作者：Koichi Ito

來源：Compelling Challenges in Antenna Technologies for Future Medical Applications[J].Engineering,2022,11(4):15-17.

編者按

當(dāng)前惧辈，眾多類型的天線已在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用封锉，如診斷莽使、治療厚较、數(shù)據(jù)傳輸和無線電力傳輸?shù)取ｋS著第五代移動(dòng)通信技術(shù)和智能技術(shù)的出現(xiàn)以及改善患者生活質(zhì)量的需求不斷增加港苗，未來醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域的天線技術(shù)面臨著許多挑戰(zhàn)蚤岗。

中國工程院院刊《Engineering》2022年第4期刊發(fā)日本千葉大學(xué)Koichi Ito教授的《未來醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域中天線技術(shù)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)》一文。文章著重介紹了未來醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域中天線技術(shù)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)陌贪，包括醫(yī)療應(yīng)用的天線評估变硬、用于癌癥治療的電磁治療學(xué)的發(fā)展、以人為中心的天線的發(fā)展想触。文章指出粱宝，以人為中心的天線概念可用于進(jìn)一步減輕潛在風(fēng)險(xiǎn)，如不同天線之間的相互干擾晾充；同時(shí)玖膨，提倡為不同目的使用共同的天線可以減少所需的天線數(shù)量，以有利于患者的身體和環(huán)境崭湾。

一赛邢、引言

眾多類型的天線已經(jīng)被研究人員開發(fā)雪怠、測試并用于醫(yī)療領(lǐng)域，如診斷戚嗅、治療雨涛、數(shù)據(jù)傳輸和無線電力傳輸（WPT）。最近懦胞，為了實(shí)現(xiàn)植入式和可穿戴式無線設(shè)備的醫(yī)療應(yīng)用替久，例如，從植入膠囊輸送藥物躏尉、刺激神經(jīng)系統(tǒng)和監(jiān)測生理數(shù)據(jù)蚯根，需要緊湊而堅(jiān)固的天線。由于醫(yī)療應(yīng)用的天線是在靠近人體或在人體中使用的胀糜，因此在開發(fā)和評估時(shí)應(yīng)考慮到它們對人體的影響颅拦。但是，由于道德和實(shí)際原因教藻，在實(shí)驗(yàn)評估醫(yī)療應(yīng)用的天線或無線設(shè)備的特性時(shí)距帅，采用真實(shí)的人體是相當(dāng)困難的。因此括堤，通常采用精密的數(shù)字人體模型進(jìn)行數(shù)值模擬÷到眨現(xiàn)在，許多不同類型的軟件和數(shù)字人體模型都可用于此目的沛专。

隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）和智能技術(shù)的出現(xiàn)尖蚪，以及改善患者生活質(zhì)量（QOL）的需求不斷增加，未來醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域的天線技術(shù)面臨著許多挑戰(zhàn)讯翎。

本文著重介紹了以下三個(gè)挑戰(zhàn)：

（1）醫(yī)療應(yīng)用的天線評估嫉簿；

（2）用于癌癥治療的電磁治療學(xué)的發(fā)展；

（3）以人為中心的天線的發(fā)展最勤。

我們鼓勵(lì)天線研究人員——特別是年輕的專業(yè)人員或研究生——努力研究這些重要而有趣的課題封鹦，為全球健康社會(huì)做出巨大貢獻(xiàn)。

二挥肤、醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域天線的評估

與用于通信的天線的評估不同挥桑，用于醫(yī)療領(lǐng)域的天線性能的評估通常有5個(gè)步驟，包括數(shù)值模擬理秃、模型測量达玉、“肉”實(shí)驗(yàn)（即在無生命組織上的實(shí)驗(yàn)）、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)柴伪。

作為醫(yī)療天線性能評估的第一步蹲居，數(shù)值模擬通常使用精心制作和精確的數(shù)字動(dòng)物或人體模型，這些模型現(xiàn)在已經(jīng)可以在市場上買到睦授。在某些情況下两芳，多物理場仿真是開發(fā)和評估天線的有力工具摔寨。最近，美國食品和藥物管理局（FDA）宣布了新的醫(yī)療設(shè)備開發(fā)工具（MDDT）計(jì)劃怖辆。根據(jù)該計(jì)劃是复，F(xiàn)DA將對醫(yī)療設(shè)備贊助商在開發(fā)和評估設(shè)備時(shí)可使用的工具進(jìn)行鑒定。使用合格的MDDT進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)值模擬可以消除或減輕產(chǎn)品開發(fā)（包括動(dòng)物實(shí)驗(yàn)）中的許多風(fēng)險(xiǎn)和不確定性竖螃。因此淑廊，它可以加速和促進(jìn)醫(yī)療設(shè)備的研究和開發(fā)（R&D）。

使用物理人體模型的實(shí)驗(yàn)作為天線評估的第二步特咆，對于驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果或減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)是必不可少的季惩，特別是在植入式天線的R&D中。各種類型的物理模型已經(jīng)被廣泛開發(fā)以滿足不同的要求腻格。物理模型通常被分為四類：液體画拾、凝膠、半固體和固體模型菜职。特別是摊矮，半固體模型被認(rèn)為適用于涉及植入式天線或設(shè)備的實(shí)驗(yàn)。這是因?yàn)閷⑻炀€或設(shè)備植入半固體模型的正確位置非常容易钻字，然后無需額外的固定裝置就可以將它們固定到位窃等。

