用于人体器官的无线生物电子器件的最新研究进展——对利用天线系统进行生物遥测和无线能量传输的前景展望丨Engineering
用于人体器官的无线生物电子器件的最新研究进展——对利用天线系统进行生物遥测和无线能量传输的前景展望丨Engineering
engineering2015
《Engineering》是中国工程院院刊主刊，工程类综合性期刊，旨在为全球提供一个高水平的工程科技重大成果发布交流平台，报道全球工程前沿，促进工程科技进步，服务社会、造福人类。中国科技期刊卓越行动计划领军期刊。 中英文出版，全文开放获取。
本文选自中国工程院院刊《Engineering》2022年第4期，原文出自：Recent Advances in Organ Specific Wireless Bioelectronic Devices: Perspective on Biotelemetry and Power Transfer Using Antenna Systems
引言
电子学和生物学的结合催生了生物电子学，为研究人员实现对尚未被满足的治疗方案的需求带来了激动人心的机遇。纳米电子学及柔性、生物相容性材料的发展显示出潜在的临床应用（如生理传感、药物输送、心血管监测和脑刺激）价值。迄今为止，大多数生物电子器件都需要通过有线连接来进行电子控制，因此对患者来说，这些器件的植入既复杂又缺乏便利性。而作为替代方案，无线技术正在蓬勃发展，形成了能够提供无创控制、生物遥测和无线电能传输（WPT）的生物电子学。在本研究中，英国伦敦玛丽女王大学郝阳研究团队综述了无线生物电子学及其在器官特异性治疗（包括疾病和功能障碍）应用中的持续发展。他们重点描述了天线的关键特性，即辐射特性、材料选择、与其他电子器件的集成和测量。尽管无线生物电子学的最新进展有望增加对器件功能的控制，但在技术商业化以及应对不断扩大的未来医疗需求方面仍面临诸多挑战。
植入式电子技术的最新进展为改进医疗实践中的诊断和治疗程序创造了独特的机会，而生物电子学则是可植入电子技术的关键方面之一。 生物电子器件可在人体内运行，能以脑刺激器、心脏起搏器、人工耳蜗和视网膜植入物等形式传输电脉冲，以操纵器官功能和神经活动（图1）。目前研究人员正在进行广泛的研究，以设计灵活、无毒、生物相容且具有成本效益的小型生物电子器件，从神经信号中提取生理信息，以治疗各种疾病。尽管人们通常认为这些器件是植入物，但它们的可穿戴应用最近一直是人们感兴趣的话题。典型的多功能生物电子器件包括：①电源或电池；②天线系统；③控制电路；④用于携带药物制剂的机械稳定的微型容器；⑤超低功率电子器件。
图1. （a）用于器官特异性治疗和诊断的无线控制生物电子器件示意图。（b）体内发射天线与生物电子器件无线连接。无线连接可以实现多种功能，包括无线电能传输（WPT）和数据通信。WPT为器件供电，无需电池。双向数据通信则用于实时监测和控制器件性能。
天线系统和相关的无线电路提供了一种无创方式，用于将大量实时数据（包括生理信息、器官健康和器件状态）传输到外部单元。因此，无线功能提供了便利，这与需要外科手术进行数据提取的器件不同。然而， 电磁信号在通过身体组织传播时会发生衰减和吸收，从而降低器件在高效和稳健的无线数据传输链路方面的性能。 部分研究提出了一些通过身体减少路径损耗的策略。众所周知，身体组织允许电磁波在低频下有效传播，但这是以大型天线为代价的。然而， 严格的小型化要求限制了天线在紧凑可用空间内的集成。 因此，天线的设计不仅对小型化至关重要，而且要考虑对辐射效率的不利影响（这些影响已经因身体组织的损耗而加剧）。天线小型化技术主要集中在低频波段，包括医疗植入通信服务（402~405 MHz）、工业科学和医疗（ISM）波段，以及接收单元最佳信号强度的MedRadio（401~406 MHz）。此外，生物电子天线已被提议用于极低频，如13.56 MHz和5 MHz。
人们对微加工技术和柔性材料日益增长的兴趣也逐渐渗透到混合式、生物兼容、共形、小型化、高效和软天线的发展中，为天线在生物电子器件中的无缝集成铺平了道路。 虽然生物电子器件可以有效地调节神经活动，但它们的寿命是有限的。 能量收集，包括压电、热电和生物电势技术的使用，已被用作传统电池来源的潜在替代品。 尽管这些技术可以减小整体体积，但产生的功率密度不足以连续运行。 最近，基于近场电磁耦合的无线电能传输（WPT）技术已被用于生物电子器件，提供了多样化的功能和更长的使用时间，同时消除了与电池电量相关的限制。 为了为生物电子器件构思有效的天线设计，目前仍在进行大量的尝试，以重塑其WPT能力。
在本研究中， 英国伦敦玛丽女王大学郝阳研究团队强调了天线系统的最新进展，特别是那些为无线生物电子器件设计的天线系统。 本研究的重点在于生物相容性材料、封装、制造方法、工作频率和辐射特性背景下的天线设计。随后，研究人员还讨论了受益于诊断和治疗应用中潜在用途的不同身体器官。本研究还包含大量自然语言处理（NLP）辅助的调查策略；分析了大量的相关文献，包括人类未经辅助、可能忽略的关键研究及其发现；基于NLP的文本摘要技术可以自动提取原始内容范围内的关键思想或最相关的信息，这一点已使用Rouge矩阵进行了验证。
本研究的结论是： 无线技术可以有效地减少生物电子器件的尺寸，使器件无需电池，并可以提供有前途的替代性供电或充电方法 。本研究还指出，线圈形天线系统主要用于生物电子学，因为它们设计紧凑，能够通过磁场与外部单元耦合，使通过身体组织的损耗最小。
尽管生物电子学有潜力应对医疗保健方面的新挑战，但需要与柔性和生物相容性材料、低功率电子学、天线、信号处理等领域相互配合、共同发展，以扩大其应用范围[如基于无线柔性生物电子器件的家庭睡眠监测系统（图2）]。本研究认为，无线生物电子学主要被用于脑部植入，很少有研究讨论无线生物电子学在给药、胃肠道（GI）监测和心血管治疗方面的潜在用途。因此， 仍有许多利用无线控制技术来增强生物电能力的开放机会，以发展针对不同器官的创新治疗方案。 本研究是在基于自然语言处理（NLP）调查的协助下完成的。
图2. 基于无线柔性生物电子器件的家庭睡眠监测系统。（a）睡觉时贴在人手腕上的贴片。（b）在柔性材料上制造的生物电子系统（左）和在硅胶带上的石墨烯电极（右）。（c）生物电子器件中的集成部件。（d）关于数据流和睡眠信号分级的步骤。
关键词：生物电子学；神经植入物；药物输送；天线；无线电能
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原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.10.019
以上内容来自：Ahsan Noor Khan, Young-ok Cha, Henry Giddens, Yang Hao. Recent Advances in Organ Specific Wireless Bioelectronic Devices: Perspective on Biotelemetry and Power Transfer Using Antenna Systems [J]. Engineering, 2022, 11(4): 27-41.