Microwave sensor design for non-invasive blood glucose measurement
Non-invaziv kan şekeri ölçümü için mikrodalga sensör tasarımı
- Tez No: 766270
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MERİH PALANDÖKEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Katip Çelebi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Diyabet izleme, kan şekeri monitörlerinin kullanılmasını gerektirir. Biyolojik dokunun dielektrik özelliklerinde glikoza bağlı değişimi algılayarak, RF yaklaşımlarının kan şekeri ölçümlerini sağlaması umut vericidir. Bu yaklaşım non-invaziv ve sürekli kan şekeri takibi sağlayabilir. Mevcut araştırmalar, kan şekeri monitörlerini invaziv olmayan bir şekilde ölçmek için elektromanyetik dalgalar kullanan bir monitörün geliştirilmesine odaklanmaktadır. Yöntem, bir izleme cihazının rezonans frekansını, glikoz seviyesi ile ilgili olan kanın geçirgenliği ve iletkenliği ile ilişkilendirir. Değişen glikoz seviyelerinin etkisini ve sensör ünitesinin tepkisini incelemek için bir sensör ünitesi ile birlikte bir parmak ucu simülasyon modeli elde edilmiştir. Parmak ucu modeli dört katmana ayrılmıştır: deri, yağ, kan ve kemik. Çok katmanlı yapının modellenmesinden sonra, 2.4 GHz'de tek kutuplu Cole-Cole model parametreleri kullanılarak her katmanın dielektrik özellikleri tanımlanmıştır. Sensör ünitesinin performansını incelemek için mikrodalga frekanslarında çalışan iki rezonatör tasarlanmıştır. İlk prototip, Mits'den Eleven Lab PCB Prototipleme Makinesi kullanılarak basılmıştır. İlk imal edilen sensör elemanının yansıma katsayısı simülasyon sonucuyla eşleşmediğinden, sensör elemanının optimize edilmiş şekli imal edilmiştir. Bu sensör ünitesinin boyutu 42 mm x 80 mm x 1.6525 mm'dir. Substrat olarak 35 μm bakır kalınlığına ve 1.635 mm kalınlığında, geçirgenliği 4.9 olan FR-4 malzemesi kullanılmıştır. İn vitro testler yapmak için şeker ve su içeren sıvı fantomlar hazırlandı. Fantomun dielektrik özellikleri, şeker miktarı değiştirilerek oluşturuldu. Son olarak, sensör ünitesinin bir ölçüm sistemi ile birleştirilmesiyle oluşturulmuştur. Ölçüm sistemi için iki XBee modülü ve Arduino Uno kartı kullanıldı. Kandaki glikoz seviyesini tahmin etmek için RSSI değerlerini elde etmek için, XBee modülleri bir alıcı ve verici olarak işlev görecek şekilde yapılandırıldı. XBee Explorer USB kartına monte edilen XBee modülleri, bir veri paketini sürekli yayınlayacak şekilde yapılandırıldı; böylece, Arduino'ya monte edilen alıcı XBee modülü düzenli RSSI değeri güncellemeleri alabilir. Kablosuz iletişim tamamlandıktan sonra, kan şekeri konsantrasyonundaki varyasyonları tanımlayan RSSI varyasyonlarını tespit etmek için bir python kodu oluşturulmuştur. Sensör elemanının frekans tepkilerindeki varyasyonların tespit potansiyeli, çeşitli konsantrasyonlardaki glikoz örneklerini doğru bir şekilde tespit etmek için çeşitli makine öğrenme teknikleri ölçüm düzeneğine dahil edilmiştir. Diyabet hastaları için dikkate değer glikoz seviyesi saptama yeteneklerinin yanı sıra, önerilen RF algılama cihazı, kompakt boyut, kolay üretim, maliyet ve minimum sağlık tehlikesi gibi çeşitli ek avantajlara sahiptir.
Özet (Çeviri)
Diabetes management requires the use of detecting glucose content in blood. The detection of the glucose variation in characteristics of a tissue, RF approaches are promising to provide blood glucose measurements. This approach can provide a non-invasive observation of the amount of glucose in blood. The current research focuses on the development of a monitor that employs electromagnetic waves to non-invasively determine the amount of glucose in blood. A simulation model of fingertip together with a sensor element has been obtained to observe the impact of various glucose contents and responses of the sensor unit. The fingertip model is separated into four layers: blood, skin, fat, and bone. After the modelling of the multi-layer structure, the dielectric characteristics of each layer have been defined utilizing the Cole-Cole model parameters at 2.4 GHz. To investigate the capacity of the sensor element, two resonators are built that operate at microwave frequencies when put radiating towards human tissues. The initial prototype has been made from FR-4 material and had a 35 μm copper and a 1.6 mm dielectric substrate, by utilizing Eleven Lab PCB Prototyping Machine from Mits. Since the reflection coefficient of the first fabricated sensor element has not been matched with its simulation result, the optimized form of the sensor element has been fabricated. FR-4 material that has a permeability of 4.9 and a loss tangent of 0.024 has been utilized as the substrate. In order to perform in vitro tests, liquid phantoms that include sugar and water, have been prepared. The dielectric characteristics of the phantom have been changed by varying the quantity of sugar. Liquid phantoms have been prepared, each containing distinct amount of sugar by weight. Finally, a measurement system has been constructed by combining the sensor element. For the measurement system, two XBee modules and the Arduino Uno board have been used. To get RSSI values to estimate glucose level in blood, the XBee modules have been configured to work as a receiver and transmitter. Once the wireless communication has been accomplished, a python code has been developed to detect variations in RSSI, which define variations of the glucose content in blood. The detection potential of variations in the resonance frequency of the sensor element has been enhanced by employing several machine learning techniques, to properly determine the amount of glucose in concentrations. Apart from the remarkable glucose level detecting capabilities for diabetes, the suggested RF sensing device has various additional advantages, including compact size, easy manufacture, cost, and minimum health danger.
Benzer Tezler
- Metamalzeme tabanlı sensörler ve bu sensörlerin mikrodalga algılamada kullanılması
Metamaterial based sensors and the use of these sensors in microwave detection
GÜLİZ SİLİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FUNDA AKLEMAN YAPAR
- Blood glucose microwave sensor based optically control detection
Başlık çevirisi yok
MARYAM SAMI ALMEHMES
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAltınbaş ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MESUT ÇEVİK
- Mikrodalga ablasyon sisteminde NiTi malzeme tabanlı biyoımplant anten tasarımı ve uygulamaları
Design and applications of NiTi material based bioimplant antenna in microwave ablation system
AHMET RİFAT GÖRGÜN
Doktora
Türkçe
2019
BiyomühendislikSüleyman Demirel ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELÇUK ÇÖMLEKÇİ
PROF. DR. ADNAN KAYA
- Işınlayıcı dizileriyle doku-içi hipertermide enrji yoğunlaştırılması
Başlık çevirisi yok
ABDULLAH FERİKOĞLU
Doktora
Türkçe
1996
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. İNCİ AKKAYA
- Elektromanyetik metamalzeme tabanlı yapıların mikrodalga frekanslarda sensör uygulamaları
Sensors applications of metamaterial based structures in microwave frequencies
MUSTAFA SUPHİ GÜLSU
Doktora
Türkçe
2021
Fizik ve Fizik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BARIŞ AKAOĞLU