PL226423B1

PL226423B1 - Układ pomiarowy sondy

Info

Publication number: PL226423B1
Application number: PL402181A
Authority: PL
Inventors: Zenon Szczepaniak; Mariusz Łuszczyk
Original assignee: Bumar Elektronika Spółka Akcyjna
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2017-07-31
Also published as: US10149629B2; EP2976008B1; PL402181A1; US20160073923A1; EP2976008A1; WO2014098629A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ pomiarowy sondy zwłaszcza sondy do pomiarów właściwości dielektrycznych stosowanej w urządzeniach do pomiaru zmian współczynnika przenikalności elektrycznej tkanek ludzkich lub zwierzęcych. Sonda z tym układem umożliwia nieinwazyjny kontaktowy pomiar zmian glikemii człowieka poprzez pomiar zmian przenikalności elektrycznej tkanek.

Znane jest rozwiązanie według opisu zgłoszeniowego wynalazku US 2004/0065158 A1, w którym do pomiaru poziomu glukozy we krwi lub tkankach wykorzystywana jest sonda w postaci dwóch elektrod, tworzących kondensator w obwodzie rezonansowym układu pomiarowego. Zmiany poziomu glukozy we krwi powodują zmianę pojemności i tym samym zmianę częstotliwości rezonansowej obwodu rezonansowego. Jedna z elektrod (elektroda A) występuje w postaci pierścienia osadzonego na obudowie sondy. Druga elektroda (elektroda B) występuje w postaci metalizowanego paska na podłożu dielektrycznym wewnątrz sondy o długości znacznie większej od szerokości. Sonda jest tak skonstruowana, że elektroda A ściśle przylega do tkanki badanej, zaś elektroda B pozostaje odizolowana zarówno od tkanki jak i od elektrody A. Wadą rozwiązania według wynalazku jest konieczność zachowania znacznych wymiarów wewnętrznej elektrody B, w celu zwiększenia stopnia sprzężenia z badaną tkanką. Stopień sprzężenia wpływa bezpośrednio na dokładność pomiaru. Wymiary elektrody przekładają się na wymiary sondy pomiarowej.

Celem wynalazku jest stworzenie układu pomiarowego sondy niewielkich wymiarach gabarytowych, który pozwala na zachowanie dużej czułości i dokładności pomiaru zmian właściwości dielektrycznych badanej tkanki.

Cel ten osiągnięto w rozwiązaniu według wynalazku, w którym układ pomiarowy sondy składa się z, umieszczonego na dielektrycznym podłożu, mikrofalowego rezonansowego obwodu ukształtowanego w postaci trójstopniowego rezonatora, zawierającego połączone kaskadowo trzy odcinki linii paskowych o różnej impedancji charakterystycznej oraz długości każdego z tych odcinków i ułożonych względem siebie w taki sposób, że jeden z odcinków linii paskowej połączony jest z wyjściem mikrofalowego rezonansowego obwodu i jest prostopadły do połączonego z nim drugiego odcinka linii paskowej, który z kolei jest prostopadły do połączonego z nim trzeciego odcinka, oraz z rzędów przelotek z metalizowaną powierzchnią, łączących metalizowane powierzchnie górną i dolną które znajdują się po obu stronach dielektrycznego podłoża. Stanowią one łącznie masę sondy. Część powierzchni dolnej dielektrycznego podłoża, na której jest umieszczony mikrofalowy rezonansowy obwód, nie jest metalizowana. W skład układu pomiarowego wchodzi również wejście sygnału mikrofalowego znajdujące się na powierzchni górnej dielektrycznego podłoża przeciwległej do jego powierzchni dolnej z mikrofalowym rezonansowym obwodem, przy czym wejście sygnału mikrofalowego znajduje się nad wyjściem mikrofalowego rezonansowego obwodu, po przeciwległej stronie dielektrycznego podłoża jest z nim połączone za pomocą metalizowanej przelotki.

Odcinki linii paskowych mikrofalowego rezonansowego obwodu mają różne wartości impedancji charakterystycznej oraz długości dobrane tak, aby osiągnąć częstotliwość rezonansową w zakresie od 2,5 GHz do 3,5 GHz.

Układ pomiarowy ma podłoże dielektryczne z laminatu teflonowego. Powierzchnie górna i dolna znajdujące się po obu stronach podłoża dielektrycznego są metalizowane pierwotnie miedzią i wtórnie złotem. Odcinki linii paskowych układu pomiarowego są ułożone w kształcie litery U.

Układ pomiarowy ma wyjście mikrofalowego rezonansowego obwodu połączone z wejściem sygnału mikrofalowego w postaci koncentrycznego złącza typu SMB.

