冠心病如今已成為人類第一大殺手^[1]。現有的治療冠心病最有效的方法就是經皮冠脈介入治療。心臟支架是心臟介入治療手術中常用的醫療器械。當不暢通的血管在植入支架后，血液可以在冠狀動脈中順暢流通。但由于人體自身的排斥等反應，導致常見的支架內部再狹窄。由于再狹窄的風險無法實時預測，導致了冠心病較高的死亡率。而現有的再狹窄診斷手段卻仍限于比較大型的醫療器械。本文介紹了一種便攜式再狹窄診斷技術方案。以心臟支架作為天線，并在該心臟支架上集成射頻收發模塊、微納生物傳感器等模塊來向體外接收設備提供植入處一些重要的生理指標。該天線具有可以同時傳播數據和能量的作用，同時對集成電路起到支撐作用。

        因此，當心臟支架作為射頻天線時，尋找合適的通信頻率，實現在該頻段的有效收發便成為了一個關鍵的問題。美國普渡大學的研究人員于2009年首次提出使用心臟支架作為天線的概念，并首次對作為天線的心臟支架進行了天線輻射特性的仿真、體外和體內測試^[2-3]。雖然其通過輻射效率、輻射方向圖等關鍵性能的測試，確定了心臟支架作為天線的可行性,但由于使用了2.4 GHz和3.7 GHz頻段，導致系統信道損耗過大,最終整個電路系統只實現了局部小型化。因而，對于心臟支架作為天線，其通信頻段的確定以及其他性能的分析至關重要。

        本文針對作為數據和能量傳輸的天線進行研究。首先對其外形結構及原理進行介紹。而對該天線的具體量化，則是利用三維高頻電磁場分析軟件CST MWS對心臟支架天線進行建模實現的。之后再將該模型分別置于自由空間和CST MWS人體模型中進行仿真，得到了天線的反射損耗S11以及輻射方向圖等參數圖。接著在消音室的自由空間中和體外生物實驗(模仿人體組織用磷酸鹽緩沖液和豬肉組織樣品搭建的實驗環境)中，配合矢量網絡分析儀Agilent E8364B PNA等實驗儀器，實測了S11，以對仿真結果進行驗證。最后得出使用433 MHz作為感知式介入心臟支架系統中心臟支架天線的通信頻率。

1 心臟支架天線結構設計

        在心臟支架作為天線的結構設計方面，本文通過分析人體胸腔組織的電磁特性，選擇了遼寧生物醫學材料研發中心有限公司提供的垠藝DSS3023支架，其尺寸為直徑3 mm，長度23 mm，并用一塊2 mm×2 mm×0.2 mm的銅箔作為預想概念系統中的集成電路，在整個系統中扮演地的角色。至于天線和地板之間的連接，使用的是一段半鋼電纜。其中，半鋼電纜的內芯與天線相連，外層與銅箔相連。而半鋼導體的另一端與SMA頭相連，以便實現和矢量網絡分析儀的連接。

2 CST建模仿真

        在對心臟支架天線進行各種環境條件下的仿真之前，首先要對心臟支架天線進行建模。根據心臟支架天線的結構尺寸，在CST中所建模型如圖1所示。天線所用模型及其尺寸、結構都是按照心臟支架天線的比例1:1繪制而成，心臟支架和接地板的材料選擇理想材料PEC。在心臟支架長度方向一端的接地板尺寸為2 mm×2 mm×0.2 mm。其饋電方式采用離散饋電源，饋電位置為支架底端一凸點。離散端口的長度為10 mm，與實物圖相符。

圖1 CST中所建心臟支架天線模型圖

        在已建模型的基礎上，通過CST 軟件設置相關參數，然后獲得天線的天線反射損耗S11圖。一般認為S參數小于-10 dB時，天線在正常工作范圍[4]。

2.1 在自由空間中的仿真

        首先，在CST的仿真環境中對置于消音室的天線進行自由空間環境下的仿真，設置如同單極子仿真。仿真得出自由空間中天線模型的S11圖如圖2所示。

圖2 自由空間中心臟支架天線的S11圖

        可以看出，該天線在自由空間中的工作頻段大概在2.4 GHz頻段。天線的工作模式與單極子一致。這證明心臟支架天線在單端供電時，可以實現與單極子相似的輻射特性。因此，在2.4 GHz左右的中心頻率下，探究心臟支架被植入人體之后的工作頻段。

