ANSYS在醫(yī)療健康行業(yè)的應(yīng)用

無線技術(shù)為醫(yī)療植入設(shè)備打開了新的世界,使遠程監(jiān)控與治療優(yōu)化成為現(xiàn)實。但是,為了設(shè)計出成功的無線植入設(shè)備,設(shè)計人員必須滿足不同使用案例和各種法規(guī)的要求,其中每一項都具有自身特殊的挑戰(zhàn)。

一般情況下,智能醫(yī)療植入設(shè)備必須能夠在以下至少三種不同環(huán)境中與外部手持設(shè)備無線通信:

手術(shù)室:植入設(shè)備植入病人體內(nèi)之前先在此進行編程。

醫(yī)療辦公室:醫(yī)生在此使用外部編程設(shè)備以無線通信的方式對植入設(shè)備進行后續(xù)監(jiān)控。

家中:通常使用床邊無線盒與植入設(shè)備通信,將診斷信息和任何告警情況立即轉(zhuǎn)發(fā)給醫(yī)生/醫(yī)護人員。

植入設(shè)備的天線模型

使用ANSYS SpaceClaim Direct Modeler修改ANSYS HFSS人體模型,以表現(xiàn)不同的人體體型。ANSYS SpaceClaim可以輕松修改對象的幾何結(jié)構(gòu)。

由于人體組織會反射、吸收部分無線信號以及影響天線的工作頻率與帶寬,無線射頻的性能因此會受到影響。此外,患者的體型也會嚴重影響植入設(shè)備和外部設(shè)備之間的通信距離。近幾年,藍牙智能通信已經(jīng)成為智能手機上常用的連接選項?？芍踩朐O(shè)備的制造商當然不想錯過這個機遇。藍牙工作頻率遠遠高于醫(yī)療設(shè)備所用無線技術(shù)的頻率,這意味著更大一部分的能量會被人體吸收,從而使天線范圍問題變得更加棘手。為了適應(yīng)患者的生理變化(例如,患者的體重增加或減少),天線可能經(jīng)常需要調(diào)諧。最后,監(jiān)管機構(gòu)會對輻射的功率、比吸收率以及無線傳輸數(shù)據(jù)的速度與傳輸量規(guī)定嚴格的限制。

Cambridge Consultants是創(chuàng)新產(chǎn)品研發(fā)工程與技術(shù)咨詢領(lǐng)域的全球頂級供應(yīng)商,其使用ANSYS仿真工具完美解決了上述挑戰(zhàn)。此外,仿真技術(shù)使工程師能夠優(yōu)化植入設(shè)備天線的設(shè)計,以增加其范圍、使其能夠在預(yù)期頻率下運行。工程師還可提前針對各種不同的體型檢驗天線性能。

1、設(shè)計可植入天線

Cambridge Consultants的工程師最近設(shè)計了一種小型天線,其可以同時在402~405MHz(醫(yī)療植入通信服務(wù)[MICS])以及2.4~2.5GHz(工業(yè)、科研與醫(yī)療[ISM])的頻帶下運行,而且支持2米以上的范圍內(nèi)進行無線通信,因此能夠在手術(shù)室的清潔區(qū)之外使用。人體組織的電容特性加上傳統(tǒng)電偶極子天線的高電容性阻抗會產(chǎn)生一種殘留負電抗,其必須用集總電感負載補償,以匹配微芯片阻抗。因此,工程師采用了一種相對較新的天線設(shè)計方法——采用磁環(huán)輻射器和共址電場輻射器的復(fù)合場天線。此方法不僅可提供固有的感抗,讓工程師更輕松匹配植入電子設(shè)備的阻抗,而且它還能夠更好地支持微型化與生物相容性。

脂肪、肌肉、各種骨骼、皮膚與血液均具有不同的介電特性。周圍組織的介電特性會嚴重影響天線的性能表現(xiàn),例如:與相同尺寸天線的自由空間性能相比具有更低的共振頻率。不過,人體對天線的影響會因天線在體內(nèi)位置和患者體型的不同而各異。幾乎所有設(shè)計植入設(shè)備天線的工程師都會采用人體模型來執(zhí)行電磁場仿真,而此類模型中的單元能夠匹配各種人體組織(如:皮膚、脂肪、密質(zhì)骨、松質(zhì)骨、肌肉與血液)的相對介電常數(shù)和導(dǎo)電率。許多此類模型的問題是它們很難為了匹配不同體型而進行修改。因此,工程師通常會根據(jù)普通體型來優(yōu)化天線,這經(jīng)常會導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備植入非典型體型的患者時出現(xiàn)天線性能問題。

