Неинвазивный контроль глюкозы: состояние и перспективы сверхвысокочастотных методов

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
Ближнепольные технологии неинвазивной глюкометрии: 
аналитические обзоры 

 
 
 
 
 
 
 
НЕИНВАЗИВНЫЙ  
КОНТРОЛЬ ГЛЮКОЗЫ: 
состояние и перспективы  
сверхвысокочастотных методов 
 
Научный редактор –  
доктор физико-математических наук, профессор В.П. Якубов 
 
 

Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда 

(грант № 18-75-10101). 
 
 
 
 
Томск 
Издательство Томского государственного университета 
2021 
 

Неинвазивный контроль глюкозы: состояние и перспективы 

2 

УДК 53.087.45; 53.084.2; 612.122.1 
ББК 36.85 
         Н45 
 
Серия основана в 2021 г. 
 
Авторы: 
В.П. Беличенко, А.С. Запасной, А.С. Мироньчев, А.В. Клоков, А.В. Горст  
 
Неинвазивный контроль глюкозы: состояние и перспективы  
Н45 
сверхвысокочастотных методов / науч. ред. В.П. Якубов. – 
Томск : Издательство Томского государственного университета, 
2021. – 76 с. (Ближнепольные технологии неинвазивной 
глюкометрии: аналитические обзоры) 

ISBN 978-5-94621-988-4 
ISBN 978-5-94621-989-1 (отд. кн.) 
 
Томский государственный университет начинает серию научных изданий 
«Ближнепольные технологии неинвазивной глюкометрии: аналитические обзоры». В этой серии будет оперативно публиковаться информация о новейших достижениях в России и за рубежом в сфере неинвазивных методов контроля содержания глюкозы в организме человека. Исключительная важность проблемы обусловлена тем, что сахарный диабет занимает третье место в мире после сердечнососудистых и онкологических заболеваний.  
Цель данной серии – определение ключевых проблем, осуществление их 
многофакторного анализа и предложение возможных способов их решения.  
В данном издании представлены результаты исследований в области неинвазивного контроля глюкозы с использованием сверхвысокочастотных методов. 
На основе подробного анализа литературных данных впервые осуществлен 
комплексный подход, охватывающий как фундаментальные теоретические вопросы достижения требуемых чувствительности и точности систем контроля, 
так и важные вопросы технического характера. Отмечены хорошие перспективы 
развития и внедрения метода резонансной ближнепольной сверхвысокочастотной диагностики. Весьма многообещающими представляются также крайне высокочастотный и терагерцовый диапазоны частот. 
Для специалистов в области неинвазивной глюкометрии, аспирантов и студентов, проводящих научные исследования в области медицинской физики, а 
также для медицинских работников различных категорий. 
 
УДК 53.087.45; 53.084.2; 612.122.1 
ББК 36.85 
 
 
 
 
 
© Беличенко В.П., Запасной А.С., Мироньчев А.С.,  
ISBN 978-5-94621-988-4 
 
Клоков А.В., Горст А.В., 2021 
ISBN 978-5-94621-989-1 (отд. кн.)  
© Томский государственный университет, 2021

Предисловие 

3 

 
Содержание 
 
Предисловие (В.П. Беличенко) .................................................................. 5 
 
Глава 1. Общие сведения о неинвазивных методах контроля 
содержания глюкозы (В.П. Беличенко, А.С. Запасной, А.В. Горст) ......... 8 
 
Глава 2. Электрически малая антенна – ключевой элемент 
ближнепольного сверхвысокочастотного зонда  
(В.П. Беличенко, А.С. Запасной) .............................................................. 15 
§ 2.1. Фундаментальные пределы в теории электрически  
малых антенн ....................................................................................... 15 
§ 2.2. Проблема локализации границы, разделяющей ближнюю  
и дальнюю зоны излучения ............................................................... 18 
§ 2.3. Зондирование неоднородной среды эванесцентными полями 
ближнепольного зонда ....................................................................... 19 
 
