姜興 康波 李小明 鄭超繼 耿喆

(桂林電子科技大學信息與通信學院 認知無線電與信息處理省部共建教育部重點實驗室,桂林 541004)

一款應用于腦活動探測的寬帶天線系統設計

姜興 康波 李小明 鄭超繼 耿喆

(桂林電子科技大學信息與通信學院 認知無線電與信息處理省部共建教育部重點實驗室,桂林 541004)

為利用微波傳輸法對大腦活動進行探測,提出了一款應用于大腦活動探測的寬帶天線．該天線單元為微帶單極子天線,由開槽矩形寬縫、三角形貼片極子和反射板構成,采用微帶線饋電,直接與人體頭組織介質匹配,經過仿真優化,該天線-10 dB回波損耗帶寬覆蓋了工作頻率范圍2.3～8 GHz．并仿真分析了大腦內的電磁能量傳輸特性及電場分布,結果顯示介質匹配天線相比普通天線在頭顱內具有更好的穿透能力,在大腦皮層和深部腦區仍存在較強的電場強度．最后對此寬帶天線進行了加工測試,實測數據與仿真結果基本吻合．該天線單元尺寸小、結構簡單、易加工,能夠很好地滿足微波傳輸法探測大腦活動技術中頭部共形天線陣列的設計要求．

腦活動探測;微波傳輸法;介質匹配;寬帶天線

DOI 10.13443/j.cjors.2017011003

引 言

微波作為一種新興的生理信號檢測手段,在醫學和生物學領域應用越來越廣泛．微波技術是腦異常探測、乳腺腫瘤探測[1-2]和腦機接口等領域的研究熱點,在醫學成像方面有著巨大應用前景．目前檢測大腦活動狀態的技術手段主要有:腦電圖(Electroencephalogram, EEG)分析、功能磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging, FMRI)技術、正電子發射斷層掃描(Positron Emission Computed Tomography, PET)．各種大腦活動檢測技術都有其優勢和不足,仍然有必要探索新的大腦活動檢測方法來服務于人類醫療事業,同時從全新的角度來詮釋大腦的功能機理．

根據神經學可知,大腦的某個功能區神經興奮時,由于鈉離子、鉀離子移動等因素,興奮區的電導率、介電常數等電磁特性會發生相應的變化．基于興奮區這種動態特性,當連續電磁波穿過腦興奮區時,透射波的幅度和相位將產生一個不同于靜息狀態時的變化,導致透射波的幅度和相位受興奮區電參數改變而動態變化,從而反映出大腦活動[3]．微波腦活動探測系統需要設計一款頭部共形天線陣列來發射與接收信號．為了獲得較高相位變化分辨率[4]和足夠的穿透深度,以及便于分析腦組織的頻率選擇特性,選取入射電磁波的頻率范圍為2.3～8 GHz,該頻率范圍覆蓋了ISM頻段．同時,為減小入射波在空氣與頭皮邊界面及不同腦組織邊界面的反射,所設計的天線與一般應用于通信系統的超寬帶天線有所不同[5],需要與頭部組織匹配良好．

微帶單極子天線具有低剖面、頻帶寬、結構簡單和易加工等優點,特別適合于緊湊終端寬帶天線的設計．微帶單極子天線的帶寬特性主要受振子體和饋電結構兩個因素的影響．陣子體通常采用圓形、矩形、橢圓形等形態,饋線主要有微帶饋入和共面波導饋入[6]．基于寬縫輻射理論,本文設計了一款直接與頭部組織匹配的微帶單極子定向寬帶天線．天線由開槽矩形寬縫、三角形極子和反射板構成,采用CST2015電磁仿真軟件對介質匹配天線單元進行優化設計,最終確定天線的尺寸,并加工測試．

1 微波傳輸法檢測腦活動的模型

當腦功能區神經興奮時,興奮區的介電常數、電導率等電參數受離子移動等因素而處于時變狀態．由于大腦結構的復雜性,分析電磁波與時變興奮區的電磁響應關系顯得尤為困難．在實際中,常用簡易模擬模型作近似處理．本文利用多層平板模型分析均勻平面波與興奮區電磁響應過程中的相位關系．層狀大腦模型如圖1所示,興奮區的介電常數和電導率均隨時間變化．

圖1 層狀大腦模型

假定均勻平面波垂直入射,傳播方向為+z方向,設空氣與皮膚界面處為零點,入射波電場為Ein,則透射波Et表示為

Et=Ein∏Ti∏e-γidi.

