一款应用于脑活动探测的宽带天线系统设计

姜兴 康波 李小明 郑超继 耿喆

(桂林电子科技大学信息与通信学院 认知无线电与信息处理省部共建教育部重点实验室,桂林 541004)

一款应用于脑活动探测的宽带天线系统设计

姜兴 康波 李小明 郑超继 耿喆

(桂林电子科技大学信息与通信学院 认知无线电与信息处理省部共建教育部重点实验室,桂林 541004)

为利用微波传输法对大脑活动进行探测,提出了一款应用于大脑活动探测的宽带天线．该天线单元为微带单极子天线,由开槽矩形宽缝、三角形贴片极子和反射板构成,采用微带线馈电,直接与人体头组织介质匹配,经过仿真优化,该天线-10 dB回波损耗带宽覆盖了工作频率范围2.3～8 GHz．并仿真分析了大脑内的电磁能量传输特性及电场分布,结果显示介质匹配天线相比普通天线在头颅内具有更好的穿透能力,在大脑皮层和深部脑区仍存在较强的电场强度．最后对此宽带天线进行了加工测试,实测数据与仿真结果基本吻合．该天线单元尺寸小、结构简单、易加工,能够很好地满足微波传输法探测大脑活动技术中头部共形天线阵列的设计要求．

脑活动探测;微波传输法;介质匹配;宽带天线

DOI 10.13443/j.cjors.2017011003

引 言

微波作为一种新兴的生理信号检测手段,在医学和生物学领域应用越来越广泛．微波技术是脑异常探测、乳腺肿瘤探测[1-2]和脑机接口等领域的研究热点,在医学成像方面有着巨大应用前景．目前检测大脑活动状态的技术手段主要有:脑电图(Electroencephalogram, EEG)分析、功能磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging, FMRI)技术、正电子发射断层扫描(Positron Emission Computed Tomography, PET)．各种大脑活动检测技术都有其优势和不足,仍然有必要探索新的大脑活动检测方法来服务于人类医疗事业,同时从全新的角度来诠释大脑的功能机理．

根据神经学可知,大脑的某个功能区神经兴奋时,由于钠离子、钾离子移动等因素,兴奋区的电导率、介电常数等电磁特性会发生相应的变化．基于兴奋区这种动态特性,当连续电磁波穿过脑兴奋区时,透射波的幅度和相位将产生一个不同于静息状态时的变化,导致透射波的幅度和相位受兴奋区电参数改变而动态变化,从而反映出大脑活动[3]．微波脑活动探测系统需要设计一款头部共形天线阵列来发射与接收信号．为了获得较高相位变化分辨率[4]和足够的穿透深度,以及便于分析脑组织的频率选择特性,选取入射电磁波的频率范围为2.3～8 GHz,该频率范围覆盖了ISM频段．同时,为减小入射波在空气与头皮边界面及不同脑组织边界面的反射,所设计的天线与一般应用于通信系统的超宽带天线有所不同[5],需要与头部组织匹配良好．

微带单极子天线具有低剖面、频带宽、结构简单和易加工等优点,特别适合于紧凑终端宽带天线的设计．微带单极子天线的带宽特性主要受振子体和馈电结构两个因素的影响．阵子体通常采用圆形、矩形、椭圆形等形态,馈线主要有微带馈入和共面波导馈入[6]．基于宽缝辐射理论,本文设计了一款直接与头部组织匹配的微带单极子定向宽带天线．天线由开槽矩形宽缝、三角形极子和反射板构成,采用CST2015电磁仿真软件对介质匹配天线单元进行优化设计,最终确定天线的尺寸,并加工测试．

1 微波传输法检测脑活动的模型

当脑功能区神经兴奋时,兴奋区的介电常数、电导率等电参数受离子移动等因素而处于时变状态．由于大脑结构的复杂性,分析电磁波与时变兴奋区的电磁响应关系显得尤为困难．在实际中,常用简易模拟模型作近似处理．本文利用多层平板模型分析均匀平面波与兴奋区电磁响应过程中的相位关系．层状大脑模型如图1所示,兴奋区的介电常数和电导率均随时间变化．

图1 层状大脑模型

假定均匀平面波垂直入射,传播方向为+z方向,设空气与皮肤界面处为零点,入射波电场为Ein,则透射波Et表示为

Et=Ein∏Ti∏e-γidi.