Глава 3. Зонды для ближнепольного неинвазивного контроля 
содержания глюкозы (А.В. Клоков, А.С. Мироньчев, А.В. Горст) ....... 28 
§ 3.1. Конструктивно простые зонды ................................................ 34 
§ 3.2. Зонды на основе коаксиальных  
и микрополосковых резонаторов ...................................................... 35 
§ 3.3. Зонды на основе отрезков коаксиальных  
конических линий ............................................................................... 38 
§ 3.4. Моделирование резонансного зонда на основе 
микрополосковой линии .................................................................... 41 
 
Глава 4. Численное моделирование и тестовые  
экспериментальные исследования процедуры  
неинвазивного контроля уровня глюкозы (А.В. Горст,  
А.С. Мироньчев, А.В. Клоков) .................................................................. 44 
§ 4.1. Общая концепция исследования ............................................. 44 
§ 4.2. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости 
фантомов биологической ткани ........................................................ 45 

Неинвазивный контроль глюкозы: состояние и перспективы 

4 

§ 4.3. Моделирование взаимодействия излучения широкополосного 
ближнепольного зонда с фантомами биологической среды .......... 47 
§ 4.4. Тестовые экспериментальные исследования ......................... 49 
 
Глава 5. Перспективные направления исследований  
(В.П. Беличенко, А.С. Запасной) .............................................................. 54 
§ 5.1. Крайне высокочастотная диагностика .................................... 54 
§ 5.2. Терагерцовая диагностика ....................................................... 61 
 
Список использованных источников ................................................. 64 
 
 
 

Предисловие 

5 

 
 
 
Предисловие 

 
По оценкам Всемирной организации здравоохранения, более 180 млн человек во всем мире больны диабетом и к 
2030 г. прогнозируется удвоение количества заболевших. 
В этой связи неоспоримо особое значение методов своевременного контроля содержания сахара в крови. Значительный 
интерес представляют именно неинвазивные приборы непрямого (т.е. без взятия пробы крови) определения уровня сахара. На 61-й ежегодной научной сессии Американской диабетической ассоциации отмечено, что наиболее перспективным 
на сегодняшний день является спектральный метод, основанный на достижениях спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне. Глюкометры, воплощающие этот метод, демонстрируют неплохие возможности относительного непрерывного мониторинга содержания глюкозы в крови. Однако 
метод нуждается еще в дальнейшей проработке, в том числе 
фундаментального характера. 
В целом состояние работ по неинвазивному мониторингу 
глюкозы указывает на настоятельную необходимость проведения дальнейших исследований, в том числе направленных 
на создание новых методов мониторирования. 
В данной монографии обсуждаются вопросы, тесно связанные с задачами сверхвысокочастотной (СВЧ) диагностики 
содержания глюкозы в крови человека.  
В первой главе отмечается чрезвычайная важность аппаратурного и программного обеспечения систем непрерывного 

Неинвазивный контроль глюкозы: состояние и перспективы 

6 

неинвазивного мониторинга содержания глюкозы с точки 
зрения обнаружения симптомов заболевания сахарным диабетом на ранних стадиях.  
Материал второй главы имеет фундаментальное значение 
в теории так называемых электрически малых антенн. Поскольку в состав измерительного зонда диагностирующей 
системы в том или ином виде входит электрически малая антенна, то значение этой главы трудно переоценить. На настоящий момент в теории электрически малых антенн развит 
очень мощный метод, позволяющий не только с высокой 
точностью рассчитать характеристики антенны, но целенаправленно осуществлять их оптимизацию. Вследствие этого в 
распоряжении исследователей появился мощный аппарат математического моделирования и оптимизации, который позволяет намного сократить время разработки зонда с требуемыми характеристиками по чувствительности и разрешению. 
Вместе с этим мы сочли целесообразным описать (хотя и в 
очень краткой форме) достаточно успешно применяемые 
приближенные аналитические теории ближнепольных зондов, представленные в литературе. В связи с проблемой 
«пространственных масштабов» возникает проблема выделения в поле активного зонда ближней и дальней зон. Наиболее 
последовательное решение этой проблемы заключается в исследовании поля зонда в так называемом К-пространстве.  
Конструктивные решения применяемых в настоящее время на практике зондов представлены в третьей главе.  
Четвертая глава содержит результаты численного моделирования и описание тестовых экспериментальных исследований 
микроволнового датчика для осуществления процедур неинвазивной глюкометрии. Датчик выполнен в виде конического ру