Cambridge Consultants研發(fā)了可同時采用磁環(huán)輻射器與共址電場輻射器的復(fù)合場天線。

2、天線性能與體重變化

Cambridge Consultants公司設(shè)計天線時采用ANSYS HFSS電磁場軟件進行性能仿真,該軟件配備的HFSS人體模型可用于表示天線的使用環(huán)境。工程師認識到研發(fā)一款能夠適應(yīng)不同體型(體重)的魯棒性天線設(shè)計方案非常重要,于是采用ANSYS SpaceClaim Direct Modeler軟件快速修改HFSS人體模型,以表示身體形態(tài)的變化。

SpaceClaim允許用戶在無需考慮基礎(chǔ)技術(shù)的情況下創(chuàng)建、編輯和修復(fù)幾何圖形,從而可以加速分析時間。例如,用戶可以拖動、移動和填充幾何圖形,而且還可以組合模型的特征,以便創(chuàng)建圓形、把特征轉(zhuǎn)移到其他面部或者修改面部大小。如果用戶愿意,還可以輸入具體的人體尺寸。

ANSYS軟件支持Cambridge Consultants改變脂肪層厚度以及四周皮膚與肌肉層輪廓,以便縮放單個人體模型。而到目前為止,其他軟件套件中無法提供此功能,它們只提供一系列體型而非單個可縮放的人體模型。

3、雙頻帶運行

幾乎所有現(xiàn)代無線植入設(shè)備都是在MICS頻帶下運行,不過制造商最近有意研發(fā)能夠在ISM頻帶下運行的設(shè)備。采用ISM頻帶可支持設(shè)備與智能手機通信,無需定制的外部通信組件,而且還能夠發(fā)揮智能手機技術(shù)的強大功能。Cambridge Consultants公司的工程師重新設(shè)計了一種同時支持雙頻帶的新天線。

工程師在配備0.5mm AI2O3(氧化鋁)襯底背襯的1.5mm FR4(玻璃增強環(huán)氧樹脂復(fù)合印刷電路板)襯底上仿真雙頻帶復(fù)合天線的拓撲。HFSS人體模型中的脂肪厚度按0.5mm的步長在1.5mm至5.5mm之間變化。工程師針對兩個頻帶優(yōu)化了天線回波損耗。而針對兩個中心設(shè)計頻率的激勵繪制了天線結(jié)構(gòu)表面電流密度圖。該圖顯示出天線在ISM頻帶的峰值增益為–11.42dBi,而在MICS頻帶的峰值增益為–14.62dBi。

耦合電磁偶極天線能夠根據(jù)不同的體型與尺寸、同時在402~405MHz和2.4~2.5GHz的頻帶下提供充足的增益、輻射效率與寬帶響應(yīng),從而使外部通信組件能夠在清潔區(qū)之外正常運行。單個平面結(jié)構(gòu)可以輕松安裝到40x45mm的雙層襯底(FR4/Al2O3)上。這種天線以及采用類似仿真方法研發(fā)的其他天線,都有助于設(shè)計新一代醫(yī)療設(shè)備并支持遠距離收集不同體型的患者數(shù)據(jù),從而推動醫(yī)療行業(yè)發(fā)展。

針對天線必須支持的2.4GHz與403.5MHz頻帶的表面電流密度

脂肪、肌肉與皮膚的介電特性

4、加速創(chuàng)新

現(xiàn)代植入設(shè)備極其復(fù)雜,需要工程師平衡其性能、安全性、可靠性、成本和上市時間等約束條件。ANSYS的工程仿真工具使Cambridge Consultants能夠更快地設(shè)計創(chuàng)新型醫(yī)療設(shè)備。

顯示增益與輻射角的天線輻射方向圖

研發(fā)可縮放的人體模型,有助于Cambridge Consultants工程師從設(shè)計開始就對天線設(shè)計進行回歸分析。這樣就能夠?qū)⑺璧牡螖?shù)減半,設(shè)計時間縮短25%。與傳統(tǒng)PIFA和環(huán)形天線相比,該公司已經(jīng)能夠?qū)⑵渥钚绿炀€設(shè)計的射頻通信距離增加45%?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)也表明仿真的性能與成品結(jié)果非常吻合。