无线生物电子设备的天线系统与功率传输综述

工程11（2022）27研究用于无线连接的高级WLAN-综述器官特异性无线生物电子设备的最新进展：使用天线系统的生物遥测和功率传输Ahsan Noor Khan，Young-Ok Cha，Henry Giddens，YangHao电子工程与计算机科学学院，伦敦大学玛丽皇后学院，伦敦E1 4NS，英国阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2021年2021年8月23日修订2021年10月11日接受2022年1月12日在线提供关键词：生物电子学神经植入物药物输送神经网络无线供电A B S T R A C T电子学和生物学的融合催生了生物电子学，并为满足治疗治疗的未满足需求提供了令人兴奋的机会。纳米电子学和柔软的生物相容性材料的最新发展已经显示出对临床实践的潜在适用性，包括生理传感、药物递送、心血管监测和脑刺激。迄今为止，大多数生物电子设备需要有线连接进行电气控制，这使得它们的植入复杂且对患者不方便。作为替代方案，无线技术正在激增，以创建提供非侵入性控制、生物遥测和无线功率传输（WPT）的生物电子学。本文综述了无线生物电子技术及其在器官特异性治疗（包括疾病和功能障碍）中的应用进展。主要重点是描绘天线的关键特征，即它们的辐射特性，材料，与其他电子设备的集成以及实验装置。尽管无线介导的生物电子学的最新进展有望增强其功能的控制，但仍存在许多需要解决的商业化挑战，以及解决不断扩大和发展的未来治疗靶点。©2022 The Bottoms.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍植入式电子技术的最新发展为改善医疗实践中的诊断和治疗程序创造了独特的机会。生物电子学包括可植入电子学的关键方面之一。它们被设计为在人体内运行，可以传输电脉冲来操纵器官功能和神经活动，以大脑刺激器，起搏器以及耳蜗和视网膜植入物的形式（图1）[1正在进行广泛的研究，以设计灵活、无毒、生物相容、具有成本效益和小形状因子的生物电子学，以从神经信号中提取生理信息，用于治疗各种疾病[5虽然它们通常被认为是植入物，但它们的可穿戴应用一直是最近感兴趣的主题[8]。提供多功能能力的典型生物电子设备包括①电源或电池，②天线系统[9，10]，③控制电路、用于携带药物制剂的机械稳定的微型储库[11，12]和超低功率电子器件[13，14]。*通讯作者。电子邮件地址：y. qmul.ac.uk（Y. Hao）。天线系统和相关联的无线电路提供了将过多的实时数据（包括生理信息、器官健康和设备状态）传输到外部单元的非侵入性方式。因此，无线功能提供了便利，不像需要外科手术来提取数据的设备。然而，电磁信号在通过身体组织传播时会发生衰减和吸收，从而使设备性能相对于高效和稳健的无线数据传输链路而劣化[15]。文献[16]中提出了几种减少通过身体的路径损耗的策略。众所周知，身体组织允许低频电磁波的有效传播[17];然而，这是以大型天线为代价的。然而，严格的小型化要求限制了天线在紧凑空间内的集成[18，19]。因此，天线设计的成形不仅对于小型化至关重要，而且考虑到对辐射效率的不利影响，这些影响已经被有损耗的身体组织加剧[20天线小型化技术主要集中在低频带，包括医疗植入通信服务（402https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.10.0192095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engA.N. Khan，Y. O. Cha，H.吉登斯等人工程11（2022）2728Fig. 1. （a）用于器官特异性治疗和诊断应用的无线控制生物电子设备的示意图。(b)体上发射天线与生物电子装置无线连接。无线连接可以用于执行多种功能，包括无线功率传输（WPT）和数据通信。WPT为设备供电，无需电池。双向数据通信用于实时监控设备性能及其控制。此外，生物电子天线已被提出用于非常低的频率， 例如 13.56MHz[28微加工技术和对柔性材料的新兴兴趣也渗透到了混合、生物相容、适形、小型化、高效和柔软天线的开发中，为它们在生物电子器件中的无缝集成铺平了道路[1，2，8，31，32]。虽然生物电子学可以有效地调节神经活动，但它们的寿命有限。