W układzie pomiarowym mikrofalowy rezonansowy obwód jest umieszczony centralnie na dielektrycznym podłożu o kształcie koła, a rzędy przelotek są ułożone pierścieniowo wokół niego.

Korzystnym jest, że w układzie pomiarowym według wynalazku podłoże dielektryczne, na którym umieszczony jest obwód rezonansowy wykonane jest z materiału, który nie pochłania wody i jest hydrofobowy, takiego jak teflon, co eliminuje błąd pomiarowy spowodowany nadmierną ilością wilgoci pomiędzy sondą a badaną tkanką. Ponadto takie podłoże dielektryczne jest hipoalergiczne, tzn. nie powoduje podrażnień w miejscu kontaktu ze skórą. Pokrycie złotem dodatkowo chroni przed podrażnieniami.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ pomiarowy w widoku od strony powierzchni styku z tkanką fig. 2 przedstawia widok układu linii paskowych rezonatora ułożonych w kształcie litery U, fig. 3 przedstawia układ rezonansowy ze złączem koncentrycznym typu SMB w widoku z boku, fig. 4 przedstawia w formie wykresu przyPL 226 423 B1 kład zmierzonej charakterystyki współczynnika odbicia sondy mikrofalowej w kontakcie ze skórą na przedramieniu człowieka, a fig. 5 przedstawia zmierzone charakterystyki współczynnika odbicia sondy mikrofalowej dla różnych roztworów mieszaniny soli fizjologicznej z glukozą (0 i 500 mg/dl).

Układ pomiarowy wykonany jest na krążku z laminatu teflonowego zbudowanego jako dielektryczna warstwa 5 o następujących parametrach:

przenikalność elektryczna e_r=2,5; grubość podłoża 0,635 mm, tangens kąta stratności tg5=0,0001 oraz warstw metalizacji 1A i 1B o grubości miedzi 18 μm. Średnica sondy pomiarowej wynosi 30 mm. Powierzchnia górna 1A dielektrycznej warstwy 5 jest całkowicie pokryta miedzią z napyloną warstwą złota. Od tej strony do układu doprowadzany jest sygnał mikrofalowy za pomocą złącza koncentrycznego typu SMB 4. Złącze koncentryczne jest osadzone na krążku w ten sposób, że wewnętrzny przewodnik złącza jest odizolowany od warstwy miedzi i połączony jest z mikrofalowym rezonansowym obwodem 3 znajdującym się na drugiej stronie krążka na powierzchni dolnej 1B. Złącze koncentryczne 4 znajduje się dokładnie nad wyjściem 3D mikrofalowego rezonansowego obwodu 3, po przeciwległej stronie dielektrycznego podłoża 5 i jest z nim połączone za pomocą metalizowanej przelotki 2. Powierzchnia dolna 1B, z wyjątkiem tej części, na której umieszczony jest mikrofalowy obwód rezonansowy, jest również pokryta miedzią z napyloną warstwą złota. Obwód rezonansowy 3 w postaci trójstopniowego rezonatora, znajduje się centralnie od strony powierzchni styku z tkanką i wykonany jest z trzech połączonych kaskadowo odcinków linii paskowych ułożonych względem siebie w taki sposób, że jeden z odcinków 3A połączony jest z wyjściem 3D obwodu 3 i jest prostopadły do połączonego z nim drugiego odcinka 3B, który z kolei jest prostopadły do połączonego z nim trzeciego odcinka 3C. Odcinki linii paskowych tworzą kształt litery U.

Każdy z odcinków charakteryzuje się inną wartością impedancji charakterystycznej i długości, odpowiednio dla odcinków 3A, 3B i 3C wartości impedancji i długości elektrycznej wynoszą: Z0A= 32,5 Ω, φ_Α= 53°; Z_0B= 35 Ω, φ_Β = 58°; Z_0C= 31,5 Ω, <p_c=60° dla częstotliwości 3,3GHz.

Masa układu w postaci górnej powierzchni 1A i dolnej powierzchni 1B dielektrycznego podłoża 5 połączona jest ze sobą za pomocą metalizowanych przelotek 2. Liczba i położenie przelotek nie ma znaczenia dla prawidłowego funkcjonowania układu według wynalazku, natomiast ważne jest, aby ich ilość była wystarczająco duża do zapewnienia skutecznego w zakresie założonych częstotliwości pracy połączenia mas po obydwu stronach układu pomiarowego.

