無線技術為醫療植入設備打開了新的世界,使遠程監控與治療優化成為現實。但是,為了設計出成功的無線植入設備,設計人員必須滿足不同使用案例和各種法規的要求,其中每一項都具有自身特殊的挑戰。

一般情況下,智能醫療植入設備必須能夠在以下至少三種不同環境中與外部手持設備無線通信:

手術室:植入設備植入病人體內之前先在此進行編程。

醫療辦公室:醫生在此使用外部編程設備以無線通信的方式對植入設備進行后續監控。

家中:通常使用床邊無線盒與植入設備通信,將診斷信息和任何告警情況立即轉發給醫生/醫護人員。

植入設備的天線模型

使用ANSYS SpaceClaim Direct Modeler修改ANSYS HFSS人體模型,以表現不同的人體體型。ANSYS SpaceClaim可以輕松修改對象的幾何結構。

由于人體組織會反射、吸收部分無線信號以及影響天線的工作頻率與帶寬,無線射頻的性能因此會受到影響。此外,患者的體型也會嚴重影響植入設備和外部設備之間的通信距離。近幾年,藍牙智能通信已經成為智能手機上常用的連接選項。可植入設備的制造商當然不想錯過這個機遇。藍牙工作頻率遠遠高于醫療設備所用無線技術的頻率,這意味著更大一部分的能量會被人體吸收,從而使天線范圍問題變得更加棘手。為了適應患者的生理變化(例如,患者的體重增加或減少),天線可能經常需要調諧。最后,監管機構會對輻射的功率、比吸收率以及無線傳輸數據的速度與傳輸量規定嚴格的限制。

Cambridge Consultants是創新產品研發工程與技術咨詢領域的全球頂級供應商,其使用ANSYS仿真工具完美解決了上述挑戰。此外,仿真技術使工程師能夠優化植入設備天線的設計,以增加其范圍、使其能夠在預期頻率下運行。工程師還可提前針對各種不同的體型檢驗天線性能。

1、設計可植入天線

Cambridge Consultants的工程師最近設計了一種小型天線,其可以同時在402~405MHz(醫療植入通信服務[MICS])以及2.4~2.5GHz(工業、科研與醫療[ISM])的頻帶下運行,而且支持2米以上的范圍內進行無線通信,因此能夠在手術室的清潔區之外使用。人體組織的電容特性加上傳統電偶極子天線的高電容性阻抗會產生一種殘留負電抗,其必須用集總電感負載補償,以匹配微芯片阻抗。因此,工程師采用了一種相對較新的天線設計方法——采用磁環輻射器和共址電場輻射器的復合場天線。此方法不僅可提供固有的感抗,讓工程師更輕松匹配植入電子設備的阻抗,而且它還能夠更好地支持微型化與生物相容性。

脂肪、肌肉、各種骨骼、皮膚與血液均具有不同的介電特性。周圍組織的介電特性會嚴重影響天線的性能表現,例如:與相同尺寸天線的自由空間性能相比具有更低的共振頻率。不過,人體對天線的影響會因天線在體內位置和患者體型的不同而各異。幾乎所有設計植入設備天線的工程師都會采用人體模型來執行電磁場仿真,而此類模型中的單元能夠匹配各種人體組織(如:皮膚、脂肪、密質骨、松質骨、肌肉與血液)的相對介電常數和導電率。許多此類模型的問題是它們很難為了匹配不同體型而進行修改。因此,工程師通常會根據普通體型來優化天線,這經常會導致相關設備植入非典型體型的患者時出現天線性能問題。

Cambridge Consultants研發了可同時采用磁環輻射器與共址電場輻射器的復合場天線。

2、天線性能與體重變化

Cambridge Consultants公司設計天線時采用ANSYS HFSS電磁場軟件進行性能仿真,該軟件配備的HFSS人體模型可用于表示天線的使用環境。工程師認識到研發一款能夠適應不同體型(體重)的魯棒性天線設計方案非常重要,于是采用ANSYS SpaceClaim Direct Modeler軟件快速修改HFSS人體模型,以表示身體形態的變化。

SpaceClaim允許用戶在無需考慮基礎技術的情況下創建、編輯和修復幾何圖形,從而可以加速分析時間。例如,用戶可以拖動、移動和填充幾何圖形,而且還可以組合模型的特征,以便創建圓形、把特征轉移到其他面部或者修改面部大小。如果用戶愿意,還可以輸入具體的人體尺寸。

ANSYS軟件支持Cambridge Consultants改變脂肪層厚度以及四周皮膚與肌肉層輪廓,以便縮放單個人體模型。而到目前為止,其他軟件套件中無法提供此功能,它們只提供一系列體型而非單個可縮放的人體模型。

3、雙頻帶運行

幾乎所有現代無線植入設備都是在MICS頻帶下運行,不過制造商最近有意研發能夠在ISM頻帶下運行的設備。采用ISM頻帶可支持設備與智能手機通信,無需定制的外部通信組件,而且還能夠發揮智能手機技術的強大功能。Cambridge Consultants公司的工程師重新設計了一種同時支持雙頻帶的新天線。

工程師在配備0.5mm AI2O3(氧化鋁)襯底背襯的1.5mm FR4(玻璃增強環氧樹脂復合印刷電路板)襯底上仿真雙頻帶復合天線的拓撲。HFSS人體模型中的脂肪厚度按0.5mm的步長在1.5mm至5.5mm之間變化。工程師針對兩個頻帶優化了天線回波損耗。而針對兩個中心設計頻率的激勵繪制了天線結構表面電流密度圖。該圖顯示出天線在ISM頻帶的峰值增益為–11.42dBi,而在MICS頻帶的峰值增益為–14.62dBi。

耦合電磁偶極天線能夠根據不同的體型與尺寸、同時在402~405MHz和2.4~2.5GHz的頻帶下提供充足的增益、輻射效率與寬帶響應,從而使外部通信組件能夠在清潔區之外正常運行。單個平面結構可以輕松安裝到40x45mm的雙層襯底(FR4/Al2O3)上。這種天線以及采用類似仿真方法研發的其他天線,都有助于設計新一代醫療設備并支持遠距離收集不同體型的患者數據,從而推動醫療行業發展。

針對天線必須支持的2.4GHz與403.5MHz頻帶的表面電流密度

脂肪、肌肉與皮膚的介電特性

4、加速創新

現代植入設備極其復雜,需要工程師平衡其性能、安全性、可靠性、成本和上市時間等約束條件。ANSYS的工程仿真工具使Cambridge Consultants能夠更快地設計創新型醫療設備。

顯示增益與輻射角的天線輻射方向圖

研發可縮放的人體模型,有助于Cambridge Consultants工程師從設計開始就對天線設計進行回歸分析。這樣就能夠將所需的迭代次數減半,設計時間縮短25%。與傳統PIFA和環形天線相比,該公司已經能夠將其最新天線設計的射頻通信距離增加45%。現場數據也表明仿真的性能與成品結果非常吻合。