能量收集，包括使用压电[33，34]、热电[35]和生物电势[36]技术，已被用作传统电池源的潜在替代品。虽然这些技术可以减小总体积，但是所产生的功率密度不足以用于连续操作。基于近场电磁耦合的无线功率传输（WPT）技术最近已被用于生物电子学，提供了多种功能和更长的使用时间，同时消除了与电池功率相关的限制[37，38]。人们仍在进行大量尝试，以设计用于生物电子设备的有效天线设计，目的是重塑它们的WPT能力。本文综述了天线系统的最新进展，特别是为无线生物电子设备设计的天线系统。本文的重点是在生物相容性材料，包装，制造方法，工作频率和辐射特性的背景下的天线设计。随后的部分讨论了身体的不同器官，可以从它们在诊断和治疗应用中的潜在用途中这篇综述论文充满了自然语言处理（NLP）辅助的调查策略;分析了大量的相关文献，包括人类可能忽略的关键研究及其发现。我们基于NLP的文本摘要技术可以自动提取原始内容范围内的关键思想或最相关的信息，这已经使用Rouge矩阵进行了验证。使用这些经验证的NLP生成的摘要，作者改进了本综述的范围。2. 胃肠道监测胃肠道（GI）可以阐明人体几乎每个器官的精液生理学[18]。共同与胃肠道相关的疾病包括吞咽困难、胃食管反流病、功能性消化不良、胃轻瘫、慢性假性肠梗阻和肠易激综合征[39]。为了治疗这种疾病，最近已经讨论了可摄入的生物电子设备，包括内窥镜[3]、三维（3D）打印胃电子设备[40]、细菌电子系统[41]、可摄入的水凝胶[42]和无线胶囊内窥镜设备[23，43这些设备中的一些已经商业化，并且很容易被接受为临床程序，以非侵入性的方式帮助医学专家诊断和早期检测这些疾病。例如，典型的胶囊内窥镜设备可以实时检测生物分子，并通过无线链路将高分辨率图像从体内发送给外部医生[23，46，47]。医生可以解释这些图像，以诊断各种疾病或疾病，并可以相应地开出治疗处方[48]。可摄取设备可以具有传感器、电池单元、天线、相机和许多其他电子组件[49]。在文献中已经探索了许多材料和制造方法以实现小型化[50]。新兴的3D打印技术也被设想用于制造小型化的气体电子器件（图2（a））[40]。然而，天线与外部单元的可靠无线通信的最佳效率在文献中已经研究了用于可摄取设备的各种天线设计[19，23，44，45，51-曲折结构经常被提议用于可摄入共形天线，因为它们能够在低频下谐振，同时占用有限的空间[23，68]。除了共形结构之外，很少有可摄取的生物电子设备被制造成具有用于WPT和通信的嵌入式天线（图2（c））[69]。一些研究已经报道了在纤维素纤维或可生物降解复合膜上的瞬时和可生物降解的印刷天线，以改善可摄取天线的辐射特性[70，71]。天线与电子电路其余部分的阻抗匹配是以高可靠性发送和接收无线信号的主要设计标准。身体组织的介电特性随频率而变化，因此可以使A.N. Khan，Y. O. Cha，H.吉登斯等人工程11（2022）2729图二. 可摄取的生物电子设备。(a)3D打印胃电子设备与药物输送模块。插图显示了在2.4 GHz的蓝牙射频（RF）下工作的天线的集成[40]。(b)制作环形天线，围绕胶囊形设备进行无线内窥镜检查。(c)在印刷电路板（PCB）上集成组件（可编程负载电阻器（数控电位计（DCP））、晶体（XTAL）、微控制器（IP）、RF匹配网络（MATCH）和天线（ANT）在前侧，电池（BATT）和去耦电容器（CAP）在背侧）PCB嵌入在胶囊形可摄取装置中（b）复制自Ref。[23]经IEEE许可，©2019;（c）转载自参考文献[69]经Springer Nature许可，©2017。天线谐振频率自适应和宽带阻抗匹配网络可以成为植入式和可摄入式天线的有效替代方案，这些天线在存在有损耗的身体组织时可能会出现失谐[72]。此外，可摄入的电子物质在通过消化道时可以经历随机取向。在这种情况下，圆[60]和双极化[73]在文献中已经提出了全向天线以减轻与外部单元的通信链路的损失为了跟踪消化道中的设备位置，采用了定位技术，其重点是分析外部单元处的接收信号强度[43，48]。尽管在无线控制的可摄取生物电子学方面取得了相当大的进展，但与有限的电池容量相关联的挑战降低了它们的操作时间。文献中已考虑使用生物相容性电池用于植入物;然而，它们增加了器械的整体尺寸，因此不方便。作为替代方案，WPT被认为是可摄入生物电子学的最重要策略[69，74，75]。3. 视网膜假体眼部疾病，如黄斑变性（MD）和色素性视网膜炎（RP）主要影响老年人群的视力，并可导致完全失明或视力障碍[76，77]。