介入式心臟支架作為天線的性能分析

1、通信與網(wǎng)絡(luò)Communication and Network介入式心臟支架作為天線的性能分析陳波，趙培森.趙晴(北京六所新華科電子技術(shù)有限公司，北京100()85)摘 要：介紹了一種新型便攜式再狹窄診斷技術(shù)方案。以感知式介入心臟支架系統(tǒng)作為應(yīng)用背 景，以心臟支架作為系統(tǒng)天線，燈天線的性能進(jìn)行了深入分析°利用CST軟件分別對心臟支架直于自 由空間和人體模型中進(jìn)行了仿真，得到了天線的反射損耗S11曲線以及輻射方向圖.并用磷酸鹽緩沖 液和豬肉組織樣品實測了天線的S11曲線，實測結(jié)果與軟件仿真結(jié)果吻合較好，經(jīng)仿真和實驗證明， 該心臟支架天線在433 MHz諧振頻率處能很好地滿足感知式介入心臟

2、支架系統(tǒng)的通信需求，可以作 為感知式介入心臟支架系統(tǒng)的天線傳輸頻段。關(guān)鍵詞：感知式介入心臟支架；心臟支架天線；人體模型；反射損耗S11曲線；433 MHz中圖分類號：TM92文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：0258-7998(2014)06-0096-03Performance analysis of interventional cardiovascular stent antennaChen Bo, Zhao Peisen, Zhao Qi ng(Beijing Huake Electronics Co. LTD. Beijing 100085.China)Abstract: A novel me

3、thod of portable diagnosis of restenosis is pniposed in this pa卩Fr. Based on perceplive interventional cardiovascular stent systemt cardiovascular Ment is used as the antenna and the radiation performance of the antenna is analyzed The stent antenna model is simulated in both freespace and human iik

4、kIcI through (YT (Computer Simulation Technologyand simulated return loss SI I and radiation pattern are presented The return Ichs SI I is ol)taine<l with phosphate buffer and pork tissue sample, and good agreement between measurement anti simulation is achieved. The simulation and experiment pn&

5、gt;v? that 433MHz band can satisfy the communication demand of lhe system, and can lie chosen as transmission band of the anlennaKey words： perceptive intcnentional cardiovascular stent: ranliovascular sent antenna: human model： return loss SI 1: 433 MHz通信與網(wǎng)絡(luò)Communication and Network通信與網(wǎng)絡(luò)Communicati

6、on and Network冠心病如今已成為人類第-大殺乎山?，F(xiàn)有的治療 冠心棘最有效的方法就是經(jīng)皮冠脈介入治療。心臟支架 是心臟介入治療手術(shù)中常用的醫(yī)療器械C當(dāng)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(yīng).導(dǎo)致常見的支架內(nèi)部再狹 窄。曲于再狹窄的風(fēng)險無法實時預(yù)測導(dǎo)致了冠心病較 高的死亡率。面現(xiàn)有的再狹窄診斷手段卻仍限于比較大 教的醫(yī)療器械；本文介紹了一種便攜式再狹窄診斷技術(shù) 方案r以心臟支架作為天線并在該心臟支架上集成射頻 收發(fā)模塊、微納生物傳感器等模塊來向體外接收設(shè)備提 供植入處一些重契的宅理指標(biāo)該大線貝有可以同時傳 播數(shù)據(jù)和能貴的作用，同時對集成電

7、路起到支掙作用。因此，當(dāng)心臟支架作為射頻天線時，尋找合適的通 信頻率，實現(xiàn)在該頻段的右效收發(fā)便成為了一個關(guān)鍵的 問題°美國普渡大學(xué)的研究人員于2009年首次提出使 用心臟支架作為夭線的槪念，并首次對作為天線的心臟96 歡迎網(wǎng)上投槁支架進(jìn)行了天線輻射特性的仿真、體外和體內(nèi)測試1口1。雖 然其通過棚射效率、輛射方向圖等關(guān)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 2.4GHz和 3.7 GHz頻段，錚致系統(tǒng)信道損耗過犬，最終整個電路系 統(tǒng)只實現(xiàn)了局部小型化因而，對干心臟支架作為天線， 其通信頻段的確定以及其他性能的分析至關(guān)重要。本文針対作為數(shù)據(jù)和能斌傳輸?shù)奶炀€進(jìn)行研究。

