Chăm sóc sức khỏe thời đại IoT

Bởi Arun Venkatasubramanian - Phó giám đốc, Cambridge Consultants, Boston, Hoa Kỳ

Chăm sóc sức khỏe trong thời đại IoT yêu cầu các thiết bị y tế có ăng-ten được cấy vào trong cơ thể con người có thể hoạt động một cách an toàn, trong khoảng cách xa hơn so với trước đây và trên nhiều dải tần.

Những thiết bị này cần phải đáng tin cậy với nhiều loại cơ thể và độ tuổi của con người. Để nghiên cứu về các yếu tố này, Cambridge Consultants (CCs) sử dụng phần mềm ANSYS, mô hình hóa các dạng cơ thể khác nhau để thử nghiệm hiệu suất của ăng-ten.

Công nghệ không dây tạo ra một kích thước mới cho thiết bị y tế cấy ghép, cho phép giám sát từ xa và tối ưu hóa quá trình điều trị. Tuy nhiên, để tạo ra một thiết bị không dây như thế, các nhà thiết kế cần vạch ra nhiều trường hợp sử dụng khác nhau và các yêu cầu thường xuyên. Mỗi yếu tố đều có những thách thức riêng.

Những yêu cầu mà thiết bị cấy ghép thông minh cần đáp ứng 

Thông thường, một thiết bị y tế cấy ghép thông minh phải kết nối không dây với một thiết bị cầm tay khác trong ít nhất ba môi trường khác nhau:

• Phòng phẫu thuật, nơi mà thiết bị được lập trình trước khi cấy vào bệnh nhân.
• Văn phòng y tế, nơi bác sĩ lâm sàng tiến hành các theo dõi tiếp theo bằng kết nối không dây với thiết bị lập trình bên ngoài.
• Tại nhà, nơi thường sử dụng hộp không dây đặt cạnh giường để giao tiếp và lập tức truyền các thông tin chuẩn đoán cũng như bất cứ tình trạng đáng báo động nào tới bác sĩ hoặc người trông nom bệnh nhân.

Mô hình ăng ten cho một thiết bị cấy ghép

Thách thức khi cấy ghép thiết bị thông minh vào cơ thể 

Các mô trong cơ thể ảnh hưởng đến hiệu năng của sóng radio sự phản xạ và hấp thu tín hiệu không dây, đồng thời nó còn ảnh hưởng tới tần số hoạt động và băng thông của ăng-ten. Cơ thể của bệnh nhân có ảnh hưởng rõ rệt đến khoảng cách kết nối giữa thiết bị cấy ghép và thiết bị bên ngoài.

Trong những năm gần đây, kết nối Bluetooth® thông minh với điện thoại di động đã trở thành một kết nối được chọn phổ biến. Các nhà sản xuất thiết bị cấy ghép sẽ không ngần ngại nghiên cứu về lựa chọn này. Bluetooth hoạt động ở tần số cao hơn rất nhiều so với các công nghệ kết nối không dây được sử dụng trên các thiết bị y tế hiện thời.

Điều này làm cho vấn đề càng trở nên khó khăn bởi vì cơ thể sẽ hấp thụ lượng lớn năng lượng hơn từ loại sóng này. Ăng-ten có thể sẽ cần phải hiệu chỉnh thường xuyên để thích hợp với các thay đổi sinh lí của bệnh nhân.

Chẳng hạn như như việc bệnh nhân tăng hoặc giảm cân nặng. Cuối cùng, các cơ thể thường sẽ đặt ra những giới hạn nghiêm ngặt đối với lượng bức xạ phát ra, tỷ lệ hấp thụ cụ thể và lượng dữ liệu có thể truyển qua không khí.

Mô hình cơ thể người trong ANSYS HFSS đã được sửa đổi với ANSYS SpaceClaim Direct Modeler để đặc trưng cho các loại cơ thể khác nhau

Cambridge Consultants, đơn vị hàng đầu thế giới về cung cấp những sản phẩm kỹ thuật sáng tạo và tư vấn công nghệ, sử dụng công cụ mô phỏng ANSYS để vượt qua những thách thức trên. Mô phỏng giúp các kỹ sư tối ưu hóa thiết kế ăng-ten của các thiết bị cấy ghép nhằm tăng khoảng cách sử dụng, cho phép chúng hoạt động ở tần số mong muốn, và hơn nữa có thể sớm kiểm định hiệu năng của thiết bị trên nhiều loại cơ thể.

