電磁仿真助力智能醫(yī)療：優(yōu)化 RFID 標(biāo)簽設(shè)計(jì)

　　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)”?？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(shí)代后，射頻識(shí)別(radio-frequency identification，簡(jiǎn)稱 RFID)系統(tǒng)為豐富多樣的醫(yī)療保健應(yīng)用創(chuàng)新打開(kāi)了一扇窗。不過(guò)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(shí)設(shè)備也不例外。

　　RFID 系統(tǒng)提升醫(yī)療護(hù)理水平

　　射頻識(shí)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(shí)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(lái)，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(cè)和癌細(xì)胞破壞。

　　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(lái)檢測(cè)生命體征。在美國(guó)康奈爾大學(xué)，研究人員設(shè)計(jì)了特高頻(ultrahigh frequency，簡(jiǎn)稱 UHF)RFID 標(biāo)簽，它不僅可以監(jiān)測(cè)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(wú)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(lái)管理、解釋和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。由此一來(lái)，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(cè)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。

　　舉例來(lái)說(shuō)，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(wèn)題，但是很少患者習(xí)慣接受夜間睡眠測(cè)試，畢竟睡眠監(jiān)測(cè)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(cè)試又很難操作。(我自己經(jīng)常在家進(jìn)行睡眠測(cè)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(kāi)發(fā)了一種可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)跟蹤睡眠模式的無(wú)源 RFID 系統(tǒng)。這款用戶友好的無(wú)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(shí)設(shè)計(jì)中的電磁干擾和電磁兼容性

　　電磁干擾(electromagnetic interference，簡(jiǎn)稱 EMI)和電磁兼容性(electromagnetic compatibility，簡(jiǎn)稱 EMC)是電磁學(xué)應(yīng)用中的常見(jiàn)現(xiàn)象，可以通過(guò)電磁干擾/兼容性測(cè)試進(jìn)行分析。

　　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(duì)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(guó)國(guó)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(chǎng)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(guó)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(tīng)到“潛在危害”這類說(shuō)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(shí)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(shí)給其他醫(yī)療設(shè)備和系統(tǒng)帶來(lái)了哪些影響。他們可以首先對(duì)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(cè)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(cè)到，所以相比于低頻和高頻，特高頻無(wú)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(cè)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(chǎng)模或電場(chǎng)。根據(jù)計(jì)算值，我們可以預(yù)測(cè)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(chǎng)(上)和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖(下)可以增強(qiáng)設(shè)備的檢測(cè)能力，擴(kuò)大測(cè)量范圍。

　　仿真分析也可以為標(biāo)簽生成遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。舉例來(lái)說(shuō)，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(chǎng)后，對(duì) 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(chǎng)，然后 RFID 讀寫器的天線對(duì)變化后的信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)。

　　借助 COMSOL Multiphysics 附加的“AC/DC 模塊”和磁場(chǎng) 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(guò)檢測(cè)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。

　　通過(guò)計(jì)算 RFID 系統(tǒng)的互感，人們就能夠預(yù)測(cè)系統(tǒng)與其他醫(yī)療設(shè)備之間的電磁干擾情況。更重要的是，成功獲得安全的 RFID 標(biāo)簽設(shè)計(jì)，通過(guò)各種方式改善患者的治療水平。