взхпхв. Беспроводной мониторинг параметров состояния биологическихобъектов в микроволновом диапазоне
 Скачать 3 Mb.
|
|
Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 15 Беспроводной мониторинг параметров состояния биологических объектов в микроволновом диапазоне (Обзор) © И.Б. Вендик, О.Г. Вендик, Д.С. Козлов, И.В. Мунина, В.В. Плескачев, А.С. Русаков, П.А. Туральчук Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет ” ЛЭТИ“ им. В.И. Ульянова (Ленина), 197376 Санкт-Петербург, Россия e-mail: ibvendik@rambler.ru (Поступило в Редакцию 23 июня 2015 г.) Представлен обзор систем радиочастотной идентификации (РИД), применяемых для дистанционной диагностики заболеваний, бесконтактного контроля и оценки состояния организма человека. Рассмотрено распространение электромагнитных волн в биологической среде и вдоль границы раздела различных сред, а также получение телеметрических данных с использованием беспроводных сенсоров применительно к имплантируемым системам или системам на поверхности человеческого тела. Особое внимание уделено системам РИД с использованием излучения электромагнитных волн в дальней зоне, поскольку такие системы необходимы в условиях чрезвычайных ситуаций для обнаружения пострадавших в труднодоступных местах и для контроля состояний спасателей. 1. Введение В настоящее время интенсивно разрабатываются и широко используются системы радиочастотной иден- тификации (РИД, или RFID, — Radio Frequency Identification ), предназначенные для применений в био- медицине в системах дистанционной диагностики за- болеваний, бесконтактного контроля и оценки состо- яния организма человека, что необходимо для обес- печения безопасности жизнедеятельности. Данное на- правление активно развивается и поддерживается, что отражается организацией конференций различного уров- ня, выпуском журналов по соответствующей тематике, организацией школ и пр. Опубликованные моногра- фии [1–5], обзоры в ведущих журналах, диссертации, выполненные в университетах и научных центрах в различных странах, свидетельствуют о быстрых тем- пах развития и большом количестве результатов, по- лученных к настоящему времени. В настоящем обзоре основное внимание уделено следующим направлени- ям исследований: распространение электромагнитных (ЭМ) волн в биологической среде и вдоль границы раздела различных сред, радиочастотные системы мо- ниторинга параметров состояния биологических объ- ектов, имплантируемые и носимые антенны в соста- ве системы беспроводного мониторинга. Все обсуж- даемые результаты относятся к области микроволно- вой техники. Система РИД, как правило, состоит из радиометок и считывателей с соответствующими антеннами и си- стемы обработки информации. Особенностями разра- ботки радиометок для указанных применений являют- ся миниатюрные размеры и возможность считывания информации с радиометки с учетом свойств биологи- ческих тканей, характеризующихся диэлектрическими свойствами с высокой диэлектрической проницаемостью и значительными потерями электромагнитного сигнала. Принято выделять два вида систем РИД: системы, ра- ботающие в ближнем поле, и системы, использующие излучение электромагнитных волн в дальней зоне. Для систем, работающих в ближнем поле, исполь- зуется магнитная связь, что исключает влияние ди- электрических свойств среды на прохождение сигнала. Основная задача систем, работающих в ближнем поле, заключается в получении телеметрических данных с использованием беспроводных сенсоров применительно к имплантируемым системам или системам на поверх- ности человеческого тела. Задачи, решаемые системами РИД с использованием излучения электромагнитных волн в дальней зоне, за- ключаются в обнаружении объекта и регистрации его положения/состояния. Использование дальнего распро- странения радиоволн необходимо в условиях чрезвычай- ных ситуаций для обнаружения пострадавших в