(1)

式中为第i层与第i+1层分界面的透射系数,φ为相位为第i层组织的本征阻抗,μ0为真空磁导率,εi为第i层组织的介电常数,σi为第i层组织的电导率,ω为角频率为第i层组织的传播常数,μi为第i层组织的磁导率;di为第i层组织中的传输路径．

透射波相对于入射波的相位变化可表示为

(2)

由式(2)可知,透射波的相位与微波源工作频率、电磁波传播路径及头组织的介电常数相关．当传输路径及工作频率固定时,透射波的相位变化仅与兴奋区的介电常数变化相关,因此通过对透射波相位变化的分析有望反推大脑兴奋区活动规律．在研究前期,课题组与新加坡国立大学合作,利用微波成功地检测到了老鼠大脑睡眠神经活动的信息[4,7],验证了微波传输法对脑活动探测的可行性．

由于空气与头皮的介电常数差异很大,而不同头组织介电常数差异相对较小,导致入射波在空气与头皮边界面的反射比不同头组织边界面的反射更强,天线与头皮的匹配也就显得更为重要,因此需要设计一款直接与头组织匹配良好的探测天线．

2 天线结构及脑内电场分析

2.1 天线的基本结构

为使天线仿真环境接近实际应用环境,本文用单层头组织模型模拟实际天线的工作环境[5,8]．如图2所示,从左往右依次为反射板、天线和组织模型,其中头组织的介电常数εr为33.67,损耗正切tanδ为0.34,电参数为工作频带内的主要人体头部组织介电参数的平均值．头模型不同频率处的介电常数[9]如表1所示．

图2 仿真模型

表1 头组织在各频率处的介电常数

图3为三角形极子天线的结构示意图．天线的介质基板材料为F4B,其相对介电常数为2.65,基板厚度为0.5 mm．介质基板正面为三角形金属贴片,介质基板背面为开有矩形缝的接地板,并在接地板上矩形缝馈线端开一凹槽来调节天线的输入阻抗[1,6]．在距离顶层贴片1/4波长处放置一块大反射板, 该反射板使天线在工作频带内实现了良好的定向性．该天线采用微带线进行馈电,微带馈线宽为1.85 mm．经过CST2015仿真优化,得到了具有良好性能的宽带天线．

图3 天线结构示意图

2.2 天线优化结果及分析

由上述宽缝天线的理论分析可知,天线的谐振频率主要受馈电贴片尺寸、缝隙尺寸的影响．为深入研究天线阻抗特性的影响因素,利用CST软件分别对三角形贴片高L3和贴片底边宽W5及矩形缝开槽深度L2进行优化分析．

三角形贴片高L3和贴片底边长W5对天线回波损耗的影响曲线如图4、图5所示,低频谐振频率主要受三角形贴片高的影响,当L3从11 mm逐渐增大到14 mm的过程中,回波损耗S11第一个谐振点逐渐往低频偏移,对第二个谐振点的影响则相对较弱．天线高频谐振频率主要受三角形贴片底边尺寸的影响,减小贴片底边宽W5,天线的第二个谐振点向高频移动,并且天线的带宽也有显著的增加．

图4 L3对天线回波损耗的影响

图5 W5对天线回波损耗的影响

图6为接地板上矩形缝隙馈线端开槽深度对天线回波损耗的影响曲线．当L2从2.0 mm逐渐增加到3.5 mm时,对第一个谐振点影响较小,第二个谐振点则明显向低频偏移,但回波损耗S11在整个带宽内的阻抗匹配性能都得到了显著改善,当L2增加到一定程度后对阻抗的影响已经不显著．因此,三角形馈线贴片的大小主要影响天线第二个谐振频点的位置,矩形缝开槽深度主要影响天线高频谐振点和整个频带内的阻抗特性．选取适当L2、L3、W5的尺寸可实现天线的-10 dB回波损耗覆盖工作频率范围2.3～8 GHz．

