взхпхв. Беспроводной мониторинг параметров состояния биологическихобъектов в микроволновом диапазоне
 Скачать 3 Mb.
|
|
Рис. 14. Характеристики электромагнитной волны вдоль криволинейной поверхности и вдоль плоской поверхности объекта, выполненного из идеального проводника (a), распределение электрического поля вокруг объекта (b), частотная зависимость фазовой скорости электромагнитной волны, нормированной к скорости света, вдоль плоской (1) и криволинейной (2) поверхностей (b). ся существенным затуханием, что вызвано распростра- нением вытекающих волн, сопутствующих ползущей волне. Наличие затухания приводит к необходимости использования комплексной постоянной распростране- ния, несмотря на отсутствие поглощающей среды. За- тухающая ползущая волна характеризуется частотной дисперсией. 3. Радиочастотные системы мониторинга параметров состояния биологических объектов (удаленный контроль) Системы РИД успешно применяются в медицине для удаленного контроля за жизненно важными функциями организма человека в режиме реального времени. Отли- чие систем для медицинских применений от обычных систем РИД состоит в том, что RFID-метка в своем составе содержит специальный биосенсор, который осу- ществляет количественное измерение параметров живо- го организма. Основные задачи мониторинга представ- лены двумя областями исследований: а ) получение телеметрических данных с использова- нием беспроводных сенсоров (в том числе мультисен- сорный подход ) применительно к имплантируемым и носимым системам на поверхности человеческого тела; б ) обнаружение объекта и регистрация его положе- ния/состояния с применением различных методов зон- дирования. На рис. 15 приведен пример расположения сенсоров и/или антенн для съема информации с тела челове- ка, используемых для контроля параметров организма для разных видов спортивной деятельности: i ) связи по поверхности тела, ii ) узлы связи чувствительных элементов, iii ) связь за пределами тела. На рис. 16 представлена диаграмма системы мони- торинга параметров человеческого организма, включа- ющая имплантируемые или носимые биоэлектрические приборы и внешнюю базовую станцию, принимающую собранную информацию. 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 переда- чу снятой информации во внешнюю среду. Носимый прибор может фиксировать и передавать во внешнюю среду сведения о состоянии кожного покрова или просто служить антенной для связи с внешней базовой стан- цией. Значительная часть элементов связи обеспечивает- Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 12 И.Б. Вендик, О.Г. Вендик, Д.С. Козлов, И.В. Мунина, В.В. Плескачев, А.С. Русаков, П.А. Туральчук i i i ii iii Рис. 15. Схема расположения сенсоров и/или антенн для съема информации с тела человека: i ) связи по поверхности тела, ii ) узлы связи чувствительных элементов, iii) связь за пределами тела. ся электромагнитными волнами, распространяющимися в теле пациента. 3.1. Системы дистанционного контроля и оценки состояния биологических объектов на основе радиочастотной идентификации Основные сложности при разработке систем РИД для биомедицинских применений возникают в связи с тем, что к радиометкам, входящим в их состав, предъявляется ряд жестких требований и ограничений. Общим требованием к радиометкам, используемым во всех типах биомедицинских систем, являются малые массогабаритные характеристики. Далее в зависимости от типа системы требования могут существенно раз- личаться. Например, для имплантируемых и глотаемых меток важными являются биосовместимость с тканями человеческого организма и оболочкой пищеварительной системы, возможность передачи информации из объема тела человека на внешнее устройство, вопросы органи- зации подзарядки таких устройств и многое другое. Одним из распространенных типов носимых биотеле- метрических систем является система контроля частоты сердечных сокращений. Известно, что постоянный мо- ниторинг сердечного ритма человека, страдающего за- болеванием сердечно-сосудистой системы, снижает риск возникновения инфаркта миокарда, а также способствует своевременному оказанию больному медицинской помо- щи. Компанией Corvenris разработана система AVIVO Mobile Patient Management, предназначенная для контро- ля частоты сердечных сокращений людей, страдающих сердечной недостаточностью [18,19]. Система состоит из носимого на теле датчика, передающего электрокар- диограмму пациента на мобильный телефон и далее на сервер, в котором производится обработка и хранение результатов. Одной из важных частей человеческой жизни является сон, обеспечивающий нормальное качество жизни. Си- стемы мониторинга сна призваны обеспечить контроль данных о периодах беспокойства и прерывания сна, о длительности сна и т. д. Эта информация позволяет обнаружить тенденцию развития тех или иных болезней, возникновение которых связано с расстройством сна. Большое количество исследований сосредоточено на по- иске соотношений между положением тела и качеством сна человека. Для регистрации изменения положения те- ла во время сна могут быть использованы специальные браслеты [20], метки, расположенные на матрасе [21], или даже ” умные простыни“ [22]. В ряде случаев необходимо оценивать двигательную активность человека. Например, при уходе за пожилыми людьми могут быть использованы датчики, располо- женные на одежде, или установленные в помещении с целью мониторинга видов деятельности пациента, так как падение среди лиц пожилого возраста — основная причина их госпитализации и длительного пребывания в больнице. Информация, полученная от таких датчиков, может передаваться непосредственно в больницу [23]. Датчики движения могут использоваться для наблюде- ния за двигательной активностью недоношенных младен- цев [24]. Актуальной медицинской проблемой является изме- рение уровня глюкозы в крови для людей, страдаю- щих диабетом. Современные коммерчески доступные приборы основаны на использовании тест-полоски, на которую наносят каплю крови пациента. Альтернатив- ным неинвазивным методом измерения является импе- дансная спектроскопия, которая позволяет бесконтактно измерять электрические свойства крови. Известно, что изменение уровня глюкозы в крови оказывает влияние Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 Беспроводной мониторинг параметров состояния биологических объектов в микроволновом диапазоне 13 Рис. 16. Система контроля параметров биологического объекта. на электрические свойства мембран эритроцитов, что, в свою очередь, приводит к изменению электролитного баланса кожи и подкожной клетчатки [25–27]. В последнее время интерес вызывают мультисен- сорные системы, содержащие сразу несколько датчи- ков, измеряющих различные характеристики организма (температура, кровяное давление, частота сердечных сокращений и др. ). Такие системы могут использоваться спортсменами, которым необходимо постоянно отсле- живать параметры своего организма для достижения высоких результатов и во избежание несчастных случаев и травм [28]. Носимая система, называемая ” Smart Shirt“ ( ” умная футболка“ ), выполняет мониторинг физиологи- ческих параметров человека, таких как ЭКГ, фотоплетиз- мограмма, частота сердечных сокращений, артериальное давление, температура тела и гальваническая реакция кожи [29,30]. Имплантируемые медицинские устройства различают по размерам, мощности и функциональности в зависи- мости от конкретного применения. Вариации этих па- раметров определяют скорость обмена данными между устройствами, время работы от батареи (если таковая есть в составе устройства ) и технологию изготовления. Ограничение в размерах является основной трудностью при создании имплантируемых устройств. Одним из самых распространенных типов имплан- тируемых медицинских устройств являются кардиости- муляторы, которые автоматически регулируют частоту сердечных сокращений в соответствии с уровнем физи- ческой активности человека [31]. Компания Nucleus Freedom разработала кохлеарный имплантат, включающий в себя звуковой процессор, который носится за ухом, и кохлеарный имплантат, расположенный под кожей. Звуковой процессор фик- сирует звуки, оцифровывает их и посылает цифровой код имплантату. Имплантат преобразует кодированный звук в электрические импульсы и посылает их вдоль электродной решетки для дальнейшего стимулирования слухового нерва [32]. Также имплантируемые системы могут использовать- ся для восстановления зрения. Например, в [33] пред- ставлена концепция искусственной сетчатки глаза. Про- тез сетчатки имплантирован в глаз полностью слепого испытуемого. Часто в отдельную категорию систем биологиче- ского мониторинга