《電子技術(shù)應(yīng)用》
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介入式心臟支架作為天線(xiàn)的性能分析
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
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
摘要: 介紹了一種新型便攜式再狹窄診斷技術(shù)方案。以感知式介入心臟支架系統(tǒng)作為應(yīng)用背景,以心臟支架作為系統(tǒng)天線(xiàn),對(duì)天線(xiàn)的性能進(jìn)行了深入分析。利用CST軟件分別對(duì)心臟支架置于自由空間和人體模型中進(jìn)行了仿真,得到了天線(xiàn)的反射損耗S11曲線(xiàn)以及輻射方向圖。并用磷酸鹽緩沖液和豬肉組織樣品實(shí)測(cè)了天線(xiàn)的S11曲線(xiàn),實(shí)測(cè)結(jié)果與軟件仿真結(jié)果吻合較好。經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)證明,該心臟支架天線(xiàn)在433 MHz諧振頻率處能很好地滿(mǎn)足感知式介入心臟支架系統(tǒng)的通信需求,可以作為感知式介入心臟支架系統(tǒng)的天線(xiàn)傳輸頻段。
中圖分類(lèi)號(hào): TN92
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)06-0096-03
Performance analysis of interventional cardiovascular stent antenna
Chen Bo, Zhao Peisen, Zhao Qing
Beijing Huake Electronics Co., LTD, Beijing 100085,China
Abstract: A novel method of portable diagnosis of restenosis is proposed in this paper. Based on perceptive interventional cardiovascular stent system, cardiovascular stent is used as the antenna and the radiation performance of the antenna is analyzed. The stent antenna model is simulated in both freespace and human model through CST(Computer Simulation Technology), and simulated return loss S11 and radiation pattern are presented. The return loss S11 is obtained with phosphate buffer and pork tissue sample, and good agreement between measurement and simulation is achieved. The simulation and experiment prove that 433MHz band can satisfy the communication demand of the system, and can be chosen as transmission band of the antenna.
Key words : perceptive interventional cardiovascular stent; cardiovascular sent antenna; human model; return loss S11; 433 MHz

        冠心病如今已成為人類(lèi)第一大殺手[1]。現(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(xiàn),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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的概念,并首次對(duì)作為天線(xiàn)的心臟支架進(jìn)行了天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn),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€(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的通信頻率。

1 心臟支架天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        在心臟支架作為天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行建模。根據(jù)心臟支架天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)尺寸,在CST中所建模型如圖1所示。天線(xiàn)所用模型及其尺寸、結(jié)構(gòu)都是按照心臟支架天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的天線(xiàn)反射損耗S11圖。一般認(rèn)為S參數(shù)小于-10 dB時(shí),天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)模型的S11圖如圖2所示。

圖2 自由空間中心臟支架天線(xiàn)的S11圖

        可以看出,該天線(xiàn)在自由空間中的工作頻段大概在2.4 GHz頻段。天線(xiàn)的工作模式與單極子一致。這證明心臟支架天線(xiàn)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

  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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的S11圖

        可以看出,該天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的增益圖,如圖6所示。可以看到,在心臟支架天線(xiàn)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(chēng)分布,這是由于人體造成的衰減具有不對(duì)稱(chēng)性造成的。

    圖6 人體模型中心臟支架天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的S11曲線(xiàn)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(xiàn)的S11曲線(xiàn)。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(xiàn)與仿真所得S11曲線(xiàn)相符,即在433 MHz處有一處共鳴腔,而且曲線(xiàn)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(xiàn)

        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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn),并且分別從仿真和實(shí)驗(yàn)角度對(duì)天線(xiàn)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(xiàn)的傳輸頻段,在介入式心臟支架天線(xiàn)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)。

參考文獻(xiàn)

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