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盤點(diǎn)電磁仿真在智能醫(yī)療中的應(yīng)用

發(fā)布日期： 2018-10-10 瀏覽次數(shù)： 1,189

醫(yī)療領(lǐng)域有很多值得我們心懷感恩的技術(shù)進(jìn)步。麻醉讓手術(shù)中的患者不再需要“咬緊牙關(guān)”。抗生素誕生后，醫(yī)生不必放血就能治愈感染。步入現(xiàn)代化時(shí)代后，射頻識別（radio-frequency identification，簡稱 RFID）系統(tǒng)為豐富多樣的醫(yī)療保健應(yīng)用創(chuàng)新打開了一扇窗。不過為了保證系統(tǒng)性能穩(wěn)定，并且與其他醫(yī)療系統(tǒng)良好地兼容，任何新興的醫(yī)療技術(shù)都必須經(jīng)受嚴(yán)格的檢驗(yàn)，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的射頻標(biāo)識設(shè)備也不例外。

RFID 系統(tǒng)提升醫(yī)療護(hù)理水平

射頻識別技術(shù)在很多行業(yè)具有廣泛應(yīng)用。然而提及醫(yī)療領(lǐng)域，尺寸卻成為了一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)難題。RFID 標(biāo)簽的較窄一端大小相當(dāng)于一粒米，然而這還不夠，細(xì)胞水平的應(yīng)用（例如研究和診斷）需要進(jìn)一步縮小設(shè)計(jì)尺寸。

斯坦福大學(xué)的一組研究人員研發(fā)出一款可植入細(xì)胞（例如皮膚或癌細(xì)胞）的微型 RFID 標(biāo)簽。標(biāo)簽約相當(dāng)于人類發(fā)絲粗細(xì)的五分之一。它與專門的射頻標(biāo)識讀寫器配合使用，可以解釋數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控細(xì)胞活動(dòng)。在未來，微型 RFID 標(biāo)簽還可以傳感器相互連接，促進(jìn)先進(jìn)生物治療技術(shù)的發(fā)展，例如抗體檢測和癌細(xì)胞破壞。

外科醫(yī)生將 RFID 微芯片植入醫(yī)生手中。不久之后，這些標(biāo)簽可以植入到單細(xì)胞中。圖片由 Paul Hughes 提供。已獲得CC BY-SA 4.0 許可，通過 Wikimedia Commons 分享。

不管醫(yī)生的臨床照顧有多么周到，患者恐怕都很難享受以被戳刺的方式來檢測生命體征。在美國康奈爾大學(xué)，研究人員設(shè)計(jì)了特高頻（ultrahigh frequency，簡稱 UHF）RFID 標(biāo)簽，它不僅可以監(jiān)測心率、呼吸和血壓等生命體征，甚至根本不需要接觸患者。標(biāo)簽可以放入醫(yī)用腕帶，或縫制到衣服中。RFID 讀寫器與標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，能夠同時(shí)監(jiān)控多名患者。該系統(tǒng)依靠后端軟件來管理、解釋和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。由此一來，醫(yī)生能夠準(zhǔn)確了解每位患者的生命系統(tǒng)特征，醫(yī)療人員可以在測量生命體征時(shí)節(jié)省時(shí)間和精力，患者變得更加舒心，實(shí)在是一舉多得。

“智能織物”是 RFID 系統(tǒng)的一個(gè)有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域。圖片由 Joshua Dickens 提供。已獲得 CC BY-SA 2.0許可，通過 Wikimedia Commons分享。

舉例來說，睡眠障礙和睡眠呼吸暫停這兩種病癥往往得不到有效治療。雖然它們可能導(dǎo)致五花八門的健康和安全問題，但是很少患者習(xí)慣接受夜間睡眠測試，畢竟睡眠監(jiān)測不僅非常昂貴，而且容易打亂患者的日程安排，可在家進(jìn)行的測試又很難操作。（我自己經(jīng)常在家進(jìn)行睡眠測試，每次必須將系統(tǒng)捆綁在胸前，把呼吸管粘在臉上，又要盡力使手指上的監(jiān)控器不脫落，體驗(yàn)極其難受，又不方便）。

為了提供支持，意大利 RADIO6ENSE 公司、巴勒莫大學(xué)和羅馬大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)跟蹤睡眠模式的無源 RFID 系統(tǒng)。這款用戶友好的無源 RFID 系統(tǒng)中有一個(gè)縫在睡衣中的 RFID 標(biāo)簽，它能夠在低功率水平下運(yùn)行，完全不需要電池，所以這套睡眠模式數(shù)據(jù)采集器不僅精準(zhǔn)，而且是一款安全的可穿戴設(shè)備。

生物醫(yī)學(xué)射頻標(biāo)識設(shè)計(jì)中的電磁干擾和電磁兼容性

電磁干擾（electromagnetic interference，簡稱 EMI）和電磁兼容性（electromagnetic compatibility，簡稱 EMC）是電磁學(xué)應(yīng)用中的常見現(xiàn)象，可以通過電磁干擾/兼容性測試進(jìn)行分析。

