文/甲瑞说

编辑/甲瑞说

介绍

生物医学植入设备已经问世。1957年，Earl Bakken设计并开发了第一个晶体管生物医学植入设备——心脏起搏器。生物医学植入设备最重要的问题是患者的安全和舒适性，为此进行了大量的研究。研究结果包括降低能源消耗和高效地将能量传输到植入设备中。因此，对于植入设备来说，无线能量传输是一个重要的问题。

(资料图片仅供参考)

技术挑战

供电是一个主要的技术挑战。如果要使用电池，由于其尺寸和寿命有限，需要在活体内进行手术更换电池。为了避免这种侵入性的手术，应该开发一种从体外无线传输能量的方法。近年来，生物医学应用的焦点是无线能量传输，因为它具有重要的优势，比如在植入手术中避免连接电缆，提高可充电设备的可靠性，增加医护人员和患者的安全性。

无线能量传输技术的潜力将引入新一代安全高效的医疗设备。近年来，通过无线能量传输的方式，神经刺激系统、耳蜗助听器、视网膜植入物、输液泵、心脏起搏器、脑起搏器等系统的研发受到了关注。

虽然在21世纪初，尽管这些设备的重量和寿命有限，并且有化学效应，但在某些医疗植入设备的应用中已经开始使用。充电电缆也有缺点，并且理论上需要较长时间。在21世纪初，无线能量传输方法在生物医学植入物和神经假肢方面引起了重要的研究兴趣。

对于MID的WPT设计，患者组织安全性是关键因素之一。组织安全性在很大程度上取决于人体的电磁学常数：微波功率密度、频率、组织吸收和组织的敏感性。患者不能立即感受到射频波的影响，因为低频波穿透组织较深，提供较低的吸收。随着频率增加，人体组织的相对容许性和导电性减少，吸收增加。

在较高频率下，微波穿透较少，更容易加热组织。主要的组织安全度量标准是MID的无线电能传输应用中的特定吸收率。当电磁波穿过组织时，它会穿透组织，但部分波会被组织吸收并以热的形式散失。

电磁波和组织之间的相互作用取决于组织的介电性质和工作频率。在相互作用期间，组织吸收的功率量被称为特定吸收率。WPT提出了五种方法：感应传输能量和电容传输功率以及邻近、中间和远场辐射。

感应连接是一种短程通信通道，需要在输出源区域放置一个线圈天线。另一方面，射频遥测的优点是能够达到较长的距离和提高信息传输速率。因此，研究集中在与射频连接的可植入医疗设备上。

可植入医疗设备

可植入电子设备的分类

除了这些功能，它们还有许多其他优势。可以在不受皮肤干扰的情况下获取测试数据，从而减少皮肤与设备的相互作用。它们可以帮助治疗一些疾病，例如帕金森病，正常的器官如心脏、视网膜和耳蜗可以用植入式设备进行更换。与器官直接接触是最有效的方法。

无线能量传输

无线能量传输系统可以分为远场和近场WPT系统。远场WPT系统分为激光、光电、射频和微波，而感应、磁性和电容耦合方法则属于近场。 WPT是通过感应连接和谐振连接的主要替代方案，用于给植入式设备供电。该方法基于天线向充电设备提供射频功率。

电容耦合传输

电容耦合链路方法用于在短距离的无线通信中向植入设备传输数据和能量。该方法的基础是两个平行的板，它们的行为类似于电容器。第一个板固定在体外的皮肤上，第二个板植入体内并连接到植入设备上。电场被用作载体通过电容耦合向皮肤传输数据和能量，皮肤充当这两个板之间的介电分隔器。

电感耦合传输

电感耦合传输是目前用于短距离通信生物医学应用的一项有吸引力的技术。磁性耦合被用作通信环境，这是射频识别技术的常见技术。将功率和数据传输到被动植入物最流行的方式是在植入物上的耦合线圈和体外读取设备上的耦合线圈之间进行电感功率传输。

发射器的线圈被放置在皮肤上方，它产生由电源产生的时变磁场。这个磁场在接收器体内感应出电动势，然后通过基于RX系统的硅整流器进行处理。为了提高功率传输效率，接收器的线圈应该调谐到与发射器线圈相同的工作频率。

IC WPT系统由交替电动势供电。在无源系统中，连接方式有四种共振的类别：串并联拓扑结构，串到串拓扑结构和并到并拓扑结构，为了保证在电感连接传输中的功率传输效率更好，两侧都要调谐到相同的共振频率f0。

在大多数情况下，主电路调谐到串联谐振，这使得发射线圈的阻抗负载几乎总是并联到次级电路，并使用LC电路来驱动非线性校正装置的负载。

具有四种可能共振电路的电感耦合

在实际应用中，线圈的匝数可以根据布线特性和线圈形式进行更改。更实用的方法是在制造过程中测量电感，并调整匝数以达到指定的电感。然而，需要高度专业化和昂贵的电感测量仪器来准确测量电感。

在实践中，可以使用方程来计算共振频率f0。许多公式可用于估算需要实现特定电感L的匝数。可以找到匝数与线圈半径、线圈高度、线圈宽度、线圈宽度、线圈半径和磁电感之间的关系。但是这些方程式仅对理想条件进行了近似。

