一种近场心脏传感中电磁传播与能量耦合建模方法

本发明属于微波传感领域，尤其涉及一种近场心脏传感中电磁传播与能量耦合建模方法。

背景技术：

1、针对心脏疾病致死率极高的现象，医疗或者辅助健康领域对心脏活动的多样化监测非常迫切。一般来说，心脏传感方法可以分为接触式测量和非接触式测量。接触式方法主要指心电图、血压袖带、b超。接触式方法经过严格的医学验证，已经在医疗领域得到了广泛的应用。然而由于接触式方法在长期监测、皮肤病患者等场景下不适用。因此，非接触式的心脏传感方法得到了工业界和学界的关注。其中，非接触式方法可继续细分为远场方法和近场方法。远场方法通过测定心脏跳动传递引起的胸腔位移来实现心脏传感功能。然而，心脏运动引起的胸腔位移小于0.5cm。远场方法需要较高的工作频率(毫米波段)才能对微小的运动进行监测。一定程度上，较高的频率会限制电磁波在人体中的穿透深度，使得远场方法只能通过胸腔运动间接获取心跳信号。而胸腔所反应的心跳信号很容易发生多种信号混叠(比如呼吸谐波和心跳信号等)。

2、近场心脏传感方法利用穿透性强的特高频(300mhz-3ghz)作为射频信号的载波，结合天线的近场效应可以将大量的射频能量耦合到人体内部，可以直接对心脏表面的振动进行监测。如图1所示为近场心脏传感方法示意图。传感天线的能流被分成两部分，一路穿透到人体内部传感区域，由于介质的变化，电磁波会被心脏表面散射，且其上调制了心脏运动。另一路电磁能量被皮肤表面直接反射，并返回天线。由于散射信号和直接被反射的信号频率相同，两路信号会在天线处相干。进一步地，只要进行简单的信号处理操作就可以还原心脏运动信号。尽管近场心脏传感方法的应用已经进行了一定的研究，其内在的电磁传播和能量耦合机理是不明确的。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提出了一种近场心脏传感中电磁传播与能量耦合建模方法。

2、为实现上述技术目的，本发明的技术方案：本发明实施例的第一方面提供了一种近场心脏传感中电磁传播建模方法，所述方法包括：

3、基于并矢格林函数构建近场心脏探测中传感天线所激发的电磁场在多层介质下的电场传播模型；

4、基于电场传播模型，计算目标散射场在接收天线处的电场强度和干扰散射场在接收天线处的电场强度；

5、计算目标散射场在接收天线处的电场强度和干扰散射场在接收天线处的电场强度之比，得到信号干扰比。

6、进一步地，基于并矢格林函数构建近场心脏探测中传感天线所激发的电磁场在多层介质下的电场传播模型包括：

7、通过并矢格林函数表示赫兹偶极子源所激发的电场；

8、采用索末菲尔德积分将赫兹偶极子激发的电场分解为垂直方向上的平面波和横向上的柱面波；

9、基于赫兹偶极子激发的电场分解得到垂直方向上的平面波，结合菲涅尔定理计算得到垂直方向上的电场；

10、结合麦克斯韦方程组和垂直方向上的电场，计算水平方向上的电场；

11、将垂直方向上的电场强度和水平方向上的电场强度叠加得到总电场强度。

12、进一步地，通过并矢格林函数表示赫兹偶极子源所激发的电场表达式如下：

13、e(r)＝jωμ0μ1ilg(r,r′)

14、式中，e(r)表示赫兹偶极子源所激发的电场，j为虚数单位，ω为天线工作角频率，μ0和μ1分别为磁导率和空气介质相对磁导率，il为电偶极距，g(r,r′)表示并矢格林函数，r和r'分别是场点和源点的位置矢量。

15、进一步地，基于赫兹偶极子激发的电场分解得到垂直方向上的平面波，结合菲涅尔定理计算得到垂直方向上的电场，表达式如下：

16、

17、式中，为垂直方向的单位矢量，表示电场极化方向，k2为人体组织中的波矢量，为透射系数，μ0表示磁导率，μ2表示人体组织介质相对磁导率，k2z表示人体组织中的波矢量在垂向上的分量，kρ和k1z分别为空气中的波矢量在横向和垂向上的分量，rρ表示场点在横向上的分量，z表示场点在垂直方向上的分量，z’表示源点在垂直方向上的分量；

18、其中，透射系数的表达式为：

19、

20、进一步地，结合麦克斯韦方程组和垂直方向上的电场，计算水平方向上的电场表达式如下：

21、

22、式中，为垂直方向的单位矢量，，hz表示垂直方向的磁场。

23、进一步地，基于电场传播模型，计算目标散射场在接收天线处的电场强度和干扰散射场在接收天线处的电场强度包括：

24、设置目标场点的位置矢量，设置干扰场点的位置矢量，设置接收传感天线的位置矢量；

25、将目标场点所感应的电偶极矩设置为目标场点处的总电场强度，将干扰场点所感应的电偶极矩设置为干扰场点处的总电场强度；

26、基于电场传播模型计算得到目标场点所激发的电场在接收天线处的电场强度，干扰场点所激发的电场在接收天线处的电场强度。

27、本发明实施例的第二方面提供了一种近场心脏传感中能量耦合建模方法，基于近场心脏探测中传感天线所激发的电磁场在多层介质下的电场传播模型，所述方法包括：

28、将天线的场区划分为感应近场区、辐射近场区、辐射远场区；

29、采用广义的菲涅尔定理对感应近场区、辐射近场区、辐射远场区的电磁能量耦合进行分析，得到透射系数。

30、进一步地，当天线平行于人体组织表面时，各场区透射系数的表达式为：

31、

32、当天线垂直于人体组织表面时，各场区透射系数可以由下式计算：

33、

34、式中，βi表示入射角，j为虚数单位，ε1表示空气的相对介电常数，ε2表示人体组织的相对介电常数。

35、本发明实施例的第三方面提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器与所述处理器耦接；其中，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于执行所述程序数据以实现上述的近场心脏传感中电磁传播建模方法或上述的近场心脏传感中能量耦合建模方法。

36、本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现上述的近场心脏传感中电磁传播建模方法或上述的近场心脏传感中能量耦合建模方法。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

38、(1)本发明提供了近场心脏传感中电磁传播建模方法，基于并矢格林函数构建近场心脏探测中传感天线所激发的电磁场在多层介质下的电场传播模型，基于电场传播模型，计算目标散射场在接收天线处的电场强度和干扰散射场在接收天线处的电场强度，得到信号干扰比；所述电场传播模型可以扩展到任意距离，为近场心脏传感和远场传感提供了一种多层介质下的电磁分析策略。解决了生命信号传感中电磁传播认识不清的问题，为心脏传感方法的信号质量提供了一种量化的方案。

39、(2)本发明提供了一种近场心脏传感中能量耦合建模方法，根据构建的近场心脏探测中传感天线所激发的电磁场在多层介质下的电场传播模型，可以观察到传感天线与人体组织表面分界面距离很近的情况下，有大量的射频能量耦合到人体组织中。通过将天线的场区划分为感应近场区、辐射近场区、辐射远场区，采用广义的菲涅尔定理对感应近场区、辐射近场区、辐射远场区的电磁能量耦合进行分析，得到透射系数，本方法为揭示近场心脏传感内在的电磁机理提供了新的途径。