Μελέτη σύγχρονων συστημάτων ραδιοσυχνοτήτων εμβαπτισμένων εντός του ανθρώπινου σώματος

Abstract

Wirelessly-linked implantable medical devices (IMDs) are attracting great scientific interest for in vivo monitoring, measuring and simulating vital signs of the human body within the framework of patient prevention, diagnosis and therapy. Medical telemetry constitutes the substantial processes that allow the bidirectional data transfer between implantable medical devices and exterior monitoring systems. Upon long-term implanted apparatuses and the necessity of power autonomy, the issue of wireless charging arises, as well. The present PhD Thesis deals with the critical design challenges of novel miniature and efficient implantable antennas for wireless medical telemetry and charging applications.Initially, the design of implantable antennas is studied in order to implement planar space-filling structures of small physical size and wireless medical telemetry operation in the Medical Device Radiocommunication Services (MedRadio, 401-406 MHz). Based on a novel parametric model of a dipole antenna, a computational study of the performance properties of implanted antennas is conducted as a function of: (a) critical design parameters and (b) embedded conditions (biological tissue, implanted depth and multi-layered/anatomical structures). The goal is to investigate the important design issues of planar space-filling antennas of extremely small size.Furthermore, the performance properties of planar implantable dipole antennas as a function of the physical length are examined for wireless medical telemetry applications. Given the numerical results, a novel implantable antenna of miniature physical size and wide bandwidth is developed for MedRadio operation. The fabrication and experimental testing of the suggested antenna is, also, carried out within an experimental tissue phantom in order to validate the designed dipole structure of small dimensions. A multi-level design analysis of electrically small antennas is, further, conducted upon three fundamental axes: a) geometry, b) impedance matching, and c) quality factor Q for wireless telemetry applications within MedRadio band. The goal is to produce a thorough source of antenna design considerations for optimum implantable medical devices in terms of size, efficiency and robustness. The thesis is completed with the study, fabrication and experimental testing of a novel radiofrequency medical system (rectenna) that comprises of a novel dual-frequency patch antenna and a rectifier circuit for wireless medical telemetry (MedRadio band) and charging (ISM band). With the aim of enhancing the total system efficiency, a novel technique of increasing the available input power of the implanted antenna is presented. Then, rectifying circuits are studied in order to achieve effective conversion of the electromagnetic energy into DC power. Finally, the fabrication and experimental testing of the implanted rectenna are carried out by integrating the rectifier into the dual-frequency implantable antenna.

Οι ασύρματες εμφυτεύσιμες ιατρικές διατάξεις συγκεντρώνουν ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον για την in vivo παρακολούθηση, μέτρηση και διέγερση βιολογικών σημάτων του ανθρώπινου σώματος στο πλαίσιο της πρόληψης, διάγνωσης και θεραπείας του ασθενούς. Η ιατρική τηλεμετρία συγκροτεί τις απαραίτητες διεργασίες που επιτρέπουν την αμφίδρομη μεταφορά δεδομένων μεταξύ των εμφυτεύσιμων ιατρικών διατάξεων και εξωτερικών συστημάτων παρακολούθησης. Στο πλαίσιο της μακράς εμφύτευσης των ιατρικών διατάξεων και της ανάγκης ενεργειακής αυτονομίας αυτών, το ζήτημα της ασύρματης φόρτισης ανακύπτει επιπλέον. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή πραγματεύεται τις κρίσιμες προκλήσεις σχεδίασης νέων μικροσκοπικών και αποδοτικών εμφυτεύσιμων κεραιών για εφαρμογές ασύρματης ιατρικής τηλεμετρίας και φόρτισης.Αρχικά, μελετάται η σχεδίαση εμφυτεύσιμων κεραιών με στόχο την υλοποίηση επίπεδων διατάξεων πλήρωσης χώρου (space-filling) μικρού φυσικού μεγέθους και για λειτουργία ασύρματης ιατρικής τηλεμετρίας στη ζώνη Υπηρεσιών Τηλεπικοινωνίας Ιατρικών Διατάξεων (Medical Device Radiocommunication Services, MedRadio, 401-406 MHz). Βάσει ενός πρωτότυπου παραμετρικού μοντέλου διπολικής κεραίας, διεξάγεται μελέτη των ιδιοτήτων επίδοσης εμφυτεύσιμων κεραιών ως συνάρτηση: (α) των κρίσιμων παραμέτρων σχεδίασης και (β) των συνθηκών πλαισίωσης των κεραιών (βιολογικός ιστός, βάθος εμφύτευσης και πολυστρωματικές/ανατομικές δομές). Στόχο αποτελεί η βασική διερεύνηση των σημαντικότερων θεμάτων σχεδίασης επίπεδων κεραιών πλήρωσης χώρου και εξαιρετικά μικρού μεγέθους.Έπειτα, μελετώνται οι ιδιότητες επίδοσης επίπεδων εμφυτεύσιμων διπολικών κεραιών ως συνάρτηση του φυσικού μήκους για εφαρμογές ασύρματης ιατρικής τηλεμετρίας. Δοθέντων των υπολογιστικών αποτελεσμάτων, αναπτύσσεται μία πρωτότυπη εμφυτεύσιμη κεραία μικρού φυσικού μεγέθους και μεγάλου εύρους ζώνης για λειτουργία στη ζώνη συχνοτήτων MedRadio. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται κατασκευή και πειραματική μέτρηση της προτεινόμενης κεραίας εντός πειραματικού ομοιώματος ιστού προς επαλήθευση της σχεδιασθείσας κεραίας μικροσκοπικών διαστάσεων.Ακολουθεί μία πολυεπίπεδη ανάλυση σχεδίασης ηλεκτρικά μικρών εμφυτεύσιμων κεραιών σε τρεις θεμελιώδεις άξονες: α) γεωμετρίας, β) προσαρμογής εμπέδησης, και γ) συντελεστή ποιότητας Q για εφαρμογές ασύρματης ιατρικής τηλεμετρίας στη ζώνη MedRadio. Στόχο αποτελεί η δημιουργία μίας εμπεριστατωμένης πηγής σχεδίασης μικρών κεραιών για βέλτιστες εμφυτεύσιμες ιατρικές διατάξεις αναφορικά με το μέγεθος, την απόδοση και την ευρωστία.Η Διατριβή ολοκληρώνεται με τη μελέτη, κατασκευή και μέτρηση μίας πρωτότυπης εμφυτεύσιμης διάταξης ραδιοσυχνοτήτων (rectenna) αποτελούμενη από μία πρωτότυπη κεραία μικροταινίας διπλής ζώνης συχνοτήτων (antenna) και ένα κύκλωμα ανόρθωσης (rectifier) για εφαρμογές ασύρματης ιατρικής τηλεμετρίας (ζώνη MedRadio) και φόρτισης (ζώνη ISM). Στο πλαίσιο ενίσχυσης της συνολικής απόδοσης της διάταξης, παρουσιάζεται μία πρωτότυπη τεχνική αύξησης της διαθέσιμης ισχύος στην είσοδο της εμφυτεύσιμης κεραίας. Στη συνέχεια, μελετώνται κυκλώματα ανόρθωσης προκειμένου να επιτευχθεί αποδοτική μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας σε ισχύ σταθερής τάσης. Ακολουθεί η ενσωμάτωση του κυκλώματος ανόρθωσης επί της εμφυτεύσιμης κεραίας διπλής ζώνης συχνοτήτων και η κατασκευή και μέτρηση της εμφυτεύσιμης rectenna.