用于连续骨密度监测的可穿戴三频共面波导传感器

《Sensors and Actuators A: Physical》：Wearable Triple-Band CPW Sensor for Continuous Osteoporosis Monitoring

　　

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  在2.45、3.6和5.5 GHz频率下的多频操作实现了对骨骼介电特性的全面表征，从而提高了检测精度。
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  紧凑型CPW传感器被设计为可佩戴耳饰，可在无辐射暴露的情况下提供持续的骨质疏松监测。
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  经过改进的CSRR设计在所有频段上均实现了低插入损耗（?34 dB、?29 dB、?30 dB），增强了骨骼特性细微变化的检测能力。
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  该传感器在现实条件下对所有骨质疏松阶段（Ost.1–Ost.4）均表现出可靠的性能。
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  该方法实现了对骨骼健康的及时监测和评估，支持预防性干预并改善患者预后。

章节摘要

引言

可穿戴和植入式传感器的最新进展实现了对生理信号的持续监测，为非侵入性地跟踪骨骼健康指标以及检测骨劣化的早期迹象提供了潜力[1], [2], [3]。

在骨科领域，骨质疏松是一种导致骨生长不足和骨流失过多的疾病，引起骨骼弯曲以及跌倒骨折的风险。在罕见的情况下，骨质疏松患者可能因

传感器配置与设计

本研究的主要目的是开发并实现一种具有简单设置和创新几何结构的可穿戴传感器，用于骨骼健康监测。为此，引入了一种紧凑型基于CPW的三频带传感器。该传感器利用CPW馈电接地平面中加载CSRR的结构，以实现低插入损耗的三频带感知。所提出设计的创新之处在于其能够感知多种频率，从而实现频率依赖介电特性的精确建模

骨质疏松检测的工作原理

微波信号通过骨骼组织时的传输会受到反射、折射和衰减的影响，这取决于组织的电学特性。骨骼组织表现出高度非均匀性和各向异性性的主要原因之一是其由嵌入软组织中的矿化基质组成。在骨质疏松症中，骨矿物质含量下降，导致骨体积与总体积比值（BV/TV）降低，该比值被广泛用于量化骨质疏松的发生和进展。

系统架构概述

所提出的可穿戴传感器系统使用宽频范围（1–9 GHz）用于手腕集成传感器。它利用两个端口之间的电磁相互作用，即端口1（TX）和端口2（RX），它们充当设备与人体之间的接口。在该滤波阶段，执行频率选择性调节，这是增强信号完整性和抑制环境干扰的重要组成部分。用于表征可穿戴滤波器谐振器的实验设置

已审阅工作的全面概述

近年来，由于其非侵入性特点，关于用于骨质疏松和骨折检测的可穿戴微波天线和传感器的研究日益增多。通过使用超材料启发结构、UWB单极子和环形谐振器，增强了使用可穿戴微波传感器检测骨质疏松的能力，以改善人体附近的阻抗匹配。然而，[17]中的可穿戴天线工作频带较窄，而[15]中的天线使用刚性电路板，使其

未来工作展望

所提出的基于环形谐振器的CPW馈电可穿戴传感器在非侵入性测量骨质疏松方面具有巨大的潜力。该传感器具有三频带工作频率、紧凑且柔性的设计以及稳定的在体信道特性。传感器系统对骨骼介电特性的敏感性为无辐射、实时测量骨骼健康提供了强有力的基础。未来系统操作的改进空间很大，可通过

结论

使用微波谐振器传感器设计并开发了一种新型紧凑型可穿戴系统，用于骨质疏松的测量和检测。所提出的系统集成了2.45 GHz（ISM）、3.6 GHz（5G NR）和5.5 GHz（Wi-Fi 6E）频段，以实现可靠且多功能的多频段性能。使用CPW传输线馈电的三频带环形谐振器被证明是一种有效的传感器，利用三频带电磁波在骨骼中的衰减特性来测量骨骼

伦理批准

不适用（NA）

资助

作者未收到任何机构对提交工作的支持。

CRediT作者贡献声明

Radwa Maged：写作——初稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，概念构思。Hamad Ehab K. I.：写作——初稿撰写，验证，监督，方法论，调查研究，概念构思。Abd El-Hameed Anwer S.：写作——审阅与编辑，验证，监督，方法论，调查研究，概念构思。

作者贡献声明

Radwa Maged：写作——初稿撰写，可视化，调查研究，设计仿真，制造。Anwer S. Abd El-Hameed：写作——审阅与编辑，可视化，监督，调查研究。Ehab K.I. Hamad：写作——审阅与编辑，可视化，监督，调查研究。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中所报告的工作。

致谢

埃及开罗电子研究所（ERI）提供了必要的数据支持。

研究伦理批准

所提出的研究工作已经审查并获得机构人体与动物研究伦理委员会（PSAS-BSU-HAREC）批准，该委员会隶属于埃及贝尼苏艾夫大学高级科学研究生学习学院。伦理批准于2026年4月21日授予，批准号为PSAS-BSU-HAREC.007。委员会确认该研究方案在伦理和方法学上是可接受的，可以进行

Radwa Maged取得了显著的学术成就。她于2019年从埃及纳赫达大学获得通信与计算机工程学士学位，并于2024年从埃及法尤姆大学获得电子与通信工程硕士学位。她在Springer期刊上发表的工作展示了她在天线和5G技术方面的专业造诣。自2019年以来，她一直担任纳赫达大学的助理讲师，目前正在进行博士研究，研究兴趣集中在

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