消聲室是可測量天線的電磁干擾/電磁兼容性的設(shè)備之一。

當(dāng)討論應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的 RFID 標(biāo)簽時(shí)，電磁干擾受到了格外關(guān)注，原因在于設(shè)備之間可能發(fā)生多余的互感，對性能、操作和可靠性產(chǎn)生破壞性影響。2011 年發(fā)布的一項(xiàng)研究表明美國國家生物技術(shù)信息中心，與水、金屬或其他設(shè)備的接觸（接觸在醫(yī)療場合是合理的）可能會(huì)影響 RFID 系統(tǒng)運(yùn)行——或者產(chǎn)生反向的破壞性影響。此外，2017 年美國食品藥品監(jiān)督管理局發(fā)布了一篇有關(guān) RFID 報(bào)告，他們警告當(dāng) RFID 系統(tǒng)與其他醫(yī)療設(shè)備交互時(shí)，電磁干擾會(huì)成為潛在的危險(xiǎn)。

只要牽涉到患者的福祉和安全，醫(yī)療專業(yè)人員絕不愿意聽到“潛在危害”這類說法。這時(shí)仿真可以助他們一臂之力。

在 COMSOL Multiphysics® 中優(yōu)化射頻標(biāo)識組件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的 RFID 標(biāo)簽時(shí)，工程師必須考慮標(biāo)簽和讀寫器的性能，以及射頻標(biāo)識給其他醫(yī)療設(shè)備和系統(tǒng)帶來了哪些影響。他們可以首先對單個(gè)器件（例如 RFID 標(biāo)簽）進(jìn)行表征，為電磁干擾分析創(chuàng)造一個(gè)良好的起點(diǎn)。電磁仿真可用于計(jì)算 RFID 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的互感。

優(yōu)化特高頻器件的檢測與讀取范圍

不管與讀寫器相距較近，還是在遠(yuǎn)距離之外，特高頻標(biāo)簽都容易被檢測到，所以相比于低頻和高頻，特高頻無源 RFID 標(biāo)簽更受青睞，應(yīng)用范圍也更為廣泛。特高頻標(biāo)簽還可以快速傳輸數(shù)據(jù)，具有更優(yōu)的成本收益。

為了計(jì)算特高頻 RFID 標(biāo)簽的檢測和讀取范圍，您可以使用 COMSOL Multiphysics® 軟件附加的“RF 模塊”。RF 仿真可以計(jì)算標(biāo)簽設(shè)計(jì)的默認(rèn)電場?；螂妶?。根據(jù)計(jì)算值，我們可以預(yù)測患者身上理想的標(biāo)簽位置，以及同時(shí)跟蹤多名患者的 RFID 讀寫器的理想位置。

分析特高頻 RFID 標(biāo)簽的電場（上）和遠(yuǎn)場輻射方向圖（下）可以增強(qiáng)設(shè)備的檢測能力，擴(kuò)大測量范圍。

仿真分析也可以為標(biāo)簽生成遠(yuǎn)場輻射方向圖。舉例來說，上方模型顯示，標(biāo)簽平面上每個(gè)方向的輻射方向圖基本相同。仿真結(jié)果表明 RFID 標(biāo)簽設(shè)計(jì)的性能得到了優(yōu)化，讀取范圍延伸了很遠(yuǎn)的距離。

確保生物醫(yī)療 RFID 系統(tǒng)的安全性

現(xiàn)在我們構(gòu)建一個(gè)基礎(chǔ)的 RFID 系統(tǒng)模型，它主要由兩個(gè)零件構(gòu)成：

裝有大型射頻天線的讀寫器

帶印刷電路板天線的應(yīng)答標(biāo)簽

讀寫器（上）和 RFID 標(biāo)簽（下）的幾何形狀。

系統(tǒng)的工作原理如下：讀寫器產(chǎn)生電磁場后，對 RFID 標(biāo)簽內(nèi)的芯片產(chǎn)生激勵(lì)。標(biāo)簽的電路會(huì)改變電磁場，然后 RFID 讀寫器的天線對變化后的信號進(jìn)行恢復(fù)。

借助 COMSOL Multiphysics 附加的“AC/DC 模塊”和磁場接口，設(shè)計(jì)師可以模擬讀寫器和標(biāo)簽之間的電感耦合。通過檢測系統(tǒng)內(nèi)一個(gè)天線截?cái)嗔硪粋€(gè)天線的電流而產(chǎn)生的總磁通量，可以計(jì)算出互感。

下圖的仿真結(jié)果顯示了 RFID 標(biāo)簽和讀寫器之間的磁通線和磁通強(qiáng)度。根據(jù)上述結(jié)果，我們可以計(jì)算出系統(tǒng)的互感。