人类视网膜中有限的空间是治疗眼部疾病的主要瓶颈。此外，由于感染的风险，具有连接导线的视网膜植入物因此，已经广泛报道了用于视网膜假体的无线技术，以实现植入功能的无线控制[78视网膜假体的典型系统包括眼外和植入的眼内系统[77]。使用眼外系统捕获视觉数据并通过天线系统无线传输，而眼内系统由电极阵列、天线和信号处理单元组成[88，89]。天线用于在眼外和眼内系统之间建立无线链路，以及用于功率传输[81]。紧凑型天线是视网膜植入物的首选，其尺寸小型化技术，如平均微带线[90]，电线[91]和折叠偶极子[92]，已在文献中广泛讨论。然而，对于将天线集成在眼内单元内至关重要的小型化技术通常导致窄带宽和低增益。文献[77]报道了一种三角形微带贴片天线，用于无线视网膜假体的植入和外部子系统。参考文献中报告了视网膜前植入物。[93，94]用于视网膜神经元的电刺激。该装置与接收（Rx）线圈、电子器件和电极阵列类似，并被植入眼睛周围。传输（Tx）线圈集成到外部眼镜中，外部眼镜还具有视频处理单元（VPU）、摄像机和线圈。Tx线圈将处理后的视频图像数据传输到安装在眼睛周围的Rx线圈。 3.156 MHz的幅度调制用于Tx和Rx线圈之间的数据通信以及WPT。在另一项研究中，证明了在视网膜前部放置基于线圈的天线可以增强与初级线圈的感应耦合效率（图3（a））[95]。这主要是因为眼睛的前侧比颞侧具有更多的空间。为此，可以植入相对较大的线圈，从而潜在地改善辐射特性。 为了减轻周围组织的任何感染，线圈缠绕在球形心轴上，这类似于眼睛的曲率。线圈是用金制造的，并形成球形，以匹配眼睛的曲率，如图所示。 3（b）款。在宽带宽的背景下，已经研究了在1.45和2.45 GHz的工作频率下用于双单元视网膜假体的紧凑型微带天线[77]。对于眼外单元，平面倒F天线（PIFA）被设计在一副眼镜上，而等边三角形微带眼内天线被设计成集成在紧凑的睫状肌内，the eye.在存在人头模型的情况下评估无线链路的耦合性能，而使用眼模型来执行测量。图3. 视网膜假体和关联初级功率和数据线圈(a)设备的原型。眼睛模型由塑料材料制成;电源和数据线圈由黄金材料制成。(b)外部初级线圈封装在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中。经IEEE许可，转载自参考文献[95]，©2011。A.N. Khan，Y. O. Cha，H.吉登斯等人工程11（2022）2730××4. 用于听觉神经刺激的听力损失与感觉神经系统疾病有关，可能会影响人们的生活方式[96，97]。在过去的几十年里，植入式助听器它们能够通过电信号刺激听觉神经来恢复听力[98无线耳蜗植入体具有通过线圈耦合的外部和内部单元（图4）[101]。外部单元用于处理声学信号，然后在听力损失的频率范围内生成刺激模式[101]。这些模式通过低频信号从外部单元无线传输到植入物（图4）。接收到的信号被解调和处理以产生通过电极阵列的电流，并被穿入耳蜗以刺激听觉神经。外部和植入单元之间的双向通信对于刺激模式的有效传输以及WPT至关重要。线圈 主要部署 在人工耳 蜗中， 因为它 们能够通 过近场 通信（NFC）中的磁场进行有效通信[101，102]。然而，它们经常遭受各种电磁干扰问题。为了克服这一限制，提出了一种屏蔽线圈用于人工耳蜗的发射线圈[102]。参考文献中讨论了几种其他类型的天线。[96，103，104]。在ISM波段工作的环形天线设计在参考文献中有报道。[96，104]。此外，为了实现高数据速率通信，文献[103]报道了一种超宽带收发器。 由于超宽带收发器特性，整个系统消耗低功率。5. 热疗热疗是一种热治疗技术，利用身体组织的热反应限制热量，通过电流诱导焦耳加热消融肿瘤[105在临床实践中，它偶尔与化疗或放疗结合使用。最近，有报道称，无导丝控制支架可用于高温治疗[112它们作为加热器，只有当外部射频（RF）与它们自己的谐振相匹配时才产生谐振在最近的一份报告中，以电感器的形式提供了一种镀金支架，并与电容器微芯片集成[112]。整个支架用40μ m厚的聚对二甲苯C膜包装，并用外部全向天线系统激发。体外实验证实了支架响应外部射频功率产生热量的能力。类似的方法在Ref.[113]第113话内热疗治疗，其中支架作为频率选择性无线加热器（图2）。 5）。它具有一个在加热时，支架施加应力以产生用于支架内再狭窄的新生内膜增生。