连线健康

作者:Arun Venkatasubramanian,美国波士顿CambRidge Consultants公司副董事

医疗物联网要求可植入医疗设备的天线在人体内安全运行,并且支持比以前更远的距离和多个频率。另外,这些设备必须在各种不同体质和年龄的人中保持可靠性。考虑到上述众多因素,Cambridge Consultants公司采用ANSYS软件建立多种人体模型并仿真天线性能。

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Cambridge Consultants wireless technology

无线技术为医疗植入设备打开了新的世界,使远程监控与治疗优化成为现实。但是,为了设计出成功的无线植入设备,设计人员必须满足不同使用案例和各种法规的要求,其中每一项都具有自身特殊的挑战。

一般情况下,智能医疗植入设备必须能够在以下至少三种不同环境中与外部手持设备无线通信:

  • 手术室:植入设备植入病人体内之前先在此进行编程。
  • 医疗办公室:医生在此使用外部编程设备以无线通信的方式对植入设备进行后续监控。
  • 家中:通常使用床边无线盒与植入设备通信,将诊断信息和任何告警情况立即转发给医生/医护人员。

Implantable device antenna

植入设备的天线模型

 

ANSYS SpaceClaim body model

使用ANSYS SpaceClaim Direct Modeler修改ANSYS HFSS人体模型,以表现不同的人体体型。ANSYS SpaceClaim可以轻松修改对象的几何结构。

由于人体组织会反射、吸收部分无线信号以及影响天线的工作频率与带宽,无线射频的性能因此会受到影响。此外,患者的体型也会严重影响植入设备和外部设备之间的通信距离。近几年,蓝牙智能通信已经成为智能手机上常用的连接选项。可植入设备的制造商当然不想错过这个机遇。蓝牙工作频率远远高于医疗设备所用无线技术的频率,这意味着更大一部分的能量会被人体吸收,从而使天线范围问题变得更加棘手。为了适应患者的生理变化(例如,患者的体重增加或减少),天线可能经常需要调谐。最后,监管机构会对辐射的功率、比吸收率以及无线传输数据的速度与传输量规定严格的限制。

Cambridge Consultants是创新产品研发工程与技术咨询领域的全球顶级供应商,其使用ANSYS仿真工具完美解决了上述挑战。此外,仿真技术使工程师能够优化植入设备天线的设计,以增加其范围、使其能够在预期频率下运行。工程师还可提前针对各种不同的体型检验天线性能。

“ANSYS工程仿真工具让Cambridge Consultants能够更快地设计创新型医疗设备。”

设计可植入天线

Cambridge Consultants的工程师最近设计了一种小型天线,其可以同时在402~405MHz(医疗植入通信服务[MICS])以及2.4~2.5GHz(工业、科研与医疗[ISM])的频带下运行,而且支持2米以上的范围内进行无线通信,因此能够在手术室的清洁区之外使用。人体组织的电容特性加上传统电偶极子天线的高电容性阻抗会产生一种残留负电抗,其必须用集总电感负载补偿,以匹配微芯片阻抗。因此,工程师采用了一种相对较新的天线设计方法——采用磁环辐射器和共址电场辐射器的复合场天线。此方法不仅可提供固有的感抗,让工程师更轻松匹配植入电子设备的阻抗,而且它还能够更好地支持微型化与生物相容性。

脂肪、肌肉、各种骨骼、皮肤与血液均具有不同的介电特性。周围组织的介电特性会严重影响天线的性能表现,例如:与相同尺寸天线的自由空间性能相比具有更低的共振频率。不过,人体对天线的影响会因天线在体内位置和患者体型的不同而各异。几乎所有设计植入设备天线的工程师都会采用人体模型来执行电磁场仿真,而此类模型中的单元能够匹配各种人体组织(如:皮肤、脂肪、密质骨、松质骨、肌肉与血液)的相对介电常数和导电率。许多此类模型的问题是它们很难为了匹配不同体型而进行修改。因此,工程师通常会根据普通体型来优化天线,这经常会导致相关设备植入非典型体型的患者时出现天线性能问题。

