植入式天线在生物医学应用中的电磁、SAR与热性能综合评估研究

本刊推荐：为解决植入式医疗设备在人体内无线通信时面临的信号衰减、阻抗失配和频率失谐等挑战，研究人员开展了微型植入式天线的设计与评估研究。该天线工作于ISM频段2.402 GHz，尺寸仅为4×3.5×0.254 mm3，反射系数(S11)低于-22 dB，带宽达10.4%。通过CST和COMSOL多物理场仿真结合离体实验验证，证实其比吸收率(SAR)值为0.385 W/kg（1 g组织，1 mW输入），连续工作时温升≤2 K，满足生物医学安全标准，为起搏器、神经刺激器等植入式设备提供了安全可靠的通信解决方案。

　　

随着植入式医疗设备的快速发展，无线通信已成为现代医疗保健的关键组成部分。植入式天线能够实现遥测、控制和诊断的双向数据传输，是医疗物联网平台和生物医学遥测系统的核心元素。然而，与常规天线不同，植入式天线在人体内运行，周围的生物组织具有损耗性且不均匀，这些条件会导致信号衰减、阻抗失配和频率失谐。因此，植入式天线必须满足严格的要求，包括符合特定吸收率安全限制、生物相容性、微型化以及在组织异质性、运动和温度变化等不同生理条件下的稳定性能。

目前大多数研究仅优化带宽、SAR或紧凑性等单一方面，而实际的生物医学设备需要一种能够同时解决多个性能参数的平衡设计。为了解决这些挑战，本研究引入了一种植入式天线设计，同时考虑辐射效率、增益、方向性、SAR和热性能。该研究通过结合CST Microwave Studio和COMSOL Multiphysics，提供了更准确和全面的评估方法。

本研究的主要技术方法包括：采用矩形贴片结构和多种微型化技术实现紧凑天线设计；使用CST进行电磁参数仿真，COMSOL进行多物理场耦合分析；基于Pennes生物热方程进行热安全评估；通过离体牛脂肪组织实验验证天线性能。

天线设计与仿真设置

研究人员设计了一种总尺寸为4×3.5×0.254 mm3的矩形贴片结构天线，采用Rogers RT/Duroid 6010LM作为基板材料，该材料具有高相对介电常数(ε=10.2)和低损耗角正切(tanδ=0.0023)。天线设计中包含短路针，通过创建辐射元件与接地平面之间的直接电气连接，在不增加天线尺寸的情况下降低谐振频率，同时改善阻抗匹配和辐射特性。完整的天线结构嵌入15×15×10 mm3的长方体人体脂肪组织模型中，使用50,510个域元素、8,655个边界元素和1,417个边元素的网格进行仿真分析。

电磁性能分析

仿真结果显示，天线在ISM频段2.402 GHz处谐振，反射系数在CST中为-33.4 dB，在COMSOL中为-29.6 dB，带宽约为44.78 MHz。实现的最大远场增益为-28.3 dBi，总效率约为0.102%。辐射模式分析表明，由于周围生物组织的损耗特性，天线呈现更接近全向的辐射特性，E平面和H平面均显示出良好的共极化响应和抑制的交叉极化水平，确保持续的体内通信可靠性。

安全性能评估

比吸收率分析显示，在1W输入功率下，1g脂肪组织的最大SAR值为358 W/kg。按植入设备典型工作功率1mW计算，实际SAR值为0.358 W/kg，远低于1.6 W/kg的安全限值。热分析结果表明，在连续工作35分钟内，周围组织温升不超过2K的安全阈值。研究人员建议，对于生物遥测应用，连续工作时间不应超过14分钟，而对于无线功率传输应用，则可延长至35分钟。

实验验证与组织变异性分析

通过离体牛脂肪组织实验验证，反射系数测量值为-22.3 dB，带宽扩展至约0.25 GHz，覆盖2.35-2.60 GHz范围。组织变异性研究表明，当天线植入皮肤或肌肉组织时，阻抗匹配性能显著下降，反射系数恶化至约-3.4 dB，凸显了组织特异性设计的重要性。

研究结论表明，该植入式天线在微型化、电磁性能和热安全方面取得了良好平衡，特别适用于皮下生物医学设备如起搏器、神经刺激器、生物传感器和药物输送系统。通过双平台仿真和离体实验验证，证实其符合生物医学安全标准，为植入式医疗设备的无线通信提供了一种可靠的解决方案。未来研究方向包括多频带设计、多层组织植入场景分析以及体内性能验证，进一步拓展其在生物医学领域的应用潜力。