在進(jìn)一步改進(jìn)人體物理模型或開發(fā)新的模型，如透明模型或無水模型方面哈痘，仍有很大的空間。與化學(xué)或材料等其他領(lǐng)域的研究人員合作售荆，將有助于實(shí)現(xiàn)這些目的鼎派。

三、用于癌癥治療的電磁治療學(xué)的發(fā)展

術(shù)語“theranostics”是“治療學(xué)”和“診斷學(xué)”的結(jié)合俭柒。在臨床情況下径候，治療學(xué)可能涉及藥物、放射帅维、電磁波或其他技術(shù)的聯(lián)合使用速袁，以同時(shí)或依次診斷和治療疾病。例如溢傅，已有研究報(bào)道了一種微波治療設(shè)備绳匀，它既是檢測惡性組織的傳感器，也是熱消融的施用器炸客。癌癥治療的典型方法是手術(shù)治療疾棵、放療、化療痹仙、基因治療是尔、免疫治療和包括高熱療法和消融在內(nèi)的熱療殉了。將兩種或更多不同的方法結(jié)合起來以獲得更好的臨床效果是可行的。例如拟枚，熱療溫和地利用了電磁波的熱效應(yīng)薪铜，以及健康組織與腫瘤組織之間的熱敏感性差異。目標(biāo)腫瘤通常被加熱到42~45 ℃的治療溫度恩溅，同時(shí)避免過度加熱周圍的健康組織痕囱。

圖1顯示了一個(gè)用于加熱深部腫瘤的環(huán)形相控陣天線的示意圖。該陣列由12個(gè)（6×2環(huán)）微波天線元件組成暴匠，它們被置于人體周圍鞍恢。通過適當(dāng)調(diào)整天線的激勵(lì)相位，微波能量可以集中在要治療的目標(biāo)腫瘤上每窖。為了這一特殊目的溶隅，一般使用較低的頻率（50~200 MHz）。在治療之前菊蹬，腫瘤的位置和大小通常通過傳統(tǒng)的成像技術(shù)龄冀，如X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）來確定。

圖1. 用于深部腫瘤加熱的環(huán)形相控陣示意圖掏谎。

微波成像是一種安全和有前景的無創(chuàng)診斷技術(shù)圆如。在微波頻率下，健康組織和惡性組織的介電特性存在顯著的區(qū)別锄菊。在微波成像中游颅，發(fā)射天線向人體組織輻射低功率微波，而一組接收天線根據(jù)健康和惡性組織的對比占犹，接收散射和（或）傳輸?shù)男盘柕粒允占瘓D像信息。如果圖1所示的相控陣也能作為一個(gè)微波成像系統(tǒng)理币，那么就不需要采用其他成像設(shè)備進(jìn)行診斷步嘹。這樣的設(shè)備將在未來作為治療癌癥的一種形式，具有相當(dāng)大的前景聋亡。與參考文獻(xiàn)[5]中報(bào)道的基本上是侵入性的治療性微波設(shè)備不同肘习，這種設(shè)備可以非侵入性地診斷和治療深部腫瘤。盡管實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)具有挑戰(zhàn)性坡倔，但這樣做將極大地有利于醫(yī)院和醫(yī)生以及患者漂佩。

四、以人為中心天線的發(fā)展

可穿戴和植入式天線被廣泛用于通信或監(jiān)測重要數(shù)據(jù)致讥。醫(yī)院里用于治療或外科手術(shù)的天線有一系列不同的功能仅仆，但所有這些天線通常都被用于人體附近。圖2說明了放在人體附近或人體內(nèi)的天線的各種應(yīng)用。以人為中心的天線的概念墓拜，即專門設(shè)計(jì)用于人體內(nèi)或人體附近的天線港柜，可以采用一個(gè)統(tǒng)一的方法來處理這類用于不同目的的天線。一般來說咳榜，靠近或置于人體內(nèi)的天線問題可被視為所謂的“邊界值問題”夏醉，其中人體被視為一個(gè)復(fù)雜的有損介質(zhì)。原則上涌韩，通過求解索末菲積分方程畔柔，可以得到天線周圍產(chǎn)生的電磁場。這種理論方法可以區(qū)分由天線產(chǎn)生的三種不同的波模朋，即空間波布橄、表面波和體層波。但是谆府，考慮到這種方法的難度和缺乏普及性荠涂，涉及人體內(nèi)或人體附近的天線的個(gè)別案例通常采用數(shù)值或計(jì)算機(jī)模擬的方式來適當(dāng)處理。

圖2. 置于人體附近或人體內(nèi)的天線的各種應(yīng)用灯趁。MRI：磁共振成像裙靶；RFID：射頻識別。

盡管如此稼炉，以人為中心的天線概念可用于進(jìn)一步減輕潛在風(fēng)險(xiǎn)犹喜，如不同天線之間的相互干擾。此外草嫉，提倡為不同目的使用共同的天線可以減少所需的天線數(shù)量阎敬，這不僅有利于患者的身體，也有利于環(huán)境消院。這個(gè)課題仍然需要進(jìn)一步完善甘沾，并且仍然是一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整穴店，若需可查看原文。

改編原文：

Koichi (暫不可見)pelling Challenges in Antenna Technologies for Future Medical Applications[J].Engineering,2022,11(4):15-17.

（中國工程院院刊 ）

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