Предисловие 

7 

пора с размещенным внутри него коническим проводником, 
расширяющимся по направлению к апертуре рупора. Такой 
датчик является значительно более широкополосным по сравнению с датчиками иной конструкции. Существенно, что геометрия датчика обеспечивает формирование вблизи его апертуры протяженной ближней зоны с высоким уровнем электрического поля. Установлено, что наблюдается четко выраженная 
взаимосвязь между изменениями диэлектрической проницаемости фантома биологической ткани и частотной зависимостью 
параметра S11 датчика в диапазоне частот от 1,4 до 1,7 ГГц. Это 
обстоятельство может быть использовано при разработке процедуры измерений, при которой уровень глюкозы в крови имеет 
корреляцию со значением параметра S11 предложенного датчика. С точки зрения диагностики содержания глюкозы в крови, 
наиболее удобными местами размещения датчика являются конечности человека (руки и ноги), в частности запястье.  
Наконец, в пятой главе обсуждаются перспективы применения для неинвазивной диагностики содержания глюкозы 
излучения крайне высоких частот и излучения терагерцового 
диапазона. 
 
 

Неинвазивный контроль глюкозы: состояние и перспективы 

8 

 
 
 
 
Глава 1. Общие сведения о неинвазивных  
методах контроля содержания глюкозы 

 
Как известно, сахарный диабет является одним из самых 
опасных заболеваний, характеризуемых высоким уровнем 
глюкозы в крови человека и часто приводящим к тяжелейшим осложнениям. Имеющиеся на настоящий момент методы диагностики заболевания и осуществления постоянного 
мониторинга содержания глюкозы в крови не могут быть 
признаны удовлетворительными в силу целого ряда обстоятельств. Поэтому значительные усилия исследователей 
направлены на разработку новых неинвазивных методов диагностики, в частности сверхвысокочастотных (табл. 1).  
Авторы опубликованного в 2017 г. обзора [1] делят ряд известных на сегодняшний день методов неинвазиного определения уровня глюкозы в крови на три группы: оптические, трансдермальные и термальные методы. При этом наиболее многочисленна группа оптических методов, в которой выделяется метод радиоволновой спектроскопии. В обзоре отмечается прогресс, 
достигнутый 
несколькими 
фирмами: 
Integrity 
Applications, GlucoTrack® (Израиль), Cnoga Medical, Combo 
Glucometer (Израиль), Nemaura Medical SugarBEAT™ (Великобритания), MediWise GlucoWise™ (Великобритания). 
Так, глюкометры фирмы Integrity Applications прошли 
необходимую сертификацию и уже доступны на рынках нескольких стран.  

Т а б л и ц а  1 
Неинвазивные приборы мониторинга глюкозы [1] 
 

Устройство 
Технология 
Область 
размещения 

Частота 
измерений 

Нормативные разрешения 
и коммерциализация 

Animas Technologies 
(Cygnus Inc.), 
GlucoWatch® G2 
Biographer (USA) 

Обратный  
ионтофорез 
Кожа запястья 
Непрерывные 

Одобрено CE1 (1999 г.) и 
одобрено FDA2 (2001 г.); 
было снято с продажи изза плохой точности и раздражения кожи 

Pendragon Medical, 
Pendra® 
(Switzerland) 

Импедансная  
спектроскопия 
Кожа запястья 
Непрерывные 

Одобрено СЕ (2003 г.);
было снято с продажи изза низкой точности результатов постмаркетингового исследования 

OrSense, 
NBM-200G 

(Israel) 

Окклюзионная  
спектроскопия 
Кожа кончиков 
пальцев 
Прерывистые 
Одобрен СЕ (2007 г.);
никогда не было коммерциализировано 

C8 MediSensors  
(CA, USA) 
Рамановская  
спектроскопия 
Кожа  
живота 
Непрерывные 

Одобрено СЕ (2011 г.);
компания была закрыта 
из-за финансовых  
трудностей 

                                                   

1 CE – специальный знак, который наносится на изделие и удостоверяет, что изделие соответствует основным 
требованиям директив Европейского союза и его гармонизированным стандартам. Удостоверяет также то, что продукт прошёл процедуру оценки соответствия директивам. 