выделяют системы исследования желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). В [34,35] пред- ставлены работы, посвященные беспроводному мони- торингу ЖКТ. Обычно такие системы представляют собой капсулы с видеокамерой, расположенной внутри. Капсула, глотаемая пациентом, играет роль передатчи- ка изображения с видеокамеры на внешний приемник. Основными сложностями при создании таких систем являются разработка портативных камер с высоким раз- решением, проблемы низкой емкости информационного канала при передаче изображения, вопросы обеспечения питания видеокамеры. В [36] представлен имплантиру- емый датчик на основе планарного встречно-штыревого конденсатора для оценки изменения давления на стенках пищевода в послеоперационный период. В работе [37] представлен имплантат для измерения pH и электриче- ского сопротивления стенок пищевода. Данные измере- ния необходимы для диагностики и лечения изжоги. 3.2. Системы радиоволновой томографии скрытых неоднородностей в тканях человека Радиоволновая томография используется в систе- мах удаленного мониторинга для снятия характеристик Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 14 И.Б. Вендик, О.Г. Вендик, Д.С. Козлов, И.В. Мунина, В.В. Плескачев, А.С. Русаков, П.А. Туральчук RADAR Amplifier RX TX Key ADC Microcontroller Sensor Generator Modulator demodulator Cophased and quadrature mixer ZigBee Microcontroller ZigBee Computer Time of cycle T tone f N 0 + ( –1) f f 0 + 2D f f 0 + D f 0 Рис. 17. Блок-схема системы удаленного мониторинга. скрытых объектов (рис. 17). При этом используется свойство СВЧ излучения проникать через оптически непрозрачные среды, в частности, такие как живые ткани, дерево, одежда и др. [5]. Системы радиоволновой томографии можно разделить на две группы: системы со сканированием объекта в ближней зоне антенны зонда и системы, использующие дальнюю зону. Системы первого типа применяют в основном при изучении свойств двумерных объектов, например, поверхности ко- жи. Второй тип используется для исследования скрытых объектов, например, для обнаружения поврежденных тканей внутри тела или головы человека. Кроме выявле- ния поврежденных тканей, с помощью томографии воз- можно и определение их местоположения. Эффективное использование СВЧ-излучения для диагностики многих заболеваний основано на высоком контрасте диэлектри- ческих свойств здоровых и поврежденных тканей в этом частотном диапазоне. Пример системы, использующейся для томографии головы, описан в [38]. Рабочая полоса частот 1−4 GHz. Система включает полуэллиптический антенный массив, Рис. 18. Изображения, полученные в результате сканирования макета головы. Действительное местоположение кровоизлия- ния обозначено эллипсом. состоящий из 16 элементов, устройство сбора данных, макет головы, векторный анализатор цепей и компьютер. Сбор данных (S-параметров) осуществляется автома- тически компьютером, подключенным к анализатору цепей. Одни и те же антенны используются как для передачи, так и для приема сигнала. Переключение антенн между режимами приема и передачи осуществ- ляется с помощью ключей, соединенных с компьюте- ром через USB-интерфейс. Изображения, полученные в результате сканирования макета головы, имитирующего кровоизлияние в мозг, представлены на рис. 18 (для двух ситуаций возникновения кровоизлияния ). Как вид- но, кровоизлияние было обнаружено и локализовано в обоих рассмотренных случаях. Для гарантированного получения изображения высо- кого качества используются широкополосные антенны, которые должны удовлетворять следующим требовани- ям: быть согласованными, иметь частотно-независимую форму диаграммы направленности и КПД излучения, обладать небольшими габаритными размерами. Несмотря на то что радиоволновая томография для биомедицинских применений возникла недавно, ее воз- можности оказываются предпочтительными по срав- нению с другими методами удаленного мониторинга, прежде всего в силу безопасности применения. 4. Носимые и имплантируемые антенны в составе системы беспроводного мониторинга Разработка гибких носимых беспроводных систем обу- словлена необходимостью их применения в широком спектре приложений, таких как медицина, пожароту- шение, чрезвычайные ситуации, вызванные природными катаклизмами, военные применения и др. Их малый вес, низкая стоимость изготовления с использованием недорогих гибких подложек (пластик, бумага, ткань) делают гибкую электронику весьма привлекательной. Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 Беспроводной мониторинг параметров состояния биологических объектов в микроволновом диапазоне 15 Рис. 19. Фотографии гибких антенн на полиамидной пленке (слева) и на бумажной основе (справа). W L W sub _ L sub _ 50 W microstrip feed line x 2.75 2.85 2.95 3.05 3.15 3.25 –35 –30 –20 –15 –25 –5 Ref lection coef ficient , dB –10 Frequency, GHz Strain 0% 3% 6% 9% 12% 15% a b c Рис. 20. Антенна, изготовленная по технологии трафаретной печати серебряных нанопроволок: внешний вид антенны (а), фотография антенны (b) и частотная зависимость коэффициента отражения при растяжении от 0 до 15% (c). Системы WBAN в сочетании с персональными сетя- ми беспроводной связи обеспечивают мониторинг со- стояния биологических систем в режиме реального времени. Эффективность мониторинга в значительной мере зависит от характеристик антенн, интегрированных в систему. Гибкие беспроводные технологии требуют применения низкопрофильных, легких и компактных антенн, которые должны быть механически прочными, устойчивыми к изгибу и в то же время обеспечивать требуемые диаграммы направленности излучения и со- ответствующие характеристики. 4.1. Гибкие носимые антенны для беспроводных систем на поверхности человеческого тела Гибкие (конформные) антенны выполняются таким же образом, как и плоские антенны с заменой жестких плоских подложек на гибкие (рис. 19). Большинство ис- следований представлено результатами моделирования и экспериментальных исследований диаграмм направлен- ности и входного сопротивления (коэффициента отра- жения ), полученных для различных типов изогнутых и мятых гибких антенн. Для разработки гибких антенн используются разнооб- разные диэлектричесие материалы, такие как каптоновая полиамидная пленка, полимерные и углерод-эпоксидные композиты, текстильные ткани, бумага и др. Для ан- тенных применений выбирается коммерчески доступная бумага толщиной порядка 0.25 mm с гидрофобным по- крытием. Диэлектрические параметры бумаги в частот- ном диапазоне 0.4 −1.5 GHz: ε r = 3.2, tgδ = 0.06 [39]. Полимерные материалы для гибких антенн характери- зуются параметрами ε r = 2−3.3 и tg = 0.003−0.005 в частотном диапазоне 0.4 −2.5 GHz. В качестве носимых антенн весьма популярны так называемые текстильные антенны. Разработаны ” элек- тротекстили“ (E-Textile), в которых на ткань нанесен тонкий металлический слой [40]. Среди электротексти- лей следует отметить: Zelt и Flectron — ткань на основе нейлона, покрытая оловом/медью или только медью; Shieldit и Taffeta — полиэфирная ткань, покрытая ни- келем и медью, имеющая адгезионный слой на обратной стороне. Представляет интерес антенна, изготовленная из материала с высокой проводимостью по технологии трафаретной печати слоя серебряных нанопроволок (AgNW–Ag nanowires), полученных на поверхности эла- стомерной подложки (полидиметилсилоксан). Такая ан- тенна может работать в условиях обратимой деформа- ции при растяжении [41]. Резонансная частота антенны зависит от механического напряжения при растяжении. На рис. 20, a показана структура антенны, а ее внешний вид — на рис. 20, b. На рис. 20, c приведен график изменения резонансной частоты при растяжении от 0 до 15%. Излучатели выполняются также из текстильных про- водов, сформированных из непрерывных волокон [40]. Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 16 И.Б. Вендик, О.Г. Вендик, Д.С. Козлов, И.В. Мунина, В.В. Плескачев, А.С. Русаков, П.А. Туральчук 70 80 90 110 120 130 –50 –40 –30 –20 0 S 1 1 , dB –10 Frequency, MHz a b 100 in free space arms-outstretched arms-down arms-forward Ag–copper Polyester yarn 0.3 mm 502 m 100X m Рис. 21. Вышитый диполь на ткани для военного обмундирования (сверху) и многопетлевой диполь (внизу) на джинсовой ткани (а), частотная зависимость коэффициента отражения для многопетлевого диполя, размещенного на рукаве, для разного положения рук (в стороны, вниз, вверх). 4 4.5 5 6 6.5 7 –25 –20 –15 –10 0 S 1 1 , dB –5 Frequency, GHz a b 5.5 Complete antenna plane STD GND 90° 105° 120° 135° 150° 165° ±180° –165° –150° –135° –120° –105° –90° 75° 60° 45° 30° 15° 0° –75° – ° 60 – ° 45 – ° 30 – ° 15 0 –5 –10 –15 c |