трудно- доступных местах и для контроля состояния спасателей. Заметим, что при этом используется наружное креп- ление радиометок на одежду или непосредственно на поверхность тела человека. При этом диэлектрические свойства биологического объекта играют принципиаль- ную роль. Системы контроля состояния здоровья могут быть разделены на группы по месту расположения радио- метки на теле человека: носимые и имплантируемые. К носимым системам контроля относятся системы с радиометками, которые расположены на поверхности тела или на одежде. В системах с имплантируемыми метками последние вводятся в организм человека путем хирургического вмешательства. Для иллюстрации ска- занного приведем схему (рис. 1), на которой показаны имплантируемые или носимые приборы [6]. 1 ∗ 3 4 И.Б. Вендик, О.Г. Вендик, Д.С. Козлов, И.В. Мунина, В.В. Плескачев, А.С. Русаков, П.А. Туральчук Implanted device Inside of body communication Wearable device Wearable device Out of body communication External base station Body surface communication Рис. 1. Схема сбора и передачи информации о состоянии тела пациента. Схема включает в себя имплантируемые или носи- мые биоэлектрические приборы и внешнюю базовую станцию, принимающую собранную информацию. 2. Электромагнитные волны в биологической среде Биоэлектрические устройства, связанные с телом че- ловека, осуществляют передачу информации о состоя- нии тела с помощью радиоволн и обеспечивают связь между телом человека и окружающим его простран- ством. При этом реализуется наблюдение сигналов, несущих информацию о процессах в теле человека, в ре- альном масштабе времени. Примером имплантируемого прибора может служить измеритель температуры, ана- лизатор химического состава жидкостей в теле пациента и др. Полученные сведения имплантируемый прибор вводит в систему модуляции излучаемой электромаг- нитной волны и таким образом обеспечивает передачу снятой информации во внешнюю среду. Носимый при- бор может фиксировать и передавать во внешнюю среду сведения о состоянии кожного покрова или служить антенной для связи с внешней базовой станцией. Зна- чительная часть элементов связи обеспечивается элек- тромагнитными волнами, распространяющимися в теле пациента. При этом возникают следующие проблемы, требующие специального обсуждения. 1. Распространение электромагнитной волны в биоло- гической среде (фазовая скорость и затухание волны). 2. Прохождение электромагнитной волны через грани- цу раздела биологической среды и воздуха. 3. Распространение электромагнитной волны вдоль поверхности границы раздела биологической среды и воздуха. 2.1. Распространение электромагнитной волны в биологической среде Рассмотрим электродинамические параметры биоло- гической среды. Диэлектрическая проницаемость биоло- гической ткани велика на низких частотах, что объяс- няется тем, что биологические ткани образованы мак- ромолекулами, ячейками или другими компонентами, связанными через мембраны. Мембраны обладают боль- шой емкостью на низких частотах. На частотах вбли- зи 100 MHz особенность емкости мембраны объясняется вращательными и вибрационными свойствами полярных молекул воды. Эти свойства молекул воды приводят к высоким значениям диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь, последнее связано с высоким значением электрической проводимости биологической ткани. Как правило, диэлектрическая проницаемость биоло- гической среды убывает, а проводимость растет с ростом частоты [2]. Для аналитического описания диэлектриче- ской проницаемости как функции частоты воспользуем- ся формулой Дебая [7] ε (ω) = ε ∞ + ε s 1 − ε ∞ 1 + iωτ 1 + ε s 2 − ε ∞ 1 + iωτ 2 = ε ′ (ω) + iε ′′ (ω), (1) где ε 0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, ε ∞ — относительная диэлектрическая проницаемость на высокой частоте ω → ∞. Дробные слагаемые в приведенной формуле характеризуют