参考文献讨论了基于球囊导管的生物相容性（1.5 mm 2mm 0.6 mm）断路器方法，以控制支架中[115]. 断路器包括嵌入式电容器。微机械形状记忆合金悬臂梁被用作热敏开关来打开和关闭断路器。参考文献[116]中报告了一种将支架用作水循环微波消融针的有趣方法。该支架不仅用于内热疗治疗;其建立无线数据和功率传输链路的潜力在915 MHz和2.45 GHz的ISM频段进行了实验证明整个装置仅利用专用集成电路，图四、 人工耳蜗及其与外部装置的无线连接的示意图和组件。DSP：数字信号处理器; LSK：负载移位键控; BPSK：二进制相移键控; POPA：可编程输出功率放大器; ILPS：感应链路电源; DAC：数模转换器; CDR：充电数据记录。经IEEE许可，转载自参考文献[101]，©2019。A.N. Khan，Y. O. Cha，H.吉登斯等人工程11（2022）2731-×××图五. 用于再狭窄无线腔内热疗治疗的主动支架装置。PI：聚酰亚胺。经Elsevier许可，转载自参考文献[113]，©2015。采用0.13μ m互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺，在1.56mm2内制作。整个系统能够从2.4 GHz的入射波中收集RF功率，而它在915MHz频段传输数据。6. 心血管保健心血管疾病（CVD）与心脏和血管相关，并在全球范围内影响人类的预期寿命。因此，最近广泛考虑使用生物电子学实时监测心脏功能用于早期CVD检测[117柔软和柔性材料已用于连续心脏监测器械的制造，例如心脏起搏、机器人袖套和电子支架[119]。这些设备中的许多都配备了无线控制单元，用于将心律传输到外部单元，这便于心脏监测，而不像传统的可穿戴心电图（ECG）设备需要几根导线将传感器与身体配合[121，123无线心脏监护仪的上述优势为能够执行双向数据通信[128-130]和WPT [131-134]的天线设计提供了巨大的机会弹簧圈-[129，131-用于心脏起搏器的贴片形和环形天线设计经常在文献中讨论，而用于数据通信的最常见的方法是基于NFC[4，121，143]和RF识别（RFID）。参考文献[121]中报告了柔性天线设计，用于可将数据传输至外部智能手机的软心脏可穿戴传感器（图6（a））。在另一项研究中，建议将PIFA用于在403 MHz下工作的人工心脏起搏器[144]。该天线具有宽阻抗带宽特性，采用共面波导馈电。天线的谐振频率由L形分裂器控制。整个起搏器配置的尺寸为30 mm × 35 mm在人体等效组织体模中评估天线性能，证明在403 MHz下的峰值增益为24.61 dBi。设想在433 MHz的植入式可编程控制器中使用无线电收发器[145]。为了克服与有限电池寿命相关的挑战，建议将在954 MHz下工作的植入式整流天线用于心脏起搏器（图6（b））[139]。该整流天线是实现与一个平面偶极天线构造与六边形分形和assimilated与阻抗匹配和整流电路。对于小型化，矩形条被组织在天线结构连同高介电常数介电衬底（SR = 9.8）。到为了证明系统的WPT能力，使用导电条制造可穿戴发射天线阵列（12）（图6（c））。该结构的接地平面被截断，以实现定向波束和良好的阻抗匹配。基板的低厚度（0.254 mm）有助于使天线阵列与测试对象身体一致。起搏器的体内测试是使用多赛特犬模型进行的（图1）。[139]。将可穿戴发射阵列放置在胸部上方，向植入物发射21 dBm的RF功率整流天线测量的整流直流（DC）电压作为输入RF功率的函数如图7（b）[141]所示。无电池异步心脏起搏系统报告了类似的基于整流天线的方法[141]。植入体由电极天线（在1.2 GHz下谐振）、阻抗匹配电路和整流器组成。对于天线，利用平面微带拓扑结构并与互补开口环谐振器集成：见图6。用于心血管保健的生物电子设备。(a)可穿戴心脏传感器装置的示意图。提出了多个组件和层的集成。柔性天线与NFC和电池模块一起制作在PI基板上（b）基于整流天线的起搏器原型（一）人造整流天线;(ii)制造的带有充电元件的起搏电路;（iii）集成前无导线起搏器的示意图;（iv）完整制造起搏器的前视图(v)用于植入组织中的销耦合。(c)制作的1× 2发射阵列与共电馈电网络连接（顶部），在接地层上蚀刻D形槽（底部）。