CN109171671B - 一种基于极化转换超表面的生命体征检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于极化转换超表面的生命体征检测方法。在人体/动物浅表具有动脉血管的位置贴敷超表面结构，通过发射天线向超表面结构顶面发射电磁波，通过超表面结构极化转换反射后被接收天线接收获得交叉极化反射信号，采集频段中交叉极化反射最弱的频率点，根据该频率点的交叉极化反射信号进行人体脉搏生命体征信号的探测。本发明方法为提升探测灵敏度，优化设计超表面结构，使反射和透射的线极化波均为交叉极化电磁波，从而在接收端极大抑制了同极化电磁波的干扰，提高了检测精度。

Description

一种基于极化转换超表面的生命体征检测方法

技术领域

本发明属于微波频段电磁波调控技术领域的一种生命体征检测方法，具体涉及一种基于极化转换超表面的生命体征检测方法。

背景技术

超材料通常定义为具有特定几何形状的宏观基本单元周期性或非周期性排列，使其具有天然材料所不具备的超常电磁特性的人工复合结构。二维超材料，也就是超表面，它的厚度比波长要小得多。由于可以通过改变阵列谐振单元的几何形状，超表面可以很灵活地操控电磁波。

极化是电磁波的一个很重要的性质，指的是沿电磁波传播方向横向的电场振荡方向。为了控制极化状态，研究人员提出了很多基于天然材料的器件，比如带有螺旋结构的分子，扭曲的向列液晶。然而，这些方法往往具有体积较大，带宽很窄，响应受入射角度影响等缺点。超表面具有很多规则排列的亚波长谐振单元，这种单元被称为Meta-atom，相当于传统天然材料中的原子或分子，因而这种极化转换器可以做到微型化，吸引了研究者的广泛关注。

在生命体征探测领域，传统的方法为人体和仪表探测器紧密相连进行测量，人的行动受到影响；第二种方法为人体佩戴有源传感电路进行测量，监测时间受到佩戴设备的电力的影响；第三种方法为完全被动的光学和电磁远程人体测量，随着测量距离的增加测量精度迅速下降。因此这里提出一种人体表面贴敷无源探测装置，它不需要获取能量驱动有源电路，在强度较低的入射探测波下可以获得更强的被探测生命体征信号，因而可以有更远的探测距离和更高的探测精度。

此种方法是人体表面贴上超表面结构，当对人体进行如脉搏等生命体征的检测时，超表面的谐振频率会受到周围介质的影响，利用血管直径与谐振频率之间的关系，对生命体征进行检测。使得电磁远距离测量的精度大大提升。除此之外，生命体征探测器的表面积相对较小，发射和接收天线之间易耦合，同极化电磁波的干扰也比较严重。一般来说，对于线极化波，只要将接收天线的极化方式改变成与入射电波极化相正交，即可在很大程度上抑制干扰，可较大程度提高检测精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种新型的基于极化转换超表面的生命体征检测方法，检测精度高，原料易获取，整体结构简单、轻质、微型、易加工。

本发明的技术方案如下：

在人体/动物浅表具有动脉血管的位置贴敷超表面结构，通过发射天线向超表面结构顶面发射一定频段的电磁波，通过超表面结构极化转换反射后被接收天线接收获得交叉极化反射信号，采集频段中交叉极化反射最弱的频率点，根据该频率点的交叉极化反射信号进行人体脉搏生命体征信号的探测。

本发明以人体/动物浅表为介质，超表面结构所贴敷的人体/动物浅表的介质特性为对一定频段的电磁波具有减弱反射信号的特性。人体/动物浅表的生物组织中，由于脉搏导致超表面结构的贴敷位置皮下动脉血管会发生周期性血液密度和血管尺寸的变化，在接收天线端反射信号中反射最弱的频率点也会周期性变化，提取此频率的周期性改变特征，进行人体脉搏生命体征信号的探测。

本发明发射的电磁波频段为5GHz-10GHz。

所述的发射天线和接收天线采用不同极化的方式，超表面结构将发射天线发射信号的同极化转化为接收天线反射信号的交叉极化。

所述的对反射信号进行处理获得频段中反射最弱的频率点，具体是将发射天线和接收天线连接在两端口的矢量网络分析仪处理获得各个频率点的交叉极化反射系数，选取交叉极化反射系数最低的频率点作为交叉极化反射最弱的频率点。

