之諧振頻率。

請再參閱「圖4」，在第一諧振頻率區段下，實驗組一~三的該即時諧振頻率之振動幅度分別具有-16.4dB、-17.6dB與-19.4dB之回波損耗。

請再參閱「圖5」，在第一諧振頻率區段下，實驗組一~三的該即時諧振頻率之數值分別為3.278 GHz、3.277 GHz與3.255 GHz。

而實驗組一~三分別對應該受測者10處於沒有活動、手臂12活動1分鐘與該受測者10開始進食蜜糖後 3 分鐘之狀態，故該即時諧振頻率之振動幅度與頻率數值變化之趨勢，符合血糖在理論上(手臂12活動與該受測者10進食蜜糖，血糖會增加)應有之變化趨勢。

請再參閱「圖3C」，在第二諧振頻率區段下，實驗組一~三的該即時諧振頻率之振動幅度分別具有-26dB(Arm MUT：b)、-25dB(Arm MUT：c)與-21.8dB(Arm MUT：d)之回波損耗。

請再參閱「圖6」，在第二諧振頻率區段下，實驗組一~三的該即時諧振頻率之數值分別為4.6794 GHz、4.6798 GHz與4.6798 GHz。

同樣的實驗組一~三分別對應該受測者10處於沒有活動、手臂12活動1分鐘與該受測者10開始進食蜜糖後 3 分鐘之狀態，顯然在在第二諧振頻率區段下，實驗組三(進食)之該即時諧振頻率之振動幅度有顯著的變化。

該即時諧振頻率之振動幅度與頻率數值之變化能夠高精密地反應血糖的變化，因此，觀察該即時諧振頻率之振動幅度之變化，即可推論得知血糖的變化。

綜上所述，本發明的優點至少包含：

1.利用該束帶將該等離子體法諾共振傳感器拘束在該人體肌膚上，為非侵入性的方式監測該受測者的血糖變化，可解除疼痛與傷口感染的問題。

2.透過兩個振頻率區段下的振動幅度與頻率數值變化來監測，能夠高精密地反應血糖的變化。

10:受測者 11:人體肌膚 12:手臂 20:等離子體法諾共振傳感器 21:短截線 30:拘束元件 31:束帶 40:頻率接收器 41:示波器

圖1，為本發明等離子體法諾共振傳感器結構示意圖。 圖2，為本發明監測結構示意圖。 圖3A-圖3C，為本發明受測者量測到之回波損耗-頻率響應圖。 圖4，為本發明於第一諧振頻率區段之回波損耗圖。 圖5，為本發明於第一諧振頻率區段之即時諧振頻率圖。 圖6，為本發明於第二諧振頻率區段之即時諧振頻率圖

10:受測者

11:人體肌膚

12:手臂

20:等離子體法諾共振傳感器

30:拘束元件

31:束帶

40:頻率接收器

41:示波器

Claims (5)

1. 一種基於等離子體法諾共振的無創血糖監測器，供監測一受測者的一人體肌膚之處的血糖變化，其包含： 一等離子體法諾共振傳感器，該等離子體法諾共振傳感器與該人體肌膚之處的血糖具有位於3.25 GHz區段和4.67 GHz區段之諧振頻率； 一拘束元件，該拘束元件讓該等離子體法諾共振傳感器固定貼附於該受測者的該人體肌膚上；以及 一頻率接收器，該頻率接收器為電性連接該等離子體法諾共振傳感器，並接收取得該等離子體法諾共振傳感器所監測到該人體肌膚之處的血糖之一即時諧振頻率。
2. 如請求項1所述的無創血糖監測器，其中該等離子體法諾共振傳感器為使用介電常數為 10.2 的 50 密耳 玻璃纖維增強的PTFE（聚四氟乙烯）基板來製造。
3. 如請求項2所述的無創血糖監測器，其中該等離子體法諾共振傳感器為具有7個短截線(short-circuited stub)。
4. 如請求項1所述的無創血糖監測器，其中該拘束元件為一束帶，該束帶綁繫於該受測者的一手臂上，且壓制該等離子體法諾共振傳感器固定貼附於該受測者的該人體肌膚上。
5. 如請求項1所述的無創血糖監測器，其中該頻率接收器為一示波器，該示波器顯示該即時諧振頻率的波形。