利用超構(gòu)表面增強(qiáng)的雷達(dá)近場(chǎng)傳感，促進(jìn)無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

目前，雷達(dá)系統(tǒng)已被研究用于多種生物傳感應(yīng)用，以捕捉與目標(biāo)個(gè)體健康有關(guān)的特定生物信號(hào)。雷達(dá)系統(tǒng)能夠以非接觸形式表征一系列生物醫(yī)學(xué)參數(shù)、檢測(cè)緊急情況，提供出色的長(zhǎng)期護(hù)理。過(guò)去十年間，業(yè)界已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多款原型產(chǎn)品，展示了將人工智能（AI）驅(qū)動(dòng)的雷達(dá)系統(tǒng)用于無(wú)創(chuàng)葡萄糖傳感、可穿戴汗液監(jiān)測(cè)、多人生命體征跟蹤、步態(tài)監(jiān)測(cè)、跌倒檢測(cè)、人眼活動(dòng)監(jiān)測(cè)以及成像等應(yīng)用的潛力。

雷達(dá)系統(tǒng)面向工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)微波應(yīng)用的開(kāi)發(fā)近年有所加速，源于業(yè)界對(duì)毫米波通信的興趣日益濃厚，這種通信技術(shù)可以利用超薄、低成本天線提供足夠的人體穿透，實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)傳感。最近在同行評(píng)審期刊上發(fā)表的論文證明了一些緊湊型毫米波短距離雷達(dá)模塊在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的實(shí)用性，例如血糖濃度水平檢測(cè)、區(qū)分不同葡萄糖濃度的血液樣本、乳腺癌檢測(cè)、皮膚癌檢測(cè)、用于血壓跟蹤的動(dòng)脈脈搏波形測(cè)量以及高精度連續(xù)捕捉心肺位移波形等。

糖尿病以血糖水平升高為特征，是一種比較普遍的慢性疾病，凸顯了早期檢測(cè)和診斷的重要性。盡管已有侵入性血糖檢測(cè)技術(shù)，但無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量技術(shù)越來(lái)越受關(guān)注，推動(dòng)了持續(xù)的研究以及對(duì)新可能性的探索。盡管如此，無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)仍極具挑戰(zhàn)，現(xiàn)有研究尚未開(kāi)發(fā)出可靠的商業(yè)化產(chǎn)品或臨床檢測(cè)器械。已有報(bào)道提出了一種在2.4-2.5 GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段工作的便攜式平面微波傳感器，以促進(jìn)對(duì)血糖水平的無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)。還有報(bào)道采用強(qiáng)大的低功率毫米波雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)人造血液樣本中變化的葡萄糖濃度水平。另一種方法是在胰腺上方工作頻率為4.2 GHz的天線傳感器，以捕捉與葡萄糖水平相關(guān)的介質(zhì)輻射信號(hào)。此外，還有研究開(kāi)發(fā)了一種工作頻率為1-6 GHz的微波生物傳感器，用于實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)葡萄糖監(jiān)測(cè)。這些最新進(jìn)展共同表明，人們?cè)絹?lái)越需要開(kāi)發(fā)一種高靈敏度雷達(dá)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)血糖水平的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

為了克服當(dāng)前生物電子接口的局限性，可以設(shè)計(jì)具有亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面（metasurfaces）來(lái)控制人體周圍的電磁場(chǎng)。通過(guò)利用陣列機(jī)制以及緊湊型饋電天線的設(shè)計(jì)兼容性，可將具有反射或透射功能的集成超構(gòu)材料及結(jié)構(gòu)用于近場(chǎng)傳感，提供所需要的功能。通過(guò)廣泛查閱文獻(xiàn)，迄今還沒(méi)有一種超構(gòu)表面具有兼具超薄外形和高集成度的合適結(jié)構(gòu)，尤其是在毫米波頻段。這一缺憾阻礙了其與雷達(dá)傳感器的集成，從而限制了其在近場(chǎng)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高精度傳感的潛力。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，鑒于特定的毫米波雷達(dá)芯片組和天線設(shè)計(jì)，以及預(yù)先確定的人體目標(biāo)檢測(cè)區(qū)域（如下圖所示），加拿大滑鐵盧大學(xué)（University of Waterloo）的研究人員通過(guò)在雷達(dá)發(fā)射/接收片上天線和人體皮膚之間集成一個(gè)平面透射超構(gòu)表面作為緩沖器，提出了一種面向生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的雷達(dá)高近場(chǎng)傳感方案。所提出的超構(gòu)表面增強(qiáng)雷達(dá)近場(chǎng)傳感方案，可以應(yīng)用于多種生物醫(yī)學(xué)傳感領(lǐng)域，包括血糖監(jiān)測(cè)、皮膚癌檢測(cè)以及心臟和雷達(dá)心肺監(jiān)測(cè)。本文重點(diǎn)關(guān)注了實(shí)時(shí)疾病診斷，特別強(qiáng)調(diào)了連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)在糖尿病診斷中的關(guān)鍵作用，旨在將血糖監(jiān)測(cè)集成到可穿戴設(shè)備中，展示了所提出超構(gòu)表面技術(shù)的專業(yè)用途。研究人員利用全波電磁模擬器評(píng)估了有無(wú)集成超構(gòu)表面的雷達(dá)天線與人體皮膚模型直接接觸時(shí)的近場(chǎng)傳感性能。天線阻抗匹配、信噪比以及電磁場(chǎng)對(duì)人體皮膚的穿透，都是需要量化的性能參數(shù)。

這項(xiàng)研究成果已經(jīng)以“Radar near-field sensing using metasurface for biomedical applications”為題發(fā)表于Communications Engineering期刊。

貼近手腕部位整合超構(gòu)表面技術(shù)，增強(qiáng)可穿戴雷達(dá)的近場(chǎng)傳感性能

在自由空間和人體皮膚介質(zhì)間設(shè)計(jì)的透射超構(gòu)表面單元的比較分析

利用人體皮膚模型進(jìn)行近場(chǎng)功率密度測(cè)量的雷達(dá)-超構(gòu)表面集成

人體雷達(dá)傳感器代表了生物醫(yī)學(xué)傳感的重大進(jìn)步，能夠?qū)ιw征、血糖水平和健康指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而提供早期診斷、改善治療并最終挽救生命。本研究提出的超薄平面超構(gòu)表面經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，具有阻抗匹配功能，可與雷達(dá)發(fā)射器和接收器天線無(wú)縫集成，便于與人體簡(jiǎn)化模型直接接觸，進(jìn)而大幅提高生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的近場(chǎng)傳感性能。所提出超構(gòu)表面之所以能夠?qū)崿F(xiàn)出色的雷達(dá)近場(chǎng)傳感，關(guān)鍵在于增強(qiáng)了從雷達(dá)天線發(fā)射器到受控介質(zhì)的功率密度吸收，同時(shí)雷達(dá)天線接收器提高了接收功率水平，從而提高了系統(tǒng)信噪比。具體來(lái)說(shuō)，該超構(gòu)表面的使用使近場(chǎng)坡印廷功率密度提高了11?dB以上。此外，通過(guò)雷達(dá)信號(hào)處理，分析表明雷達(dá)信噪比進(jìn)一步提高了11?dB以上，從而增強(qiáng)了雷達(dá)的感知能力。