阅读说明：本技术 使用自适应射频电路和天线设计监测包含葡萄糖在内的血液的新型非侵入性生物、化学标志物和示踪剂监测装置 (Novel non-invasive biological, chemical marker and tracer monitoring device for monitoring blood containing glucose using adaptive radio frequency circuit and antenna design ) 是由 约瑟夫·科斯坦丁 鲁瓦达·肯吉 阿萨德·伊迪 于 2018-10-05 设计创作，主要内容包括：该装置无需抽血即可测量血液中的葡萄糖浓度。该装置是一种用于测量葡萄糖的射频和天线电路与系统的非侵入性方法。该装置是可穿戴设备,其可以以瞬时方式和连续方式无创地测量血糖水平。(The device can measure the glucose concentration in blood without drawing blood. The device is a non-invasive method of radio frequency and antenna circuits and systems for measuring glucose. The apparatus is a wearable device that can non-invasively measure blood glucose levels in an instantaneous manner and in a continuous manner.)

使用自适应射频电路和天线设计监测包含葡萄糖在内的血液 的新型非侵入性生物、化学标志物和示踪剂监测装置

技术领域

本发明主要涉及用于处理从传感器接收的数据的系统和方法。

背景技术

糖尿病(DM：Diabetes Mellitus)在世界范围内以前所未有的速度增长。国际糖尿病联盟(IDF：International Diabetes Federation)估计，糖尿病患者将从2013年的3.82亿激增至2030年的5.92亿。世界卫生组织已宣布它为全球流行病。糖尿病管理的年度成本将从2013年的约3760亿美元增加到2030年的4900亿美元。DM的管理涉及严格的血糖控制，目标HbAlc为7％，以减少并发症。对血糖的自我监控和对每日血糖的自我了解提高了对药物和生活方式措施的依从性，并为实现目标HbAlc提供了更高的机会。血糖的自我监测对无症状低血糖高危的1型糖尿病患者也很重要，因此可以及时采取适当的措施。DM患者的正常血糖浓度在4-8mmol/L范围内，而病理生理性血糖浓度在2-30mmol/L范围内。

当前，主要通过自我监测血糖(SMBG)系统来进行血糖浓度的监测，该系统涉及到用户为每次估计都刺破手指。连续葡萄糖监测系统(CGMS)也用于监测血糖，特别是对于使用胰岛素泵的患者。几乎所有的SMBG系统都使用具有成本效益的电化学生物传感器，他们建议使用自动采血针装置刺破手指以获取血液样本，这可能是痛苦的，因为DM患者每天需要频繁监测血糖达4至7次。CGMS系统尽管具有微创性，但在患者不舒服、对连续校准的要求以及对生物结垢的高度敏感性方面受到限制。当前用于血葡萄糖自我监测的技术往往是侵入性的、痛苦且成本高。

CGMS被引入作为微创的解决方案，其利用细胞间隙液(ISF：interstitial fluid)来估计血糖(BG：blood glucose)值。这种侵入性技术被1型和2型糖尿病患者广泛接受并广泛使用，以每天持续监测其血糖水平。本发明试图解决这些问题以及其他问题。

发明内容

本文提供了用于使用RF电路和天线设计监测包含葡萄糖在内的血液的非侵入性生物、化学标志物和示踪剂监测装置中的系统、方法和装置。监测装置通常包括：体域网，其可操作地耦合到多个装置天线阵列；所述体域网包括多个传感器，并且所述多个装置天线阵列包括多个圆形天线阵列；每个圆形天线阵列包括在毫米波范围内工作的第一组天线阵列和在微波范围内工作的第二组天线阵列；在微波范围内，至少两个天线元件对称地相对放置在装置的圆周上；所述多个装置天线阵列还包括滤波器元件和耦合器，所述耦合器包括对介质敏感的功能。

公开了一种监测方法，该监测方法通常包括：可操作地将体域网耦合到多个装置天线阵列；所述体域网包括多个传感器，并且所述多个装置天线阵列包括多个圆形天线阵列；使每个圆形天线阵列与第一组天线阵列在毫米波范围内工作，并且使第二组天线阵列在微波范围内工作；以及在微波范围内，将至少两个天线元件对称地相对放置在装置的圆周上；包括滤波器元件和耦合器，所述耦合器包括对介质敏感的功能。

方法、系统和装置的一部分在下面的描述中阐述，并且部分将从描述中变得显而易见，或者可以通过实践方法、装置和系统而获知。该方法、装置和系统的优点将通过所附权利要求中特别指出的元件和组合来实现和获得。应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和说明性的，并且不限制所要求保护的方法、装置和系统。

附图说明

在附图中，在本发明的几个优选实施方式中的相同的元件以相同的附图标记标注。

图1A是由一个、两个或多个传感器组成的体域网。体域网将从不同的传感器位置收集信息，这些位置基于患者特定的静脉检测而最佳选择。来自不同传感器的数据将允许对葡萄糖监测进行建模，同时排除由于传感器之一的误读、传感器之一的场故障或异常值引起的错误，从而保留了设计的可靠性。

图1B是示出一个部件或系统的示意图。

图2A是根据一个实施方式的具有4个元件的天线阵列的透视图；图2B是示出最佳波束转向的角度θ和表示天线与皮肤之间的距离h的示意图；以及图2C是线性排列中天线元件阵列的示意图，其导致方向由(θ，φ)确定的主波束。