8、首 先對其外形結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行介紹而對該天線的具體雖 化.則是利用三維爲(wèi)頻電啟場分析軟件CST MWS對心 肌支架天線進(jìn)行建模實現(xiàn)的：之后再將該模型分別徨于 自由空間和CST MWS人體模型中進(jìn)行仿真得到了天 線的反射損耗SII以及輻肘方向I冬I導(dǎo)參數(shù)圖。接肴在消 音室的自山空間中和體外生物實驗(模仿人體組織用硯 感鹽緩沖液和豬肉組織樣品搭建的實驗環(huán)境)中配合 矢呈網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E8364B PNA等實驗儀器實測 了 SII 以對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證.戰(zhàn)后得岀使用433 "缶 電子技術(shù)應(yīng)用2014年第4()卷第6期通信與網(wǎng)絡(luò)Communication and NetworkCo

9、mmunication and Network頻率/GHz圖2 口由空間中心臟支架天線的S11圖作為感知式介入心臟支架系統(tǒng)中心臟支架 天線的通信頻率。1心臟支架天線結(jié)構(gòu)設(shè)計在心臟支架作為天線的結(jié)構(gòu)設(shè)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(yī)學(xué)材料研發(fā)中心有限公 司提供的垠藝DSS3O23支架，其尺寸為直徑 3 mm,長度 23 mm ,并用一塊 2 mmx2 mmx 0.2 mm的銅箔作為預(yù)想槪念系統(tǒng)中的集成 電路，在整個系統(tǒng)中扮演地的角色。至于天 線和地板之間的連接，使用的是一段半鋼屯纜。其中，半 鋼電纜的內(nèi)芯與天線相連，外層與銅箔相連。而半鋼導(dǎo) 體的另一端與SMA頭相

10、連以便實現(xiàn)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析 儀的連接2 CST建模仿真在對心臟支契天線進(jìn)行各種環(huán)境條件下的仿真之 前，首先要對心臟支架天線進(jìn)行建模。根據(jù)心臟支架天 線的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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 mmx 2mmx0.2mm。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。99 m 99 4*圖I CST中所罐心臟支架夭線模型圖在已建模型的基礎(chǔ)上，通過CST軟件設(shè)實相關(guān)參 數(shù)，然后獲得天線的天線反射損

11、耗S11圖。一般認(rèn)為S 參數(shù)小于10dB時，天線在正常工作范圍。2.1在自由空間中的仿真首先，在CST的仿真環(huán)境中對置于消音室的天線進(jìn) 行自由空間環(huán)境下的仿真，設(shè)置如同單極子仿真。仿真 得岀自由空間中天線模型的S11圖如圖2所示。可以看出，該天線在自由空間中的工作頻段大概在 2.4GHz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(xiàn)與單極子相似的輻 肘特性。因此，在2.4CHz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岀自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 電

12、子技術(shù)應(yīng)用2014年第40卷第6期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(nèi)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(shè)置相應(yīng)參數(shù). 得到相應(yīng)的S11參數(shù)圖。圖3為切割人體模型時的界面調(diào)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(cè)方 框中各種組織和器官對人體模型進(jìn)行切割。圖3切割人體模蚩界面將心臟支架置于人體模型中仿真示意圖如圖4所 示，為突出彌腔組織的輪瞬在此處只將心臟和肺這兩 個主要器官看重點出。其他部分如脂肪、肌肉、血液、組 織液等亦存在，是一

13、個完整的人體組織結(jié)構(gòu)。將在空氣圖4心臟支架置于人體模P中仿戊示恿圖97通信與網(wǎng)絡(luò)Communication and Network通信與網(wǎng)絡(luò)Communication and Network中已測好的心臟支架天線模型導(dǎo)入該人體模型中，具體 位垃在心臟左盅狀動脈處，植入深度約3.5cm。仿真得 到的人體模型中天線的S11圖如圖5所示?？梢钥闯?，該天線的-10dB帶寬覆蓋了美國聯(lián)邦通 訊委員會(FCC)灰療植人通信頻段(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(rèn)了諧振頻率之后，進(jìn)一步仿真給出該頻率下 天線的增益圖，如圖6所示。町以看到，在心臟支架天線 植入人體