所述的超表面结构为极化转换超表面，具体是由金属单元周期性紧密排列组成，金属单元的尺寸为工作波长的亚波长尺寸，每个金属单元包括一层介质基板和分别布置在介质基板顶面和底面的两层金属贴片，介质基板的顶面金属贴片为刻蚀了缺口的矩形金属环，矩形金属环的两侧对称设置相同的缺口；介质基板的底面金属贴片为间隔均布的金属栅条，相邻金属栅条之间的间隙相同，每个金属栅条的宽度相同。

所述的介质基板顶面的金属贴片接收来自发射天线的发射信号，介质基板底面的金属贴片接收来自接收天线的反射信号。

当空气中TE模或者TM模的线极化电磁波入射到所述超表面结构的顶面金属贴片时，每个金属单元均产生谐振，金属单元反射的电磁波对应为TM模或者TE模，实现极化角度的转换。

本发明的发射天线、接收天线和超表面结构的工作波长位于厘米波段，因而可穿透绝大部分生物表皮到达浅表血管区域，使其受到超表面辐射的电磁场的影响。

本发明利用超表面实现的极化转换，从而在接收端屏蔽掉发射端的同极化电磁波干扰。

本发明实施例中建立血管直径生物组织模型，在发射端向超表面发射一定频段的电磁波，可在接收端采集到生命体征变化时，交叉极化反射系数最低的频率点的周期性改变特征，进而进行生命体征检测。

本发明中，根据由交叉极化反射系数最低的频率点的周期性改变特征探测获得人体脉搏生命体征信号，具体为：

小臂平放于桌面，将超表面贴敷于掌面大拇指根部的桡侧，发射天线和接收天线分别在桡侧和尺侧对称放置，距桌面高度30cm，均连接到两端口的矢量网络分析仪上，入射电磁波和反射电磁波之间夹角为90°。

发射天线向超表面结构发射5GHz-10GHz频段的电磁波，通过超表面结构极化转换反射后，在矢量网络分析仪上可以显示出交叉极化反射信号。

对交叉极化反射信号中反射最弱的频率点对应的频率进行实时采样，该频率点在脉搏时会有周期性的改变特征，经过后处理可得到脉搏过程时的调频和调相信号包络，获得人体脉搏生命体征信号。

本发明可以检测所有动物、人类的生命体征，包括脉搏、血压、呼吸、肌肉等的生物组织的生命体征变化，检测方法均为体表非侵入式检测。

本发明利用生物组织中生命体征(例如脉搏、血压、呼吸、肌肉)的变化对生物组织附近的人体/动物浅表产生影响，使经超表面结构极化转换反射的交叉极化反射系数最低的频率点对应的频率或幅度发生偏移，经过后处理能得到相位变化的调频和调相信号包络或幅度变化的调幅信号包络，能够反映生物的生命体征。

本发明利用极化转换能获得更准确、敏感的变化信号，从而达到抑制干扰，提高检测精度的目的。

本发明在人体/动物浅表具有动脉血管的位置贴敷超表面结构，通过发射天线向超表面结构顶面发射一定频段的电磁波，通过超表面结构极化转换反射后被接收天线接收获得交叉极化反射信号。在人体/动物浅表的生物组织中，脉搏会导致超表面结构的贴敷位置皮下动脉血管会发生周期性血液密度和血管尺寸的变化。由于超表面结构所贴敷的人体/动物浅表的介质特性为对一定频段的电磁波具有减弱反射信号的特性。因而可在交叉极化反射信号中获得频段中反射最弱的频率点，根据该频率点随脉搏的周期性改变特征，进行人体脉搏生命体征信号的探测，经过后处理可得到脉搏过程时的调频和调相信号包络，获得人体脉搏生命体征信号。

本发明发射的电磁波频段为5GHz-10GHz。

本发明为了提高生命体征信号的探测灵敏度和精度，通过优化设计超表面结构，最终使反射和透射的线极化波均为交叉极化电磁波，通过改变接收天线的极化方式，使之与发射天线极化方式不同，从而在接收端极大抑制了同极化电磁波的干扰，接收端所检测到的电磁波变化均为超表面受其所贴敷的介质变化而导致的，在检测精度和灵敏度上有了很大的提升。

本发明所基于的极化转换超表面在工作频段内，当空气中的线极化电磁波入射到超表面顶面时，超表面可将入射电磁波转化为交叉极化的反射电磁波和透射电磁波。交叉极化透射电磁波可穿透超表面底面的金属栅条，而同极化透射电磁波将被反射。

本发明所基于的极化转换超表面，其底层为沿同一方向周期排列的金属栅条。金属栅条方向与入射线极化电磁波的电场偏振方向一致，若超表面实现的是TE波转换为TM波，则金属栅条方向为y方向；若要实现TM波转化为TE波，则需旋转超表面使金属栅条方向为x方向。

本发明相比于背景技术进行了如下改进：

本发明所基于的超表面，其交叉极化反射系数最低的频率点受超表面所贴敷介质变化的影响较大，检测方法对环境灵敏度相对较高，血管百微米量级的变化引起交叉极化反射系数最低的频率点百兆赫兹量级的漂移。

本发明在接收端采用交叉极化方式接收，因而极大抑制了同极化电磁波的干扰，检测方法的精度得以保证。

本发明对电磁波入射角度稳定，实际电磁波入射角度发生小幅变化时，交叉极化反射系数最低的频率点的幅值或频率变化较小，因此检测方法的稳定性、鲁棒性相对较高。

本发明用的衬底材料为FR-4，金属为铜，原材料均为PCB板中的常用材料，生产工艺与PCB板工艺兼容，材料轻质、超薄(2.4mm)。

本发明结构尺寸小，而且多变，改变结构参数可以让其工作在不同频段，检测方法的灵活性较高。

本发明通过设计优化超表面结构和尺寸，使入射线极化电磁波经过超表面结构后，其反射波和透射波均实现了极化角度的转换，借助上述该超表面的诸多特征，实现了一种基于极化转换超表面的生命体征检测方法，在接收端抑制了同极化电磁波的干扰，而且结构对入射电磁波角度变化相对不敏感，对周围环境介质很敏感，较大程度上提高了检测精度。

本方法具有相对简单的结构、超薄的尺寸，低廉的成本，还可灵活控制电磁波极化状态，在生物传感器、生命体征探测等领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1为检测方法测量装置示意图；

图2为极化转换超表面单元顶面示意图；

图3为极化转换超表面单元底面示意图；

图4为入射电磁波角度变化对交叉极化反射系数的影响示意图；

图5为测量的腕部组织示意图；

图6为人体脉搏波的概念解释图；

图7为超表面检测到的交叉极化谐振变化图。

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明作进一步描述和说明：本实例以本发明技术方案为前提，给出了具体实施方式和操作流程，本发明的保护范围包括但不限于下述实例。

本发明的实施例如下：

如图1所示，本发明实施例的超表面结构的整体尺寸为(60×60×2.4mm³)。实例包括：发射5GHz-10GHz TE波的天线、超表面结构和接收5GHz-10GHz TM波的天线。

如图1所示，本发明实施例中，小臂平放于桌面，将超表面贴敷于掌面大拇指根部的桡侧，发射天线和接收天线分别在桡侧和尺侧对称放置，距桌面高度30cm，均连接到两端口的矢量网络分析仪上，入射电磁波和反射电磁波之间夹角为90°。发射天线向超表面结构发射5GHz-10GHz频段的电磁波，通过超表面结构极化转换反射后，在矢量网络分析仪上可以显示出交叉极化反射信号。对交叉极化反射信号中反射最弱的频率点对应的频率进行实时采样，该频率点在脉搏时会有周期性的改变特征，可间接反映人体脉搏生命体征信号。

超表面结构为极化转换超表面，具体是由金属单元周期性紧密排列组成，每个金属单元包括一层介质基板和分别布置在介质基板顶面和底面的两层金属贴片，介质基板的顶面金属贴片为矩形金属环的两侧对称设置相同的缺口；介质基板的底面金属贴片为间隔均布的金属栅条，相邻金属栅条之间的间隙相同，每根金属栅条的宽度相同。

如图1所示，本实例所涉及的顶面和底面的金属贴片均为0.035mm厚的铜箔，采用的介质基板为FR-4，其相对介电常数为4.3，损耗角的正切值为0.025，基板厚度为2.4mm。超表面在x方向和y方向单元数量一致，均为5个。

如图2所示，本实例所设计的超表面，其顶面结构单元为倾斜旋转了45°的两条对称放置的刻蚀缺口的矩形环，结构参数为每个矩形环的短边长度a＝6mm，矩形环的长边长度减去缺口宽度后的一半b＝5mm，矩形环的宽度c＝0.55mm，两根U型条的间距缺口宽度g＝0.96mm，沿x和y方向按周期L＝12mm紧密排列。

如图3所示，本实例所设计的超表面，其底面结构单元为5根间隙gap＝宽度w＝1mm的金属栅条。

在本实施例中，设定电磁波频段为5GHz-10GHz，如图4所示，入射电磁波为θ＝45°的TE波，利用矢量网络分析仪可在接收天线端得到交叉极化反射系数。

如图4所示，当入射电磁波与法线夹角θ从41°变化到49°时，交叉极化反射系数最低的频率点只在幅值有一定程度的降低，约下降了10dB，而频率的移动程度很小，说明本实例所设计的结构的稳定性和鲁棒性较高。

