介入式心臟支架作為天線的性能分析

陳波,趙培森,趙晴

(北京六所新華科電子技術(shù)有限公司，北京100085)

冠心病如今已成為人類第一大殺手[1]?，F(xiàn)有的治療冠心病最有效的方法就是經(jīng)皮冠脈介入治療。心臟支架是心臟介入治療手術(shù)中常用的醫(yī)療器械。當(dāng)不暢通的血管在植入支架后，血液可以在冠狀動(dòng)脈中順暢流通。但由于人體自身的排斥等反應(yīng)，導(dǎo)致常見(jiàn)的支架內(nèi)部再狹窄。由于再狹窄的風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，導(dǎo)致了冠心病較高的死亡率。而現(xiàn)有的再狹窄診斷手段卻仍限于比較大型的醫(yī)療器械。本文介紹了一種便攜式再狹窄診斷技術(shù)方案。以心臟支架作為天線，并在該心臟支架上集成射頻收發(fā)模塊、微納生物傳感器等模塊來(lái)向體外接收設(shè)備提供植入處一些重要的生理指標(biāo)。該天線具有可以同時(shí)傳播數(shù)據(jù)和能量的作用，同時(shí)對(duì)集成電路起到支撐作用。

因此，當(dāng)心臟支架作為射頻天線時(shí)，尋找合適的通信頻率，實(shí)現(xiàn)在該頻段的有效收發(fā)便成為了一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。美國(guó)普渡大學(xué)的研究人員于2009年首次提出使用心臟支架作為天線的概念，并首次對(duì)作為天線的心臟支架進(jìn)行了天線輻射特性的仿真、體外和體內(nèi)測(cè)試[2-3]。雖然其通過(guò)輻射效率、輻射方向圖等關(guān)鍵性能的測(cè)試，確定了心臟支架作為天線的可行性,但由于使用了2.4 GHz和3.7 GHz頻段，導(dǎo)致系統(tǒng)信道損耗過(guò)大,最終整個(gè)電路系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了局部小型化。因而，對(duì)于心臟支架作為天線，其通信頻段的確定以及其他性能的分析至關(guān)重要。

本文針對(duì)作為數(shù)據(jù)和能量傳輸?shù)奶炀€進(jìn)行研究。首先對(duì)其外形結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行介紹。而對(duì)該天線的具體量化，則是利用三維高頻電磁場(chǎng)分析軟件CST MWS對(duì)心臟支架天線進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)的。之后再將該模型分別置于自由空間和CST MWS人體模型中進(jìn)行仿真，得到了天線的反射損耗S11以及輻射方向圖等參數(shù)圖。接著在消音室的自由空間中和體外生物實(shí)驗(yàn)(模仿人體組織用磷酸鹽緩沖液和豬肉組織樣品搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境)中，配合矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E8364B PNA等實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)測(cè)了S11，以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。最后得出使用433 MHz作為感知式介入心臟支架系統(tǒng)中心臟支架天線的通信頻率。

1 心臟支架天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在心臟支架作為天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，本文通過(guò)分析人體胸腔組織的電磁特性，選擇了遼寧生物醫(yī)學(xué)材料研發(fā)中心有限公司提供的垠藝DSS3023支架，其尺寸為直徑3 mm，長(zhǎng)度23 mm，并用一塊2 mm×2 mm×0.2 mm的銅箔作為預(yù)想概念系統(tǒng)中的集成電路，在整個(gè)系統(tǒng)中扮演地的角色。至于天線和地板之間的連接，使用的是一段半鋼電纜。其中，半鋼電纜的內(nèi)芯與天線相連，外層與銅箔相連。而半鋼導(dǎo)體的另一端與SMA頭相連，以便實(shí)現(xiàn)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的連接。

2 CST建模仿真

在對(duì)心臟支架天線進(jìn)行各種環(huán)境條件下的仿真之前，首先要對(duì)心臟支架天線進(jìn)行建模。根據(jù)心臟支架天線的結(jié)構(gòu)尺寸，在CST中所建模型如圖1所示。天線所用模型及其尺寸、結(jié)構(gòu)都是按照心臟支架天線的比例1:1繪制而成，心臟支架和接地板的材料選擇理想材料PEC。在心臟支架長(zhǎng)度方向一端的接地板尺寸為2 mm×2 mm×0.2 mm。其饋電方式采用離散饋電源，饋電位置為支架底端一凸點(diǎn)。離散端口的長(zhǎng)度為10 mm，與實(shí)物圖相符。

圖1 CST中所建心臟支架天線模型圖

在已建模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)CST軟件設(shè)置相關(guān)參數(shù)，然后獲得天線的天線反射損耗S11圖。一般認(rèn)為S參數(shù)小于-10 dB時(shí)，天線在正常工作范圍[4]。

2.1 在自由空間中的仿真

首先，在CST的仿真環(huán)境中對(duì)置于消音室的天線進(jìn)行自由空間環(huán)境下的仿真，設(shè)置如同單極子仿真。仿真得出自由空間中天線模型的S11圖如圖2所示。

可以看出，該天線在自由空間中的工作頻段大概在2.4 GHz頻段。天線的工作模式與單極子一致。這證明心臟支架天線在單端供電時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)與單極子相似的輻射特性。因此，在2.4 GHz左右的中心頻率下，探究心臟支架被植入人體之后的工作頻段。

