介入式心脏支架作为天线的性能分析

陈波,赵培森,赵晴

(北京六所新华科电子技术有限公司，北京100085)

冠心病如今已成为人类第一大杀手[1]。现有的治疗冠心病最有效的方法就是经皮冠脉介入治疗。心脏支架是心脏介入治疗手术中常用的医疗器械。当不畅通的血管在植入支架后，血液可以在冠状动脉中顺畅流通。但由于人体自身的排斥等反应，导致常见的支架内部再狭窄。由于再狭窄的风险无法实时预测，导致了冠心病较高的死亡率。而现有的再狭窄诊断手段却仍限于比较大型的医疗器械。本文介绍了一种便携式再狭窄诊断技术方案。以心脏支架作为天线，并在该心脏支架上集成射频收发模块、微纳生物传感器等模块来向体外接收设备提供植入处一些重要的生理指标。该天线具有可以同时传播数据和能量的作用，同时对集成电路起到支撑作用。

因此，当心脏支架作为射频天线时，寻找合适的通信频率，实现在该频段的有效收发便成为了一个关键的问题。美国普渡大学的研究人员于2009年首次提出使用心脏支架作为天线的概念，并首次对作为天线的心脏支架进行了天线辐射特性的仿真、体外和体内测试[2-3]。虽然其通过辐射效率、辐射方向图等关键性能的测试，确定了心脏支架作为天线的可行性,但由于使用了2.4 GHz和3.7 GHz频段，导致系统信道损耗过大,最终整个电路系统只实现了局部小型化。因而，对于心脏支架作为天线，其通信频段的确定以及其他性能的分析至关重要。

本文针对作为数据和能量传输的天线进行研究。首先对其外形结构及原理进行介绍。而对该天线的具体量化，则是利用三维高频电磁场分析软件CST MWS对心脏支架天线进行建模实现的。之后再将该模型分别置于自由空间和CST MWS人体模型中进行仿真，得到了天线的反射损耗S11以及辐射方向图等参数图。接着在消音室的自由空间中和体外生物实验(模仿人体组织用磷酸盐缓冲液和猪肉组织样品搭建的实验环境)中，配合矢量网络分析仪Agilent E8364B PNA等实验仪器，实测了S11，以对仿真结果进行验证。最后得出使用433 MHz作为感知式介入心脏支架系统中心脏支架天线的通信频率。

1 心脏支架天线结构设计

在心脏支架作为天线的结构设计方面，本文通过分析人体胸腔组织的电磁特性，选择了辽宁生物医学材料研发中心有限公司提供的垠艺DSS3023支架，其尺寸为直径3 mm，长度23 mm，并用一块2 mm×2 mm×0.2 mm的铜箔作为预想概念系统中的集成电路，在整个系统中扮演地的角色。至于天线和地板之间的连接，使用的是一段半钢电缆。其中，半钢电缆的内芯与天线相连，外层与铜箔相连。而半钢导体的另一端与SMA头相连，以便实现和矢量网络分析仪的连接。

2 CST建模仿真

在对心脏支架天线进行各种环境条件下的仿真之前，首先要对心脏支架天线进行建模。根据心脏支架天线的结构尺寸，在CST中所建模型如图1所示。天线所用模型及其尺寸、结构都是按照心脏支架天线的比例1:1绘制而成，心脏支架和接地板的材料选择理想材料PEC。在心脏支架长度方向一端的接地板尺寸为2 mm×2 mm×0.2 mm。其馈电方式采用离散馈电源，馈电位置为支架底端一凸点。离散端口的长度为10 mm，与实物图相符。

图1 CST中所建心脏支架天线模型图

在已建模型的基础上，通过CST软件设置相关参数，然后获得天线的天线反射损耗S11图。一般认为S参数小于-10 dB时，天线在正常工作范围[4]。

2.1 在自由空间中的仿真

首先，在CST的仿真环境中对置于消音室的天线进行自由空间环境下的仿真，设置如同单极子仿真。仿真得出自由空间中天线模型的S11图如图2所示。

可以看出，该天线在自由空间中的工作频段大概在2.4 GHz频段。天线的工作模式与单极子一致。这证明心脏支架天线在单端供电时，可以实现与单极子相似的辐射特性。因此，在2.4 GHz左右的中心频率下，探究心脏支架被植入人体之后的工作频段。