(1)

式中為第i層與第i+1層分界面的透射系數,φ為相位為第i層組織的本征阻抗,μ0為真空磁導率,εi為第i層組織的介電常數,σi為第i層組織的電導率,ω為角頻率為第i層組織的傳播常數,μi為第i層組織的磁導率;di為第i層組織中的傳輸路徑．

透射波相對于入射波的相位變化可表示為

(2)

由式(2)可知,透射波的相位與微波源工作頻率、電磁波傳播路徑及頭組織的介電常數相關．當傳輸路徑及工作頻率固定時,透射波的相位變化僅與興奮區的介電常數變化相關,因此通過對透射波相位變化的分析有望反推大腦興奮區活動規律．在研究前期,課題組與新加坡國立大學合作,利用微波成功地檢測到了老鼠大腦睡眠神經活動的信息[4,7],驗證了微波傳輸法對腦活動探測的可行性．

由于空氣與頭皮的介電常數差異很大,而不同頭組織介電常數差異相對較小,導致入射波在空氣與頭皮邊界面的反射比不同頭組織邊界面的反射更強,天線與頭皮的匹配也就顯得更為重要,因此需要設計一款直接與頭組織匹配良好的探測天線．

2 天線結構及腦內電場分析

2.1 天線的基本結構

為使天線仿真環境接近實際應用環境,本文用單層頭組織模型模擬實際天線的工作環境[5,8]．如圖2所示,從左往右依次為反射板、天線和組織模型,其中頭組織的介電常數εr為33.67,損耗正切tanδ為0.34,電參數為工作頻帶內的主要人體頭部組織介電參數的平均值．頭模型不同頻率處的介電常數[9]如表1所示．

圖2 仿真模型

表1 頭組織在各頻率處的介電常數

圖3為三角形極子天線的結構示意圖．天線的介質基板材料為F4B,其相對介電常數為2.65,基板厚度為0.5 mm．介質基板正面為三角形金屬貼片,介質基板背面為開有矩形縫的接地板,并在接地板上矩形縫饋線端開一凹槽來調節天線的輸入阻抗[1,6]．在距離頂層貼片1/4波長處放置一塊大反射板, 該反射板使天線在工作頻帶內實現了良好的定向性．該天線采用微帶線進行饋電,微帶饋線寬為1.85 mm．經過CST2015仿真優化,得到了具有良好性能的寬帶天線．

圖3 天線結構示意圖

2.2 天線優化結果及分析

由上述寬縫天線的理論分析可知,天線的諧振頻率主要受饋電貼片尺寸、縫隙尺寸的影響．為深入研究天線阻抗特性的影響因素,利用CST軟件分別對三角形貼片高L3和貼片底邊寬W5及矩形縫開槽深度L2進行優化分析．

三角形貼片高L3和貼片底邊長W5對天線回波損耗的影響曲線如圖4、圖5所示,低頻諧振頻率主要受三角形貼片高的影響,當L3從11 mm逐漸增大到14 mm的過程中,回波損耗S11第一個諧振點逐漸往低頻偏移,對第二個諧振點的影響則相對較弱．天線高頻諧振頻率主要受三角形貼片底邊尺寸的影響,減小貼片底邊寬W5,天線的第二個諧振點向高頻移動,并且天線的帶寬也有顯著的增加．

圖4 L3對天線回波損耗的影響

圖5 W5對天線回波損耗的影響

圖6為接地板上矩形縫隙饋線端開槽深度對天線回波損耗的影響曲線．當L2從2.0 mm逐漸增加到3.5 mm時,對第一個諧振點影響較小,第二個諧振點則明顯向低頻偏移,但回波損耗S11在整個帶寬內的阻抗匹配性能都得到了顯著改善,當L2增加到一定程度后對阻抗的影響已經不顯著．因此,三角形饋線貼片的大小主要影響天線第二個諧振頻點的位置,矩形縫開槽深度主要影響天線高頻諧振點和整個頻帶內的阻抗特性．選取適當L2、L3、W5的尺寸可實現天線的-10 dB回波損耗覆蓋工作頻率范圍2.3～8 GHz．

圖6 L2對天線回波損耗的影響

表2 經優化后天線的尺寸

圖7 天線回波損耗特性圖

通過CST對天線的各個參數進行優化設計,確定天線的最終尺寸，結果如表2所示．最終優化后的天線回波損耗曲線如圖7所示,覆蓋了大腦活動探測中使用的一般微波頻段范圍．

2.3 天線在人頭內的傳輸特性分析

微波檢測大腦神經活動時天線貼近人體頭部,其輻射特性不僅由自身的結構決定,也會受到其周邊媒質的影響．若透射波過于微弱或接收到的電磁信號不經過待檢測區時,利用微波傳輸法將無法檢測大腦神經活動信號．通過仿真對比分析普通天線與文中提出的介質匹配天線在人頭模型中的傳輸特性．

圖8是三種情況下天線在頭顱內的傳輸特性仿真模型,三種仿真模型中天線與頭皮的間距一致．其中case1所加載的天線為自由空間匹配良好的寬帶天線,天線結構與本文提出的介質匹配天線類似．case2所加載的天線為自由空間匹配良好的寬帶天線并通過匹配層緊貼頭皮．case3所加載的天線為直接與人體組織匹配良好的寬帶天線．