尺寸（mm）为W1= 9.91、W2= 7.8、W3= 4.25、W4= 2.8、L1= 60.5、L2= 55.6和R= 45。（a）复制自Ref。[121]经Springer Nature许可，©2018;（b）和（c）转载自参考文献[139]经IEEE许可，©2019。A.N. Khan，Y. O. Cha，H.吉登斯等人工程11（2022）2732×--××图7.第一次会议。（ a）用于在多赛特犬种模型中测试起搏器的体内实验装置的图示。发射阵列连接到功率放大器和信号发生器。(b)无电池和植入式无线异步起搏系统的原型。呈现了系统的不同制造部件，其中尺寸（mm）为W= 12、L= 10、P= 15、B= 12.4、C= 4.5和D= 14.4。（a）复制自Ref。[139]经IEEE许可，©2019;（b）转载自参考文献[141]经IEEE许可，©2019。10 mm × 10 mm。使用外部喇叭天线将RF功率传输到植入物，两者之间距离为25 cm。将该系统植入绵羊受试者的左心室心外膜表面。在植入式场景中评价了水循环微波消融针的性能。据报道，天线的回波损耗是17分贝在1.25千兆赫，而实测实现的增益是1.5 dBi。外部喇叭天线发射10 dBm的RF功率，在植入位置产生0.0082mW·cm-27. 药物输送装置药物递送系统能够将治疗剂以最佳功效和药代动力学转移到靶向位置[11]。它们可以执行与给药相关的多种功能，并可以实时调整药物释放动力学，以实现人体内所需的浓度和扩散速率几种电子组件和材料已显示出支持药物输送的潜力，具有增强的患者依从性、适应性和药物安全性[146]。已报道了被动[147]和主动[148]药物释放机制主动系统比被动系统更商业化，被动系统具有低药物浓度和小驱动力，并且需要复杂的系统包装[149]。目前，大多数主动系统都是无线控制的，允许患者自主控制药物释放时间，并允许通过无线编程设备来定制给药方案[150药物释放机制的无线控制可以为治疗性治疗开辟新的领域。在这种情况下，几种无线控制的药物递送平台已经显示出治疗与激素失衡、恶性癌症等相关的过多疾病的潜力[11]。微制造技术的最新创新使得电子器件、材料、微处理器控制器、天线和RF电路能够在设备的紧凑空间内集成和封装[146]。所有这些成分都与储存药物的小水库一起被同化因此，该装置配置需要紧凑的天线设计，以允许足够的空间用于储存器和其他电子部件的集成。随着柔性生物相容性材料的出现，已经可以制造能够适应器械形状的适形天线[154]。器械和外部单元之间的双向通信链路可以共享有关电池电压状态、药物扩散速率和释放时间的信息[154]。因此，有效的天线设计对于实现通过人体的可靠和鲁棒的链路是必不可少的。在最近发表的一份报告中，一种基于生物可吸收聚酸酐储库的设备被证明用于药物输送，并且可以无线供电通过感应链路（图（第8（a）段）[12]。 RF功率收集单元由镁（Mg）RF线圈、硅纳米膜（SiNM ）和平行板电容器组成（图11）。 8（b））。线圈的品质使用由外部传输线圈（80 mm直径，三匝，用1.6 mm直径铜线缠绕）产生的5 MHz信号图8（c）中示出了设备中的采集器电路的反射系数。仔细选择低频信号，以实现生物组织中的小寄生吸收[155]。由该装置接收的信号在附接到储液器的一对Mg电极因此，电流引发密封储存器的金属栅极结构的电化学溶解。该过程打开储液器，从装置中释放药物所提出的系统也进行了升级，以证明药物从装置的多个储存器中释放（图11）。 8（d））。设备中的每个水库都有自己的集成功率收集单元，并在三个不同的频率（5.14，9.92和14.78 MHz）下谐振。多频采集器谐振是使用匹配电容器（19、23和85 pF）和单个线圈实现的（图1）。 8（e））。另一项研究报告了一种基于微芯片的多储库装置，用于在人体内递送多肽[156]。每个微芯片的尺寸为15 mm × 15 mm × 1 mm，并含有100个可单独寻址的300 nL储存器。在装置周围形成环形天线，以接收关于靶向储库和药物通过微溶出过程释放的信息（图1）。 8（f））。经皮给药装置可自行给药，药物浓度水平的波动最小[157，158]。它们通常在贴片上包含微针阵列，并且每个微针连接到下方的药物储存将贴片置于皮肤上，然后按压以将药物输送到体循环中[159]。一个有趣的方法是在参考。[157]这是一种无线控制的药物输送。 该贴片是无电池的，包括一个柔性电路板，温度传感器和NFC模块（图1）。 8（g））。