Sonda z układem pomiarowym z punktu widzenia opisu właściwości elektrycznych jest jednowrotnikiem. Układ taki charakteryzuje się współczynnikiem odbicia reprezentowanym przez parametr S11 w opisie macierzowym. Wartość współczynnika odbicia dla sondy z układem pomiarowym w przykładzie wykonania w kontakcie ze skórą na przedramieniu człowieka przedstawia wykres na fig. 4 gdzie minimum modułu współczynnika odbicia obwodu występuje dla częstotliwości ok. 2,39 GHz. Natomiast różnice w zależności od badanego roztworu przedstawia wykres na fig. 5. Charakterystyka przedstawiająca zmianę modułu współczynnika odbicia, parametr |S11| w funkcji zmian częstotliwości sygnału mikrofalowego, pokazuje krzywą rezonansową obwodu rezonansowego sondy pomiarowej dla dwóch przypadków:

1) dla sondy zanurzonej w roztworze soli fizjologicznej bez glukozy - krzywa oznaczona na fig. 5 znakiem trójkąta Δ,

2) dla sondy zanurzonej w roztworze soli fizjologicznej z glukozą o stężeniu 500 mg/dl - krzywa oznaczona na fig. 5 znakiem kwadratu □.

Układ pomiarowy sondy ma zastosowanie w bezinwazyjnych badaniach zmian glikemii człowieka oraz zmian współczynnika przenikalności elektrycznej tkanek ludzkich lub zwierzęcych.

Claims

1. Układ pomiarowy sondy zwłaszcza sondy do pomiarów właściwości dielektrycznych stosowanej w urządzeniach do pomiaru właściwości zmian współczynnika przenikalności elektrycznej tkanek ludzkich lub zwierzęcych, znamienny tym, że składa się z, umieszczonego na dielektrycznym podłożu (5), mikrofalowego rezonansowego obwodu (3) ukształtowanego w postaci trójstopniowego rezonatora, zawierającego trzy odcinki połączonych kaskadowo linii paskowych (3A), (3B) i (3C) o różnej impedancji charakterystycznej oraz długości każdego z tych odcinków i ułożonych względem siebie w taki sposób, że jeden z odcinków linii paskowej (3A) połączony jest z wyjściem (3D) mikrofalowego rezonansowego obwodu (3)

PL 226 423 B1 i jest prostopadły do połączonego z nim drugiego odcinka (3B) linii paskowej, który z kolei jest prostopadły do połączonego z nim trzeciego odcinka (3C) linii paskowej, oraz z rzędów przelotek (2) z metalizowaną powierzchnią, łączących metalizowane powierzchnie górną (1 A) i dolną (1B) znajdujące się po obu stronach dielektrycznego podłoża (5) i stanowiących łącznie masę sondy, przy czym część powierzchni dolnej (1B) dielektrycznego podłoża (5), na której jest umieszczony mikrofalowy rezonansowy obwód (3), nie jest metalizowana, a także z wejścia (4) sygnału mikrofalowego znajdującego się na powierzchni górnej (1A) dielektrycznego podłoża (5) przeciwległej do powierzchni dolnej (1B) dielektrycznego podłoża (5) z mikrofalowym rezonansowym obwodem (3), przy czym wejście (4) sygnału mikrofalowego znajduje się nad wyjściem (3D) mikrofalowego rezonansowego obwodu (3), po przeciwległej stronie dielektrycznego podłoża (5) i jest z nim połączone za pomocą metalizowanej przelotki.

2. Układ pomiarowy sondy według zastrz. 1, znamienny tym, że odcinki linii paskowych (3A), (3B), (3C) mikrofalowego rezonansowego obwodu (3) mają różne wartości impedancji charakterystycznej oraz długości dobrane tak, aby osiągnąć częstotliwość rezonansową w zakresie od 2,5 GHz do 3,5 GHz.

3. Układ pomiarowy sondy według zastrz, 1, znamienny tym, że podłoże dielektryczne (5) jest laminatem teflonowym.

4. Układ pomiarowy sondy według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzchnie górna (1A) i dolna (1B) znajdujące się po obu stronach dielektrycznego podłoża (5) są metalizowane pierwotnie miedzią i wtórnie złotem.

5. 5. Układ pomiarowy sondy według zastrz. 1, znamienny tym, że odcinki linii paskowych (3A), (3B), (3C) mikrofalowego rezonansowego obwodu (3) są ułożone w kształcie litery U.

6. Układ pomiarowy sondy według zastrz. 1, znamienny tym, że wyjście (3D) mikrofalowego rezonansowego obwodu (3) jest połączone z wejściem (4) sygnału mikrofalowego w postaci koncentrycznego złącza typu SMB.

7. Układ pomiarowy sondy według zastrz. 1, znamienny tym, że mikrofalowy rezonansowy obwód (3) jest umieszczony centralnie na dielektrycznym podłożu (5) o kształcie koła, a rzędy przelotek (2) są ułożone pierścieniowo wokół niego.