植入式電子技術的最新進展為改進醫(yī)療實踐中的診斷和治療程序創(chuàng)造了獨特的機會，而生物電子學則是可植入電子技術的關鍵方面之一。生物電子器件可在人體內運行，能以腦刺激器、心臟起搏器、人工耳蝸和視網膜植入物等形式傳輸電脈沖，以操縱器官功能和神經活動（圖1）。目前研究人員正在進行廣泛的研究，以設計靈活、無毒、生物相容且具有成本效益的小型生物電子器件，從神經信號中提取生理信息，以治療各種疾病。盡管人們通常認為這些器件是植入物，但它們的可穿戴應用最近一直是人們感興趣的話題。

典型的多功能生物電子器件包括：

①電源或電池；

②天線系統(tǒng)；

③控制電路；

④用于攜帶藥物制劑的機械穩(wěn)定的微型容器；

⑤超低功率電子器件。

圖1. 

（a）用于器官特異性治療和診斷的無線控制生物電子器件示意圖。

（b）體內發(fā)射天線與生物電子器件無線連接。無線連接可以實現(xiàn)多種功能，包括無線電能傳輸（WPT）和數(shù)據通信。WPT為器件供電，無需電池。雙向數(shù)據通信則用于實時監(jiān)測和控制器件性能。

天線系統(tǒng)和相關的無線電路提供了一種無創(chuàng)方式，用于將大量實時數(shù)據（包括生理信息、器官健康和器件狀態(tài)）傳輸?shù)酵獠繂卧?。因此，無線功能提供了便利，這與需要外科手術進行數(shù)據提取的器件不同。然而，電磁信號在通過身體組織傳播時會發(fā)生衰減和吸收，從而降低器件在高效和穩(wěn)健的無線數(shù)據傳輸鏈路方面的性能。文獻[16]中提出了一些通過身體減少路徑損耗的策略。眾所周知，身體組織允許電磁波在低頻下有效傳播，但這是以大型天線為代價的。然而，嚴格的小型化要求限制了天線在緊湊可用空間內的集成。因此，天線的設計不僅對小型化至關重要，而且要考慮對輻射效率的不利影響（這些影響已經因身體組織的損耗而加劇）。天線小型化技術主要集中在低頻波段，包括醫(yī)療植入通信服務（402~405 MHz）、工業(yè)科學和醫(yī)療（ISM）波段，以及接收單元最佳信號強度的MedRadio（401~406 MHz）。此外，生物電子天線已被提議用于極低頻，如13.56 MHz和5 MHz。

人們對微加工技術和柔性材料日益增長的興趣也逐漸滲透到混合式、生物兼容、共形、小型化、高效和軟天線的發(fā)展中，為天線在生物電子器件中的無縫集成鋪平了道路。雖然生物電子器件可以有效地調節(jié)神經活動，但它們的壽命是有限的。能量收集，包括壓電、熱電和生物電勢技術的使用，已被用作傳統(tǒng)電池來源的潛在替代品。盡管這些技術可以減小整體體積，但產生的功率密度不足以連續(xù)運行。最近，基于近場電磁耦合的無線電能傳輸（WPT）技術已被用于生物電子器件，提供了多樣化的功能和更長的使用時間，同時消除了與電池電量相關的限制。為了為生物電子器件構思有效的天線設計，目前仍在進行大量的嘗試，以重塑其WPT能力。

本文強調了天線系統(tǒng)的最新進展，特別是那些為無線生物電子器件設計的天線系統(tǒng)。本文的重點在于生物相容性材料、封裝、制造方法、工作頻率和輻射特性背景下的天線設計。隨后的章節(jié)則討論了受益于診斷和治療應用中潛在用途的不同身體器官。

胃腸道監(jiān)測

胃腸道（GI）能反映人體幾乎每個器官的重大生理機能。與GI相關的常見疾病包括吞咽困難、胃食管反流、功能性消化不良、胃痙攣、慢性假性腸梗阻和腸易激綜合征。為了治療此類疾病，最近討論了可食入生物電子器件，包括內窺鏡、三維（3D）打印的胃電子器件、細菌電子系統(tǒng)、可食入水凝膠和無線膠囊內窺鏡器件。其中一些器件已商業(yè)化，且易于用于臨床程序，以一種無創(chuàng)的方式協(xié)助醫(yī)學專家對這些疾病進行診斷和早期發(fā)現(xiàn)。例如，一種典型的膠囊內窺鏡器件可以實時檢測生物分子，并通過無線鏈路將體內的高分辨率圖像發(fā)送給醫(yī)生。醫(yī)生可以通過解讀這些圖像來診斷各種疾病或病癥，并制定相應的治療方案。

可攝取器件包括傳感器、電池單元、天線、攝像頭和許多其他電子元件。文獻中已經探討了許多材料和制造方法，用于實現(xiàn)微型化。新興的3D打印技術也被用于制造微型胃電子器件[圖 2（a）]。然而，以最佳效率集成天線，以實現(xiàn)與外部單元的可靠無線通信仍然是一項重大挑戰(zhàn)。文獻研究了一系列用于可攝取器件的天線設計，并使用柔性材料實現(xiàn)了這些設計在共形器件周圍的無縫集成[圖2（b）]。由于彎曲的結構能夠在空間有限的情況下實現(xiàn)低頻共振，因此，這種結構常被用于可攝取共形天線。除了共形結構外，很少有可攝取生物電子器件被制作用于WPT和通信的嵌入式天線[圖2（c）]。一些研究報道了在纖維素纖維或可生物降解的復合薄膜上瞬時可生物降解的印刷天線，以改善可攝取天線的輻射特性。

