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盘点电磁仿真在智能医疗中的应用

医疗范畴有许多值得咱们心胸感恩的技能进步。麻醉让手术中的患者不再需求“咬紧牙关”。抗生素诞生后,医师不用放血就能治好感染。步入现代化年代后,射频辨认(radio-frequency identification,简称 RFID)体系为丰厚多样的医疗保健运用立异打开了一扇窗。不过为了保证体系功能安稳,并且与其他医疗体系杰出地兼容,任何新式的医疗技能都有必要饱尝严厉的查验,生物医学范畴的射频标识设备也不破例。

  RFID 体系提高医疗护理水平

  射频辨认技能在许多职业具有广泛运用。可是提及医疗范畴,尺度却成为了一个要害规划难题。RFID 标签的较窄一端巨细相当于一粒米,可是这还不行,细胞水平的运用(例如研讨和确诊)需求进一步缩小规划尺度。

  斯坦福大学的一组研讨人员研宣布一款可植入细胞(例如皮肤或癌细胞)的微型 RFID 标签。标签约相当于人类发丝粗细的五分之一。它与专门的射频标识读写器合作运用,可以解说数据、实时监控细胞活动。在未来,微型 RFID 标签还可以传感器相互连接,促进先进生物医治技能的开展,例如抗体检测和癌细胞损坏。

  外科医师将 RFID 微芯片植入医师手中。不久之后,这些标签可以植入到单细胞中。图片由 Paul Hughes 提供。已取得CC BY-SA 4.0 答应,经过 Wikimedia Commons 共享。

  不论医师的临床照料有多么周到,患者恐怕都很难享用以被戳刺的方法来检测生命体征。在美国康奈尔大学,研讨人员规划了特高频(ultrahigh frequency,简称 UHF)RFID 标签,它不只可以监测心率、呼吸和血压等生命体征,乃至底子不需求触摸患者。标签可以放入医用腕带,或缝制到衣服中。RFID 读写器与标签进行无线通信,可以一起监控多名患者。该体系依托后端软件来办理、解说和监控数据。由此一来,医师可以精确了解每位患者的生命体系特征,医疗人员可以在丈量生命体征时节省时间和精力,患者变得愈加适意,实在是一举多得。

  “智能织物”是 RFID 体系的一个有潜力的运用范畴。图片由 Joshua Dickens 提供。已取得 CC BY-SA 2.0答应,经过 Wikimedia Commons共享。

  举例来说,睡觉妨碍和睡觉呼吸暂停这两种病症往往得不到有用医治。尽管它们或许导致形形色色的健康和安全问题,可是很少患者习气承受夜间睡觉测验,究竟睡觉监测不只十分贵重,并且简单打乱患者的日程安排,可在家进行的测验又很难操作。(我自己常常在家进行睡觉测验,每次有必要将体系捆绑在胸前,把呼吸管粘在脸上,又要尽力使手指上的监控器不掉落,体会极端难过,又不便利)。

  为了提供支撑,意大利 RADIO6ENSE 公司、巴勒莫大学和罗马大学的研讨人员开发了一种可长途实时盯梢睡觉形式的无源 RFID 体系。这款用户友爱的无源 RFID 体系中有一个缝在睡衣中的 RFID 标签,它可以在低功率水平下运转,彻底不需求电池,所以这套睡觉形式数据采集器不只精准,并且是一款安全的可穿戴设备。

  生物医学射频标识规划中的电磁搅扰和电磁兼容性

  电磁搅扰(electromagnetic interference,简称 EMI)和电磁兼容性(electromagnetic compatibility,简称 EMC)是电磁学运用中的常见现象,可以经过电磁搅扰/兼容性测验进行剖析。

  消声室是可丈量天线的电磁搅扰/电磁兼容性的设备之一。

  当评论运用于生物医学的 RFID 标签时,电磁搅扰受到了分外重视,原因在于设备之间或许发生剩余的互感,对功能、操作和可靠性发生损坏性影响。2011 年发布的一项研讨标明美国国家生物技能信息中心,与水、金属或其他设备的触摸(触摸在医疗场合是合理的)或许会影响 RFID 体系运转——或许发生反向的损坏性影响。此外,2017 年美国食品药品监督办理局 发布了一篇有关 RFID 陈述,他们正告当 RFID 体系与其他医疗设备交互时,电磁搅扰会成为潜在的风险。

  只需牵涉到患者的福祉和安全,医疗专业人员绝不乐意听到“潜在损害”这类说法。这时仿真可以助他们一臂之力。

  在 COMSOL Multiphysics® 中优化射频标识组件规划

  在规划运用于生物医学的 RFID 标签时,工程师有必要考虑标签和读写器的功能,以及射频标识给其他医疗设备和体系带来了哪些影响。他们可以首要对单个器材(例如 RFID 标签)进行表征,为电磁搅扰剖析发明一个杰出的起点。电磁仿真可用于核算 RFID 体系规划中的互感。

  优化特高频器材的检测与读取规模

  不论与读写器相距较近,仍是在远间隔之外,特高频标签都简单被检测到,所以比较于低频和高频,特高频无源 RFID 标签更受喜爱,运用规模也更为广泛。特高频标签还可以快速传输数据,具有更优的本钱收益。

  为了核算特高频 RFID 标签的检测和读取规模,您可以运用 COMSOL Multiphysics® 软件附加的“RF 模块”。RF 仿真可以核算标签规划的默许电场模或电场。依据核算值,咱们可以猜测患者身上抱负的标签方位,以及一起盯梢多名患者的 RFID 读写器的抱负方位。

  剖析特高频 RFID 标签的电场(上)和远场辐射方向(下)可以增强设备的检测才能,扩展丈量规模。

  仿真剖析也可以为标签生成远场辐射方向图。举例来说,上方模型显现,标签平面上每个方向的辐射方向图根本相同。仿真成果标明 RFID 标签规划的功能得到了优化,读取规模延伸了很远的间隔。

  保证生物医疗 RFID 体系的安全性

  现在咱们构建一个根底的 RFID 体系模型,它主要由两个零件构成:

  装有大型射频天线的读写器

  带印刷电路板天线的应对标签

  读写器(上)和 RFID 标签(下)的几许形状。

  体系的作业原理如下:读写器发生电磁场后,对 RFID 标签内的芯片发生鼓励。标签的电路会改变电磁场,然后 RFID 读写器的天线对改变后的信号进行康复。

  凭借 COMSOL Multiphysics 附加的“AC/DC 模块”和磁场 接口,规划师可以模仿读写器和标签之间的电感耦合。经过检测体系内一个天线切断另一个天线的电流而发生的总磁通量,可以核算出互感。

  下图的仿真成果显现了 RFID 标签和读写器之间的磁通线和磁通强度。依据上述成果,咱们可以核算出体系的互感。

  RFID 体系的磁通密度。

  经过核算 RFID 体系的互感,人们就可以猜测体系与其他医疗设备之间的电磁搅扰状况。更重要的是,成功取得安全的 RFID 标签规划,经过各种方法改进患者的医治水平。


标签:医疗管理

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