图6 L2对天线回波损耗的影响

表2 经优化后天线的尺寸

图7 天线回波损耗特性图

通过CST对天线的各个参数进行优化设计,确定天线的最终尺寸，结果如表2所示．最终优化后的天线回波损耗曲线如图7所示,覆盖了大脑活动探测中使用的一般微波频段范围．

2.3 天线在人头内的传输特性分析

微波检测大脑神经活动时天线贴近人体头部,其辐射特性不仅由自身的结构决定,也会受到其周边媒质的影响．若透射波过于微弱或接收到的电磁信号不经过待检测区时,利用微波传输法将无法检测大脑神经活动信号．通过仿真对比分析普通天线与文中提出的介质匹配天线在人头模型中的传输特性．

图8是三种情况下天线在头颅内的传输特性仿真模型,三种仿真模型中天线与头皮的间距一致．其中case1所加载的天线为自由空间匹配良好的宽带天线,天线结构与本文提出的介质匹配天线类似．case2所加载的天线为自由空间匹配良好的宽带天线并通过匹配层紧贴头皮．case3所加载的天线为直接与人体组织匹配良好的宽带天线．

图8 传输系数仿真模型

图9为三种情况下天线在头颅内传输系数仿真结果,可以明显看到不同频率处的电磁波传输系数存在着较大的差异．case1在频率2.3～3.5 GHz内的传输系数最差,并且由于天线与头皮间存在较大的缝隙,其较高频段绕射波和表面波也最强,传输系数随着频率的升高也显著增加．case2相比于case1通过在天线与头皮间填充匹配层,有效减弱了较高频段绕射波和表面波．case3在2.3～5.5 GHz其传输系数显著高于case2,在2.3～4.0 GHz其传输系数也高于case1,在5.5～8.0 GHz由于存在较大衰减导致传输系数低于前两种情形．对比分析三种情形可知:介质匹配天线在头颅内具有较好的穿透能力,更加适合微波探测大脑活动状态中天线单元的设计需求;通过在天线与头皮间填充匹配剂能减弱绕射波和表面波对接收有效信号的干扰;同时,根据所要探测脑区的位置可以通过调整接收天线的位置以获得最佳的传输路径．

图9 三种情形的传输系数

2.4 人脑内电场分布的仿真分析

人脑组织含水量较高且不同组织的介电常数差异较大,因而入射电磁波在人脑中存在衰减和反射[10]．利用微波探测大脑功能区或其他部位的活动状态时,电磁场必须穿过所检测的区域,并且仍具有能够被接收天线接收和识别的强度．因此为研究提出的天线与人脑的电磁相互作用,借助三维人体组织医学电磁仿真软件Sim4Life和高精度的人头模型对人脑内的电场分布作了仿真分析,发射天线的发射功率为13 dBm,仿真模型如图10所示．人头模型中大脑的尺寸约为134 mm×172 mm×114 mm,按照2.3 GHz计算大脑至少为6×7.7×5λg,λg为介质波长，选取适当的传输路径接收散射波,依然可以获得较好相位变化分辨率．

(a) 人头模型剖面 (b) 场分布仿真模型图10 仿真设置

人头内不同频率处的归一化电场分布如图11所示．本文提出的天线明显减弱了空气与头皮边界的反射波,通过在天线背面加反射板减弱了天线的后向辐射．大脑内电场强度随着穿透深度的增加其衰减增大,并且随着频率的升高电场强度的衰减也显著增强．在2.45 GHz和4 GHz时,我们所关心的大脑活动中枢(大脑皮层处)仍存在较强的电场(-30 dB左右),对于深部大脑,电场强度相对较弱,但也在-50～-70 dB内．在5.8 GHz和8 GHz时,在大脑皮层处存在-40 dB左右的电场强度,而深部大脑区几乎没有电磁能量透入．

通过以上分析可知,根据人头内场分布选择合适的接收天线位置,本文提出的天线在整个带宽内都可用于探测大脑皮层处的脑活动信息．对于深部脑区活动信息,当天线工作于低频范围时,仍然有望借助微波来获取大脑深部区域的活动信息．

