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，射頻識別（radio-frequency identification，簡稱 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兼容，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平

射頻識別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。

斯坦福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、實時監控細胞活動。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 微晶元植入醫生手中。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征。在美國康奈爾大學，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征，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，醫生能夠準確了解每位患者的生命系統特徵，醫療人員可以在測量生命體征時節省時間和精力，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，又要儘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程實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兼容性

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

消聲室是可測量天線的電磁干擾/電磁兼容性的設備之一。

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 年發布的一項研究表明美國國家生物技術信息中心，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 發布了一篇有關 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。這時模擬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。電磁模擬可用於計算 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，您可以使用 COMSOL Multiphysics? 軟體附加的「RF 模塊」。RF 模擬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。

模擬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。模擬結果表明 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

現在我們構建一個基礎的 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 標籤內的晶元產生激勵。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。

藉助 COMSOL Multiphysics 附加的「AC/DC 模塊」和磁場 介面，設計師可以模擬讀寫器和標籤之間的電感耦合。通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。

下圖的模擬結果顯示了 RFID 標籤和讀寫器之間的磁通線和磁通強度。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。

通過計算 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，通過各種方式改善患者的治療水平。

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經授權轉載自 cn.comsol.com/blogs，原作者 Brianne Costa 。


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