通过NFC天线将局部皮肤温度传输到具有NFC功能的智能手机（图1）。[157]。人体皮肤的温度分布可用于控制药物释放量它还表明，该贴片可以从用户的智能手机在不同的弯曲条件下，在14.2和14.6 MHz之间的频率范围内收获贴片的平滑贴片操作所需的电压对应于贴片与智能手机之间小于10 mm的距离上述药物递送装置不是严格的生物电子学，并且很少有报道讨论用于生物电子学的潜在有机[160，161]和导电[162，163]材料。A.N. Khan，Y. O. Cha，H.吉登斯等人工程11（2022）2733见图8。无线控制的药物输送装置。(a)具有电触发机制的无线使能的可植入生物可吸收药物递送系统的示意图[12];（b）器械的无线功率采集器由具有Mg线圈、SiNM二极管和Mg/SiO2/Mg电容器的RF功率采集器组成[12];（c）模拟散射参数与实测散射参数的比较（S11）采集器的谐振频率约为5 MHz[12];（d）具有三个单独的储存器和无线刺激器单元的系统的图示[12];（e）在不同频率下操作的三个单独的采集器的模拟和实验测量的电压之间的比较，以证明串扰最小[12];（f）在PCB上制造集成组件;（h）贴片的示意图，贴片包括柔性电路板、药物递送电极、NFC天线和铜线，天线使用PI涂层包裹在装置中PBTPA：聚丁二硫醇1，3，5-三烯丙基-1，3，5-三嗪-2，4，6（1H，3H，5H）-三酮戊烯酸酐;PLGA：聚（乳酸-共-乙醇酸）.(f)经Springer Nature许可，转载自参考文献[156]，©2006;（g，h）经Springer Nature许可，转载自参考文献[157]，©2020。运送毒品。这些报道主要集中在新材料及其与身体组织的界面上。扩大这一研究领域的范围可以导致未来无线生物电子设备的发展，这些设备不仅可以提供个性化药物，还可以增加体内药物的吸收。8. 生理监测生物电子器件的优点促进了它们在连续生理监测和传感中的应用，这是因为最近在柔软和柔性材料方面的发展，实现了生物电子学与人体的不显眼和容易的接口[8，119，164在临床实践中，从心率[167]、呼吸率[168]、脉率[169]、应激[170]、脑血流动力学监测[165]、汗液[171]和血压[168]中检索和分析大量生理数据，用于诊断和治疗。无线技术通过在远离身体的距离处提供数据采集的支持和灵活性，刺激了与生理感测相关的研究和商业活动[172]。它还有助于开发一种接口，该接口从传感器获取数据并将其无线广播到最终用户笔记本电脑、平板电脑或手机，以图形方式解释生理信息。A.N. Khan，Y. O. Cha，H.吉登斯等人工程11（2022）2734在文献中，已经提出了几种协议，例如蓝牙[165，169- 171，173，174]和NFC [28]，以调节生理监测中的NFC启用的生理感测的演示在参考文献[28]中给出。拟议的工作利用NFC启用的服装，并排除了传感器节点中电池的要求。在物理上分离的位置之间充当继电器的多个电感器图案使用纺织材料上的导电线来刺绣。NFC天线（读取器）放置在电感器图案附近，并由于以13.56 MHz工作的时变磁场而集中在继电器终端的读取器输出功率被认为是恒定在200mW，而4 mW的功耗是通过测量跑步运动员的应变和温度在传感器节点处估计的。睡眠是一种重要的生理功能，其周期或模式中的任何一种缺陷都会影响大脑功能，心律和自主神经系统[175]。最近，无线生物电子学的一个有趣应用已被证明用于实时家庭睡眠监测[164]。该系统提供柔软的适形界面，并记录皮肤电反应（GSR），这是一种与皮肤电导和交感神经系统相关的生理信号[176]。该系统使用基于纳米材料的电极连接到皮肤，并包含轻质和低功率电子器件（图9）。类似的研究已经报道了使用生物电子学监测压力[170，177]。9. 脑刺激器深入了解大脑功能是神经科学研究的首要目标，以克服与复杂且大多为侵入性神经治疗相关的艰巨挑战[30，82，178神经化学相关的神经功能传感[157]、细胞特异性神经元活动[181]、组织血氧测定[182]、神经动力学记录[181，183]、周围神经的神经调节[184]和神经变性疾病的根本原因的确定[178]已经被神经科学界研究。在最近的过去，通过将柔性生物相容性材料用于与神经电路的长期和简易接口，已经注意到工程植入式生物电子器件[185此外，文献中还讨论了生物可吸收材料用于持续非药理学神经再生治疗[155]。