2.2 在CST人体模型中的仿真

图2 自由空间中心脏支架天线的S11图

本文仿真所采用的人体模型出自CST电磁热人体模型库。这个库包括七种人体模型，本实验中采用的是其中成人男性的人体模型。其横向精度在0.85～2.08 mm、纵向精度在0.98～10 mm范围内，共包括78种人体组织。将包括心脏的人体组织切割，并将上述的心脏支架天线模型置于心脏的左冠状动脉处，通过仿真设置相应参数，得到相应的S11参数图。

图3为切割人体模型时的界面，调整图中方框的大小，通过选择左下角的Front和Side选项，并勾选右侧方框中各种组织和器官，对人体模型进行切割。

图3 切割人体模型界面

将心脏支架置于人体模型中仿真示意图如图4所示，为突出胸腔组织的轮廓，在此处只将心脏和肺这两个主要器官着重点出。其他部分如脂肪、肌肉、血液、组织液等亦存在，是一个完整的人体组织结构。将在空气中已测好的心脏支架天线模型导入该人体模型中，具体位置在心脏左冠状动脉处，植入深度约3.5 cm。仿真得到的人体模型中天线的S11图如图5所示。

图4 心脏支架置于人体模型中仿真示意图

图5 人体模型中心脏支架天线的S11图

可以看出，该天线的-10 dB带宽覆盖了美国联邦通讯委员会(FCC)医疗植入通信频段(MIC)和433 MHz ISM频段。所以心脏支架天线处于正常工作范围。

在确认了谐振频率之后，进一步仿真给出该频率下天线的增益图，如图6所示。可以看到，在心脏支架天线植入人体之后，由于受到人体组织的衰减影响，增益图呈现出不对称分布，这是由于人体造成的衰减具有不对称性造成的。

图6 人体模型中心脏支架天线辐射方向图

3 实验验证

实验器材：矢量网络分析仪Agilent E8364B PNA、消声尖劈泡沫、按照人体组织结构比例选取的3.5 cm厚的猪肉样本[5]等。

3.1 自由空间实验

自由空间实验中，矢量网络分析仪的引出端连接半钢导体一端的SMA头。通过矢量网络分析仪得到的S11曲线也是在2.4 GHz频段左右有一个共鸣腔。其结果与使用CST得到的自由空间中天线的S11曲线基本吻合。

3.2 生物体外实验

如图7所示，将心脏支架置于7 cm厚的猪肉(相当于人体组织中的背部结构)上，并将心脏支架用磷酸盐缓冲液淹没，上边覆盖另外一块完全按照人体组织结构比例选取3.5 cm厚的猪肉样本，测量此时天线的S11曲线。将矢量网络分析仪测得的数据导出之后并做处理，结果如图8所示。可以看出，实验所得S11曲线与仿真所得S11曲线相符，即在433 MHz处有一处共鸣腔，而且曲线的大致走向也一致。

图7 生物体外实验场景

图8 实测生物体外S11曲线

经过实验验证，在磷酸盐缓冲液以及猪组织样品的测试中，DSS3023支架天线在433 MHz处有很好的辐射性能。因此，选择433 MHz作为介入式心脏支架天线的传输频段。

本文以感知式介入支架系统为应用背景，使用心脏支架作为天线，并且分别从仿真和实验角度对天线的辐射特性进行研究。最后选择433 MHz频段作为感知式介入心脏支架天线的传输频段，在介入式心脏支架天线性能研究方面得出了新的可靠性结论，并为后续的感知式介入心脏支架系统的成型提供了可靠的理论和实验基础。

[1]王梅香，万小毛.睡眠与冠心病发作生理学分析及临床对策[J].基层医学论坛，2007(S1)：75-76.

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[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]张亚平，陶波，陈显才，等.小型RFID偶极子天线设计与优化[J].电子技术应用，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.