利用超構表面增強的雷達近場傳感，促進無創血糖監測等生物醫學應用

目前，雷達系統已被研究用于多種生物傳感應用，以捕捉與目標個體健康有關的特定生物信號。雷達系統能夠以非接觸形式表征一系列生物醫學參數、檢測緊急情況，提供出色的長期護理。過去十年間，業界已經開發出多款原型產品，展示了將人工智能（AI）驅動的雷達系統用于無創葡萄糖傳感、可穿戴汗液監測、多人生命體征跟蹤、步態監測、跌倒檢測、人眼活動監測以及成像等應用的潛力。

雷達系統面向工業和生物醫學微波應用的開發近年有所加速，源于業界對毫米波通信的興趣日益濃厚，這種通信技術可以利用超薄、低成本天線提供足夠的人體穿透，實現近場傳感。最近在同行評審期刊上發表的論文證明了一些緊湊型毫米波短距離雷達模塊在生物醫學應用中的實用性，例如血糖濃度水平檢測、區分不同葡萄糖濃度的血液樣本、乳腺癌檢測、皮膚癌檢測、用于血壓跟蹤的動脈脈搏波形測量以及高精度連續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，凸顯了早期檢測和診斷的重要性。盡管已有侵入性血糖檢測技術，但無創血糖測量技術越來越受關注，推動了持續的研究以及對新可能性的探索。盡管如此，無創血糖監測仍極具挑戰，現有研究尚未開發出可靠的商業化產品或臨床檢測器械。已有報道提出了一種在2.4-2.5 GHz工業、科學和醫療（ISM）頻段工作的便攜式平面微波傳感器，以促進對血糖水平的無創監測。還有報道采用強大的低功率毫米波雷達系統來檢測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的介質輻射信號。此外，還有研究開發了一種工作頻率為1-6 GHz的微波生物傳感器，用于實時無創葡萄糖監測。這些最新進展共同表明，人們越來越需要開發一種高靈敏度雷達系統，以實現對血糖水平的連續監測。

為了克服當前生物電子接口的局限性，可以設計具有亞波長結構的超構表面（metasurfaces）來控制人體周圍的電磁場。通過利用陣列機制以及緊湊型饋電天線的設計兼容性，可將具有反射或透射功能的集成超構材料及結構用于近場傳感，提供所需要的功能。通過廣泛查閱文獻，迄今還沒有一種超構表面具有兼具超薄外形和高集成度的合適結構，尤其是在毫米波頻段。這一缺憾阻礙了其與雷達傳感器的集成，從而限制了其在近場生物醫學應用中實現高精度傳感的潛力。

據麥姆斯咨詢介紹，鑒于特定的毫米波雷達芯片組和天線設計，以及預先確定的人體目標檢測區域（如下圖所示），加拿大滑鐵盧大學（University of Waterloo）的研究人員通過在雷達發射/接收片上天線和人體皮膚之間集成一個平面透射超構表面作為緩沖器，提出了一種面向生物醫學應用的雷達高近場傳感方案。所提出的超構表面增強雷達近場傳感方案，可以應用于多種生物醫學傳感領域，包括血糖監測、皮膚癌檢測以及心臟和雷達心肺監測。本文重點關注了實時疾病診斷，特別強調了連續血糖監測在糖尿病診斷中的關鍵作用，旨在將血糖監測集成到可穿戴設備中，展示了所提出超構表面技術的專業用途。研究人員利用全波電磁模擬器評估了有無集成超構表面的雷達天線與人體皮膚模型直接接觸時的近場傳感性能。天線阻抗匹配、信噪比以及電磁場對人體皮膚的穿透，都是需要量化的性能參數。

這項研究成果已經以“Radar near-field sensing using metasurface for biomedical applications”為題發表于Communications Engineering期刊。

貼近手腕部位整合超構表面技術，增強可穿戴雷達的近場傳感性能

在自由空間和人體皮膚介質間設計的透射超構表面單元的比較分析

利用人體皮膚模型進行近場功率密度測量的雷達-超構表面集成

人體雷達傳感器代表了生物醫學傳感的重大進步，能夠對生命體征、血糖水平和健康指標進行連續、實時監測，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表面經過精心設計，具有阻抗匹配功能，可與雷達發射器和接收器天線無縫集成，便于與人體簡化模型直接接觸，進而大幅提高生物醫學應用的近場傳感性能。所提出超構表面之所以能夠實現出色的雷達近場傳感，關鍵在于增強了從雷達天線發射器到受控介質的功率密度吸收，同時雷達天線接收器提高了接收功率水平，從而提高了系統信噪比。具體來說，該超構表面的使用使近場坡印廷功率密度提高了11?dB以上。此外，通過雷達信號處理，分析表明雷達信噪比進一步提高了11?dB以上，從而增強了雷達的感知能力。