14、之后，由于受到人體組織的衰減影響，增益圖 呈現(xiàn)出不對稱分布，這是由于人體造成的衰滅具有不對 稱性造成的。通信與網(wǎng)絡(luò)Communication and Network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：矢員網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E8364B PNA、消 聲尖劈泡沫、按照人體組織結(jié)構(gòu)比例選取的3.5cm厚的 豬肉樣本等。3.1自由空間實驗自由空間實驗中矢就網(wǎng)絡(luò)分析儀的引出端連接半 鋼導(dǎo)體一端的SMA頭'通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀得到的Sil 曲線也是在2.4GHz頻段左右有一個共鳴腔。其結(jié)果與 使用CST得到的自由空間中天線的SI1曲線基本吻合。 3.2生物體外實驗如圖7所

15、示，將心臟支架置于7cm厚的豬肉(相當(dāng) 于人體組織中的背部結(jié)構(gòu))上，并將心臟支架用磷酸鹽 緩沖液淹沒，上邊復(fù)蓋另外一塊完全按照人體組織結(jié)構(gòu) 比例選取3.5cm厚的豬肉樣本，測最此時天線的Sil曲 線。將矢址網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的數(shù)據(jù)導(dǎo)出之后并做處理， 結(jié)果如圖8所示°可以看出，實驗所得S11曲線與仿真98 歡迎網(wǎng)上 投稿 所得S1】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。經(jīng)過實驗驗證在磷酸鹽緩沖液以及豬組織樣品的 測試中，DSS3O23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C本文以感知式介入支架

16、系統(tǒng)為應(yīng)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(jìn)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(jié)論，并為后續(xù)的感知式介入心臟支 架系統(tǒng)的成型提供了可靠的理論和實驗基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 王梅香萬小毛睡眠與窺心病發(fā)作生理學(xué)分析及臨床 對策J.基層醫(yī)學(xué)論壇,2007(Sl)：75-76.2 CHOW E Y, OUYANG Y, BEIER B, et al. Evaluation of cardiovascular stents as antennas for implantable wi

17、reless applicatiansJ. IEEE Transactions on Microw.Theory Techniques, 2009, 57(10):2523-25323 CHOW E Y, CHLEBOWSKI A L. CHAKRABORTY S, etal. Fully wireless implantable cardiovascular pressure monitor integrated with a medical stent J. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2010,57(6): 1487- 149

18、64 張亞平陶波陳顯才，等小型RF1D偶極子天線設(shè)計與 優(yōu)化卩電子技術(shù)應(yīng)用.2012.38(3):117-119,123.5 RAHKO P S. Evaluation of the skin-to-heart distance in(下轉(zhuǎn)第102頁)電子技術(shù)應(yīng)用2014年第40卷第6期贅述。3.1.2信道調(diào)制方式及參數(shù)為了分析方便選用了()H)M調(diào)制方式。設(shè)信號直接 以基帶形式在電力線信道上傳輸，電力線信道可用頻帶為 40kHz500kHz.根據(jù)奈奎斯持釆樣定理IFFT輸出的采 樣頻率后| O24kHz。取子載波數(shù)N=I28,則碼元間隔7 = Ng25» 頻率分辨率為A/=l 02

19、4/128=8 kHz.取保護(hù) 間隔7>5“.則總的OFDM碼元周期7>7>130“。由 FFT性質(zhì)可知由亍數(shù)據(jù)從有共鋌對稱性質(zhì)，因此實際上只有一半的子嚴(yán)波加裁了數(shù)據(jù).去除低于40kHz的5 個了載波實際使刖的了信道數(shù)九-59 總的符弓率為R 二NJT嚴(yán) 454 kb/s3.2仿真結(jié)果分析為了驗證算法的有效件本文首先對中低壓電力線 信道總接通過無源耦合器連接后的OFDM解調(diào)進(jìn)行了 仿真測址了不同仿噪比晴況卜的誤碼恃性，如圖6帶 “”標(biāo)記所示曲線從該曲線可以看出在信噪比低于 10dB時.接收誤碼率較高-然后.對增加了均衡算法后 的OFDM解調(diào)效果進(jìn)行了仿氏如圖6帶“o”標(biāo)記所示