圖2. 可攝取生物電子器件。

（a）帶有給藥組件的3D打印胃部電子器件。插圖顯示了在2.4 GHz的藍牙射頻（RF）下運行的天線的集成。

（b）圍繞膠囊形狀的器件制作的環(huán)形天線，用于無線內窺鏡檢查。

（c）在印制電路板（PCB）上集成部件[可編程負載電阻（數(shù)字控制電位器，DCP）、晶體（XTAL）、微控制器（μP）、RF匹配網絡（MATCH）和天線（ANT）在正面，電池（BATT）和去耦電容器（CAP）在背面。該PCB被嵌入在一個膠囊狀的可攝取器件中。

（b）經IEEE許可，轉載自參考文獻，?2019；

（c）經Springer Nature許可，轉載自參考文獻，?2017。

天線與其他電子電路部分的阻抗匹配是無線信號可靠發(fā)射和接收信號的主要設計標準。人體組織的介電特性隨頻率變化，因此會使天線的諧振頻率失調。適應性強的寬頻帶阻抗匹配網絡可以成為植入式和可攝取天線的有效替代方案，這些天線在有損耗的身體組織中會出現(xiàn)失諧現(xiàn)象。此外，可攝取電子器件在消化道中移動時可能會出現(xiàn)隨機定向。在此背景下，文獻中提出了圓極化和雙極化全向天線，以減少與外部單元通信鏈路的損耗。為了跟蹤器件在消化道中的位置，采用了聚焦于分析外部單元接收到的信號強度的定位技術。

盡管可攝取無線控制生物電子器件取得了相當大的進展，但其電池容量依然有限，導致此類器件的運行時間較短。文獻中考慮了植入生物相容性電池，但會增加整個器件的尺寸，因此不方便。作為替代方案，WPT被認為是可攝取生物電子器件的首要策略。

視網膜假體

黃斑變性（MD）和視網膜色素變性（RP）等眼部疾病主要影響老年群體的視力，可導致完全失明或視覺功能障礙。人體視網膜中的空間有限，是治療眼部疾病的主要瓶頸。此外，由于存在感染的風險，研究人員認為帶連接線的視網膜植入物不可行。因此，用于視網膜假體的無線技術已被廣泛報道，以實現(xiàn)對植入物功能的無線控制。

視網膜假體的典型系統(tǒng)包括眼外系統(tǒng)和眼內系統(tǒng)。視覺數(shù)據由眼外系統(tǒng)捕獲，并通過天線系統(tǒng)無線傳輸，而眼內系統(tǒng)則由電極陣列、天線和信號處理單元組成。天線用于建立眼外系統(tǒng)和眼內系統(tǒng)之間的無線鏈路，以及進行功率傳輸。小型天線是視網膜植入物的首選，其尺寸的微型化技術已在文獻中得到廣泛討論，如彎曲的微帶線、導線、折疊的偶極子。盡管如此，對集成天線于眼內系統(tǒng)器件至關重要的微型化技術，往往會導致窄帶寬和低收益。參考文獻報道了一種三角形的微帶貼片天線，以提高無線視網膜假體的植入與外部子系統(tǒng)的帶寬。

參考文獻報道了用于電刺激視網膜神經元的視網膜前膜植入物。該器件與接收（Rx）線圈、電子器件和電極陣列相結合，通過手術植入眼睛周圍。傳輸（Tx）線圈被整合到外部眼鏡中，外部眼鏡還包括視頻處理單元（VPU）、攝像機和線圈。Tx線圈將處理后的視頻圖像數(shù)據傳輸?shù)桨惭b在眼睛周圍的Rx線圈。3.156 MHz的振幅調制用于Tx和Rx線圈之間的數(shù)據通信以及WPT。另一項研究表明，在視網膜前部放置基于線圈的天線可以提高與主線圈的電感耦合效率[圖3（a）]。這主要是因為眼睛的前部比顳側有更多的空間。因此，可以植入一個相對較大的線圈，從而有可能改善輻射特性。為了減輕眼部周圍組織的感染，將線圈纏繞在一個類似于眼睛曲率的球形芯軸上。如圖3（b）所示，使用由金鑄成的線圈，并將其制作成與眼睛弧度相匹配的球形。

圖3. 視網膜假體和相關的主電源、數(shù)據線圈。

（a）器件原型。眼睛模型由塑料制成；電源和數(shù)據線圈由金制成。

（b）外部主線圈封裝于聚二甲基硅氧烷（PDMS）。經IEEE許可，轉載自文獻，?2011。

在寬帶寬條件下，人們研究了工作頻率為1.45 GHz和2.45 GHz的雙單元視網膜假體的小型微帶天線。對于眼外單元，在一副眼鏡上設計了一個平面倒F天線（PIFA），而正三角形的微帶眼內天線被集成在眼睛的緊湊睫狀肌內。在有人類頭部模型存在的情況下，對無線鏈路的耦合性能進行評估，而用眼睛模型進行測量。

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網址: 可植入電子技術領域關鍵突破：用于人體器官的無線生物電子器件 http://m.u1s5d6.cn/newsview340149.html