图3是示出根据一个实施方式的毫米波天线阵列排列的示意图。

图4A是示出根据一个实施方式的毫米波天线阵列排列的示意图；图4B是示出能够覆盖不同点的光束转向能力的图；图4C是配备有光学传感器以检测密集的毛细管位置和深度的位置的天线的示意图，因此该反馈可以用于检测波束转向所需的相位并确定不同患者和装置位置时所需的功率水平。静脉检测传感器将用于皮下静脉检测，并可以利用图像感应和患者生理学的现有知识来内插或估计静脉深度。此属性保留了设计的适应性。波束转向还可以用于从同一天线装置获得不同的读数；图4D是以具有矩形栅格的30×30URA平面阵列作为阵列的顶视图；图4E是表示矩形栅格的方向性为31.55dBi的图；图4F是用于方位角切割的宽边转向(θ＝0，φ＝0)的图；图4G是表示仰角切割时的角度θ＝60、φ＝0时的转向的图；图4H是二维极性方向性图，其示出均匀分布与三角形分布和方向性；图4I是示出均匀的三维阵列方向性的图；以及图4J是示出三角形锥形分布的图；图4K是示出在目标的给定位置(x，y，z)的情况下的自适应均匀线性阵列结构的示意图；图4L是示出使用天线阵列的波达方向估计的流程图。

图5是根据一个实施方式的微波天线阵列的示意图。

图6是根据一个实施方式的微波天线阵列的示意图。

图7是检测方向耦合器的示意图。

图8是带通滤波器的俯视图。

图9是要馈电到装置的RF信号生成的示意图。

具体实施方式

通过以下的结合附图的示例性实施方式的详细描述，本发明的前述和其他特征和优点将变得显而易见。详细描述和附图仅是对本发明的说明而不是限制，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

现在将参考附图描述本发明的实施方式，其中，相同的附图标记始终表示相同的元件。本文中所给出的描述中使用的术语并不旨在以任何限制或限制性方式进行解释，仅仅因为它与本发明的某些特定实施方式的详细描述结合使用。此外，本发明的实施方式可以包括几个新颖的特征，没有任何一个特征单独地负责其期望的属性或者对于实施本文所述的发明是必不可少的。本文使用近端和远端这两个词来表示本文所述仪器的部件的特定端。近端是指在使用仪器时仪器指向身体外部的一端。远端指的是远离操作员并朝着患者身体的受监测区域接触的部件的一端。

在描述本发明的上下文中，术语“一”、“一个”、“该”、“上述”和“所述”以及类似指代的使用应解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或上下文明显矛盾。将进一步理解的是，当在本文中使用时，术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”和/或“具备”指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其组的存在或添加。

除非另有说明，本文中数值范围的列举仅旨在用作分别指代落入该范围内的每个单独值的速记方法，并且每个单独值都被并入说明书中，如同本文中其被分别列举一样。当带有数值时，单词“约”应被解释为表示与所述数值的最大偏差为10％，包括10％。除非另外要求，否则本文提供的任何和所有示例或示例性语言(“如”、“例如”或“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明，并且不对本发明的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应解释为指示任何未要求保护的要素对于实施本发明必不可少。

对“一实施方式”、“一个实施方式”、“示例性实施方式”、“各种实施方式”等的引用可以指示如此描述的本发明的实施方式可以包括特定的特征、结构或特性，但并非每个实施方式都必须包括特定的特征、结构或特性。此外，重复使用短语“在一个实施方式中”或“在示例性实施方式中”不一定指相同的实施方式，尽管它们可以是相同的实施方式。

如本文所用，术语“方法”是指用于完成给定任务的方式、手段、技术和过程，包括但不限于已知的方式、手段、技术和过程、或者化学、药理、生物学、生化和医学领域的从业者通过已知的方式、手段、技术和过程发展的那些方式、手段、技术和过程。

本发明测量生物和化学分子和标志物，例如血液中的葡萄糖浓度，而无需任何血液提取。它是一种使用射频、天线电路和系统测量葡萄糖的非侵入性方法。体域网可以由多个检测装置组成。检测装置可以是可穿戴式设备，例如手表、手镯、项链、脚链、袖子或其他；该小配件将以非侵入性方式测量血液分子/标志物。这些装置连接到计算系统，该计算系统基于其他传感器而提供反馈，以调整装置测量值、收集更多数据，然后基于这些测量值，计算系统以瞬时和连续方式报告葡萄糖水平。由于部件冗余和多信道读数，计算系统具有检测异常信道的能力，因此可提供更可靠的读数。

现有的解决方案均未提供连续的射频(RF)和基于天线的无创葡萄糖监测；多种天线阵列解决方案提高准确性；在单个设备中，从超高频(UHF)到毫米波的多种辐射频率可提高准确性；射频和天线设计功能强大且耐汗；可穿戴选项众多；自适应波束控制和自适应功率水平基于患者特定静脉检测；可用于从单个天线组进行多次读取的自适应波束转向、元件冗余、基于体域网的异常检测解决方案、诸如耦合器之类的RF装置以及具有附加功能的滤波器组，可实现更精确的功能。

一种用于连续测量血流中的生物、化学标志物和其他示踪剂的装置，以无创方式在健康和疾病中进行生理和病理生理学筛查。生物标志物可以包括新的/外来的/恶性的或非恶性的细胞或其他新开发的分子，它们可能不是生物系统典型组成部分的一部分。标志物不仅可以在血液中，而且可以在生物系统的其余部分(如唾液，组织等)中追踪。

如本文所用，标志物是广义的术语，并且应被本领域技术人员赋予其普通和惯常的含义(并且不限于特殊或定制的含义)，并且进一步指明但不限于物质、或者可以分析的生物体液(例如血液，细胞间隙液，脑脊髓液，淋巴液或尿液)中的化学成分。标志物可以包括天然存在的物质，人造物质，代谢产物和/或反应产物。在一些实施方式中，用于由传感器头、装置和方法进行的测量中的标志物是标志物。但是，也考虑了其他标志物，包括但不限于羧基凝血酶原；酰基肉碱；腺嘌呤磷酸核糖基转移酶；腺苷脱氨酶；白蛋白；甲胎蛋白；氨基酸谱(精氨酸(克雷布斯循环)，组氨酸/尿刊酸，高半胱氨酸，苯丙氨酸/酪氨酸，色氨酸)；雄甾烯二酮；安替比林；阿拉伯糖醇对映体；精氨酸酶；苯甲酰芽子碱(可卡因)；生物素酶；生物蝶呤；c-反应蛋白；肉碱；pro-BNP(B型钠尿肽前体)；BNP；肌钙蛋白；肌肽酶；CD4；铜蓝蛋白；鹅去氧胆酸；氯喹；胆固醇；胆碱酯酶；共轭1-β羟基胆酸；皮质醇；肌酸激酶；肌酸激酶MM同工酶；环孢菌素A；d-青霉胺；脱乙基氯喹；硫酸脱氢表雄酮；DNA(乙酰化酶多态性，乙醇脱氢酶，α1-抗胰蛋白酶，囊性纤维化，杜兴型/贝克型肌营养不良，分析物-6-磷酸脱氢酶，血红蛋白A，血红蛋白S，血红蛋白C，血红蛋白D，血红蛋白E，血红蛋白F，D-旁遮普，β-地中海贫血，乙型肝炎病毒，HCMV，HIV-1，HTLV-1，Leber遗传性视神经病变，MCAD，RNA，PKU，间日疟原虫，性分化，21-脱氧皮质醇)；脱丁基卤泛群；二氢喋啶还原酶；白喉/破伤风抗毒素；红细胞精氨酸酶；红细胞原卟啉；酯酶D；脂肪酸/酰基甘氨酸；游离β-人绒毛膜促性腺激素；游离红细胞卟啉；游离甲状腺素(FT4)；游离三碘甲状腺原氨酸(FT3)；延胡索二酰乙酰乙酸水解酶；半乳糖/半乳糖-1-磷酸；半乳糖-1-磷酸尿苷酸转移酶；庆大霉素；分析物6-磷酸脱氢酶；谷胱甘肽；谷胱甘肽过氧化物酶；甘氨胆酸；糖化血红蛋白；卤泛群；血红蛋白变异体；己糖胺酶A；人红细胞碳酸酐酶I；17-α-羟基孕酮；次黄嘌呤磷酸核糖基转移酶；免疫反应性胰蛋白酶；乳酸盐；铅；脂蛋白((a)，B/A-1，β)；溶菌酶；甲氟喹；奈替米星；苯巴比妥；苯妥英；植烷酸/降植烷酸；黄体酮；催乳素；脯氨肽酶；嘌呤核苷磷酸化酶；奎宁；反向三碘甲状腺原氨酸(rT3)；硒；血清胰脂酶；西索米星；促生长因子C；特异性抗体(腺病毒，抗核抗体，抗Zeta抗体，虫媒病毒，伪狂犬病(Aujeszky's disease)病毒，登革热病毒，麦地那龙线虫，细粒棘球绦虫，痢疾内变形虫，肠道病毒，十二指肠贾第虫，幽门螺旋杆菌，乙型肝炎病毒，疱疹病毒，HIV-1，IgE(特应性疾病)，流感病毒，杜氏利什曼虫，钩端螺旋体，麻疹/腮腺炎/风疹，麻风分枝杆菌，肺炎枝原体，肌球素，旋盘尾丝虫，副流感病毒，恶性疟原虫，脊髓灰质炎病毒，绿脓杆菌，呼吸道融合病毒，类立克次体(斑疹伤寒)，曼森氏裂体吸虫，弓形虫，梅毒螺旋体，克氏/让氏锥虫，水泡性口炎病毒，班氏丝虫，黄热病毒)；特定抗原(乙型肝炎病毒，HIV-1)；琥珀酰丙酮；磺胺多辛；茶碱；促甲状腺激素(TSH)；甲状腺素(T4)；甲状腺素结合球蛋白；微量元素；转铁蛋白；UDP-半乳糖-4-表异构酶；尿素；尿卟啉原I合成酶；维生素A；白血细胞；以及锌原卟啉。在某些实施方案中，血液或细胞间隙液中天然存在的盐、糖、蛋白质、脂肪、维生素和激素也可以构成标志物。标志物可以天然存在于生物流体中，例如，代谢产物、激素、抗原、抗体等。或者，可以将标志物引入体内，例如，用于成像的造影剂、放射性同位素、化学试剂、基于碳氟化合物的合成血液、或药物或药物组合物，包括但不限于胰岛素；乙醇；大麻(大麻，四氢大麻酚，哈希什)；吸入剂(一氧化二氮，亚硝酸戊酯，亚硝酸丁酯，氯代烃，碳氢化合物)；可卡因(霹雳可卡因)；兴奋剂(安非他明，甲基苯丙胺，利他林，苯异妥英，苯甲吗啉，盐酸苄非他明，PreState，盐酸邻氯苯丁胺，Sandrex，苯双甲吗啉)；抑制剂(巴比妥酸盐，甲喹酮，镇静剂如安定剂，利眠宁，眠尔通，舒宁，眠尔通，二钾氯氮卓)；致幻剂(苯环己哌啶，麦角酸，酶斯卡灵，佩奥特掌，赛洛西宾)；麻醉品(海洛因，可待因，吗啡，鸦片，哌替啶，羟考酮，复方羟可酮，氢可酮镇咳药，芬太尼，达而丰，镇痛新，复方苯乙哌啶片)；策划药(芬太尼、哌替啶、苯丙胺、甲基苯丙胺和苯环己哌啶的类似物，例如摇头丸)；合成代谢类固醇；以及尼古丁。药物和医药组合物的代谢产物也是预期的标志物。标志物如神经化学物质和体内产生的其他化学物质也可以被分析，例如抗坏血酸，尿酸，多巴胺，去甲肾上腺素，3-甲氧酪胺(3MT)，3，4-二羟基苯乙酸(DOPAC)，高香草酸(HVA)，5-羟色胺(5HT)和5-羟吲哚乙酸(FHIAA)。

导致疾病的病理生理学变化的例子包括但不限于高血糖症/糖尿病，胆醇血症，心脏病标志物，涉及到葡萄糖水平、胆固醇水平、Pro-BNP(pro-脑钠素)和肌钙蛋白水平的变动测量的其他生物变化，以及活组织中的其他分子标志物。例如，在糖尿病患者中，设想的原型可以帮助监测要使用的瞬时葡萄糖水平：确定血糖的变化和离正常值的变动；用于自主干预，例如注射胰岛素；以及为糖尿病患者提供更好的自我约束疾病控制方法。因此，连同对总浓度的估计值，该装置监测浓度的变化率，以尽早预测可能的高血糖症和低血糖症。

该装置或部件将包括被布置为建立体域网覆盖的多个部件。该网络将关联来自人体不同位置的不同测量。将通过多个频率和位置的多个部件从人体上的多个位置同时进行测量。所有结果都将传送到可穿戴中央单元，该中央单元会将数据关联在一起，以得出准确的估算值。人体可以是人体肢体、手指或四肢。

体域网的不同部件可以包括手镯、项链、脚链、戒指、袖子、腰带、腿套、护齿套、脖子套、鞋套、袜子、内衣、衬衫、帽子、手表、眼镜、棍子或贴片装置、或者其他形式的可穿戴装置无论是基于服装还是医疗装置。冗余和多个部件可以提高准确性并增加系统的整体可靠性。这些部件将能够进行不同深度的测量。在一个实施方式中，腰带对准腹部测量。腰带部件可以配备多圈环形天线，以满足长度要求。

装置的每个部件包括多个天线阵列、单个天线元件、环形天线、滤波天线和微波装置如耦合器和滤波器或天线组、滤波器和其他RF装置，以捕获不同频带的响应。该装置还将包括滤波器和耦合器，其功能可在从超高频(UHF)到微波、Ka波段和毫米波的各个频带上工作，这些装置将独立、联合、相应地或响应于标志物测量而工作。为了节省电力，装置或体域网的某些部件可能处于休眠状态，其他部件可能处于活动状态，直到警报，测量中的突然变化被报告是由于人体标志物的大波动或由于其中一个装置部件…等发生故障而引起的。足够数量的装置部件可随时工作，以确保准确性和与侵入性测量的良好相关性。这可能取决于患者的生理状况。在一个实施方式中，带通或带阻滤波器可操作地耦合到该装置。在一个实施方式中，采用独立于天线频带的窄带混合耦合器。在一个实施方式中，一些装置是混合结构，其将各种微波分量结合在一起，例如滤波天线结构(滤波器-天线模块)。在一个实施方式中，所构建的结构涉及天线阵列。该装置由多个圆形、平面或线性天线阵列组成。多个天线阵列排列在圆形平台上，以最佳地适应人体拓扑。每个阵列至少有两个元素。所有装置的测量将彼此独立或合并为一个综合测量。所收集的数据将在中央处理单元中进行分析和关联在一起。

RF装置布置应用于活组织。该装置将发出可被人体组织反射或透射的EM波。该装置将检测来自任何类型的组织的反射波和透射波，包括但不限于：干性皮肤，湿性皮肤，肌肉，血液，神经组织；指甲，头发，脂肪组织等。关于其他装置布置如滤波器或滤波器组，信号将受到人体阻抗变化的影响。

在一个实施方式中，单个天线元件被设计为可重新配置以改变操作频率、极化、辐射方向图或以上的组合。使用电气或数字开关如pin二极管、射频微机电系统(RF MEMs)、变容二极管或DTC(数字可调电容器))，可以实现操作的变化频率、极化、辐射方向图。在一个实施方式中，使用例如有源电子元件物理地、机械地和/或电气地隔开间隔。间隔在阵列的天线元件之间变动以控制辐射方向图，该辐射方向图在工作时或实时期间可以是预定的或可调谐的。

射频微机电系统(RFMEMS)是具有电子部件的微机电系统，该电子部件包括提供射频功能的移动的亚毫米大小的部件。可以使用多种RF技术来实现RF功能。除RF MEMS技术外，RF设计人员还可以使用III-V化合物半导体(GaAs，GaN，InP，InSb)、铁氧体、铁电体、硅基半导体(RF CMOS，SiC和SiGe)以及真空管技术。每种RF技术都提供在成本、频率、增益、大规模集成、寿命、线性、噪声系数、封装、电源处理、功耗、可靠性、耐用性、尺寸、电源电压、开关时间和重量之间的不同的权衡。

“变容二极管”是一种数字调谐电容器，是一种基于MEMS、BST和SOI/SOS装置等多种技术的IC可变电容器，其电容范围、品质因数和分辨率因不同的RF调谐应用而异。MEMS装置具有最高的品质因数，并且具有很高的线性度，因此适用于天线孔径调谐、动态阻抗匹配、功率放大器负载匹配和可调滤波器。BST装置基于钛酸钡锶，并通过向该装置施加高压来改变电容。调谐精度仅受产生高电压的D-A转换器电路的精度的限制。SOI/SOS调谐装置被构造为基于绝缘CMOS晶片的固态FET开关，并使用按二进制加权值排列的MIM电容来实现不同的电容值。SOI/SOS开关具有高线性度，并且非常适合于不存在高电压的低功率应用。电容值被设计成用于在宽频率范围内工作的多频段天线阻抗匹配。

该装置包括连接到装置部件以便产生信号电压的信号发生电路。另外，它包括多个将捕获反射和透射响应的测量电路。

阵列部件具有光束转向功能，以扫描皮肤、下面的组织和体液的区域。波束转向功能可实现测量中的局部空间变化，而全身网络可提供全局空间变化，并基于调谐而允许不同天线元件接收信号的不同分量。光束转向范围还基于静脉成像，以瞄准密集区域。

阵列天线和单个天线都将在不同的操作频带上以不同的输入功率水平进行操作。静脉深度信息用于改变信号功率水平。此特征由中央单元控制。

用于静脉识别能力的光学或红外传感器将被添加到装置中。不失一般性，可以利用通过图像处理的任何形式的静脉检测。如本文中所使用的术语“传感器”和“感测机制”是广义的术语，并且将被赋予本领域普通技术人员其普通和惯常的含义(并且不限于特殊或定制的含义)，并且包括但不限于负责检测特定标志物的监测装置的区域或机制。传感器的目标是确定毛细管网络的正确深度和位置。反馈被发送到中央处理器，该中央处理器进而使用算法来帮助得出最佳的波束转向模式和功率强度水平，以最佳覆盖关键敏感位置。其目的还在于确定静脉的深度，以确定最佳的功率水平范围。所捕获的反射和透射响应将被关联在一起，以确定血液中给定分子/标志物(例如葡萄糖)的浓度。为了从至少所述第一、第二和第三电参数组的组合得出所述血液疾病水平如葡萄糖水平，所述控制单元被构造和适配为从所有以下参数(以下列出)中确定所述葡萄糖水平。

