DOI: 10.17586/2226-1494-2017-17-4-593-598


УДК537.86

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ БИОЛОГИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ В ГИГАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ

Дёмин А. С., Новосельский Д. В., Балошин Ю. А., Дамдинов Б. Б.


Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования: Дёмин А.С., Новосельский Д.В., Балошин Ю.А., Дамдинов Б.Б. Исследование диэлектрической проницаемости биологических растворов в гигагерцовом диапазоне частот // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 4. С. 593–598. doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-4-593-598

Аннотация

Предмет исследования.Представлены результаты исследования в гигагерцовом диапазоне частот диэлектрической проницаемости физиологических водных растворов и растворов глюкозы, используемых в медицинской практике. Результаты эксперимента обоснованы теоретически на основе модели Дебая–Коле (Debye–Cole). Метод. Исследования проведены на плазме крови здорового донора, воде, водных растворах NaCl (0,9%) и растворах глюкозы с концентрацией от 3 до 12 ммоль/л. Эксперименты выполнены с использованием активной методики ближнего поля (Nearfield), основанной на измерении импеданса плоской границы воздух–жидкость с помощью открытого конца коаксиального волновода в диапазоне частот 1–12 ГГц. Результаты измерений обработаны с использованием компьютерной системы векторного анализатора фирмы Rohde& Schwarz. Спектры пропускания определялись с использованием ИК-спектрометра TENZOR-Bruker. Основные результаты. Результаты моделирования показали хорошее совпадение экспериментальных результатов и модели, а также выбора основных параметров модели Debye–Coleв исследуемом диапазоне частот для всех исследуемых сред. Показано, что диапазон 3–6 ГГц может рассматриваться как основной при разработке диагностических сенсоров для безинвазивного анализа концентрации глюкозы в крови человека. Практическая значимость. Электродинамические модели тестовой жидкости, заменяющей кровь человека, позволяют промоделировать основные характеристики сенсора для качественной и количественной оценки концентрации глюкозы в крови человека и могут быть использованы при создании экспериментального образца безинвазивного глюкометра.


Ключевые слова: комплексная диэлектрическая проницаемость, вода, солевые растворы, глюкоза, биологические ткани, ближнее поле, численная модель

Список литературы
 1.     Hofmann M., Ficher G., Weigel R., Kissinger D. Microwave-based noninvasive concentration measurements for biomedical applications // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2013. V. 61. N 5. P. 2195–2204. doi: 10.1109/TMTT.2013.2250516
2.     Gabriel S., Lau R.W., Gabriel C. The dielectric propererties of biological tissues: II. Measurements in the frequency range 10 Hz to 20 GHz // Physics in Medicine and Biology. 1996. V. 41. N 11. P. 2251–2269. doi: 10.1088/0031-9155/41/11/002
3.     Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах. М.: Мир, 1984. 824 с.
4.     Nicolson A.M., Ross G.F. Measurement of the intrinsic properties of materials by time-domain techniques // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1970. V. 19. N 4. P. 377–382. doi: 10.1109/TIM.1970.4313932
5.     Nikawa Y., Someya D. Non-invasive measurement of blood sugar level by millimeter waves // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. 2001. V. 3. P. 171–174. doi: 10.1109/MWSYM.2001.966865
6.     Cole K.S., Cole R.H. Dispersion and absorption in dielectrics: I. Alternating current characteristics // Journal of Chemical Physics. 1941. V. 9. P. 341–351.
7.     Cole K.S., Cole R.H. Dispersion and absorption in dielectrics: II. Direct current characteristics // Journal of Chemical Physics. 1942. V. 10. P. 98–105.
8.     Ellison W. Permittivity of pure water at standard atmospheric pressure, over the frequency range 0-25 THz and the temperature range 0–100 ˚C // Journal of Physical and Chemical Reference Data. 2007. V. 36. N 1. P. 1–18. doi: 10.1063/1.2360986
9.     Klein L., Swift C. An improved model for the dielectric constant of sea water at microwave frequencies // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1977. V. 25. N 1. P. 104–111. doi: 10.1109/JOE.1977.1145319
10.  Черноусько Ф.Л., Баничук Н.В. Вариационные задачи механики и управления. М.: Наука, 1973. 236 с.
11.  Bishay S.T. Numerical methods of the Cole-Cole parameters // Egypt. J. Sol. 2000. V. 23. N 2. P. 179–188.
12.  Andryieusky A., Kuznetsova S.M., ZhukovskyS.V., Kivshar Y.S., Lavrinenko A.V. Water: promising opportunities for tunable all-dielectric electromagnetic metamaterials // Scientific Reports. 2013. V. 5. doi: 10.1038/srep13535
Информация 2001-2017 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика