目前，雷達系統(tǒng)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(tǒng)能夠以非接觸形式表征一系列生物醫(yī)學參數(shù)、檢測緊急情況，提供出色的長期護理。過去十年間，業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出多款原型產(chǎn)品，展示了將人工智能（AI）驅(qū)動的雷達系統(tǒng)用于無創(chuàng)葡萄糖傳感、可穿戴汗液監(jiān)測、多人生命體征跟蹤、步態(tài)監(jiān)測、跌倒檢測、人眼活動監(jiān)測以及成像等應用的潛力。

雷達系統(tǒng)面向工業(yè)和生物醫(yī)學微波應用的開發(fā)近年有所加速，源于業(yè)界對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，實現(xiàn)近場傳感。最近在同行評審期刊上發(fā)表的論文證明了一些緊湊型毫米波短距離雷達模塊在生物醫(yī)學應用中的實用性，例如血糖濃度水平檢測、區(qū)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(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，凸顯了早期檢測和診斷的重要性。盡管已有侵入性血糖檢測技術(shù)，但無創(chuàng)血糖測量技術(shù)越來越受關注，推動了持續(xù)的研究以及對新可能性的探索。盡管如此，無創(chuàng)血糖監(jiān)測仍極具挑戰(zhàn)，現(xiàn)有研究尚未開發(fā)出可靠的商業(yè)化產(chǎn)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(yè)、科學和醫(yī)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(chuàng)監(jiān)測。還有報道采用強大的低功率毫米波雷達系統(tǒng)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(zhì)輻射信號。此外，還有研究開發(fā)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(chuàng)葡萄糖監(jiān)測。這些最新進展共同表明，人們越來越需要開發(fā)一種高靈敏度雷達系統(tǒng)，以實現(xiàn)對血糖水平的連續(xù)監(jiān)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(jié)構(gòu)的超構(gòu)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(gòu)材料及結(jié)構(gòu)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(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傳感器的集成，從而限制了其在近場生物醫(yī)學應用中實現(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芯片組和天線設計，以及預先確定的人體目標檢測區(qū)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(fā)射/接收片上天線和人體皮膚之間集成一個平面透射超構(gòu)表面作為緩沖器，提出了一種面向生物醫(yī)學應用的雷達高近場傳感方案。所提出的超構(gòu)表面增強雷達近場傳感方案，可以應用于多種生物醫(yī)學傳感領域，包括血糖監(jiān)測、皮膚癌檢測以及心臟和雷達心肺監(jiān)測。本文重點關注了實時疾病診斷，特別強調(diào)了連續(xù)血糖監(jiān)測在糖尿病診斷中的關鍵作用，旨在將血糖監(jiān)測集成到可穿戴設備中，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估了有無集成超構(gòu)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(shù)。

這項研究成果已經(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)，增強可穿戴雷達的近場傳感性能

在自由空間和人體皮膚介質(zhì)間設計的透射超構(gòu)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(gòu)表面集成

人體雷達傳感器代表了生物醫(yī)學傳感的重大進步，能夠?qū)ιw征、血糖水平和健康指標進行連續(xù)、實時監(jiān)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(gòu)表面經(jīng)過精心設計，具有阻抗匹配功能，可與雷達發(fā)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(yī)學應用的近場傳感性能。所提出超構(gòu)表面之所以能夠?qū)崿F(xiàn)出色的雷達近場傳感，關鍵在于增強了從雷達天線發(fā)射器到受控介質(zhì)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(tǒng)信噪比。具體來說，該超構(gòu)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。