在一个实施方式中，光学传感器包括静脉跟踪系统，该静脉跟踪系统包括可操作地耦合到NIR敏感相机的NIR源，该NIR敏感相机可操作地连接到处理器。在一个实施方式中，静脉跟踪系统包括具有最大曲率点分割的880nm近红外和CMOS传感器。在另一个实施方式中，为了提高准确性，使用电荷耦合器件(CCD)传感器代替CMOS传感器。CCD图像更清晰，不需要图像处理。图像将被处理，并且天线可以被放置以最佳地瞄准密集毛细管的单个或多个位置。因此，如图2B所示，用于最佳波束转向的角度θ的预定范围被确定。预定范围将考虑距离估计值h和di等的误差余量。在一个实施方式中，可以基于对患者的人体结构的特定知识来调节距离di。将天线放置在距皮肤距离h处，然后预筛选的图像将确定天线的最佳位置，以瞄准多个静脉/毛细血管，并确定扫射波束的角度范围，以从多个位置进行测量。由于静脉位置可能会根据某些疾病和季节等发生变化，因此需要重新校准此步骤。定位很重要，这是因为在肥胖的人和孩子中通常很难检测到静脉。

皮肤上的功率水平应符合表1的SAR(特定吸收率)要求。

表1

给出：天线的Pin具有以下关系：

Pr＝Pin(PR是辐射功率＝假设为完美天线时的输入功率“Pin”)

P0＝Pr*e^{-α_air(||h/cosθ||)}(假设空气将天线和皮肤分开时的天线与皮肤之间的距离和波束角θ)。

P0<SAR(特定吸收率)。

可以基于提议设计的灵敏性分析来确定低于SAR的临界值。如果发射功率的强度发生变化，则发射RF链的功率放大器必须可重新配置和相应调整。

在一个实施方式中，线性阵列是线性布置中天线元件的阵列。如图2C所示，线性阵列可导致主光束，其方向由(θ，φ)确定，并根据下面列出的模式乘法，基于每个元素的激励幅度(a_i)和相位(knd_xu_i)：

阵列模式＝元素模式x阵列因子

式(1)

如在本申请中使用的术语“部件”和“系统”旨在指代与计算机有关的实体，该实体是硬件、硬件和软件的组合、软件或执行中的软件。例如，部件可以是但不限于在处理器上工作的工序、处理器、对象、可执行文件、执行线程、程序和/或计算机。作为说明，在服务器上工作的应用程序和服务器都可以是部件。一个或多个部件可以驻留在工序和/或执行线程中，并且部件可以位于一台计算机上和/或分布在两台或更多台计算机之间。

通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、部件、数据结构等。此外，本领域技术人员将理解，可以用其他计算机系统配置来实践本发明的方法，包括单处理器或多处理器计算机系统、小型计算机、大型计算机以及个人计算机、手持计算装置、微处理器或消费类电子产品等，它们中的每一个都可以可操作地耦合到一个或多个相关装置。

本发明的所示方面也可以在分布式计算环境中实践，在分布式计算环境中，某些任务由通过通信网络链接的远程处理装置执行。在分布式计算环境中，程序模块可以位于本地和远程存储装置中。

计算机通常包括各种计算机可读介质。计算机可读介质可以是计算机可以访问的任何可用介质，并且包括易失性和非易失性介质、以及可移动和不可移动介质。作为示例而非限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据之类的信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、以及可移动和不可移动介质。计算机存储介质包括但不限于RAM，ROM，EEPROM，闪存或其他存储技术，CD-ROM，数字多功能磁盘(DVD)或其他光盘存储，盒式磁带，磁带，磁盘存储或其他磁存储设备，或可用于存储所需信息且可由计算机访问的任何其他介质。

通信介质通常在诸如载波或其他传输机制的调制数据信号中体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据，并且包括任何信息传递介质。术语“调制数据信号”是指具有以编码信号中信息的方式来设置或改变其一个或多个特征的信号。作为示例而非限制，通信介质包括诸如有线网络或直接有线连接之类的有线介质，以及无线介质如声学、RF、红外和其他无线介质之类。以上任何内容的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。

软件包括应用程序和算法。软件可以在智能电话、平板电脑、或个人计算机、云中、可穿戴装置、或其他计算或处理装置上实现。软件可能包括日志、期刊、表格、游戏、录音、通讯、SMS消息、网站、图表、交互式工具、社交网络、VOIP(互联网语音传输协议)、电子邮件和视频。

在一些实施方式中，本文描述的并且由计算机程序执行的一些或全部功能或过程由计算机程序执行，该计算机程序由计算机可读程序代码形成并且体现在计算机可读介质中。短语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，包括源代码、目标代码、可执行代码、固件、软件等。短语“计算机可读介质”包括能够由计算机访问的任何类型的介质，如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)或任何其他类型的存储器。

在一个实施方式中，基于期望的传输位置，与波束转向能力和阵列间隔同步地进行功率调谐。光束转向可以扫描可变深度和宽度空间变化。调谐功率可以捕获目标区域响应的适当深度。多个功率水平读数可提高准确性，根据SAR中的患者要求调整所针对的特定静脉深度，并根据局部空间变化帮助获得更准确的读数，这将针对不同深度而完成频率的适当覆盖，该不同深度包括血液和细胞间隙液区域。因此，深度以患者特定和多层覆盖为目标。整个体域网将根据大范围的空间变化进行测量。