圖8 傳輸系數仿真模型

圖9為三種情況下天線在頭顱內傳輸系數仿真結果,可以明顯看到不同頻率處的電磁波傳輸系數存在著較大的差異．case1在頻率2.3～3.5 GHz內的傳輸系數最差,并且由于天線與頭皮間存在較大的縫隙,其較高頻段繞射波和表面波也最強,傳輸系數隨著頻率的升高也顯著增加．case2相比于case1通過在天線與頭皮間填充匹配層,有效減弱了較高頻段繞射波和表面波．case3在2.3～5.5 GHz其傳輸系數顯著高于case2,在2.3～4.0 GHz其傳輸系數也高于case1,在5.5～8.0 GHz由于存在較大衰減導致傳輸系數低于前兩種情形．對比分析三種情形可知:介質匹配天線在頭顱內具有較好的穿透能力,更加適合微波探測大腦活動狀態中天線單元的設計需求;通過在天線與頭皮間填充匹配劑能減弱繞射波和表面波對接收有效信號的干擾;同時,根據所要探測腦區的位置可以通過調整接收天線的位置以獲得最佳的傳輸路徑．

圖9 三種情形的傳輸系數

2.4 人腦內電場分布的仿真分析

人腦組織含水量較高且不同組織的介電常數差異較大,因而入射電磁波在人腦中存在衰減和反射[10]．利用微波探測大腦功能區或其他部位的活動狀態時,電磁場必須穿過所檢測的區域,并且仍具有能夠被接收天線接收和識別的強度．因此為研究提出的天線與人腦的電磁相互作用,借助三維人體組織醫學電磁仿真軟件Sim4Life和高精度的人頭模型對人腦內的電場分布作了仿真分析,發射天線的發射功率為13 dBm,仿真模型如圖10所示．人頭模型中大腦的尺寸約為134 mm×172 mm×114 mm,按照2.3 GHz計算大腦至少為6×7.7×5λg,λg為介質波長，選取適當的傳輸路徑接收散射波,依然可以獲得較好相位變化分辨率．

(a) 人頭模型剖面 (b) 場分布仿真模型圖10 仿真設置

人頭內不同頻率處的歸一化電場分布如圖11所示．本文提出的天線明顯減弱了空氣與頭皮邊界的反射波,通過在天線背面加反射板減弱了天線的后向輻射．大腦內電場強度隨著穿透深度的增加其衰減增大,并且隨著頻率的升高電場強度的衰減也顯著增強．在2.45 GHz和4 GHz時,我們所關心的大腦活動中樞(大腦皮層處)仍存在較強的電場(-30 dB左右),對于深部大腦,電場強度相對較弱,但也在-50～-70 dB內．在5.8 GHz和8 GHz時,在大腦皮層處存在-40 dB左右的電場強度,而深部大腦區幾乎沒有電磁能量透入．

通過以上分析可知,根據人頭內場分布選擇合適的接收天線位置,本文提出的天線在整個帶寬內都可用于探測大腦皮層處的腦活動信息．對于深部腦區活動信息,當天線工作于低頻范圍時,仍然有望借助微波來獲取大腦深部區域的活動信息．

(a) 2.45 GHz (b) 4 GHz

(c) 5.8 GHz (d) 8 GHz圖11 大腦內不同頻點的電場分布

3 天線實測分析

在上述仿真分析的基礎上,加工得到的天線實物如圖12(a)所示,天線與反射板間的空氣層用EPE珍珠棉填充,并用防水膠密封．天線測試方法與傳統工作在自由空間中的天線不同,需要將天線浸入電磁特性與人體組織類似的混合溶液或固體凝膠中進行相關測試[11]．為便于測試,選用混合溶液來進行相關測試,其中組織模擬液由水和聚乙二醇(PEG 400)按比例6∶4配制而成,用Speag DAKs-3.5介電常數測量儀測得組織模擬液的介電常數εr為33.67,電導率σ為0.5 s/m[8],其介電參數接近于工作頻帶內人頭各組織電參數的均值．

(a) 天線實物 (b) 測試環境圖12 天線測試

圖12(b)為天線的測試環境,將待測天線浸入組織模擬液中,用Agilent N5230A矢量網絡分析儀對天線反射系數進行測量．圖13為天線S11的測試結果,由圖可以看出,本文提出的天線-10 dB回波損耗帶寬覆蓋了工作頻帶范圍2.3～8 GHz,測試結果與仿真結果基本吻合．實測表明本文提出的天線與人體頭部組織匹配良好,滿足了微波傳輸法對大腦活動探測的需要．

