植入式電子技術(shù)的最新進(jìn)展為改進(jìn)醫(yī)療實(shí)踐中的診斷和治療程序創(chuàng)造了獨(dú)特的機(jī)會，而生物電子學(xué)則是可植入電子技術(shù)的關(guān)鍵方面之一。生物電子器件可在人體內(nèi)運(yùn)行，能以腦刺激器、心臟起搏器、人工耳蝸和視網(wǎng)膜植入物等形式傳輸電脈沖，以操縱器官功能和神經(jīng)活動（圖1）。目前研究人員正在進(jìn)行廣泛的研究，以設(shè)計(jì)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(jīng)信號中提取生理信息，以治療各種疾病。盡管人們通常認(rèn)為這些器件是植入物，但它們的可穿戴應(yīng)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(jī)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(nèi)發(fā)射天線與生物電子器件無線連接。無線連接可以實(shí)現(xiàn)多種功能，包括無線電能傳輸（WPT）和數(shù)據(jù)通信。WPT為器件供電，無需電池。雙向數(shù)據(jù)通信則用于實(shí)時監(jiān)測和控制器件性能。

天線系統(tǒng)和相關(guān)的無線電路提供了一種無創(chuàng)方式，用于將大量實(shí)時數(shù)據(jù)（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(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jù)傳輸鏈路方面的性能。文獻(xiàn)[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(jià)的。然而，嚴(yán)格的小型化要求限制了天線在緊湊可用空間內(nèi)的集成。因此，天線的設(shè)計(jì)不僅對小型化至關(guān)重要，而且要考慮對輻射效率的不利影響（這些影響已經(jīng)因身體組織的損耗而加?。?。天線小型化技術(shù)主要集中在低頻波段，包括醫(yī)療植入通信服務(wù)（402~405 MHz）、工業(yè)科學(xué)和醫(yī)療（ISM）波段，以及接收單元最佳信號強(qiáng)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(shù)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(diào)節(jié)神經(jīng)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(shù)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(shù)可以減小整體體積，但產(chǎn)生的功率密度不足以連續(xù)運(yùn)行。最近，基于近場電磁耦合的無線電能傳輸（WPT）技術(shù)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(guān)的限制。為了為生物電子器件構(gòu)思有效的天線設(shè)計(jì)，目前仍在進(jìn)行大量的嘗試，以重塑其WPT能力。

本文強(qiáng)調(diào)了天線系統(tǒng)的最新進(jìn)展，特別是那些為無線生物電子器件設(shè)計(jì)的天線系統(tǒng)。本文的重點(diǎn)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(shè)計(jì)。隨后的章節(jié)則討論了受益于診斷和治療應(yīng)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(jī)能。與GI相關(guān)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(nèi)窺鏡、三維（3D）打印的胃電子器件、細(xì)菌電子系統(tǒng)、可食入水凝膠和無線膠囊內(nèi)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(xué)專家對這些疾病進(jìn)行診斷和早期發(fā)現(xiàn)。例如，一種典型的膠囊內(nèi)窺鏡器件可以實(shí)時檢測生物分子，并通過無線鏈路將體內(nèi)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(yīng)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(xiàn)中已經(jīng)探討了許多材料和制造方法，用于實(shí)現(xiàn)微型化。新興的3D打印技術(shù)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(shí)現(xiàn)與外部單元的可靠無線通信仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)研究了一系列用于可攝取器件的天線設(shè)計(jì)，并使用柔性材料實(shí)現(xiàn)了這些設(shè)計(jì)在共形器件周圍的無縫集成[圖2（b）]。由于彎曲的結(jié)構(gòu)能夠在空間有限的情況下實(shí)現(xiàn)低頻共振，因此，這種結(jié)構(gòu)常被用于可攝取共形天線。除了共形結(jié)構(gòu)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(bào)道了在纖維素纖維或可生物降解的復(fù)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(lán)牙射頻（RF）下運(yùn)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(nèi)窺鏡檢查。

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

（b）經(jīng)IEEE許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)，?2019；

（c）經(jīng)Springer Nature許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)，?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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。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(diào)。適應(yīng)性強(qiáng)的寬頻帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)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(jī)定向。在此背景下，文獻(xiàn)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(qiáng)度的定位技術(shù)。

盡管可攝取無線控制生物電子器件取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但其電池容量依然有限，導(dǎo)致此類器件的運(yùn)行時間較短。文獻(xiàn)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(rèn)為是可攝取生物電子器件的首要策略。

視網(wǎng)膜假體

黃斑變性（MD）和視網(wǎng)膜色素變性（RP）等眼部疾病主要影響老年群體的視力，可導(dǎo)致完全失明或視覺功能障礙。人體視網(wǎng)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(fēng)險(xiǎn)，研究人員認(rèn)為帶連接線的視網(wǎng)膜植入物不可行。因此，用于視網(wǎng)膜假體的無線技術(shù)已被廣泛報(bào)道，以實(shí)現(xiàn)對植入物功能的無線控制。

視網(wǎng)膜假體的典型系統(tǒng)包括眼外系統(tǒng)和眼內(nèi)系統(tǒng)。視覺數(shù)據(jù)由眼外系統(tǒng)捕獲，并通過天線系統(tǒng)無線傳輸，而眼內(nèi)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(nèi)系統(tǒng)之間的無線鏈路，以及進(jìn)行功率傳輸。小型天線是視網(wǎng)膜植入物的首選，其尺寸的微型化技術(shù)已在文獻(xiàn)中得到廣泛討論，如彎曲的微帶線、導(dǎo)線、折疊的偶極子。盡管如此，對集成天線于眼內(nèi)系統(tǒng)器件至關(guān)重要的微型化技術(shù)，往往會導(dǎo)致窄帶寬和低收益。參考文獻(xiàn)報(bào)道了一種三角形的微帶貼片天線，以提高無線視網(wǎng)膜假體的植入與外部子系統(tǒng)的帶寬。

參考文獻(xiàn)報(bào)道了用于電刺激視網(wǎng)膜神經(jīng)元的視網(wǎng)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(jié)合，通過手術(shù)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(jī)和線圈。Tx線圈將處理后的視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨惭b在眼睛周圍的Rx線圈。3.156 MHz的振幅調(diào)制用于Tx和Rx線圈之間的數(shù)據(jù)通信以及WPT。另一項(xiàng)研究表明，在視網(wǎng)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?yàn)檠劬Φ那安勘蕊D側(cè)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(wǎng)膜假體和相關(guān)的主電源、數(shù)據(jù)線圈。

（a）器件原型。眼睛模型由塑料制成；電源和數(shù)據(jù)線圈由金制成。

（b）外部主線圈封裝于聚二甲基硅氧烷（PDMS）。經(jīng)IEEE許可，轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)，?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(wǎng)膜假體的小型微帶天線。對于眼外單元，在一副眼鏡上設(shè)計(jì)了一個平面倒F天線（PIFA），而正三角形的微帶眼內(nèi)天線被集成在眼睛的緊湊睫狀肌內(nèi)。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(jìn)行評估，而用眼睛模型進(jìn)行測量。

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