盤點電磁仿真在智能醫(yī)療中的應用

　　醫(yī)療領域有很多值得我們心懷感恩的技術進步。麻醉讓手術中的患者不再需要“咬緊牙關”?？股卣Q生后，醫(yī)生不必放血就能治愈感染。步入現(xiàn)代化時代后，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)療技術都必須經(jīng)受嚴格的檢驗，生物醫(yī)學領域的射頻標識設備也不例外。

　　RFID 系統(tǒng)提升醫(yī)療護理水平

　　射頻識別技術在很多行業(yè)具有廣泛應用。然而提及醫(yī)療領域，尺寸卻成為了一個關鍵設計難題。RFID 標簽的較窄一端大小相當于一粒米，然而這還不夠，細胞水平的應用(例如研究和診斷)需要進一步縮小設計尺寸。

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

　　外科醫(yī)生將 RFID 微芯片植入醫(yī)生手中。不久之后，這些標簽可以植入到單細胞中。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，研究人員設計了特高頻(ultrahigh frequency，簡稱 UHF)RFID 標簽，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。標簽可以放入醫(yī)用腕帶，或縫制到衣服中。RFID 讀寫器與標簽進行無線通信，能夠同時監(jiān)控多名患者。該系統(tǒng)依靠后端軟件來管理、解釋和監(jiān)控數(shù)據(jù)。由此一來，醫(yī)生能夠準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節(jié)省時間和精力，患者變得更加舒心，實在是一舉多得。

　　“智能織物”是 RFID 系統(tǒng)的一個有潛力的應用領域。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。雖然它們可能導致五花八門的健康和安全問題，但是很少患者習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，可在家進行的測試又很難操作。(我自己經(jīng)常在家進行睡眠測試，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、巴勒莫大學和羅馬大學的研究人員開發(fā)了一種可遠程實時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)中有一個縫在睡衣中的 RFID 標簽，它能夠在低功率水平下運行，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，而且是一款安全的可穿戴設備。

　　生物醫(yī)學射頻標識設計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)是電磁學應用中的常見現(xiàn)象，可以通過電磁干擾/兼容性測試進行分析。

　　消聲室是可測量天線的電磁干擾/電磁兼容性的設備之一。

　　當討論應用于生物醫(yī)學的 RFID 標簽時，電磁干擾受到了格外關注，原因在于設備之間可能發(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)布的一項研究表明美國國家生物技術信息中心，與水、金屬或其他設備的接觸(接觸在醫(yī)療場合是合理的)可能會影響 RFID 系統(tǒng)運行——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 RFID 報告，他們警告當 RFID 系統(tǒng)與其他醫(yī)療設備交互時，電磁干擾會成為潛在的危險。

　　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。這時仿真可以助他們一臂之力。

　　在 COMSOL Multiphysics® 中優(yōu)化射頻標識組件設計

　　在設計應用于生物醫(yī)學的 RFID 標簽時，工程師必須考慮標簽和讀寫器的性能，以及射頻標識給其他醫(yī)療設備和系統(tǒng)帶來了哪些影響。他們可以首先對單個器件(例如 RFID 標簽)進行表征，為電磁干擾分析創(chuàng)造一個良好的起點。電磁仿真可用于計算 RFID 系統(tǒng)設計中的互感。

　　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，還是在遠距離之外，特高頻標簽都容易被檢測到，所以相比于低頻和高頻，特高頻無源 RFID 標簽更受青睞，應用范圍也更為廣泛。特高頻標簽還可以快速傳輸數(shù)據(jù)，具有更優(yōu)的成本收益。

　　為了計算特高頻 RFID 標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 仿真可以計算標簽設計的默認電場模或電場。根據(jù)計算值，我們可以預測患者身上理想的標簽位置，以及同時跟蹤多名患者的 RFID 讀寫器的理想位置。

　　分析特高頻 RFID 標簽的電場(上)和遠場輻射方向圖(下)可以增強設備的檢測能力，擴大測量范圍。

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

　　確保生物醫(yī)療 RFID 系統(tǒng)的安全性

　　現(xiàn)在我們構建一個基礎的 RFID 系統(tǒng)模型，它主要由兩個零件構成：

　　裝有大型射頻天線的讀寫器

　　帶印刷電路板天線的應答標簽

　　讀寫器(上)和 RFID 標簽(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 標簽內的芯片產(chǎn)生激勵。標簽的電路會改變電磁場，然后 RFID 讀寫器的天線對變化后的信號進行恢復。

　　借助 COMSOL Multiphysics 附加的“AC/DC 模塊”和磁場 接口，設計師可以模擬讀寫器和標簽之間的電感耦合。通過檢測系統(tǒng)內一個天線截斷另一個天線的電流而產(chǎn)生的總磁通量，可以計算出互感。

　　下圖的仿真結果顯示了 RFID 標簽和讀寫器之間的磁通線和磁通強度。根據(jù)上述結果，我們可以計算出系統(tǒng)的互感。

　　RFID 系統(tǒng)的磁通密度。

　　通過計算 RFID 系統(tǒng)的互感，人們就能夠預測系統(tǒng)與其他醫(yī)療設備之間的電磁干擾情況。更重要的是，成功獲得安全的 RFID 標簽設計，通過各種方式改善患者的治療水平。