适用于脑机接口的天线系统仿真和测试
脑机接口 （BCI） 系统通过大脑上的小型植入设备提取大脑信号，然后将它们无线发送到附近的基站进行处理并转化。BCI 技术可以替代神经功能并协助恢复由损伤引起的神经破坏。由于捕获复杂大脑信号需要特定性能的天线系统，那么目前有那些性能适合 BMI 的植入式通信系统呢？
脑机接口中的天线设计有那些需求 BCI的仿真模型建立和实验条件 参考文献
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脑机接口中的天线设计有那些需求
通过自动计算机接口和机械臂将数百万个脑细胞的活动传输到外部接收器，将思想转化为行动的能力具有巨大的潜力。
然而，设计植入式系统会带来各种挑战，包括发射器和接收器的尺寸、人体内外电磁耦合的影响、比吸收率 （SAR） 以及理想的通信特性。
因此，开发具有宽边辐射方向图和无缝集成的紧凑、小型化和宽带植入式天线系统对于与位于体外的外部接收器进行有效通信至关重要。然而，重要的是要注意，小型化天线可能会带来挑战，可能导致增益、效率和带宽受到影响。
设计具有合理性能属性的满足上述需求的天线设计很多具体问题，总结如下，
植入式天线辐射到有损环境中，这些损耗随着频率的增加而增加。这使得设计 UWB 天线，在整个频段上提供一致的性能，变得非常具有挑战性。
由于尺寸小，植入式天线通常具有无方向的辐射方向图，导致预期目标的信号较弱。
人体头部组织、皮肤和骨骼的频率依赖性、它们的导热性和导电性以及损耗角正切随着频率的增加而增加，从而极大地影响关键性能参数。
为了检测和传输大脑信号，应将带有传感器和天线的植入式设备植入深层组织的骨骼下方。因此，来自天线的信号在离开主机人体之前必须经过很长的有损路径。考虑到高速数据传输的障碍、复杂性和标准，在此通信中建议开发适用于检测大脑信号、监测神经活动和促进翻译活动的天线。
此外，绝缘层保护壳在植入式器件中发挥着至关重要的双重作用：首先，它保护器件免受周围组织的氧化，其次，它通过其高介电常数和低损耗特性最大限度地减少近场损耗，从而优化天线性能。然而，绝缘层的可成型性和生物相容性限制了最佳材料的使用。为了解决这个问题，可以采用由生物相容性绝缘层封闭的高介电常数 superstrate。超层和绝缘层的有效介电常数可以与周围有损人体组织的介电常数相匹配，以减少反射损耗，并将辐射功率集中在所需的宽边方向。
BCI的仿真模型建立和实验条件
头部七层模型：
非均匀的头部七层模型包括：皮肤、脂肪、颅骨、硬脑膜、脑脊液、灰质和白质，如图所示。
这些层具有不同的介电常数、厚度和损耗角正切。详细的参数可以参考文末参考资料。
为了量化各项参数对系统的影响，常常会将仿真设计先在模拟头部的多层模型中建立，然后再放入生物模型中优化性能。
构建准人类头部环境的详细步骤和程序如图所示。初始时，将模型每一层中使用的材料及其比例制成表格。
开始制作时，首先，使用数字秤精确测量所用材料的比例。然后，准备并加热蒸馏水、NaCl 和琼脂的溶液。加热几分钟后，在溶液中加入 TX-151、叠氮化钠和聚乙烯粉末并搅拌直至适当混合。混合物准备好后，将其倒入模具中并冷却以获得所需的形状。
最后，
除了常规的天线参数，如带宽、增益、方向性等指标之外，设备植入生物体后的链路预算、SAR等等参数也是不可忽略的指标。
[1] S. Imran Hussain Shah, A. Basir, H. Yoo and I. -J. Yoon, "A Compact Ultrawideband Antenna System With Stable Broadside Radiation Patterns for Brain–Machine Interface Applications," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 73, no. 1, pp. 629-634, Jan. 2025, doi: 10.1109/TAP.2024.3496091.
[2] S. Hout and J. -Y. Chung, "Design and Characterization of a Miniaturized Implantable Antenna in a Seven-Layer Brain Phantom," in IEEE Access, vol. 7, pp. 162062-162069, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2951489.