装置部件监测血液介电特性、体液或组织的变化，并通过改变其辐射特性来响应介电常数的变化。

另外，该装置还将结果传送给医生和医院护理人员可以访问的基于网络的电子病历登记表和系统。该装置会将结果传送给集成/分析装置，如移动电话、远程医疗或家庭保健套件，并在其中记录和分析信息。

RF装置布置应用于活组织。信号发生电路连接到装置部件以便产生信号电压，并且多个测量电路将捕获所述组织的响应。

信号及其响应将至少在第一频率下操作，以测量微波频率范围内的第一组电参数。信号及其响应还将在第二频率下操作，以在毫米波频率范围内测量第二组电参数。信号及其响应将在第三频率下操作，以测量UHF频率范围内的第三组电参数。在一个实施方式中，第一频率在约1GHz和约8GHz之间，毫米波频率在约30GHz和约300GHz之间，并且UHF频率在约100MHz-约1000MHz之间。在替代实施方式中，来自覆盖约18GHz至约27GHz和约26.5GHz至约40GHz的K-频带和KA-频带的附加部件可以被添加到装置。

为了从至少所述第一、第二和第三电参数组的组合得出所述血液疾病水平如葡萄糖水平，所述控制单元被构造并适于从所有以下参数确定所述葡萄糖水平(下面的讨论中列出)。

该装置会将结果传送到个人移动装置如电话，在该装置上将在一段时间内记录和分析信息，以个人评估患者的状态和状况。该电话或移动装置可以合并到android/iOS应用程序中。该装置和系统将发送用于警报情况的通知。

此外，装置将结果传送到医生和医院护理人员可以访问的基于中央网络的电子病历登记表和系统。直接将测量值记录在患者的电子病历中，并且仅由医务人员进行监测，然后进行记录。

监测装置100包括可操作地耦合到多个装置天线阵列150的体域网110。体域网110包括如图1A所示的多个传感器112。图1B中示出了多个装置天线阵列150，多个装置天线阵列150包括多个圆形天线阵列152。在一个实施方式中，多个圆形天线阵列152以圆形方式布置。每个圆形天线阵列包括在毫米波范围内工作的第一组天线阵列154和在微波范围内操作的第二组天线阵列156。一对天线元件在微波范围内对称地相对放置在装置的圆形圆周上。多个装置天线阵列150还包括滤波器元件160、以及具有对介质敏感的功能的耦合器162。这些装置将独立或联合工作。多个装置天线阵列150进一步包括在UHF范围内的环形天线164的阵列，无论是均匀的还是遵循包括分布参数的阵列分布。

如图2所示，多个装置天线阵列150的实施方式包括至少4个圆形天线阵列152，其以约60GHz工作并且可操作地耦合到基于波导的馈电网络170。可替代地，多个装置天线阵列150包括4个或更多圆形天线阵列152，其在约60GHz下工作。可替代地，多个装置天线阵列150包括以约60GHz工作的少于4个的圆形天线阵列152。

在一个实施方式中，多个装置天线阵列150包括至少三个元件，从而在图3所示的布置中允许至少8个天线阵列152缠绕在肢体或人的手周围。在其他实施方式中，少于8个的天线阵列缠绕在肢体或人的手周围，并且在其他实施方式中，多于8个天线阵列缠绕在肢体或人的手周围。在同一个实施方式中，天线阵列元件之间的间隔153约为一半波长，从而实现良好的波束方向性，这也有利于在直径相对的天线阵列处的最大传输。在一个实施方式中，波束方向性至少约为31.55dBi，在其他实施方式中，波束方向性小于约31.55dBi，在其他实施方式中，波束方向性大于约31.55dBi。

方向性是天线或光学系统的参数，其可测量所发射的辐射在单个方向上的聚集程度。它测量天线沿其最强发射方向辐射的功率密度，而不是理想的各向同性辐射器(沿各个方向均匀发射)在辐射相同总功率时的功率密度。天线的方向性是其增益的一部分；另一个因素是其(电)效率。方向性是一项重要的测量，因为许多天线和光学系统被设计为沿单个方向或窄角度辐射电磁波。还为接收电磁波的天线定义了方向性，接收时其方向性等于发射时的方向性。

天线阵列152在毫米波下操作，并且每个天线阵列在毫米波内的不同信道上操作。在一个实施方式中，第一天线阵列以约60GHz工作，第二天线阵列以约60.1GHz工作，第三天线阵列以约60.2GHz工作，第四天线阵列以约60.3GHz工作，第五天线阵列以约60.4GHz工作，第六天线阵列以约60.5GHz工作，第七天线阵列以约60.6GHz工作，第八天线阵列以约60.7GHz工作。在一个实施方式中，天线阵列152在间隔至少约0.05GHz的不同信道上工作，或者，天线阵列152在间隔至少约0.10GHz的不同信道上工作。在另一个实施方式中，在直径上相对的阵列彼此发送信号，并且将在相同的信道上工作，对于上述示例，导致4个专用信道。在第三实施方式中，与发射/接收阵列相邻的元件将能够捕获耦合的电磁场。

在一个实施方式中，利用了基于波导的馈电网络，其可以被均匀地馈电并且可以遵循一定的分布。在一个实施方式中，利用以下参数。P1-P8：表示来自不同天线阵列在特定阵列工作信道上的输入的反射系数Sii。P9-P16：表示传输系数Sij、Sji，其针对每对对向天线阵列表示两个，其中传输系数是相对于对向天线阵列信道而测量的。以及P17-P25表示每个天线阵列接收的功率，间接表示增益。

在另一个实施方式中，如图4所示，多个装置天线阵列150包括多个天线阵列152，阵列元件152之间的间隔158被改变，阵列元件的辐射方向图被改变，因此反射和透射参数的灵敏性将覆盖人体的替代位置。在一个实施方式中，第一间隔158a为约3mm。数组元件对于同一阵列均等间隔。在另一个实施方式中，间隔不必相等。