如图5所示，本实例在测量中为了模拟脉搏过程，在超表面底面下方设置了腕部组织，腕部组织的面积与超表面相同，由1mm厚的皮肤、0.5mm厚的脂肪、1.5mm厚的肌肉，以及直径可最大变至3mm的4根血管组成。

如图6所示，在实际人体脉搏波中，有五个重点位置，分别为S(动脉脉搏波的起点)：代表主动脉瓣打开；血液从左心室泵出；P(脉首波)：由左心室射血引起，使动脉壁线性增强；T(潮波)：来自于小动脉的反射波；C(切迹)：收缩期的终点，动脉瓣关闭；D(重搏波)：来自于主动脉血压引起的血液撞击主动脉瓣形成的反射震荡波。

本实例实施过程中，如图7所示，在一个脉搏波周期中，测量时血管直径的变化代表血压的变化。当血压从S升至P时，血管直径减小至最低处，交叉极化反射系数最低的频率点从6.815GHz向右偏移至9.005GHz；当血压从P下降到T时，血管直径稍有增大，交叉极化反射系数最低的频率点从9.005GHz向左偏移至8.685GHz；当血压从T下降到C时，血管直径继续增大，交叉极化反射系数最低的频率点从8.685GHz向右偏移至7.790GHz；当血压从C上升到D时，血管直径开始减小，交叉极化反射系数最低的频率点从7.790GHz偏移至8.155GHz。

脉搏过程中血压周期性变化时，交叉极化反射系数最低的频率点也呈周期性变化，血压增大时，血管收缩，血管直径减小，交叉极化反射系数最低的频率点向高频偏移；血压降低时，血管舒张，血管直径增大，交叉极化反射系数最低的频率点向低频偏移。因而，交叉极化反射系数最低的频率点的周期性变化可以与脉搏波的特征对应起来。经过后处理可得到脉搏过程时的调频和调相信号包络，获得人体脉搏生命体征信号。

本发明的技术方案不限于上述实例的限制，如本发明在此实例中测量的生命体征是脉搏，同样可测量呼吸等，凡是根据本发明的极化转换思想做出的不同生命体征指标的测量，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于极化转换超表面的生命体征检测方法，其特征在于：在人体/动物浅表具有动脉血管的位置贴敷超表面结构，通过发射天线向超表面结构顶面发射电磁波，通过超表面结构极化转换反射后被接收天线接收获得交叉极化反射信号，采集频段中交叉极化反射最弱的频率点，根据该频率点的交叉极化反射信号进行人体脉搏生命体征信号的探测；

所述的采集频段中交叉极化反射最弱的频率点，具体是将发射天线和接收天线连接在两端口的矢量网络分析仪处理获得各个频率点的交叉极化反射系数，选取交叉极化反射系数最低的频率点作为交叉极化反射最弱的频率点；

所述的超表面结构为极化转换超表面，具体是由金属单元周期性紧密排列组成，每个金属单元包括一层介质基板和分别布置在介质基板顶面和底面的两层金属贴片，介质基板的顶面金属贴片为刻蚀了缺口的矩形金属环，矩形金属环的两侧对称设置相同的缺口；介质基板的底面金属贴片为间隔均布的金属栅条，相邻金属栅条之间的间隙相同，每个金属栅条的宽度相同；

极化转换超表面在工作频段内，当空气中的线极化电磁波入射到超表面顶面时，超表面将入射电磁波转化为交叉极化的反射电磁波和透射电磁波；交叉极化透射电磁波可穿透超表面底面的金属栅条，而同极化透射电磁波将被反射。

2.根据权利要求1所述的一种基于极化转换超表面的生命体征检测方法，其特征在于：所述的发射天线和接收天线采用不同极化的方式，超表面结构将发射天线发射信号的同极化转化为接收天线反射信号的交叉极化。

3.根据权利要求1所述的一种基于极化转换超表面的生命体征检测方法，其特征在于：所述的介质基板顶面的金属贴片接收来自发射天线的发射信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于极化转换超表面的生命体征检测方法，其特征在于：当空气中TE模的线极化电磁波入射到所述超表面结构的顶面金属贴片时，每个金属单元均产生谐振，金属单元反射的电磁波对应为TM模，实现极化角度的转换。

5.根据权利要求1所述的一种基于极化转换超表面的生命体征检测方法，其特征在于：当空气中TM模的线极化电磁波入射到所述超表面结构的顶面金属贴片时，每个金属单元均产生谐振，金属单元反射的电磁波对应为TE模，实现极化角度的转换。

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