未來醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域天線技術(shù)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

一、引言眾多類型的天線已經(jīng)被研究人員開發(fā)、測試并用于醫(yī)療領(lǐng)域，如診斷、治療、數(shù)據(jù)傳輸和無線電力傳輸（WPT）。最近，為了實現(xiàn)植入式和可穿戴式無線設(shè)備的醫(yī)療應(yīng)用，例如，從植入膠囊輸送藥物、刺激神經(jīng)系統(tǒng)和監(jiān)測生理數(shù)據(jù)，需要緊湊而堅固的天線。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，因此在開發(fā)和評估時應(yīng)考慮到它們對人體的影響。但是，由于道德和實際原因，在實驗評估醫(yī)療應(yīng)用的天線或無線設(shè)備的特性時，采用真實的人體是相當(dāng)困難的。因此，通常采用精密的數(shù)字人體模型進(jìn)行數(shù)值模擬。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。隨著第五代移動通信技術(shù)（5G）和智能技術(shù)的出現(xiàn)，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)。本文著重介紹了以下三個挑戰(zhàn)：（1）醫(yī)療應(yīng)用的天線評估；（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。我們鼓勵天線研究人員——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，為全球健康社會做出巨大貢獻(xiàn)。二、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，用于醫(yī)療領(lǐng)域的天線性能的評估通常有5個步驟，包括數(shù)值模擬、模型測量、“肉”實驗（即在無生命組織上的實驗）、動物實驗和臨床試驗。作為醫(yī)療天線性能評估的第一步，數(shù)值模擬通常使用精心制作和精確的數(shù)字動物或人體模型，這些模型現(xiàn)在已經(jīng)可以在市場上買到。在某些情況下，多物理場仿真是開發(fā)和評估天線的有力工具。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）計劃。根據(jù)該計劃，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)（包括動物實驗）中的許多風(fēng)險和不確定性。因此，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驗作為天線評估的第二步，對于驗證數(shù)值模擬結(jié)果或減少動物實驗是必不可少的，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。物理模型通常被分為四類：液體、凝膠、半固體和固體模型。特別是，半固體模型被認(rèn)為適用于涉及植入式天線或設(shè)備的實驗。這是因為將天線或設(shè)備植入半固體模型的正確位置非常容易，然后無需額外的固定裝置就可以將它們固定到位。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，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，將有助于實現(xiàn)這些目的。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。在臨床情況下，治療學(xué)可能涉及藥物、放射、電磁波或其他技術(shù)的聯(lián)合使用，以同時或依次診斷和治療疾病。例如，已有研究報道了一種微波治療設(shè)備，它既是檢測惡性組織的傳感器，也是熱消融的施用器。癌癥治療的典型方法是手術(shù)治療、放療、化療、基因治療、免疫治療和包括高熱療法和消融在內(nèi)的熱療。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，熱療溫和地利用了電磁波的熱效應(yīng)，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，同時避免過度加熱周圍的健康組織。圖1顯示了一個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（6×2環(huán)）微波天線元件組成，它們被置于人體周圍。通過適當(dāng)調(diào)整天線的激勵相位，微波能量可以集中在要治療的目標(biāo)腫瘤上。為了這一特殊目的，一般使用較低的頻率（50~200MHz）。在治療之前，腫瘤的位置和大小通常通過傳統(tǒng)的成像技術(shù)，如X射線計算機(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。微波成像是一種安全和有前景的無創(chuàng)診斷技術(shù)。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。在微波成像中，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，接收散射和（或）傳輸?shù)男盘?，以收集圖像信息。如果圖1所示的相控陣也能作為一個微波成像系統(tǒng)，那么就不需要采用其他成像設(shè)備進(jìn)行診斷。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。與參考文獻(xiàn)[5]中報道的基本上是侵入性的治療性微波設(shè)備不同，這種設(shè)備可以非侵入性地診斷和治療深部腫瘤。盡管實現(xiàn)這一目標(biāo)具有挑戰(zhàn)性，但這樣做將極大地有利于醫(yī)院和醫(yī)生以及患者。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)。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，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，即專門設(shè)計用于人體內(nèi)或人體附近的天線，可以采用一個統(tǒng)一的方法來處理這類用于不同目的的天線。一般來說，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”，其中人體被視為一個復(fù)雜的有損介質(zhì)。原則上，通過求解索末菲積分方程，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，即空間波、表面波和體層波。但是，考慮到這種方法的難度和缺乏普及性，涉及人體內(nèi)或人體附近的天線的個別案例通常采用數(shù)值或計算機(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。MRI：磁共振成像；RFID：射頻識別。盡管