New methods for determining the complex permittivity of different glucose concentrations by waveguide and antenna measurements at v-band

Abstract

[ANGLÈS] Diabetes is a metabolic disease that affects millions of people in the world. To control the status of this disease, diabetic patients have to measure continuously their glucose levels during all day. Nowadays, the method to monitor the glucose content in blood is called finger prick test. This method is very accurate, but it is also painful and invasive and, over the long term, it can damage the finger tissue. For this reason, this thesis presents two new and non-invasive methods to determine the glucose content in blood without any harmful effect. These new methods present two different forms to detect the glucose content using microwaves in the frequency range between 50 GHz and 75 GHz. The first method is based in a waveguide structure consisting of two waveguides and a tank containing the sample between them. The second method uses a similar structure to the first method, but instead of using waveguides, it uses antennas. To study both methods the CST simulation software package has been used. CST's versatility allowed us to perform various realistic electromagnetic (EM) simulations and extract the desired S-parameters for each scenario. The analysis of the first method has shown that the simulation results and the experimental results are really similar. This first analysis has also shown that plane wave propagation is necessary in order to apply the post processing analysis employed in this work. To satisfy the plane wave requirement, a second setup based on antennas in the far field has been used. In this case, the results of the post processing part were not as good as expected. This might result from the association of the TRL calibration and NRW algorithm for fulfil the plane wave requirement. For this reason, further analysis involving the development of our own calibration procedure will be required.

[CASTELLÀ] La diabetes es una enfermedad metabólica que afecta a gran parte de la población mundial. Para poder controlar el estado de la enfermedad, los pacientes deben controlar continuamente sus niveles de glucosa durante el todo día. Actualmente, el método utilizado para la monitorización del contenido de glucosa en la sangre, está basado en una técnica invasiva llamada punción digital. Este método determina la cantidad de glucosa con precisión. Sin embargo, es un método doloroso y su uso reiterado puede dañar el tejido de donde se realiza la punción. Por ello, este proyecto presenta dos nuevos métodos para poder detectar los niveles de glucosa de manera no invasiva y, por lo tanto, evitando los problemas derivados del uso de la punción digital. Los dos nuevos métodos tratados en este proyecto, presentan dos maneras diferentes de detectar los niveles de glucosa de manera no invasiva utilizando frecuencias de microondas, específicamente entre 50 GHz y 75 GHz. El primer método utiliza una estructura compuesta por dos guías de onda y un contenedor con la muestra situado entre ellas. El segundo método utiliza una estructura similar a la del primer método, pero en este caso se emplean antenas en vez de guías de onda. Para estudiar ambos métodos se ha usado un software de simulación llamado CST que permite el estudio de los parámetros S y los diferentes campos electromagnéticos. Tras el análisis del primer método, se ha demostrado que las simulaciones presentan resultados similares a los resultados de los experimentos previos realizados por MediWiSe. Tras este primer análisis también se puede concluir que para el uso de nuestras técnicas de post procesado (TRL y NRW) es necesario el uso de ondas planas. Por otro lado, en el estudio de la estructura basada en antenas, aunque se esperaba que los resultados del post procesado fueran buenos, los resultados que se obtienen no acaban de ser satisfactorios. Esto puede ser debido al hecho de que no se cumple el requisito de tener ondas planas necesario para aplicar la calibración TRL y el algoritmo NRW. Por esta razón, de cara al futuro se propone realizar una calibración propia que solvente estos problemas.

[CATALÀ] La diabetis és una malaltia metabòlica que afecta a gran part de la població mundial. Per tal de controlar l'estat de la malaltia, totes aquelles persones que la pateixen han de controlar els seus nivells de glucosa constantment. Actualment, el mètode utilitzat per la monitorització del contingut de glucosa en la sang està basat en una tècnica invasiva anomenada punció digital. Aquest mètode determina la quantitat de glucosa amb precisió. Tot i així, és un mètode dolorós que amb el seu ús reiterat pot danyar el teixit de la zona on es realitza la punció. Per intentar evitar això, aquest projecte presenta dos nous mètodes per poder detectar els nivells de glucosa de manera no invasiva i, d'aquesta manera, evitar els problemes derivats de la utilització de la punció digital. El dos nous mètodes tractats en aquest projecte presenten dues maneres diferents de detectar els nivells de glucosa de manera no invasiva utilitzant microones, especificament entre 50 GHz i 75 GHz. El primer mètode estudiat utilitza una estructura composta per dues guies de ona i un contenidor amb la mostra situat entre elles. El segon mètode, utilitza una estructura similar a la del primer mètode, però en aquest cas, les guies d'ona son substituïdes per dues antenes. Per estudiar els dos mètodes, s'ha utilitzat un software de simulació anomenat CST que permet l'estudi dels paràmetres S i dels diferents camps electromagnètics. Després de l'anàlisi del primer mètode, s'ha demostrat que les simulacions presenten resultats similars als resultats de l'experiment realitzat prèviament per MediWiSe. Amb aquest primer anàlisis, també s'ha demostrat que per poder utilitzar les tècniques de post processat (TRL i NRW) és necessari utilitzar ones planes. Finalment, per tal d'aconseguir ones planes es va decidir utilitzar la segona estructura basada en antenes, però tot i que s'esperava que els resultats del post processat fossin bons, els resultats obtinguts no acaben de ser satisfactoris. Això pot ser degut al fet de que no es compleix el requeriment d'ones planes necessari per aplicar la calibració TRL i l'algoritme NRW. Per això, de cara al futur, es proposa realitzar un calibratge propi que solucioni aquesta problemàtica.