在同一个实施方式中，间隔158将被改变为大于或等于波长以产生多个栅瓣。在这种情况下，阵列152的数量可以减少到至少4个。在同一个实施方式中，每个阵列的元件数量也可以增加到至少6个，这将提高增益。天线阵列元件之间的间距也可能遵循一定的分布如切比雪夫分布、二项分布、巴特沃斯分布或其他分布。

在替代实施方式中，相位阵列将用于光束转向以覆盖身体的不同位置。以下参数定义为如下。P26-P29：表示来自不同天线阵列在特定阵列工作信道上的输入的反射系数Sii。P30-P42：表示传输系数Sij、Sji，如图4A所示，其针对每对对向天线阵列表示两个。152a具有b，c，d(6个参数)；152b具有c，d(4个参数)；152c具有d(2个参数)。P43-P47：表示每个天线阵列接收的功率，间接表示增益。

图4B是示出能够覆盖不同点的光束转向能力的图。图4C是配备有光学传感器以检测密集的毛细管位置的天线的示意图，因此该反馈可以用于检测波束转向所需的相位。

在一个实施方式中，在图4D-4G中示出了用于矩形阵列的阵列图。如图4D所示，该阵列是具有矩形栅格的30×30URA平面阵列。y轴的孔径约为2.248mm，Z轴的孔径约为2.248mm，Δy的元件间距约为74.949mm，Δz的元件间距约为74.948mm。如图4E所示，对于矩形栅格阵列，方向性约为31.55dBi。用于方位角切割的宽边转向(θ＝0，φ＝0)的示例在图4F中示出。仰角切割时的θ＝60、φ＝0时的示例在图4G中示出。

在用于最佳波束图的一个实施方式中，如图4H所示，采用用于最小旁瓣252的三角形分布250。用于均匀分布的3D阵列方向性在图4I中示出，并且三角形分布在图4J中示出。最小旁瓣电平用于三角形分布250。

一种自适应算法伪代码被公开。首先，给定目标的位置(x，y，z)，确定(θ₀，φ₀)。然后，依靠智能天线自适应波束转向算法找到天线a_i和(knd_xu_i)，图4K示出自适应均匀线性阵列结构的示例[参照：Wang,Lei.Array signal processing algorithms for beamformingand direction finding.Diss.University of York,2009]。

最佳波束形成和转向算法被公开，该算法使用了新的信号处理算法，通常称为波达方向(DOA)算法。Muhamed,Rias.Direction of arrival estimation using antennaarrays.Virginia Polytechnic Institute and State University,1996。接下来，根据用户要求跟踪特定的方向和位置，解决每个元素的特征(重新配置天线元件图)，以满足目标波束转向的要求。然后，动态地减小干扰并最大化预期的信号接收。图4L中列出的不同方法示出使用天线阵列的到达方向估计。

在另一个实施方式中，微波天线阵列以约6GHz工作，并且具有两个元件，以使两个天线阵列152在图5所示的布置中可以缠绕人的手。在同一个实施方式中，天线阵列元件之间的间隔是半波长，从而使得在完全相反的天线阵列处的最大传输成为可能。

天线阵列152a和152b在微波范围内工作。每个天线阵列在微波内的不同信道上工作。在一个实施方式中，第一天线阵列152在例如6GHz的微波范围内的一个信道上工作，并且第二天线阵列152b对于发射/反射参数在相同的信道上工作。在替代实施方式中，每个元件将接收例如以0.05GHz为步长的反映替代信道的频率的扫描。天线可以被设计为在相似或不同的信道上工作。在后者中，可以仅基于带宽来获取反射系数。

可以使用微带馈电，或者可以同轴馈电。馈电可以均匀馈电，也可以遵循一定的分布。在微带馈电中，导电条连接到贴片，因此可以视为贴片的延伸。在同轴馈电中，同轴电缆的外导体连接到接地层，中心导体延伸到贴片天线。

在一个实施方式中，微波天线阵列以约2.4GHz工作，并且具有一个元件，以允许2个天线元件152a和152b在图6所示的布置中缠绕人的手。在同一个实施方式中，元件之间的间隔是半波长，在完全相反的元件处具有最大透射率。

天线元件152a和152b在微波下工作，并且每个元件在微波内的不同信道上工作。在一个实施方式中，两个天线元件152a、152b以约2.4GHz工作。

在一个实施方式中，可以使用微带馈电，或者可以同轴地或探针馈电。馈电可以均匀馈电，或者馈电可以遵循一定的分布。

在一个实施方式中，定义了以下参数：P48-P49：表示来自不同天线阵列在特定阵列操作信道上的输入的反射系数Sii。P50-P51：表示传输系数Sij、Sji，其针对每对对向天线阵列代表两个，其中传输系数相对于对向天线阵列信道而测量的。P52-P53：表示每个天线阵列接收的功率，间接表示增益。

如图7所示，耦合器162包括第一端口163a、第二端口163b、第三端口163c和第四端口163d。耦合器162在第二端口163b和第三端口163c之间引起相移和功率分配。相移和功率分配方面的测量量是耦合介质的函数。

基于尺寸作为波长的函数，可以改变参考相移，并且可以使用多个结构来提取平均灵敏性。该耦合器在微波频率和毫米波频率下均实现。以下参数为耦合器(P60-P63；P64-P65)定义。相位和功率分配信息是从以下每个测量中得出：第一端口163a和第三端口163c用于耦合(S13)；第三端口163c和第四端口163d用于方向性(S34)；第一端口163a和第四端口163d用于隔离(S14)；以及第一端口163a和第二端口163b用于插入损耗(S12)。

在一个实施方式中，就相位和幅度而言，获得了第二端口163b处的发射功率与第三端口163c处的耦合功率之间的比较。

环形天线154的阵列用于捕获UHF域中的响应。环形天线154的阵列包括均匀的或遵循特定的分布(yagi uda)的分布，并且以约100MHz至约1000MHz之间的UHF工作。环形天线154的阵列包括约2-4个元件。并测量以下参数：P66表示整个阵列的反射系数。

