利用体内天线监测骨质疏松症：一项可行性研究

《IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology》：Monitoring Osteoporosis With Into-Body Antennas: A Feasibility Study

本研究提出基于高对比低损耗天线（HCLAs）的微波传感技术，通过平面和分层结构模拟及人体臂体素模型仿真，发现HCLAs在2-4 GHz频段内具有较大的信号动态范围（传输系数幅度变化约8 dB，相位变化约100度），为便携式骨质疏松监测提供新方案。

　　

摘要：

微波传感设备具有成为一种非电离、低成本且便携的骨质疏松症监测方法的潜力。然而，现有的微波传感器存在以下几个问题：向组织内的传输能力较弱、在不同程度的骨质疏松情况下信号变化小以及带宽有限。在这项研究中，我们通过提出一种基于微波的传感技术来克服这些挑战。该技术将两个体内天线（具体来说是高对比度低损耗天线，即HCLA）放置在手腕两侧以监测骨质疏松状况。作为概念验证，我们首先对仅由骨头组成以及由2/3肌肉-骨头组成的平面分层结构进行了模拟和实验。为了进一步评估在实际场景中的性能，我们使用了人体手臂的体素模型进行了全波模拟。我们采用两种骨体积分数（BVF）模型来量化骨质疏松程度；其中10%和40%的BVF分别代表骨质疏松和健康的骨骼。对平面分层几何结构的单元格分析表明，HCLA的传输效率非常高，在频率超过2 GHz时，其传输损耗仅比理论上的最佳值低约5 dB。在4 GHz附近，传输系数幅值和相位的动态范围（即健康骨骼与骨质疏松骨骼之间的信号变化）分别为约2 dB和约70°。体素模拟显示，动态范围分别约为8 dB和100°。强大的信号强度、宽频带内的大动态范围以及紧凑的外形尺寸表明，HCLA测量方法在结合适当的校准和后处理后，可以作为一种有效的骨质疏松监测手段。