(a) 2.45 GHz (b) 4 GHz

(c) 5.8 GHz (d) 8 GHz图11 大脑内不同频点的电场分布

3 天线实测分析

在上述仿真分析的基础上,加工得到的天线实物如图12(a)所示,天线与反射板间的空气层用EPE珍珠棉填充,并用防水胶密封．天线测试方法与传统工作在自由空间中的天线不同,需要将天线浸入电磁特性与人体组织类似的混合溶液或固体凝胶中进行相关测试[11]．为便于测试,选用混合溶液来进行相关测试,其中组织模拟液由水和聚乙二醇(PEG 400)按比例6∶4配制而成,用Speag DAKs-3.5介电常数测量仪测得组织模拟液的介电常数εr为33.67,电导率σ为0.5 s/m[8],其介电参数接近于工作频带内人头各组织电参数的均值．

(a) 天线实物 (b) 测试环境图12 天线测试

图12(b)为天线的测试环境,将待测天线浸入组织模拟液中,用Agilent N5230A矢量网络分析仪对天线反射系数进行测量．图13为天线S11的测试结果,由图可以看出,本文提出的天线-10 dB回波损耗带宽覆盖了工作频带范围2.3～8 GHz,测试结果与仿真结果基本吻合．实测表明本文提出的天线与人体头部组织匹配良好,满足了微波传输法对大脑活动探测的需要．

图13 天线S11仿真与实测对比

4 天线在脑活动探测中的应用探讨

在实际大脑活动探测时需要设计一个佩戴式头部共形天线阵列,目前国外的研究者已经有了一些相关的阵列天线设计方案,瑞典查尔姆斯理工大学的Mikael等学者在自行车头盔内布置了十单元天线阵列,天线通过同轴线与测量仪器连接[12],通过对大脑成像能有效检测出脑中风病症．本课题组正在尝试在相同大小的圆形头盔上排布一个环形阵列,微波检测模型如图14所示,选定任一天线为发射端,其他天线通过微波开关切换依次接收不同路径的散射波．天线单元的尺寸越小,头部共形阵列所能容纳的单元个数越多,头部共形探测系统的收发组合数就越多,因而天线接收到动态兴奋区的变化信息就越丰富．本文所设计的三角形极子宽带天线尺寸为27 mm×28 mm,故同样大小的头盔上有足够的空间容纳16元环形天线阵,单元之间也有足够的空间布置SMA接头和同轴线．

图14 微波传输法检测模型

实际应用中,由于头部形状的不规则,天线很难紧贴着头皮,通过在天线与头皮之间填充和头组织电磁特性相近的凝胶态匹配剂来减弱空气与头皮边界面的反射波．并在每两天线单元之间填充吸波材料,可以减弱绕射波和表面波对接收有效信号的干扰．同时,接收的微波响应信号会受到呼吸、身体移动和不可控思维活动等干扰,电子噪声及检测设备引入的环境噪声也会影响检测信号,接收信号经过滤波、去噪声、功率谱分析及时频分析等后期信号处理有望提取出动态兴奋区的变化信息．

5 结 论

文中设计了一款应用于脑活动探测的微带宽带天线,该天线直接与人体头组织匹配,减弱了入射波在空气与皮肤分界面及不同脑组织边界面的反射,通过在接地板矩形缝馈线端开槽改善了天线的阻抗带宽,并在接地板背面引入一块大的反射板实现了天线的定向辐射．仿真研究了该天线在人头内传输特性与电场分布,结果表明在大脑皮层和深部脑区仍存在较强的电场强度,介质匹配天线在相比普通天线在头颅内具有较好的穿透能力．通过在天线与头皮之间填充匹配剂能减弱绕射波和表面波对接收有效信号的干扰．在仿真基础上制作了实物并进行了实验测试,测试结果表明,该天线单元的回波损耗带宽覆盖了工作频带范围2.3～8 GHz．最后,探讨了该天线在大脑活动微波检测系统中的应用,该天线单元与头部组织匹配良好、尺寸小,满足了微波传输法对脑活动探测中头部共形天线阵列的设计需要．

[1] 任中岳, 肖夏, 单兴锰.应用于早期乳腺肿瘤探测的小型化超宽带天线[J]. 微波学报,2012, 28(2): 53-57.