релаксационный (не резонансный) характер частотной зависимости ди- электрической проницаемости, которая представляется суммой вещественной и мнимой составляющих. Наряду с мнимой составляющей проницаемости используется электрическая проводимость среды σ = ε 0 ε ′′ ω + σ 0 , где σ 0 — не зависящая от частоты проводимость. Частотные зависимости вещественной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости и проводимости биоло- гической ткани в соответствии с формулой Дебая при- ведены на рис. 2. Частотные зависимости абсолютных значений диэлектрической проницаемости и проводи- мости для различных тканей человеческого организма показаны на рис. 3 [2]. Распространение электромагнитной волны характери- зуется сдвигом фазы волны и ее затуханием в зависи- мости от длины отрезка пути, по которому распростра- няется волна. Сдвиг фазы и затухание волны определя- ются параметрами среды, в которой распространяется волна. Такими параметрами являются диэлектрическая и магнитная проницаемости среды ε (ω) = ε d (ω)ε 0 и µ (ω) = µ d (ω)µ 0 , где ε 0 и µ 0 — диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума, ε d (ω) и µ d (ω) — относительные безразмерные диэлектрическая и маг- нитная проницаемости среды. По отношению к гар- моническим электромагнитным полям, меняющимся во времени по синусоидальном закону, диэлектрическая и магнитная проницаемости среды являются комплексны- ми величинами. Как правило, магнитная проницаемость биологической среды мало отличается от магнитной проницаемости вакуума и µ d (ω) = 1. Распространение электромагнитной волны описыва- ется уравнениями Максвелла. Преобразование уравне- ний Максвелла позволяет получить волновое уравнение. Решение волнового уравнения для E-компоненты гар- монической волны, распространяющейся вдоль оси z , Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 Беспроводной мониторинг параметров состояния биологических объектов в микроволновом диапазоне 5 0 0 2 2 4 4 6 6 8 8 10 10 12 12 1 0.01 10 10 100 100 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 3 e e ', " s , S/m lg (w) lg (w) e' e" a b 1 0.1 Рис. 2. Частотные зависимости вещественной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости (а) и проводимости (b) биологической ткани в соответствии с формулой Дебая. 0 2 3 4 5 6 7 8 lg ( e') f, Hz a 10 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 2 1 1 2 3 4 5 –4 –2 –1 0 1 2 lg ( s , S/m) f, Hz b 10 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 2 –3 1 2 3 4 5 Рис. 3. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости (a) и проводимости (b) для различных тканей человеческого организма: 1 — мышечная ткань, 2 — жир, 3 — кожа, 4 — кровь, 5 — мозг [2]. имеет вид E (z ) = E m e − αz e − i βz e i ωt . (2) Здесь множители e − αz и e − i βz описывают соответствен- но затухание и сдвиг фазы волны по мере ее распростра- нения, множитель e i ωt отвечает гармоническому харак- теру зависимости фазы волны от времени. Параметр α носит название коэффициента затухания, параметр β является постоянной распространения, определяющей фазовую скорость волны ν ph = ω/β. В общем случае распространение волны описывается комплексным волновым числом k (ω) = β(ω) − iα(ω). При распространении волны в диэлектрической среде с малым затуханием β (ω) = ω p ε 0 ε ′ (ω)µ 0 , α (ω) = σ (ω) 2 r µ 0 ε 0 ε ′ (ω) . (3) В проводящей среде, обладающей достаточно боль- шим затуханием, ωε 0 ε ′ (ω) ≪ |σ (ω)|, комплексное вол- новое число k (ω) = p−iωµ 0 σ (ω) и β = α = r ωµ 0 σ (ω) 2 . (4) Для параметров биологических тканей приведенное неравенство выполняется для весьма высоких частот (10 11 Hz и более ). Поскольку исследования биологиче- ских сред на столь высоких частотах проводятся редко, выражение (4) для описания параметров биологической ткани далее рассматриваться не будет. 