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电磁仿真助力智能医疗优化 RFID 标签设计

2018年10月08日

  医疗领域有很多值得我们心怀感恩的技术进步。麻醉让手术中的患者不再需要“咬紧牙关”。抗生素诞生后,医生不必放血就能治愈感染。步入现代化时代后,射频识别(radio-frequency identification,简称 RFID)系统为丰富多样的医疗保健应用创新打开了一扇窗。不过为了保证系统性能稳定,并且与其他医疗系统良好地兼容,任何新兴的医疗技术都必须经受严格的检验,生物医学领域的射频标识设备也不例外。

  RFID 系统提升医疗护理水平

  射频识别技术在很多行业具有广泛应用。然而提及医疗领域,尺寸却成为了一个关键设计难题。RFID 标签的较窄一端大小相当于一粒米,然而这还不够,细胞水平的应用(例如研究和诊断)需要进一步缩小设计尺寸。

  斯坦福大学的一组研究人员研发出一款可植入细胞(例如皮肤或癌细胞)的微型 RFID 标签。标签约相当于人类发丝粗细的五分之一。它与专门的射频标识读写器配合使用,可以解释数据、实时监控细胞活动。在未来,微型 RFID 标签还可以传感器相互连接,促进先进生物治疗技术的发展,例如抗体检测和癌细胞破坏。

电磁仿真助力智能医疗:优化 RFID 标签设计

  外科医生将 RFID 微芯片植入医生手中。不久之后,这些标签可以植入到单细胞中。图片由 Paul Hughes 提供。已获得CC BY-SA 4.0 许可,通过 Wikimedia Commons 分享。

  不管医生的临床照顾有多么周到,患者恐怕都很难享受以被戳刺的方式来检测生命体征。在美国康奈尔大学,研究人员设计了特高频(ultrahigh frequency,简称 UHF)RFID 标签,它不仅可以监测心率、呼吸和血压等生命体征,甚至根本不需要接触患者。标签可以放入医用腕带,或缝制到衣服中。RFID 读写器与标签进行无线通信,能够同时监控多名患者。该系统依靠后端软件来管理、解释和监控数据。由此一来,医生能够准确了解每位患者的生命系统特征,医疗人员可以在测量生命体征时节省时间和精力,患者变得更加舒心,实在是一举多得。

电磁仿真助力智能医疗:优化 RFID 标签设计

  “智能织物”是 RFID 系统的一个有潜力的应用领域。图片由 Joshua Dickens 提供。已获得 CC BY-SA 2.0许可,通过 Wikimedia Commons分享。

  举例来说,睡眠障碍和睡眠呼吸暂停这两种病症往往得不到有效治疗。虽然它们可能导致五花八门的健康和安全问题,但是很少患者习惯接受夜间睡眠测试,毕竟睡眠监测不仅非常昂贵,而且容易打乱患者的日程安排,可在家进行的测试又很难操作。(我自己经常在家进行睡眠测试,每次必须将系统捆绑在胸前,把呼吸管粘在脸上,又要尽力使手指上的监控器不脱落,体验极其难受,又不方便)。

  为了提供支持,意大利 RADIO6ENSE 公司、巴勒莫大学和罗马大学的研究人员开发了一种可远程实时跟踪睡眠模式的无源 RFID 系统。这款用户友好的无源 RFID 系统中有一个缝在睡衣中的 RFID 标签,它能够在低功率水平下运行,完全不需要电池,所以这套睡眠模式数据采集器不仅精准,而且是一款安全的可穿戴设备。

  生物医学射频标识设计中的电磁干扰和电磁兼容性

  电磁干扰(electromagnetic interference,简称 EMI)和电磁兼容性(electromagnetic compatibility,简称 EMC)是电磁学应用中的常见现象,可以通过电磁干扰/兼容性测试进行分析。

电磁仿真助力智能医疗:优化 RFID 标签设计

  消声室是可测量天线的电磁干扰/电磁兼容性的设备之一。

  当讨论应用于生物医学的 RFID 标签时,电磁干扰受到了格外关注,原因在于设备之间可能发生多余的互感,对性能、操作和可靠性产生破坏性影响。2011 年发布的一项研究表明美国国家生物技术信息中心,与水、金属或其他设备的接触(接触在医疗场合是合理的)可能会影响 RFID 系统运行——或者产生反向的破坏性影响。此外,2017 年美国食品药品监督管理局 发布了一篇有关 RFID 报告,他们警告当 RFID 系统与其他医疗设备交互时,电磁干扰会成为潜在的危险。

  只要牵涉到患者的福祉和安全,医疗专业人员绝不愿意听到“潜在危害”这类说法。这时仿真可以助他们一臂之力。

  在 COMSOL Multiphysics® 中优化射频标识组件设计

  在设计应用于生物医学的 RFID 标签时,工程师必须考虑标签和读写器的性能,以及射频标识给其他医疗设备和系统带来了哪些影响。他们可以首先对单个器件(例如 RFID 标签)进行表征,为电磁干扰分析创造一个良好的起点。电磁仿真可用于计算 RFID 系统设计中的互感。

  优化特高频器件的检测与读取范围

  不管与读写器相距较近,还是在远距离之外,特高频标签都容易被检测到,所以相比于低频和高频,特高频无源 RFID 标签更受青睐,应用范围也更为广泛。特高频标签还可以快速传输数据,具有更优的成本收益。

  为了计算特高频 RFID 标签的检测和读取范围,您可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件附加的“RF 模块”。RF 仿真可以计算标签设计的默认电场模或电场。根据计算值,我们可以预测患者身上理想的标签位置,以及同时跟踪多名患者的 RFID 读写器的理想位置。

电磁仿真助力智能医疗:优化 RFID 标签设计
电磁仿真助力智能医疗:优化 RFID 标签设计

  分析特高频 RFID 标签的电场(上)和远场辐射方向图(下)可以增强设备的检测能力,扩大测量范围。

  仿真分析也可以为标签生成远场辐射方向图。举例来说,上方模型显示,标签平面上每个方向的辐射方向图基本相同。仿真结果表明 RFID 标签设计的性能得到了优化,读取范围延伸了很远的距离。

  确保生物医疗 RFID 系统的安全性

  现在我们构建一个基础的 RFID 系统模型,它主要由两个零件构成:

  装有大型射频天线的读写器

  带印刷电路板天线的应答标签

电磁仿真助力智能医疗:优化 RFID 标签设计
电磁仿真助力智能医疗:优化 RFID 标签设计

  读写器(上)和 RFID 标签(下)的几何形状。

  系统的工作原理如下:读写器产生电磁场后,对 RFID 标签内的芯片产生激励。标签的电路会改变电磁场,然后 RFID 读写器的天线对变化后的信号进行恢复。

  借助 COMSOL Multiphysics 附加的“AC/DC 模块”和磁场 接口,设计师可以模拟读写器和标签之间的电感耦合。通过检测系统内一个天线截断另一个天线的电流而产生的总磁通量,可以计算出互感。

  下图的仿真结果显示了 RFID 标签和读写器之间的磁通线和磁通强度。根据上述结果,我们可以计算出系统的互感。

电磁仿真助力智能医疗:优化 RFID 标签设计

  RFID 系统的磁通密度。

  通过计算 RFID 系统的互感,人们就能够预测系统与其他医疗设备之间的电磁干扰情况。更重要的是,成功获得安全的 RFID 标签设计,通过各种方式改善患者的治疗水平。

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