2.2 在CST人體模型中的仿真

圖2 自由空間中心臟支架天線的S11圖

本文仿真所采用的人體模型出自CST電磁熱人體模型庫(kù)。這個(gè)庫(kù)包括七種人體模型，本實(shí)驗(yàn)中采用的是其中成人男性的人體模型。其橫向精度在0.85～2.08 mm、縱向精度在0.98～10 mm范圍內(nèi)，共包括78種人體組織。將包括心臟的人體組織切割，并將上述的心臟支架天線模型置于心臟的左冠狀動(dòng)脈處，通過(guò)仿真設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，得到相應(yīng)的S11參數(shù)圖。

圖3為切割人體模型時(shí)的界面，調(diào)整圖中方框的大小，通過(guò)選擇左下角的Front和Side選項(xiàng)，并勾選右側(cè)方框中各種組織和器官，對(duì)人體模型進(jìn)行切割。

圖3 切割人體模型界面

將心臟支架置于人體模型中仿真示意圖如圖4所示，為突出胸腔組織的輪廓，在此處只將心臟和肺這兩個(gè)主要器官著重點(diǎn)出。其他部分如脂肪、肌肉、血液、組織液等亦存在，是一個(gè)完整的人體組織結(jié)構(gòu)。將在空氣中已測(cè)好的心臟支架天線模型導(dǎo)入該人體模型中，具體位置在心臟左冠狀動(dòng)脈處，植入深度約3.5 cm。仿真得到的人體模型中天線的S11圖如圖5所示。

圖4 心臟支架置于人體模型中仿真示意圖

圖5 人體模型中心臟支架天線的S11圖

可以看出，該天線的-10 dB帶寬覆蓋了美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)醫(yī)療植入通信頻段(MIC)和433 MHz ISM頻段。所以心臟支架天線處于正常工作范圍。

在確認(rèn)了諧振頻率之后，進(jìn)一步仿真給出該頻率下天線的增益圖，如圖6所示?？梢钥吹?，在心臟支架天線植入人體之后，由于受到人體組織的衰減影響，增益圖呈現(xiàn)出不對(duì)稱分布，這是由于人體造成的衰減具有不對(duì)稱性造成的。

圖6 人體模型中心臟支架天線輻射方向圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)器材：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E8364B PNA、消聲尖劈泡沫、按照人體組織結(jié)構(gòu)比例選取的3.5 cm厚的豬肉樣本[5]等。

3.1 自由空間實(shí)驗(yàn)

自由空間實(shí)驗(yàn)中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的引出端連接半鋼導(dǎo)體一端的SMA頭。通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀得到的S11曲線也是在2.4 GHz頻段左右有一個(gè)共鳴腔。其結(jié)果與使用CST得到的自由空間中天線的S11曲線基本吻合。

3.2 生物體外實(shí)驗(yàn)

如圖7所示，將心臟支架置于7 cm厚的豬肉(相當(dāng)于人體組織中的背部結(jié)構(gòu))上，并將心臟支架用磷酸鹽緩沖液淹沒(méi)，上邊覆蓋另外一塊完全按照人體組織結(jié)構(gòu)比例選取3.5 cm厚的豬肉樣本，測(cè)量此時(shí)天線的S11曲線。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的數(shù)據(jù)導(dǎo)出之后并做處理，結(jié)果如圖8所示。可以看出，實(shí)驗(yàn)所得S11曲線與仿真所得S11曲線相符，即在433 MHz處有一處共鳴腔，而且曲線的大致走向也一致。

圖7 生物體外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

圖8 實(shí)測(cè)生物體外S11曲線

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在磷酸鹽緩沖液以及豬組織樣品的測(cè)試中，DSS3023支架天線在433 MHz處有很好的輻射性能。因此，選擇433 MHz作為介入式心臟支架天線的傳輸頻段。

本文以感知式介入支架系統(tǒng)為應(yīng)用背景，使用心臟支架作為天線，并且分別從仿真和實(shí)驗(yàn)角度對(duì)天線的輻射特性進(jìn)行研究。最后選擇433 MHz頻段作為感知式介入心臟支架天線的傳輸頻段，在介入式心臟支架天線性能研究方面得出了新的可靠性結(jié)論，并為后續(xù)的感知式介入心臟支架系統(tǒng)的成型提供了可靠的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

[1]王梅香，萬(wàn)小毛.睡眠與冠心病發(fā)作生理學(xué)分析及臨床對(duì)策[J].基層醫(yī)學(xué)論壇，2007(S1)：75-76.

[2]CHOW E Y,OUYANG Y,BEIER B,et al.Evaluation of cardiovascular stents as antennas for implantable wireless applications[J].IEEE Transactions on Microw.Theory Techniques,2009,57(10):2523-2532.

[3]CHOW E Y,CHLEBOWSKI A L,CHAKRABORTY S,et al.Fully wireless implantable cardiovascular pressure monitor integrated with a medical stent[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2010,57(6):1487-1496.

[4]張亞平，陶波，陳顯才，等.小型RFID偶極子天線設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(3):117-119,123.

[5]RAHKO P S.Evaluation of the skin-to-heart distance in the standing adult by two-dimensional echocardiography[J].J Am Soc Echocardiogr.,2008,21(6):761-4.