2.2. Прохождение электромагнитной волны через границу раздела биологической среды и воздуха Рассмотрим случай, когда излучатель электромагнит- ной волны (малогабаритная антенна) имплантирован в биологическую ткань. В отличие от простого случая излучения волны в однородную изотропную среду, при Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 6 И.Б. Вендик, О.Г. Вендик, Д.С. Козлов, И.В. Мунина, В.В. Плескачев, А.С. Русаков, П.А. Туральчук E H E H e 2 e 1 q Incident wave Reflected wave Refracted wave a y E H E H e 2 e 1 q Incident wave Reflected wave Refracted wave b y Рис. 4. Падающая, отраженная и преломленная волны по отношению к границе раздела двух сред с диэлектрической проницаемостью ε 1 и ε 2 : для поляризации в плоскости падения (a) и поляризации, нормальной к плоскости падения (b). y z Refracted waves y q Reflected waves e 2 , s 2 e 1 , s 1 Oscillator Рис. 5. Падение сферической электромагнитной волны на границу раздела двух диэлектрических сред. рассмотрении прохождения волны через границу раздела биологическая ткань −свободное пространство (воздух) возникают специфические проблемы. Рассмотрим слу- чай дифракции сферической волны на границе раздела двух сред при падении волны на плоскую границу раздела (рис. 4). Участок сферической волны, малый по сравнению с расстоянием до ее источника возбуж- дения, можно приближенно рассматривать как плос- кую волну. Следовательно, прохождение сферических электромагнитных волн при наклонном их падении на границу раздела двух диэлектриков, расположенной на достаточно большом расстоянии от источника, может быть описано более простым случаем плоских волн. Угол преломления плоской электромагнитной волны ψ связан с углом падения θ следующим соотношением (рис. 5) [8,9]: cos ψ = r 1 − ε 1 ε 2 sin 2 θ. (5) При ε 1 = 55, σ = 1.5 − 1 · m − 1 (биологическая среда на частоте 2.45 GHz ) и ε 2 = 1 (воздух) отклонение пада- ющей волны от нормали к граничной поверхности более чем на 7.75 ◦ приводит к отклонению преломленной волны к нормали на 90 ◦ . Это означает, что преломлен- ная волна в среде с ε 2 = 1 не распространяется. Угол падения, при котором преломленная волна престает распространяться во внешней среде, является углом полного внутреннего отражения. Для рассмотренного случая только малая часть потока мощности излучателя, лежащего в секторе ±7.75 ◦ , выходит в свободное про- странство, а большая часть излученной энергии перехо- дит в поверхностную волну на поверхности раздела и по- глощается на границах рассматриваемого пространства. Определим затухание мощности, вызванное отражени- ем при распространении волны через границу раздела двух диэлектриков с учетом полного внутреннего от- ражения. Полная мощность P 6 , излучаемая дипольной 10 20 30 40 50 0 30 0 60 90 e 1 = 55 e 1 1 = 5 e 1 = 5 q, deg y , deg Рис. 6. Зависимость угла преломления ψ от угла падения θ при различных значениях коэффициента преломления среды, в которой находится излучатель ЭМ волн. Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 Беспроводной мониторинг параметров состояния биологических объектов в микроволновом диапазоне 7 антенной, находящейся в среде, эквивалентной биологи- ческой [9]: P 6 = 30I 2 0 π 2 Z 0 (cos θ) 2 sin θdθ, (6) P 2 — мощность антенны, излученная во вторую среду: P 2 = 30I 2 0 θ 0 Z 0 (cos θ) 2 sin θdθ. (7) В (6) и (7) I 0 — амплитуда тока. Для рассмотренного случая (ε 1 = 55, σ 1 = 1.5 − 1 · m − 1 , ε 2 = 1, σ 2 = 0) область изменения углов падения ограничена углом полного внутреннего отражения θ 0 = 7.75 ◦ . В результате затухание сигнала, найденное на основе вычисления интегралов (6) и (7) с учетом потерь при прохождении волны в первой среде, составляет A [dB] = 22.2 dB. Для меньших значений диэлектрической проницаемости среды 1 предельные углы падения имеют б´ольшие значения (рис. 6) [8]. 2.3. Распространение электромагнитной волны вдоль поверхности границы раздела |