RADIO6ENSE是一家義大利的新創公司（以下簡稱R6E），活躍於工業4.0領域，是RFID感測器網路開發的先驅；他們的服務橫跨製造、汽車、食品和醫療等多個行業（圖1），堪稱這些領域的重要推動者。而其中在醫療領域，R6E運用了CST Studio Suite電磁模擬技術，深入理解醫療設備在電磁環境下的運作情況。Dr. Carolina Miozzi自2017年加入R6E公司，為團隊貢獻個人專業；本文分享了R6E如何巧妙運用CST Studio Suite展現技術創新，以提升醫療品質，為病患提供更安全的治療環境。 圖1.R6E關注RFID技術開發，並將其應用工業4.0和物聯網。 醫療品質與安全 在醫病關係中，若要將骨科器械、假肢（Protheses）植入人體，其中牽涉到的物理和生物機制，過程中非常複雜，「感染」常常是醫生及病人最擔憂的問題之一；為了避免這種遺憾發生，即時監測植入體周遭人體環境的異常，並將數據回傳至手持電子裝置，成為最佳的解決方案。結合感測器的植入物能夠有效降低併發症風險，例如溫度感測器和應變（Strain）感測器（圖2）。 圖2. 植入物搭配感測器監控各樣的異常，可讓醫療手段盡早介入。 然而，在設計RFID、感測器和金屬支架，以及將其植入人體的過程中，工程師面臨著一系列艱難挑戰（如圖3）；像是人體模型中的高電磁損耗條件、感應器的體積不宜過大的限制，以及為確保結構強度所採用之金屬支架，都可能極大地影響電磁行為。此外，RFID晶片的充電問題也值得關注，將傳統電池植入體內顯然不是可行的作法。 圖3. 工程師在設計上會遭遇到的困難。 CST實現穩健的天線設計 縱觀整個過程，天線設計無疑是這些產品在開發上的關鍵環節。如圖4-1~圖4-3，R6E團隊運用CST Studio Suite電磁模擬軟體提出了三種設計方案，透過模擬驗證選出最為精確有效的方式。 1.Narrow Longitudinal Cut：狹長型的縱向開槽 圖4-1. 比起軸向開槽，預期縱向開槽對於結構強度影響較小 2.Thin Local Notch：小範圍淺槽 圖4-2.弧度上的開槽範圍與槽深對結構強度的影響，是值得被討論的議題。 3.End-Cap：端蓋 圖4-3.將天線鑲在端蓋上，並扣合到支架架身；支架本身不用再修改 在CST Studio Suite進行模擬驗證之前，工程師會對人體模型進行適度簡化（如圖5），以實現高效模擬，同時R6E必須訂立一套衡量模擬結果優劣的KPI標準，以便工程師根據該標準評估模擬結果，從而選擇最佳解決方案，為下一步的實物驗證奠定基礎。 圖5.使用簡化的人體模型以減少計算時間。 如圖6， ERIP to 結果很大程度是由 G A 天線增益（Gain）值所控制，針對圖4中的三種設計方案，R6E各訂立了幾個關鍵尺寸，並統稱 P ；工程師透過掃描關鍵尺寸，觀察天線增益的變化，就可以評估出 ERIP to ( p ) 對幾何( p )的敏感程度；設計者並不樂見天線表現被幾何參數所影響、牽動。 對於設計者來說，高增益 G A 較小的 ERIP to 是比較正面的結果。此外，阻抗匹配相容性，也是設計者非常關注的一點，RFID微晶片的阻抗值為 Z IC = 2.8-j76[Ω] 圖6.R6E訂立了KPI標準，並藉此指標選擇出天線設計的最佳方案。 此研究專案的三種設計方案分別都進行了CST Studio Suite模擬驗證。以End Cap方案為例子，設計者將W視為該方案的關鍵尺寸 （如圖7）。 圖7.在End Cap方案中，W是關鍵幾何參數。 如圖8，在端蓋（End Cap）設計方案的模擬中，天線增益呈現出不錯的結果。阻抗匹配兼容性雖非所有方案中最佳的一組，但仍可以靠Tuning Circuit解決。 圖8.端蓋（End Cap）設計方案的電磁模擬報告 綜合所有模擬結果評比KPI，顯示「End Cap Asymmetric Dipole Antenna」是目前最佳的設計方案（見圖9）。隨後，在完成上述模擬評比後，設計團隊在進行真實實驗之前必須將原本的簡化模型還原至一定的逼真程度，再次進行模擬，才產出考慮更多真實效應後的模擬結果，進而與實驗比對。因為簡化模型的模擬結果難以和真實實驗進行相符，所以足夠真實的模型才能產出與實驗具有可比性的模擬結果（如圖10）。在此階段，R6E團隊也運用CST Studio Suite強大的生物體模型庫，並導入腳部的生物體模型。 圖9.KPI綜合評比表 圖10.將簡化模型進行一定程度的還原，真實的模型足以與實驗比對。 帶有溫度感測器的RFID微晶片，其設計細節如圖11所示。 圖11.帶有溫度感測器的RFID微晶片的設計細節。 本研究最後還原了較逼真的模型模擬結果，此外，團隊也涉略許多有趣的實驗，甚至找了火雞骨頭進行真實實驗（如圖12）。 圖12.R6E團隊的研究實驗花絮。 結語 除了電磁模擬分析，R6E團隊還使用了其他模擬產品進行力學分析，像是本文圖4中所談及開槽對支架強度的影響，就非常適合用SIMULIA旗下的Abaqus進行模擬；同時也正在評估導入3DEXPERIENCE平台。其不旦可以加速數值分析速度，並且整合模擬結果，讓工程師有效率地完成各樣進階的多物理場模擬。更多分享歡迎下載Dr. Carolina Miozzi的發表原文一探究竟。 關鍵字：天線設計（Antenna Design）、假肢（Prothese）、RFID 原文PDF