利用超构表面增强的雷达近场传感，促进无创血糖监测等生物医学应用
2024-03-29 21:55:04 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文提出的超构表面增强雷达近场传感方案，可以应用于多种生物医学传感领域，包括血糖监测、皮肤癌检测以及心脏和雷达心肺监测。
目前，雷达系统已被研究用于多种生物传感应用，以捕捉与目标个体健康有关的特定生物信号。雷达系统能够以非接触形式表征一系列生物医学参数、检测紧急情况，提供出色的长期护理。过去十年间，业界已经开发出多款原型产品，展示了将人工智能（AI）驱动的雷达系统用于无创葡萄糖传感、可穿戴汗液监测、多人生命体征跟踪、步态监测、跌倒检测、人眼活动监测以及成像等应用的潜力。
雷达系统面向工业和生物医学微波应用的开发近年有所加速，源于业界对毫米波通信的兴趣日益浓厚，这种通信技术可以利用超薄、低成本天线提供足够的人体穿透，实现近场传感。最近在同行评审期刊上发表的论文证明了一些紧凑型毫米波短距离雷达模块在生物医学应用中的实用性，例如血糖浓度水平检测、区分不同葡萄糖浓度的血液样本、乳腺癌检测、皮肤癌检测、用于血压跟踪的动脉脉搏波形测量以及高精度连续捕捉心肺位移波形等。
糖尿病以血糖水平升高为特征，是一种比较普遍的慢性疾病，凸显了早期检测和诊断的重要性。尽管已有侵入性血糖检测技术，但无创血糖测量技术越来越受关注，推动了持续的研究以及对新可能性的探索。尽管如此，无创血糖监测仍极具挑战，现有研究尚未开发出可靠的商业化产品或临床检测器械。已有报道提出了一种在2.4-2.5 GHz工业、科学和医疗（ISM）频段工作的便携式平面微波传感器，以促进对血糖水平的无创监测。还有报道采用强大的低功率毫米波雷达系统来检测人造血液样本中变化的葡萄糖浓度水平。另一种方法是在胰腺上方工作频率为4.2 GHz的天线传感器，以捕捉与葡萄糖水平相关的介质辐射信号。此外，还有研究开发了一种工作频率为1-6 GHz的微波生物传感器，用于实时无创葡萄糖监测。这些最新进展共同表明，人们越来越需要开发一种高灵敏度雷达系统，以实现对血糖水平的连续监测。
为了克服当前生物电子接口的局限性，可以设计具有亚波长结构的超构表面（metasurfaces）来控制人体周围的电磁场。通过利用阵列机制以及紧凑型馈电天线的设计兼容性，可将具有反射或透射功能的集成超构材料及结构用于近场传感，提供所需要的功能。通过广泛查阅文献，迄今还没有一种超构表面具有兼具超薄外形和高集成度的合适结构，尤其是在毫米波频段。这一缺憾阻碍了其与雷达传感器的集成，从而限制了其在近场生物医学应用中实现高精度传感的潜力。
据麦姆斯咨询介绍，鉴于特定的毫米波雷达芯片组和天线设计，以及预先确定的人体目标检测区域（如下图所示），加拿大滑铁卢大学（University of Waterloo）的研究人员通过在雷达发射/接收片上天线和人体皮肤之间集成一个平面透射超构表面作为缓冲器，提出了一种面向生物医学应用的雷达高近场传感方案。所提出的超构表面增强雷达近场传感方案，可以应用于多种生物医学传感领域，包括血糖监测、皮肤癌检测以及心脏和雷达心肺监测。本文重点关注了实时疾病诊断，特别强调了连续血糖监测在糖尿病诊断中的关键作用，旨在将血糖监测集成到可穿戴设备中，展示了所提出超构表面技术的专业用途。研究人员利用全波电磁模拟器评估了有无集成超构表面的雷达天线与人体皮肤模型直接接触时的近场传感性能。天线阻抗匹配、信噪比以及电磁场对人体皮肤的穿透，都是需要量化的性能参数。
这项研究成果已经以“Radar near-field sensing using metasurface for biomedical applications”为题发表于Communications Engineering期刊。
贴近手腕部位整合超构表面技术，增强可穿戴雷达的近场传感性能
在自由空间和人体皮肤介质间设计的透射超构表面单元的比较分析
利用人体皮肤模型进行近场功率密度测量的雷达-超构表面集成
人体雷达传感器代表了生物医学传感的重大进步，能够对生命体征、血糖水平和健康指标进行连续、实时监测，从而提供早期诊断、改善治疗并最终挽救生命。本研究提出的超薄平面超构表面经过精心设计，具有阻抗匹配功能，可与雷达发射器和接收器天线无缝集成，便于与人体简化模型直接接触，进而大幅提高生物医学应用的近场传感性能。所提出超构表面之所以能够实现出色的雷达近场传感，关键在于增强了从雷达天线发射器到受控介质的功率密度吸收，同时雷达天线接收器提高了接收功率水平，从而提高了系统信噪比。具体来说，该超构表面的使用使近场坡印廷功率密度提高了11 dB以上。此外，通过雷达信号处理，分析表明雷达信噪比进一步提高了11 dB以上，从而增强了雷达的感知能力。
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