药理学和光遗传学研究的共同努力已经阐明了神经回路与病理性脑功能的相互作用[184，188]。使用硅材料[189，190]和CMOS技术[191，192]实现了多种多功能神经探针和微电极，可在插入时记录脑电活动。尽管神经探针和微电极显示出巨大的潜力，但已知它们在插入时会引起脑组织炎症和出血[192]。此外，在光遗传学中实现了系留光纤，以将光传递到神经元，用于记录荧光信号[181]。然而，光纤可以减少受试者的运动，并限制实验范例的范围。为了克服上述缺点，无线技术已被积极考虑作为替代方案[178，187，188，193，194]。使用用于基于光遗传学的感测和刺激的无线闭环系统来实现外周神经调节（图10（a））[29]。该系统配备了一个无线控制模块，包括一个集成的低功耗RF嵌入式微控制器。该系统通过三线圈系统以13.56 MHz的工作频率感应供电，并植入大鼠体内以治疗膀胱过度活动症（图10（b））。发射器侧的无线部分由RFID驱动器、阻抗匹配电路和初级线圈构成。相反，无线控制模块中的负载线圈充当接收器（图10（c））。来自发射线圈的WPT开始于见图9。基于无线软生物电子学的家庭睡眠监测系统[164]。(a)说明了一个人睡觉时手腕上的贴片;（b）在柔性材料上制造的生物电子系统（左）和硅胶带上的石墨烯电极（右）;（c）生物电子中集成组件的说明;（d）涉及数据流和睡眠信号分类的步骤。A.N. Khan，Y. O. Cha，H.吉登斯等人工程11（2022）2735×图10个。用 于 无 线 光 遗 传 学 调 制 的 完全可植入和软光电系统。（a）该系统包括光电刺激和传感（OESS）模块、低模量可拉伸应变计（SG）、集成无机发光二极管（ILED）、无线控制和电源（WCP）、蓝牙模块和用于将WPT连接到光电系统的感应电源线圈。(b)（一）系统的原型制作及集成组件;（二）系统植入示意图。(c) 植入式WCP模块示意图I-ILED：微型无机发光二极管。复制自Ref。[29]经Springer Nature许可，©2019。接收线圈在13.56MHz的设计频率处阻抗匹配实验证明，当从外部线圈输送4W的功率时，系统的无线充电在30秒内完成。该系统还能够通过蓝牙连接将数据传输到外部iPhone操作系统（iOS）设备。尽管基于（发射器和植入物）线圈的感应链路被广泛探索用于光遗传学装置，但它们受到若干限制。当发射线圈与植入线圈对准并耦合时，来自发射线圈的感应功率传输最大化然而，一个移动的对象可以恶化的耦合效率，跟踪算法通常被部署，以保持无线通信链路的性能。有一份报告提出了一种用于WPT到小型化光遗传学装置的基于谐振RF腔的trans-mix[180]。腔体（直径21 cm，高15 cm）采用铝材料制成，能够利用测试对象的介电特性和物理尺寸，以1.5 GHz频率将电磁能耦合到植入物（图11）。 11（a））。植入物尺寸为10所得的总重量仅为20六边形的表面晶格（直径2.5cm）用于将电磁能耦合到小鼠组织。在晶格下面，放置了一个圆柱形波导，其向小鼠发射圆极化电磁波。所提出的方法可以很容易地将电磁能量聚焦在整个网格区域周围，具有由于圆偏振引起的最小耦合损耗，并且避免了跟踪算法，因为WPT效率与外壳中的鼠标取向无关所制造的无线植入物及其尺寸比较如图所示。 11（c）.在可编程植入光电设备中的多模式操作的背景下，有源组件对于功率调节、位置和角度无关的无线功率采集的实时用户自主性磁共振耦合已经证明了其在有源光电器件中用于RF功率收集的潜力，13.56兆赫[30]。该器件包括几个操作组件，如接收天线，单波整流器，集成，grated匹配电容器，线性压降稳压器，肖特基二极管与低正向电压阈值整流的alter，nating电流（AC）从外部天线接收到的信号外部双环主天线覆盖标准实验外壳的圆周所提出的工作还演示了使用正交极化磁共振天线在角度相关的情况下的功率传输。它促进了对受试者的功率传输能力，而不考虑其在测试外壳中的方向。报告了一种有趣的无线编程电子系统设计，用于持续的非药物和神经再生治疗[155]。整个系统和相关组件采用各种生物相容性和生物可吸收材料制成。该无线刺激器包括：见图11。基于RF腔的光遗传学装置。(a)谐振腔上方外壳的示意图。RF信号发生器使用移相器和功率分配器与腔的两个端口连接。（b）植入物的集成组件示意图（c）原型制作及其尺寸比较。chR2：通道视紫红质2。复制自Ref。[180]经Springer Nature许可，©2015。