圖13 天線S11仿真與實測對比

4 天線在腦活動探測中的應用探討

在實際大腦活動探測時需要設計一個佩戴式頭部共形天線陣列,目前國外的研究者已經有了一些相關的陣列天線設計方案,瑞典查爾姆斯理工大學的Mikael等學者在自行車頭盔內布置了十單元天線陣列,天線通過同軸線與測量儀器連接[12],通過對大腦成像能有效檢測出腦中風病癥．本課題組正在嘗試在相同大小的圓形頭盔上排布一個環形陣列,微波檢測模型如圖14所示,選定任一天線為發射端,其他天線通過微波開關切換依次接收不同路徑的散射波．天線單元的尺寸越小,頭部共形陣列所能容納的單元個數越多,頭部共形探測系統的收發組合數就越多,因而天線接收到動態興奮區的變化信息就越豐富．本文所設計的三角形極子寬帶天線尺寸為27 mm×28 mm,故同樣大小的頭盔上有足夠的空間容納16元環形天線陣,單元之間也有足夠的空間布置SMA接頭和同軸線．

圖14 微波傳輸法檢測模型

實際應用中,由于頭部形狀的不規則,天線很難緊貼著頭皮,通過在天線與頭皮之間填充和頭組織電磁特性相近的凝膠態匹配劑來減弱空氣與頭皮邊界面的反射波．并在每兩天線單元之間填充吸波材料,可以減弱繞射波和表面波對接收有效信號的干擾．同時,接收的微波響應信號會受到呼吸、身體移動和不可控思維活動等干擾,電子噪聲及檢測設備引入的環境噪聲也會影響檢測信號,接收信號經過濾波、去噪聲、功率譜分析及時頻分析等后期信號處理有望提取出動態興奮區的變化信息．

5 結 論

文中設計了一款應用于腦活動探測的微帶寬帶天線,該天線直接與人體頭組織匹配,減弱了入射波在空氣與皮膚分界面及不同腦組織邊界面的反射,通過在接地板矩形縫饋線端開槽改善了天線的阻抗帶寬,并在接地板背面引入一塊大的反射板實現了天線的定向輻射．仿真研究了該天線在人頭內傳輸特性與電場分布,結果表明在大腦皮層和深部腦區仍存在較強的電場強度,介質匹配天線在相比普通天線在頭顱內具有較好的穿透能力．通過在天線與頭皮之間填充匹配劑能減弱繞射波和表面波對接收有效信號的干擾．在仿真基礎上制作了實物并進行了實驗測試,測試結果表明,該天線單元的回波損耗帶寬覆蓋了工作頻帶范圍2.3～8 GHz．最后,探討了該天線在大腦活動微波檢測系統中的應用,該天線單元與頭部組織匹配良好、尺寸小,滿足了微波傳輸法對腦活動探測中頭部共形天線陣列的設計需要．

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Design of a broadband antenna system for brain activities detection

JIANG Xing KANG Bo LI Xiaoming ZHENG Chaoji GENG Zhe

(GuilinUniversityofElectronicandTechnology,Guilin541004,China)

This paper presents a broadband antenna for brain activity detection. The antenna is a microstrip monopole, which consists of a slotted rectangular wide seam, a triangular patch and a reflector. The antenna is matched to the human head tissue directly. The -10 dB return loss bandwidth covers the operating frequency range of 2.3-8 GHz. And the electromagnetic energy transfer characteristics and electric field distribution in the brain is simulated. The results show that the on-body matched antenna has better penetrating ability inside human’s head than the conventional antenna, and appreciable intensity of electric field can still be found in cerebral cortex. The simulated and measured results are consistent with each other very well. The antenna features small size, simple and compact structure. Meanwhile, it meets the design requirements of antenna array well in brain activity detection system.

brain activities detection; microwave transmission approach; dielectric matching; wideband antenna

2017-01-10

國家自然科學基金( 61371056 &61401110 )；桂林電子科技大學研究生教育創新計劃(YJCXS201515)

10.13443/j.cjors.2017011003

TN82

A

1005-0388(2017)01-0032-07

姜興 (1962—),女,河北人,桂林電子科技大學信息與通信學院教授,碩士生導師,研究方向為天線與電磁測量.

康波 (1989—),男,四川人,桂林電子科技大學碩士研究生,主要研究方向為天線與生物電磁學.

李小明 (1979—),男,山東人,桂林電子科技大學信息與通信學院講師,碩士,主要研究方向為天線與電磁測量.

聯系人： 姜興 E-mail: jiang_x@guet.edu.cn

姜興, 康波, 李小明, 等. 一款應用于腦活動探測的寬帶天線系統設計[J]. 電波科學學報,2017,32(1):32-38.

JIANG X, KANG B, LI X M, et al. Design of a broadband antenna system for brain activities detection[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(1):32-38. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2017011003