Thiết kế Ăng-ten có thể cấy ghép

Các kỹ sư của công ty gần đây đã thiết kế thành công một ăng-ten nhỏ có thể hoạt động ở cả hai dải tần 402 - 405 MHz (thuộc dịch vụ tương tác y tế cấy ghép, viết tắt là MICS) và 2,4 - 2,5 GHz (dải tần cho công nghiệp, khoa học và y tế, viết tắt là ISM).

Cùng với đó, ăng-ten này có thể kết nối trong phạm vi hai mét hoặc xa hơn, cho phép thiết bị được sử dụng ngoài khu vực tiệt trùng của phòng phẫu thuật. Dung tính tự nhiên của mô trong cơ thể con người, cùng với dung tính điện kháng lớn của ăng-ten ngẫu cực truyền thống sản sinh lượng điện kháng âm dư thừa cần được bù trừ với một lượng cảm ứng tập trung để phù hợp với trở kháng của vi mạch.

Vì thế, các kĩ sư sử dụng một thiết kế ăng-ten tương đối mới - ăng-ten phức hợp, sử dụng cả bức xạ vòng điện từ và bức xạ điện trường. Loại ăng-ten này tạo ra một điện kháng cảm ứng bên trong cho phép các kĩ sư có thể khớp điện kháng cho thiết bị cấy ghép dễ dàng hơn rất nhiều. Nó cũng giúp ích cho việc thu nhỏ thiết bị và khả năng tương thích sinh học.

Chất béo, cơ bắp, nhiều loại xương, da và máu sở hữu các tính chất điện môi khác nhau. Thuộc tính điện môi của môi trường xung quanh các mô ảnh hưởng mạnh tới hoạt động của ăng-ten. Ví dụ, giảm tần số cộng hưởng thấp hơn so với hiệu năng trong môi trường tự do của một ăng-ten có cùng kích thước.

Nhưng ảnh hưởng của cơ thể lên ăng-ten sẽ khác nhau dựa vào vị trí đặt nó và loại cơ thể của bệnh nhân. Hầu như tất cả các kĩ sư thiết kế ăng-ten cho thiết bị được cấy ghép đều tiến hành mô phỏng điện từ sử dụng mẫu cơ thể con người với những yếu tố được thiết kế để phù hợp với hằng số điện môi tương đối và độ dẫn điện trên nhiều loại vật chất như da, chất béo, xương cứng, xương xốp, cơ bắp và máu.

Vấn đề đặt ra là những mẫu trên rất khó để thay đổi nhằm phù hợp với các loại cơ thể. Vì vậy, các kĩ sư thường tối ưu ăng-ten cho một loại cơ thể chung nhất. Điều này thường dẫn đến các vấn đề về hiệu suất khi thiết bị được cấy vào bệnh nhân có cơ thể không điển hình.

Các kĩ sư Cambridge Consultants sử dụng phần mềm ANSYS SpaceClaim Direct Modeler nhằm nhanh chóng thay đổi mẫu cơ thể của ANSYS HFSS để biểu thị những thay đổi trong hình thái cơ thể con người.

Hiệu suất của Ăng-ten với sự thay đổi trọng lượng cơ thể

Cambridge Consultants thiết kế mẫu ăng-ten của họ bằng cách mô phỏng hiệu suất sử dụng phần mềm mô phỏng điện từ ANSYS HFSS và mẫu cơ thể người trên phần mềm HFSS để mô phỏng môi trường sử dụng ăng-ten.

Nhận thấy tầm quan trọng của việc phát triển mẫu ăng-ten có thể thích ứng mạnh mẽ với sự thay đổi hình thái cơ thể người (cân nặng), đội ngũ kĩ sư sử dụng phần mềm ANSYS SpaceClaim Modeler để nhanh chóng thay đổi mẫu cơ thể trên HFSS nhằm biểu thị những thay đổi trong hình thái của cơ thể người.