Compound field antenna

Cambridge Consultants研发了可同时采用磁环辐射器与共址电场辐射器的复合场天线。

 

 

“Cambridge Consultants公司的工程师使用ANSYS SpaceClaim Direct Modeler软件快速修改ANSYS HFSS人体模型,以表示身体形态的变化。”

天线性能与体重变化

Cambridge Consultants公司设计天线时采用ANSYS HFSS电磁场软件进行性能仿真,该软件配备的HFSS人体模型可用于表示天线的使用环境。工程师认识到研发一款能够适应不同体型(体重)的鲁棒性天线设计方案非常重要,于是采用ANSYS SpaceClaim Direct Modeler软件快速修改HFSS人体模型,以表示身体形态的变化。

SpaceClaim允许用户在无需考虑基础技术的情况下创建、编辑和修复几何图形,从而可以加速分析时间。例如,用户可以拖动、移动和填充几何图形,而且还可以组合模型的特征,以便创建圆形、把特征转移到其他面部或者修改面部大小。如果用户愿意,还可以输入具体的人体尺寸。

ANSYS软件支持Cambridge Consultants改变脂肪层厚度以及四周皮肤与肌肉层轮廓,以便缩放单个人体模型。而到目前为止,其他软件套件中无法提供此功能,它们只提供一系列体型而非单个可缩放的人体模型。

Frequency response in MICS band
在MICS频带工作的天线对于不同人体脂肪量的频率响应
Frequency response in ISM band
在ISM频带工作的天线对于不同人体脂肪量的频率响应

双频带运行

几乎所有现代无线植入设备都是在MICS频带下运行,不过制造商最近有意研发能够在ISM频带下运行的设备。采用ISM频带可支持设备与智能手机通信,无需定制的外部通信组件,而且还能够发挥智能手机技术的强大功能。Cambridge Consultants公司的工程师重新设计了一种同时支持双频带的新天线。

工程师在配备0.5mm AI2O3(氧化铝)衬底背衬的1.5mm FR4(玻璃增强环氧树脂复合印刷电路板)衬底上仿真双频带复合天线的拓扑。HFSS人体模型中的脂肪厚度按0.5mm的步长在1.5mm至5.5mm之间变化。工程师针对两个频带优化了天线回波损耗。而针对两个中心设计频率的激励绘制了天线结构表面电流密度图。该图显示出天线在ISM频带的峰值增益为–11.42dBi,而在MICS频带的峰值增益为–14.62dBi。

耦合电磁偶极天线能够根据不同的体型与尺寸、同时在402~405MHz和2.4~2.5GHz的频带下提供充足的增益、辐射效率与宽带响应,从而使外部通信组件能够在清洁区之外正常运行。单个平面结构可以轻松安装到40x45mm的双层衬底(FR4/Al2O3)上。这种天线以及采用类似仿真方法研发的其他天线,都有助于设计新一代医疗设备并支持远距离收集不同体型的患者数据,从而推动医疗行业发展。

Surface current density in two bands

Surface current density in two bands
 
针对天线必须支持的2.4GHz与403.5MHz频带的表面电流密度
Dielectric properties
脂肪、肌肉与皮肤的介电特性

加速创新

现代植入设备极其复杂,需要工程师平衡其性能、安全性、可靠性、成本和上市时间等约束条件。ANSYS的工程仿真工具使Cambridge Consultants能够更快地设计创新型医疗设备。

Antenna radiation patterns

显示增益与辐射角的天线辐射方向图

 

研发可缩放的人体模型,有助于Cambridge Consultants工程师从设计开始就对天线设计进行回归分析。这样就能够将所需的迭代次数减半,设计时间缩短25%。与传统PIFA和环形天线相比,该公司已经能够将其最新天线设计的射频通信距离增加45%。现场数据也表明仿真的性能与成品结果非常吻合。

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