．電磁仿真助力智慧醫療：優化 RFID 標籤設計

Smart Healthcare - Space Solutions 

智能醫療保健 - 空間解決方案

來源：COMSO 作者：Brianne Costa  

醫療領域有很多值得我們心懷感恩的技術進步。麻醉讓手術中的患者不再需要「咬緊牙關」。

抗生素誕生後，醫生不必放血就能治癒感染。步入現代化時代後，RFID 系統為豐富多樣的醫療保健應用創新，打開了一扇窗。不過為了保證系統性能穩定，並且與其他醫療系統良好地相容，任何新興的醫療技術，都必須經受嚴格的檢驗，生物醫學領域的射頻標識設備也不例外。

RFID 系統提升醫療護理水準

RFID 技術在很多行業，具有廣泛應用。然而提及醫療領域，尺寸卻成為了一個關鍵設計難題。RFID 標籤的較窄一端，大小相當於一粒米，然而這還不夠，細胞水平的應用(例如研究和診斷)需要進一步縮小設計尺寸。

史丹佛大學的一組研究人員，研發出一款可植入細胞(例如皮膚或癌細胞)的微型 RFID 標籤。標籤約相當於人類髮絲粗細的五分之一。它與專門的射頻標識讀寫器配合使用，可以解釋數據、即時監控細胞活動。

在未來，微型 RFID 標籤還可以感測器相互連接，促進先進生物治療技術的發展，例如抗體檢測和癌細胞破壞。

　　外科醫生將 RFID 微晶片植入醫生手中。不久之後，這些標籤可以植入到單細胞中。圖片由 Paul Hughes 提供。已獲得 CC BY-SA 4.0 許可，通過 Wikimedia Commons 分享。

不管醫生的臨床照顧有多麼周到，患者恐怕都很難享受，以被戳刺的方式，來檢測生命體徵。在美國康乃爾大學，研究人員設計了特高頻(ultrahigh frequency，簡稱 UHF) RFID 標籤，它不僅可以監測心率、呼吸和血壓等生命體徵，甚至根本不需要接觸患者。

標籤可以放入醫用腕帶，或縫製到衣服中。RFID 讀寫器與標籤進行無線通信，能夠同時監控多名患者。該系統依靠後端軟體來管理、解釋和監控數據。

由此一來，醫生能夠準確瞭解每位患者的生命系統特徵，醫療人員可以在測量生命體徵時，節省時間和精力，患者變得更加舒心，實在是一舉多得。

　　「智能織物」是 RFID 系統的一個有潛力的應用領域。圖片由 Joshua Dickens 提供。已獲得 CC BY-SA 2.0許可，通過 Wikimedia Commons分享。

　　

舉例來說，睡眠障礙和睡眠呼吸暫停，這兩種病症往往得不到有效治療。雖然它們可能導致五花八門的健康和安全問題，但是很少患者習慣接受夜間睡眠測試，畢竟睡眠監測不僅非常昂貴，而且容易打亂患者的日程安排，可在家進行的測試又很難操作。(我自己經常在家進行睡眠測試，每次必須將系統捆綁在胸前，把呼吸管粘在臉上，又要盡力使手指上的監控器不脫落，體驗極其難受，又不方便)。

為了提供支持，義大利 RADIO6ENSE 公司、巴勒莫大學和羅馬大學的研究人員，開發了一種可遠端即時跟蹤，睡眠模式的無源 RFID 系統。這款用戶友好的無源 RFID 系統中，有一個縫在睡衣中的 RFID 標籤，它能夠在低功率水平下運行，完全不需要電池，所以這套睡眠模式數據採集器不僅精準，而且是一款安全的可穿戴設備。

生物醫學射頻標識設計中的電磁干擾和電磁相容性

電磁干擾(electromagnetic interference，簡稱 EMI)和電磁相容性(electromagnetic compatibility，簡稱 EMC)是電磁學應用中的常見現象，可以透過電磁干擾/相容性測試進行分析。

　　消聲室是可測量天線的電磁干擾/電磁相容性的設備之一。

　　

當討論應用於生物醫學的 RFID 標籤時，電磁干擾受到了格外關注，原因在於設備之間可能發生多餘的互感，對性能、操作和可靠性產生破壞性影響。

2011 年發佈的一項研究顯示，美國國家生物技術資訊中心，與水、金屬或其他設備的接觸(接觸在醫療場合是合理的)，可能會影響 RFID 系統運行 —— 或者產生反向的破壞性影響。

此外，2017 年美國食品藥品監督管理局 發佈了一篇有關 RFID 報告，他們警告當 RFID 系統與其他醫療設備交互時，電磁干擾會成為潛在的危險。

只要牽涉到患者的福祉和安全，醫療專業人員絕不願意聽到「潛在危害」這類說法。這時仿真可以助他們一臂之力。

在 COMSOL Multiphysics® 中優化射頻標識組件設計

在設計應用於生物醫學的 RFID 標籤時，工程師必須考慮標籤和讀寫器的性能，以及射頻標識給其他醫療設備和系統，帶來了哪些影響。他們可以首先對單個器件(例如 RFID 標籤)進行表徵，為電磁干擾分析，創造一個良好的起點。電磁仿真可用於計算 RFID 系統設計中的互感。

優化特高頻器件的檢測與讀取範圍

不管與讀寫器相距較近，還是在遠距離之外，特高頻標籤都容易被檢測到，所以相比於低頻和高頻，特高頻無源 RFID 標籤更受青睞，應用範圍也更為廣泛。特高頻標籤還可以快速傳輸數據，具有更優的成本收益。

為了計算特高頻 RFID 標籤的檢測和讀取範圍，你可以使用 COMSOL Multiphysics® 軟體附加的「RF 模組」。RF 仿真，可以計算標籤設計的默認電場模或電場。根據計算值，我們可以預測患者身上理想的標籤位置，以及同時跟蹤多名患者的 RFID 讀寫器的理想位置。

　　分析特高頻 RFID 標籤的電場(上)和遠場輻射方向圖(下)可以增強設備的檢測能力，擴大測量範圍。

　　

仿真分析也可以為標籤，生成遠場輻射方向圖。舉例來說，上方模型顯示，標籤平面上每個方向的輻射方向圖基本相同。仿真結果表明 RFID 標籤設計的性能得到了優化，讀取範圍延伸了很遠的距離。

確保生物醫療 RFID 系統的安全性

現在我們建構一個基礎的 RFID 系統模型，它主要由兩個零件構成：

裝有大型射頻天線的讀寫器

帶印刷電路板天線的應答標籤

　　讀寫器(上)和 RFID 標籤(下)的幾何形狀。

　　

系統的工作原理如下：讀寫器產生電磁場後，對 RFID 標籤內的晶片產生激勵。標籤的電路會改變電磁場，然後 RFID 讀寫器的天線，對變化後的信號進行恢復。

借助 COMSOL Multiphysics 附加的「AC/DC 模組」和磁場接口，設計師可以模擬讀寫器，和標籤之間的電感耦合。透過檢測系統內一個天線，截斷另一個天線的電流，而產生的總磁通量，可以計算出互感。

下圖的仿真結果，顯示了 RFID 標籤和讀寫器之間，磁通線和磁通強度。根據上述結果，我們可以計算出系統的互感。

　　RFID 系統的磁通密度。

　　

透過計算 RFID 系統的互感，人們就能夠預測系統，與其他醫療設備之間的電磁干擾情況。更重要的是，成功獲得安全的 RFID 標籤設計，透過各種方式，改善患者的治療水準。