A.N. Khan，Y. O. Cha，H.吉登斯等人工程11（2022）2736~~~具有双线圈配置环形天线（具有34匝的线圈）的RF功率采集器，其由50μm厚的Mg制成，与聚（乳酸-共-乙醇酸）（PLGA）介电夹层一起使用（图1A和1B）。12（a）和（b））。为了对接收到的RF功率进行整流，在电路上制造了一个二极管和一个Mg/SiO2/Mg电容（1050 pF）。植入式电子系统和发射天线之间的磁耦合在~ 5 MHz下实现（图1）。 12（c））。 该采集器在距发射天线80mm的耦合距离处生成11 V pp的1 V单相输出（图1）。 12（d））。生物可吸收无线刺激器在一段时间内的溶解在图中突出显示。 12（e）.设计用于无线神经刺激的微型生物电子器件大多数上述用于神经刺激的生物电子器件以低频操作，并且使用感应线圈系统无线供电。尽管磁场在通过身体组织传播时衰减最小[195]，但低工作频率下的线圈尺寸可能会限制植入物的整体尺寸。最近，已经探索了磁电材料用于无线地为在宽频率范围下操作的微型神经刺激器供电（图1A和1B）。 13（a）和（b））[196]。这些材料能够将磁场转换为电压，并满足天线和整流器的要求磁电材料的薄层当产生电压并打开LED进行光遗传刺激时，它也会使压电层产生应变（图11）。 13（c））。集成在无线光遗传学设备中的薄可拉伸天线已显示出宽带RF功率收集的潜力（图13（d））[197]。该装置实现了脊髓和周围神经系统的光遗传学调节。为了使该器件小型化，天线用紧凑的Ti/Au蛇形电互连制造，并在2.35 GHz下谐振，工作带宽超过整个电路用聚酰亚胺（PI）和低模量硅橡胶密封（图1）。 13（e））。该设备以2W的RF功率激发，通过四个外部天线的配置发射RF收集单元包括整流器、电压倍增器和电压放大器。图12个。 用于神经再生刺激的生物电子装置。（a）设计示意图该器件包括由Mg线圈制成的无线电功率采集器、由320 nm厚的SiNM和300 nm厚的Mg电极制成的二极管以及在PLGA衬底上的Mg/SiO2(b)设备与接收器天线集成的图示。（c）刺激器的共振频率（d）当AC（正弦波）施加到传输线圈时的输出波形（红色和蓝色分别代表刺激器和发射器(e)表示与在37 °C下浸入磷酸盐缓冲盐水（PBS）（pH 7.4）相关的生物可吸收无线刺激器的溶解的图像。经Springer Nature许可，转载自参考文献[155]，©2018。A.N. Khan，Y. O. Cha，H.吉登斯等人工程11（2022）2737图十三. （a）手指上装置的图像;比例尺：5 mm。（b）自由移动大鼠上装置的示意图。插图示出了应变从磁致伸缩层到压电层的传递，用于在膜上产生电压。(c)磁致伸缩层的谐振响应，表示在171 kHz声谐振时产生的最大电压插图显示了制造的刺激器。右侧插图显示了使用COMSOL计算的应力(d) 系统中集成组件的示意图（e）（i）指尖上方的预制装置（厚0.7mm，宽3.8 mm，长6 mm），(ii)其与LED的可拉伸连接PVDF：聚偏二氟乙烯; PZT：锆钛酸铅（a）[196]在爱思唯尔的许可©2020;（d）和（e）转载自Ref.[197]经Springer Nature许可，©2015。LED（需要2.7 V才能打开），通过蛇形电互连与可伸缩天线连接。小型化肖特基二极管和陶瓷芯片电容器集成在整流器内，并与电压倍增器连接在参考文献[181]中，提出了一种无线控制的可注射光度探针，用于连续记录神经动力学。探头的接收天线使用磁共振与外部初级线圈无线耦合，并且用具有100l m宽迹线和50l m间距的七匝双面铜线圈（品质因数为23.05）制造。它引起共鸣，13.56兆赫，并建立无线通信链路，折叠在实验外壳周围的外部天线。使用光流体装置的光遗传学和药理学的结合改善了神经化学信号感测，并克服了与传统物理系链相关的限制这些在插入大脑方面是不方便的，并且不适合需要受试者运动的实验范例。最近使用软无线微流体系统证明了可编程药理学和光遗传学的概念，并且包括磁环天线以与外部主天线建立WPT链路，从而使整个系统无电池且小型化[198]。A.N. Khan，Y. O. Cha，H.吉登斯等人工程11（2022）2738柔性印刷电路板（PCB）平台用于装配具有整流器和电容器的天线，以将谐振频率调谐到13.56 MHz。收集的RF功率范围为11至115 mW。10. 结论生物电子学正在成