REN Z Y, XIAO X, SHAN X M. Miniaturized ultra wideband antennas for early breast cancer detection[J]. Journal of microwaves,2012, 28(2): 53-57.(in Chinese)

[2] 刘广东, 张业荣. 乳腺癌检测的三维时域微波断层成像方法[J]. 电波科学学报, 2012, 25(6): 1175-1181.

LIU G D, ZHANG Y R. Three-dimensional microwave tomography imaging method in the time-domain for detection of breast cancer[J]. Chinese journal of radio science, 2012, 25(6): 1175-1181. (in Chinese)

[3] LI XP, XIA Q, QU D, et al. The dynamic dielectric at a brain functional site and an EM wave approach to functional brain imaging[J]. Scientific reports, 2014,4:6893-6893.

[4] JIANG X, JIANG X B. Microwave transmission approach for human neuronal activities detection[C]//9thInternational Conference on Microwave and Millimeter wave technology(ICMMT). Beijing, June 5-8, 2016: 485-487.

[5] LI X Y, YAN J J,JALILVAND M, et al. A compact double-elliptical slot-antenna for medical applications[C]//6th European Conference on Antenna and Propagation(EUCAP). Prague, IEEE, March 26-30, 2012: 3677-3680.

[6] 陈董, 程崇虎. 宽缝结构超宽带天线的研究[J]. 南京邮电大学学报(自然科学版), 2006, 26(2): 72-75.

CHEN D, CHENG C H. The study of ultra wideband wide slot antennas[J]. Journal of Nanjing University of Posts and Telecommunications(Natural Science), 2006, 26(2): 72-75. (in Chinese)

[7] JIANG X, KANG B, LI X M, et al. Microwave technology for brain activities detection of rats[C]//11th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory (ISAPE). Guilin, October 18-21, 2016: 918-920.

[8] LI X Y, JALILVAND M, SIT Y L, et al. A compact double-layer on-body matched bowtie antenna for medical diagnosis[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2014, 62(4): 1808-1816.

[9] KUMPUNIEMI T, HMLINEN M, YAZDANDOOST K Y, et al. Human tissue type and volume effect on the on-body UWB antenna matchings[C]//10th International Symposium on Medical Information and Communication Technology. Prague, IEEE, March 20-23, 2016: 1-5.

[10]ELLOIAN J M, NOETSCHER GM,MAKAROV S N, et al. Continuous wave simulations on t he propagation of electromagnetic fields through the human head[J]. IEEE transactions on biomedical engineering, 2014, 61(6): 1676-1683.

[11]GIBBINS D, KLEMM M, CRADDOCK I J, Et al. A comparison of a wide-slot and stacked patch antenna for the purpose of breast cancer detection[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2010, 58(3): 665-281.

[12]PERSSON M, FHAGER A. Microwave-based stroke diagnosis making global prehospital thrombolytic treatment possible[J]. IEEE transactions on biomedical engineering,2014, 61(9): 1826-1836.

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

国家自然科学基金( 61371056 &61401110 )；桂林电子科技大学研究生教育创新计划(YJCXS201515)

10.13443/j.cjors.2017011003

TN82

A

1005-0388(2017)01-0032-07

姜兴 (1962—),女,河北人,桂林电子科技大学信息与通信学院教授,硕士生导师,研究方向为天线与电磁测量.

康波 (1989—),男,四川人,桂林电子科技大学硕士研究生,主要研究方向为天线与生物电磁学.

李小明 (1979—),男,山东人,桂林电子科技大学信息与通信学院讲师,硕士,主要研究方向为天线与电磁测量.

联系人： 姜兴 E-mail: jiang_x@guet.edu.cn

姜兴, 康波, 李小明, 等. 一款应用于脑活动探测的宽带天线系统设计[J]. 电波科学学报,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