SpaceClaim cho phép người dùng tạo, hiệu chỉnh và chỉnh sửa hình học mà không cần lo lắng về công nghệ cơ sở, nhờ đó giúp giảm thời gian phân tích. Người dùng có thể kéo, di chuyển, lấp kín hay kết hợp các tính chất của mẫu.

Ví dụ như tạo các hình tròn, di chuyển một đặc điểm từ khuôn mặt này sang khuôn mặt khác hay thay đổi kích cỡ của khuôn mặt. Nếu muốn, các kĩ sư có thể nhập vào kích thước chính xác của cơ thể.

Điều này cho phép các chuyên gia tư vấn Cambridge thay đổi độ dày lớp mỡ, da bao bọc và các đường viền của cơ bắp để thay đổi từng mẫu cơ thể một. Tính năng này không có trên các gói phần mềm khác khi mà thư viện cơ thể người được cung cấp thay vì từng mẫu cơ thể có thể thay đổi.

Cấu trúc liên kết của ăng-ten song tần được mô phỏng trên bảng mạch FR4 dày 1,5 mm (nền nhựa epoxy được cường hóa bằng thủy tinh) được ép trên tấm nền nhôm oxit 0,5 mm. Độ dày lớp mỡ trên mẫu cơ thể trong HFSS dao động từ 1,5 đến 5,5 mm (với các bước nhảy 0,5mm).Tín hiệu ăng-ten suy giảm được tối ưu hóa cho cả hai dải tần.

Mật độ dòng điện bề mặt của cấu trúc ăng-ten được sử dụng để phác họa biểu đồ cho sự kích từ tại hai tần số thiết kế chính. Ăng-ten đã chứng minh được ngưỡng tăng tích là -11,42 dBi trong dải tần ISM và 14,62 dBi trong dải tần MICS.

Ăng-ten phức hợp cung cấp đủ hệ số khuếch đại, hiệu suất bức xạ và độ nhạy cao trong hai dải tần 402 – 405 MHz và 2,4 – 2,5 GHz trên nhiều loại và kích cỡ cơ thể. Điều này cho phép những thiết bị giao tiếp ngoài có thể hoạt động ngoài khu vực tiệt trùng. Các kết cấu tấm đơncó thể sản xuất dễ dàng trên tấm nền kép FR4/Al2O3 kích thước 40x45 mm.

Việc loại ăng-ten này và các loại đã được thiết kế trước sử dụng cùng phương pháp mô phỏng sẽ giúp cải thiện việc chăm sóc sức khỏe bằng cách cho phép các thiết bị y tế thế hệ mới hoạt động trong tầm xa hơn để thu thập thông tin trên nhiều loại cơ thể của bệnh nhân.

Triển khai thiết kế nhanh hơn

Thiết bị cấy ghép hiện đại rất phức tạp, đòi hỏi các kĩ sư biết cách cân bằng giữa hiệu suất, tính an toàn, tin cậy và sức ép về thời gian tung ra sản phẩm. Công cụ mô tả kỹ thuật ANSYS cho phép công ty Cambridge Consultuants thiết kế các thiết bị y tế sáng tạo nhanh hơn.

Thiết kế mẫu cơ thể có thể thay đổi giúp các kĩ sư CCs nhìn lại những phân tích trên ăng-ten ngay từ khi quá trình thiết kế bắt đầu. Phần mềm giúp giảm một nửa số các bước lặp cần thiết và rút ngắn thời gian thiết kế tới 25%.

Công ty đã có thể tăng tầm sử dụng của thiết kế ăng-ten mới lên 45% so với loại ăng-ten khung và PIFA truyền thống. Trường dữ liệu cho thấy một sự tương đồng giữa kết quả từ sản phẩm mô phỏng và sản phẩm hoàn chỉnh.

---

Nguồn: ANSYS Advantage V10I2, 2016

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theowww.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này