对无线植入式生物电子器件电磁效率的物理见解

自主植入式生物电子器件依赖于无线连接，需要高效的电磁（EM）辐射系统。然而，功率、安全性和数据传输方面的限制目前阻碍了无线医疗设备的创新发展，例如无系绳神经接口、电疗设备和手术微型机器人。为了克服这些挑战并确保无线植入式系统具有足够的链路和功率预算，本研究探讨了 EM 辐射和损耗背后的机制，并提供了提高无线植入式生物电子器件辐射效率的策略。利用解析建模，将植入器件发射的 EM 波展开为球谐函数序列，从而实现对辐射机制的详细分析。然后扩展该框架，通过推导出的解析表达式来近似由组织的有损和色散特性引起的吸收损耗。在三种主要损耗机制方面量化和比较了辐射效率和体内路径损耗。分析并量化了各种参数对植入器件 EM 效率的影响，包括工作频率、植入尺寸、体-空气界面曲率和植入位置。此外，引入了一种快速估计技术来确定特定场景下的最佳工作频率，以及一组旨在改善辐射性能的设计原则。本研究得出的设计策略——通过在真实植入器件上的数值和实验演示进行了验证——揭示了植入器件辐射效率或增益有提高五到十倍的潜力，从而使得总体链路效率相比传统设计得到相应提升。