20、 曲線。由圖6可以看出增加判決反饋均衡器后OFDM 解調(diào)誤碼率比未接入判決反饋均衡器而直接解調(diào)時有 明顯的下降，大約改善信噪比5dB-6(!B0特別是在低信 噪比情況下.接入判決反饋均衡器后，接收性能改善效 果更加突出ffl 6兩種tf況下不同信噪比時的解調(diào)i尖碼率通過對實際中低壓電力線信道互聯(lián)特性的測址表 明，電力線信道都存在較為嚴(yán)重的頻率選擇性衰落點。 受低壓負(fù)荷變化較快等因素的彤響通過橋接器連接低 （上接第98頁）the standing adult by two-dimensional echocardiographyJ. J Am Sue Ech（x-ardi<»gr

21、.» 2008,21（6）:761-4（收稿日期：2013-11-19）作者簡介：陳波女.1989年生欣士研究生主箜研究方向：無線102 歡 迎網(wǎng)上 投稿 壓線路后倍道衰減普遍增加5dB6dB.同時線路的信 道待性伴隨較強的時變性。為了提高橋接后的通侑可靠 性，在低壓接收側(cè)引入實吋信道均衡是十分必要的。針對中低壓信道互聯(lián)時倍道慢時變持點本文提岀 了一種劌決反饋均衡算法。其思想是SIFT快速傅 里葉變換算法快速估計出信道接收頻譜然后根據(jù)信道 的慢時變恃性，利用當(dāng)前的接收信道頻譜轉(zhuǎn)性結(jié)合前一 時刻的信道待性，估汁出當(dāng)前的信道均衡值構(gòu)成了一 個閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)。山于該算法實時性高.且信道均衡可

22、 以跟蹤信道的變化.信道均衡性能良好。仿真實驗證明 了算法的有效性。參考文獻(xiàn)II謝志遠(yuǎn)，劉侑.郭以賀等.三相架空電力線上我波信號的傳輸規(guī)律【J電力系統(tǒng)自動化.2012,36(5):57-602 皇甫堪陳建文樓生強現(xiàn)代數(shù)？信號處理器M北京： 電子工業(yè)出版社.2003.3 ANTONIO C. VALENTINA C. Simulation and lalx)ratory experimental tests of a line to shield medium-voltage power -line communication systemfj|. IEEE Transactions on Po

23、wer Delivery. 2011,26(4):2829-28364 I.i Ye, LEONARD J Robust channel eslimation for OFDM systems with rapid dispersive fading channels(J. IEEE Transactions on Communications. 1998,46(7):902 -915 |5)呂海峰郭靜波壬贊基電力線正交頻分復(fù)用通仿的實 時信道估計J電力系統(tǒng)自動化.2003, 27(9):29-31.6 唐良瑞，張勘.張半.正交頻分更用系統(tǒng)中基于迭代插 值的低壓電力線信道估計卩中國電機工程學(xué)報

24、.2010, 30(1):98-102 7 謝志遠(yuǎn).耿垣侯思祖.屋于判決反饋的正交頻分復(fù)用 低壓電力線通信信道估計的研究J中國電機工程學(xué) 報，2005,25(23):66-70 8|謝志遠(yuǎn)楊星貢振崗等中壓配電網(wǎng)載波通信調(diào)制解闊 技術(shù)研究IJ)電子技術(shù)應(yīng)用.2013.39：93-95(收稿日期：2013-11-13)作者簡介：苑津莎男J957年生，博士，教授博士生導(dǎo)師主婆 研究方向：電力系統(tǒng)通倚與電力信息處理技術(shù)°謝思哲女J989年生碩上研究生，主要研究方向：電 力系統(tǒng)通侑。謝志遠(yuǎn)男.1964年生博士 教授，主要研究方向：押 能電網(wǎng)通佰與信息技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)字信號處理應(yīng)用。通信、嵌入式系統(tǒng)'趙培森男J992年生本科主要研究方向；無線通