2.2 在CST人體模型中的仿真

　 本文仿真所采用的人體模型出自CST電磁熱人體模型庫。這個庫包括七種人體模型，本實驗中采用的是其中成人男性的人體模型。其橫向精度在0.85~2.08 mm、縱向精度在0.98~10 mm范圍內，共包括78種人體組織。將包括心臟的人體組織切割，并將上述的心臟支架天線模型置于心臟的左冠狀動脈處，通過仿真設置相應參數，得到相應的S11參數圖。

        圖3為切割人體模型時的界面，調整圖中方框的大小，通過選擇左下角的Front和Side選項，并勾選右側方框中各種組織和器官，對人體模型進行切割。

  圖3 切割人體模型界面

        將心臟支架置于人體模型中仿真示意圖如圖4所示，為突出胸腔組織的輪廓，在此處只將心臟和肺這兩個主要器官著重點出。其他部分如脂肪、肌肉、血液、組織液等亦存在，是一個完整的人體組織結構。將在空氣中已測好的心臟支架天線模型導入該人體模型中，具體位置在心臟左冠狀動脈處，植入深度約3.5 cm。仿真得到的人體模型中天線的S11圖如圖5所示。

 圖4心臟支架置于人體模型中仿真示意圖

圖5 人體模型中心臟支架天線的S11圖

        可以看出，該天線的-10 dB帶寬覆蓋了美國聯邦通訊委員會(FCC)醫療植入通信頻段(MIC)和433 MHz ISM頻段。所以心臟支架天線處于正常工作范圍。

        在確認了諧振頻率之后，進一步仿真給出該頻率下天線的增益圖，如圖6所示。可以看到，在心臟支架天線植入人體之后，由于受到人體組織的衰減影響，增益圖呈現出不對稱分布，這是由于人體造成的衰減具有不對稱性造成的。

    圖6 人體模型中心臟支架天線輻射方向圖

3 實驗驗證

        實驗器材：矢量網絡分析儀Agilent E8364B PNA、消聲尖劈泡沫、按照人體組織結構比例選取的3.5 cm厚的豬肉樣本^[5]等。

3.1 自由空間實驗

        自由空間實驗中，矢量網絡分析儀的引出端連接半鋼導體一端的SMA頭。通過矢量網絡分析儀得到的S11曲線也是在2.4 GHz頻段左右有一個共鳴腔。其結果與使用CST得到的自由空間中天線的S11曲線基本吻合。

3.2 生物體外實驗

        如圖7所示，將心臟支架置于7 cm厚的豬肉(相當于人體組織中的背部結構)上，并將心臟支架用磷酸鹽緩沖液淹沒，上邊覆蓋另外一塊完全按照人體組織結構比例選取3.5 cm厚的豬肉樣本，測量此時天線的S11曲線。將矢量網絡分析儀測得的數據導出之后并做處理，結果如圖8所示。可以看出，實驗所得S11曲線與仿真所得S11曲線相符，即在433 MHz處有一處共鳴腔，而且曲線的大致走向也一致。

    圖7 生物體外實驗場景

    圖8實測生物體外S11曲線

        經過實驗驗證，在磷酸鹽緩沖液以及豬組織樣品的測試中，DSS3023支架天線在433 MHz處有很好的輻射性能。因此，選擇433 MHz作為介入式心臟支架天線的傳輸頻段。

        本文以感知式介入支架系統為應用背景，使用心臟支架作為天線，并且分別從仿真和實驗角度對天線的輻射特性進行研究。最后選擇433 MHz頻段作為感知式介入心臟支架天線的傳輸頻段，在介入式心臟支架天線性能研究方面得出了新的可靠性結論，并為后續的感知式介入心臟支架系統的成型提供了可靠的理論和實驗基礎。

參考文獻

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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] 張亞平，陶波，陳顯才，等.小型RFID偶極子天線設計與優化[J].電子技術應用，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.