如图8所示，带通滤波器160用于通过工作频率的变化来指示血流中的葡萄糖浓度的变化。滤波器160可以是可重配置的或可调谐的，这将使得能够感测在频带变化上的葡萄糖变化。该滤波器包括诸如级联可重构滤波器的结构。该滤波器包括用于喂养的实施方案，其将被用于实现特殊的放置并适应人的形式(例如手臂等)。在替代实施方式中，滤波器可以是带阻、带阻和带通的级联或这种滤波器的组。

谐振器也可以与滤波器相同的方式使用，无论是独立部件还是集成在滤波器结构内。

滤波器测量以下参数：P67-P68：两个端口的滤波器反射系数。P69-P70：两个端口的滤波器的传输系数。

在一个实施方式中，频率相关信号被施加到滤波器160。基于介质，滤波器将使与例如由式(2)给出的有效介质特性有关的频率分量通过：

其中a_i表示增加的幅度，而其中葡萄糖@w1将感知到比@w2高的功率。

所感测到的功率水平将指示工作频率，并因此指示葡萄糖水平。

图9中示出了要馈电到装置的RF信号生成200。信号210与VCO 212耦合，然后通过低通滤波器214，然后通过LNA 216，然后通过第二低通滤波器218，第二低通滤波器218由功率放大器220放大，并通过带通滤波器222，然后发送到天线224。该实现方式可用于毫米波设计或远场测量。对于UHF和微波中的设计，将使用替代实施方式来解决因近场辐射引起的问题。例如，可以将所集成的矢量网络分析仪并入到系统中，以用于s-参数或功率提取。

实施例

提出以下实施例以向本领域普通技术人员提供如何制备和评价本文所要求保护的化合物、组合物、制品、装置和/或方法的完整公开内容和描述，以及旨在这些术语仅是本发明的示例，并不旨在限制发明人认为其发明的范围。然而，根据本公开，本领域技术人员应当理解，可以在所公开的特定实施方式中进行许多改变，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下仍可获得相似或类似的结果。

已经努力确保关于数字(例如，数量，温度等)的准确性，但是应该考虑一些误差和偏差。除非另有说明，否则份数是重量份，温度以℃为单位或处于环境温度，并且压力为大气压或接近大气压。

实施例1：医疗实施方式

为了验证所制造的天线，将使用两种不同的方法：仿血液材料(液体)和仿组织材料：湿皮肤，脂肪，血液和肌肉。仿血液材料可包括但不限于：基于血红蛋白的氧载体(HBOC)和基于全氟化碳的氧载体(PFBOC)。仿组织材料可以包括但不限于：琼脂基材料或明胶基材料。

在两种方法中，血液含量将被修改以模仿在疾病状态下将发生的情况。对于糖尿病，将使用不同的葡萄糖指数，同时增加生长因子、脂质、抗体的浓度，尤其是用于治疗糖尿病和其他伴随糖尿病的相关并发症的药物，例如胰岛素、斯达汀、抗坏血酸、ACEI抑制剂或ARB、SGLT1或SGLT2抑制剂等。所有这些新增功能将使我们能够研究在糖尿病发作和发展过程中人血中存在不同化合物的情况下设计天线的灵敏性。

重要的是，仿组织材料被设计成允许血液连续流过所设计的人造组织。

实施例2：可用于其他血液标志物和示踪剂的用于葡萄糖监测的动物模型的研究

动物模型选择

鼠科动物模型和啮齿动物模型将用于体内传感器性能评估。

短期评估：将采用小鼠和兔子进行短期内多个传感器的评估(餐后血糖水平和长达2天的血糖评估)。

长期评估：将使用更准确地代表人类组织生理的猪来获取准确的传感器性能数据以进行长期评估。

为了评估传感器的准确性，将根据疾病状态将动物分为不同的组。

对于糖尿病，将使用以下组：

第1组：健康动物；第2组：健康动物，其中的血糖水平将被人为改变以达到超出正常血糖范围的葡萄糖浓度；第三组：糖尿病动物；第4组：用胰岛素治疗的糖尿病动物，其达到正常血糖范围内的葡萄糖浓度；第5组：用不同的口服降糖药(即，二甲双胍，SGLT2抑制剂等)治疗的糖尿病动物；第6组：口服降糖和斯达汀治疗的糖尿病动物；第7组：口服降糖和高血压药物治疗的糖尿病动物；以及第8组：用药物组合治疗的糖尿病动物。

实施例3：临床试验

对于人体天线/传感器性能评估，将基于由美国糖尿病协会(ADA)、美国国立卫生研究院(NIH)、蒙特利尔认知评估(MOCA)等制定的建议、临床试验标准来设定纳入和排除标准。(例如，将排除认知障碍患者，将排除呼吸困难患者等)

将招募健康受试者、1型糖尿病患者和2型糖尿病患者。使用标准的侵入性血糖仪进行随访，并使用HBA1C的医学测试、血脂谱等。

将从血糖仪(手指刺破读数)和已开发的非侵入性葡萄糖传感器两者获得葡萄糖读数，以评估非侵入性葡萄糖传感器测量结果如何与血糖仪读数相关。每天记录5至6次测量结果：(1)空腹，(2)餐后葡萄糖(进餐后1.5至2小时)，(3)注射胰岛素后2至6小时以及(4)之前和(5)之后30-45分钟的适度运动。

所研究的组基于不同的标准进行划分：健康对照；标准控制血糖水平的糖尿病患者；严格控制血糖水平的糖尿病患者(HbA1C低于6.5)；PS：药物(Ace抑制剂，ARB，斯达汀等)；以及吸烟状况在数据分析中将被考虑。

本说明书中提到的所有出版物和专利申请都以相同的程度通过引用并入本文，就好像每个单独的出版物或专利申请都被具体地和单独地指示通过引用并入一样。

尽管已经结合各种实施方式描述了本发明，但是应当理解，本发明能够进行进一步的修改。总体上，本申请旨在覆盖本发明的原理之后的本发明的任何变型、使用或修改，并且包括与本发明有关的、与本发明所属领域内的已知和惯常实践相背离的内容。