2 FDA – управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов. 

Неинвазивный контроль глюкозы: состояние и перспективы 

10 

Устройство 
Технология 
Область 
размещения 

Частота 
измерений 

Нормативные разрешения 
и коммерциализация 

Integrity Applications, 
GlucoTrack® (Israel) 

Сочетание теплового, 
ультразвукового и 
электромагнитного 
анализа 

Мочки ушей 
Прерывистые 
Одобрен СЕ (2013 г.); 
доступно в некоторых 
странах 

Cnoga Medical, 
Combo Glucometer 
(Israel) 

Спектроскопия в 
ближнем инфракрасном диапазоне 
Кончик пальца 
Прерывистые 
Сертификат CE (2014 г.);
нет информации о коммерциализации 

Nemaura Medical 
SugarBEAT™ 
(UnitedKingdom) 

Обратный  
ионтофорез 
Руки, ноги  
или живот 
Непрерывные Сертификат CE (2016 г.); 
выход на рынок в 2017 г. 

MediWise 
GlucoWise™ 

(United Kingdom) 

Радиоволновая  
спектроскопия 

Кожа между большим и указательным пальцами или 
мочки ушей 

Непрерывные 

В разработке и будет доступен после завершения 
клинических испытаний. 
Компания рассчитывает 
начать прием предварительных заказов в конце 
2018 г. 

Интересная особенность этих глюкометров связана с тем, 
что в них воплощены сразу три принципиально отличающиеся технологии определения уровня глюкозы в крови. 
Весьма интересна разработка фирмы MediWise, основанная на технологии радиоволновой спектроскопии. Специалисты фирмы сочли целесообразным использовать при диагностике электромагнитное излучение с частотой 65 ГГц, которое подводится к участку кожи между большим и указательным пальцем или к мочке уха. Глюкометр характеризуется 
хорошими эргономическими особенностями. Ожидается, что 
после проведения цикла клинических испытаний будут 
успешно решены вопросы его коммерциализации. Вместе с 
тем отсутствует информация о точности, достигаемой аппаратом, и о его преимуществах по сравнению с другими известными аппаратами. 
Помимо упомянутого выше обзора недавно опубликовано 
еще несколько (см., например, [2–4]). Примечательно, что в 
этих обзорах должное внимание уделяется сверхвысокочастотным методам диагностики, которые имеют по ряду характеристик неоспоримое преимущество по сравнению с другими методами. Наиболее обстоятельным является обзор [2]. В частности, в нем в виде таблицы представлена полезная ретроспективная информация о требованиях, предъявляемых к приборам мониторинга содержания глюкозы в ряде стран (табл. 2). 
Следует отметить, что попытки разработать продуктивную 
технологию для определения и мониторинга уровня глюкозы 
в организме человека с использованием СВЧ-излучения не 
прекращаются [5, 6]. Это вселяет надежду на то, что усилия 
международного сообщества исследователей увенчаются 
успехом.

Т а б л и ц а  2 
Руководства для подтверждения соответствия приборов мониторинга глюкозы,  
принятые в некоторых странах [2] 

 

Ответственный орган (страна) 
Директива / 
Стандарт 
Год  
выпуска 

Тип 
устройства 

Концентрация 
глюкозы 
Критерии 

Управление по санитарному 
надзору за качеством пищевых 
продуктов и медикаментов 
(FDA) 

США 

UCM3 380325

2016 

BGMS4

≥75 мг/дл 

95% в пределах 
±12% 
98% в пределах 
±15% 

<75 мг/дл 

95% в пределах

±12 мг/дл 
98% в пределах 
±15 мг/дл 

UCM 380327 
SMBG5
Весь  
диапазон 

95% в пределах 
±15% 
99% в пределах 
±20% 

Европейское агентство по лекарственным средствам (EMA) 
Евросоюз EN ISO6 15197
2015 
BGMS/
SMBG ≥100 мг/дл 95% в пределах 
±15% 

                                                   

3 UCM – унифицированная компонентная модель распределенных систем, систем реального времени и встроенных систем. 
4 BGMS (Blood Glucose Monitoring System) – система мониторинга глюкозы в крови. 
5 SMBSDA (Self Monitoring of Blood Glucose) – самоконтроль уровня глюкозы в крови. 
6 ISO – независимая неправительственная организация, специализирующаяся на разработке международных 
стандартов.