可穿戴与医疗设备物联网仿真设计

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无论您身处哪个行业，关注哪项产品，物联网都将以意想不到的方式对您的业务产生巨大影响。ANSYS开发了电子和嵌入式软件建模等一系列扩展功能，帮助您在物联网时代大获成功。

随着全球人口老龄化、慢性病日益增加、医疗成本难以为继，医疗行业必须尽早了解病理，提高大众的健康福祉。物联网（IoT）可提供无线互联和感应功能，有望推进医疗行业的变革。配备微型传感器的可穿戴电子产品和可植入设备，能够持续监控生命参数并向医生安全地报告异常情况，这样不仅可提高患者的生命质量，同时确保及时的医疗救助。

医疗IoT能够实现主动参与、个体化、可预测性和注重预防（P4医学）的医学治疗方案。互联医疗设备如雨后春笋，到2020年可能达到200亿部，因此医疗设备和高科技企业正联手解决这个迫切需求。成功的医疗设备和制药公司采用工程仿真研发出的系统，不仅具有高可靠性，还能确保数据保密以及更快的合规性。

仿真的价值和五大核心工程挑战

仿真驱动的产品研发是大多数行业领域已经确立、并得到充分验证的方法。传统构建测试**被高保真仿真技术取而代之。无论哪个行业的最佳企业都在产品设计早期阶段采用仿真技术应对五大物联网挑战：一、尺寸、重量、功耗和冷却；二、感应和互联；三、可靠性和安全性；四、集成；五、耐用性。前三大挑战对于医疗保健行业尤为重要。

在包含冲击的恶劣条件下测试可穿戴设备

1. 尺寸、质量、功耗与冷却（SWaP-C）

更小、更轻、更节能、散热更好的可穿戴或可植入设备，对于确保患者的舒适度和生命安全至关重要。当需要加入物联网技术实现无所不在的连接功能、提高电子元器件密度时，上述挑战会变得困难重重。Starkey Hearing Technologies的高级射频设计工程师Casey Murray在《ANSYS Advantage》杂志撰文指出：“制造商正在添加无线技术和其他特性，而助听器也变得越来越小型化。”设计人员采用ANSYS解决方案仿真各种不同的设计选项，同时充分考虑助听器内部天线和组件的实际几何结构以及人体等因素，从而完美解决上述设计挑战。Murray总结道：“仿真能帮助每个设计项目节约数月的测试时间和数万美元的成本。”

感应和互联

智能互联产品能感应其所处环境，与其他电子产品通信，并产生决策和结果。举例来说，可穿戴或可植入设备需要正确解读所测量的参数，从而得出初步诊断结果。在可能非常严重的健康状况下，设备应该立即向患者发出警告或给出紧急建议，同时联系医疗人员快速采取行动。这种通信要求意味着设计人员应该进一步关注如何降低电磁干扰，同时确保信号和电源完整性。

可靠性和安全性

随着技术不断发展，未来患者身上可能会有更多的可穿戴或可植入医疗设备，如果不有效控制辐射的能量，就很可能超过比吸收率（SAR），进而影响患者健康，甚至造成更严重的问题。许多医疗产品都将在安全关键型环境下工作，并需要满足相应的可靠性和安全性标准。比利时纳电子学研究公司Imec的总监Chris VanHoof在解释仿真解决方案的必要性时指出：“很多时候我们根本无法进行实验测试，而且医疗设备领域的情况确实如此。”VanHoof在《ANSYS Advantage》杂志撰文指出：“ANSYS也能很好地处理差异性。这对我们的医疗设备研究非常重要，因为人体确实存在很大的差异性。”

ANSYS：综合仿真平台的价值

物联网产品制造过程的复杂性带来了核心工程挑战，这些挑战难度不断升级，进而凸显了现有设计过程的弱势和不足。独立研究显示，上述产品的成功部署需要提高功能型工程团队之间的沟通和协作。否则就很可能导致产品延期、可靠性降低和成本超支等问题。如果没有沟通协作，制造出的产品会出现集成问题，特别是当每个团队为增加自己的安全裕量而构建和过度设计子系统时，这种情况会更加严重。

可穿戴设备和可植入设备的相互作用可能超出患者的安全条件要求

具有优秀的协作沟通传统的公司会充分利用工程仿真优势，遥遥领先于同类竞争对手。同业最佳公司使用综合仿真平台，在物理原型设计之前即可分析组件和系统级行为。这些公司的设计人员能够快速探索众多设计方案的性能，进而在成本、质量或性能方面精心优化设计。支持跨功能工程协作的综合平台可实现基于仿真的设计方法，在以下几种设计标准中介绍了该方法的众多优势。

天线设计和布局

无线系统在真实环境的性能与在消声室原型测试环境中的性能大相径庭。工程师利用高级计算机模型进行近场分析，以减少包括人体在内的整个环境对于众多天线和无线设备性能的影响。这种方法能提供更多信息，改进准确度，并提高可靠性。

举例来说，可穿戴电子产品行业领先者Synapse Product Development的工程师用ANSYS工具将天线范围扩大5倍，同时将整体设计时间锐减25%。

电源管理

对于支持和延续生命的植入设备来说，电池耗尽是不可想象的灾难。此外，工程师还要避免过于频繁的电池充电次数，因为充电本身就可能具有风险。无线电力传输、低功耗IC设计以及本地能量收集是构建许多物联网设备的基石。安全性始终是一个关键的考量因素。相关标准和监管机构对释放到生命组织的电磁能量大小进行了限制。

ANSYS仿真工具中包含人体模型，可用于设计各种供电系统并分析其对人体的影响。举例来说，患者皮下神经**器会发出温和的电信号，阻止疼痛信息到达人体大脑，从而达到缓解疼痛的目的。正如《ANSYS Advantage》杂志文章所指出的那样，Medtronic采用ANSYS Maxwell仿真设备的工作情况，从而避免产生高昂成本，同时及时地研发出神经**器产品。

嵌入式软件

虽然医疗行业的嵌入式软件发展显然落后于航空和汽车行业，但毋庸置疑的是，未来的互联医疗设备将包含具有数百万行代码的软件，该软件能对设备不断收集获得的大量数据进行正确解释，从而协助相关疾病诊断。安全性对于众多此类产品和系统（如除颤器）而言至关重要，因此控制软件必须毫无差错地工作，以避免出现任何问题。

ANSYS的模型嵌入式软件研发与仿真环境具有内置的自动代码生成器，可大幅加速嵌入式软件研发项目的进程。

ANSYS：值得信赖的合作伙伴

设计物联网科技的工程师面临着SWAP-C、感应互联、安全和可靠性、集成以及耐用性等大量挑战。基于平台的工程仿真技术得到了七大应用的支持，包括天线设计和布局、芯片—封装—系统设计、传感器和MEMS设计、电源管理、嵌入式代码生成、面向恶劣环境的设计以及虚拟系统原型设计等，这对企业最大限度利用物联网机遇至关重要。

欢迎阅读题为《物联网工程》的***，进一步了解ANSYS仿真解决方案如何帮助您研发物联网产品。

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来源：Ansys

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首次发布时间：2022-08-18