建立了印刷螺旋线圈和绕线线圈之间的第一级区分。给出了第一级分类。PSC的特点是可靠性高且生产容易，尤其适用于微观和纳米生产过程。然而，PSC的品质因数较绕线线圈低。对于这两种几何形状，还有不同的关键参数。

对于PSC，d0和di分别是螺旋的外直径和内直径，n是匝数，w和s分别是它们之间的距离和距离。而对于绕线绕线线圈，d是绕线线圈的直径，在n次旋转过程中保持恒定，l是驱动器的长度，d0是导线的直径，p是绕线的螺距。

磁共振耦合

磁共振耦合基于波耦合，通过两个谐振旋转间的各种或变化的磁场来产生和传输电能。当两个谐振线圈与相同的谐振频率强烈耦合时，可以实现高效率的传输。磁共振连接的优点还包括对周围环境的免疫性和需要自由空间传输。

品质因数通常较高，因为磁共振耦合通常在兆赫范围内工作。高品质因数有助于通过增加传输距离来缓解连接效率的急剧降低，从而提高负载效率。因此，可以将有效传输功率的距离延伸到几米。

远场电磁系统

植入设备的主要问题是电池，由于其体积庞大和有限的使用寿命，使其不适用于长期应用。因此，有必要通过无线电力传输技术来无线供电植入式设备。感应耦合方法在大多数常规无线电力传输系统中使用，其中电力传输取决于一对相邻线圈之间的耦合。该方法的主要问题在于用于电力传输的低频电磁波需要相对较大的线圈。

另一方面，无线植入式设备需要尽可能紧凑，以便使其能够植入身体的不同部位并提高接收信号的分辨率。这个问题可以通过利用射频系统来解决，以便将植入式设备小型化并改善无线通信链路。

由于传输功率受到限制，RF系统中收集的功率量通常限制在几百微瓦。因此，需要一个高效的天线来接收信号，并且需要高效的整流和电源管理过程，以提供足够的功率给高性能的植入式生物医学设备。系统设计采用了集成在芯片上的环形天线。

天线将接收到的功率传递给多级整流器，将其转换为直流电压，然后传递给电源管理单元。值得在这里提及的是，可以使用双栅CMOS晶体管，并在深阈值区域操作，以最大程度地降低功耗和减少泄漏电流。

特定吸收率

当电磁波穿过组织时，它将穿透组织，但波的一部分将被组织吸收并以热的形式耗散。电磁波与组织之间的相互作用取决于组织的介电性质和操作频率。在相互作用过程中被组织吸收的功率量被称为特定吸收率。

组织类型对天线性能的影响

电磁波与组织的相互作用取决于操作频率和介电性质。因此，预期植入设备的天线在植入于身体的不同部位以及操作的电磁频率下表现出不同的行为，提出了一种双频段花状天线用于无线植入设备。

设备的多频段天线

在无线植入设备中，天线在管理通信过程和功率传输方面发挥关键作用。因此，这是一个需要同时运行多个频段的多任务过程。例如，需要一个频段用于生物遥测，另一个频段用于功率传输。此外，可能还需要更高频率用于唤醒控制器。由于需要将植入设备小型化，最好使用一种可以在多个频率下高效运行的天线。

一些最近的研究尝试通过设计双频段或三频段天线来解决多频段问题。设计并制造了一种双频段天线，工作频率分别为915 MHz和2.45 GHz，用于头皮植入设备。所制造的曲线天线和实验设置。

为了验证，通常对无线植入设备天线进行测量时要在盐水溶液中进行。设计天线的模拟和测量回波损耗。值得注意的是，随着传输范围的增加，链路裕度减小，其中最高比特率的损失更大。

在无线植入设备中使用RFID天线

一些研究提出了在低频率下使用近场感应耦合的植入设备，并配备两个天线，以及一个额外的远场天线用于离体数据传输系统。提出了一种RFID方法，其中植入部分携带一个反射微系统。另一方面，佩戴式天线用作离体数据通信的辐射部分。

脑部RFID系统的植入和佩戴式天线原型。

用于植入设备中的远场天线的最大挑战之一是天线的尺寸较大，应与电磁波的波长成比例。在这种应用中，植入设备需要尽可能小，因此设计具有可接受效率的小型化天线非常重要。为了解决这个问题，可以使用尺寸约为200微米的紧凑型电磁天线阵列，

所提出的天线系统可以收集电磁能量以为RFID系统供电。此外，天线阵列可以感测到神经磁场。整体无线植入的NanoNeuroRFID系统。

无线植入设备中的天线对准

无线植入系统中常见的挑战之一是辐射方向和极化方向的不对准。这个问题可以通过增加发射功率来轻松解决，但是由于安全风险，入射功率的数量受到限制。使用圆极化天线只能解决极化不对准的问题，而不能解决辐射方向的问题。因此，研究人员付出了大量努力来设计上述问题的通用解决方案。

提出了一种解决方案，利用整流器的非线性产生的谐波来有效地对准发射和接收天线。在这种方法中，采用了双音波形激励来改善整流，并产生互调。

总结

科学家重点介绍了无线植入设备的基本结构，并关注了设计植入设备所使用的各种方法。详细讨论了近场耦合技术，如电容耦合、电感耦合和磁共振。主要关注远场天线的使用，以及其在人体上的影响对天线性能的影响。

讨论和分析了不同类型的天线，以及允许的安全功率水平。还介绍了RFID技术在无线植入设备中的应用。最后，介绍了用于植入设备天线的新对准技术。

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