взхпхв. Беспроводной мониторинг параметров состояния биологическихобъектов в микроволновом диапазоне
 Скачать 3 Mb.
|
|
Рис. 22. Структура антенны в виде петлевого диполя над ВИмЦ (а), коэффициент отражения в полосе частот: сплошная линия — антенна над ВИмП, штриховая линия — антенна над медным экраном (b) и диаграмма направленности в E-плоскости: сплошная линия — измерения, штриховая — моделирование (c). Точками показана кросс-поляризация. Исследовались различные материалы для волокон: тон- кие медные провода диаметром 0.06 mm, текстильные провода, сделанные из волокон серебра, никель-медного сплава, стальных волокон или однородных полиамидных посеребренных волокон. Широкое применение находят вышитые антенны на бумаге или текстильной ткани, используемые на одежде людей, вовлеченных в систему мониторинга [42,43]. Для вышивки используются различные ” нити“, состоящие из полимерных волокон, покрытых слоем серебра; MCEY, состоящие из медных нитей, покрытых серебром, встро- енных в диэлектрик (полиэстер) и, в частности, выпус- каемый коммерчески материал Amberstrand. В качестве примера на рис. 21 показаны вышитый диполь на ткани для военного обмундирования и многопетлевой диполь на джинсовой ткани. Здесь же приведены коэффициенты отражения для многопетлевого диполя, размещенного на одежде, для разного положения рук (в стороны, вниз, вверх ). Антенны остаются работоспособными в пределах некоторого ограниченного диапазона частот. Гибкие антенны могут формироваться путем при- менения струйной печати на ткани или бумаге [44]. Для носимых антенн весьма привлекательной является применение технологии волновода, интегрированного в подложку [45]. Носимые антенны находятся в непосредственной бли- зости к человеческому телу, которое влияет на пара- метры антенны. Влияние тела может быть ослаблено с помощью экранирующих структур. Для этой цели применяют искусственные структуры со свойствами идеальной магнитной стенки. Интеграция этих искус- ственных экранирующих систем с антеннами является чрезвычайно полезной в случае носимых антенн [46]. Искусственная магнитная стенка может быть выполнена в виде высокоимпедансной поверхности (ВИмП), кото- рая успешно применяется во многих антенных систе- мах для повышения эффективности. Их преимущества проявляются в экранировании ЭМ волны, подавлении поверхностной волны и уменьшении взаимной связи между излучающими элементами антенных решеток. В носимых антеннах, расположенных над ВИмП, удается значительно приблизить экран к антенне и уменьшить нежелательное проникновение ЭМ волны в человече- ское тело. ВИмП ведет себя как идеальный магнит- Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 Беспроводной мониторинг параметров состояния биологических объектов в микроволновом диапазоне 17 5.5 5.75 6 6.5 6.75 7 –180 –90 0 90 –45 180 Ref lection phase , ° 135 Frequency, GHz a b c 6.25 –135 45 –90° +90° AMC AMC ( ) AMC ( ) not bent bent creeping bent smooth Simulation Simulation Рис. 23. Гибкая импедансная поверхность (ВИмП): недеформированная (a), смятая (b). Частотная зависимость фазы коэффици- ента отражения для электрической компоненты ЭМ волны (с). W 1 Y Z X W 6 W 7 W 4 W 3 W 2 W 8 L 1 L 2 L 6 L 5 L 4 L 7 L 3 G 1 L 5 a b c d Рис. 24. Гибкий монополь (a), элемент типа модифицированный иерусалимский крест с щелевыми прорезями (b), фотография гибкой антенны с ВИмП, размещенной на цилиндрической диэлектрической трубе (c), и изображение руки фантома с такой антенной (d). ный проводник в определенном частотном диапазоне и обеспечивает 0 ◦ фазы коэффициента отражения для электрического поля при нормальном падении плоской ЭМ волны. Структуры ВИмП, как правило, реализует- ся в виде периодических металлизированных печатных структурных элементов на диэлектрической подложке. Элементы могут быть также выполнены в виде прорезей в металлизированном слое. В качестве элементов ис- пользуются ” Иерусалимский крест“, ” собачья косточка“, структуры 2 LC и др. Антенны работают в ограниченной 2 Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 18 И.Б. Вендик, О.Г. Вендик, Д.С. Козлов, И.В. Мунина, В.В. Плескачев, А.С. Русаков, П.А. Туральчук a b c 1 1.5 2 3 2.5 3.5 4 –40 –30 – 0 2 –10 –5 –35 0 –25 –15 Ref lection coef ficient S 1 1 Frequency, GHz S flat S bent on r S bent on r 11 11 11 = 27 mm = 13 mm 0.638 0.549 0.469 0.389 0.309 0.23 0.15 0.07 0 W/kg x z y 1.88 1.62 1.39 1.15 0.911 0.676 0.441 0.286 0 W/kg x z y Рис. 25. Частотная зависимость коэффициента отражения антенны с ВИмП на цилиндрическом фантоме для двух значений радиуса цилиндра 13 и 27 mm (а). Результаты моделирования распределения ППЭ по поверхности предложенной структуры (b) по сравнению с результатами для такого же монополя без ВИмП (c). частотной полосе порядка 5 −18%, определяемой по заданному уровню согласования (10 dB). В [47] выполнен детальный анализ диполя над импе- дансной (частотно-избирательной) поверхностью. Ана- лизируемая антенна содержит три металлизированных слоя, в которых расположены планарный диполь, ВИмП на периодической структуре элементов типа ” собачья косточка“ и металлизированный экран (рис. 22, a). В ка- честве антенны используется петлевой диполь. При- менение ВИмП позволяет использовать низкопрофиль- ную антенну, расположенную на малом расстоянии от экрана, и улучшить все характеристики антенны по сравнению со случаем использования обычного метал- лического экрана. Кроме структуры на рис. 22 представ- лены характеристики разработанной антенны с ВИмП: коэффициент отражения для E-компоненты в полосе частот и диаграмма направленности в E-плоскости. Мак- симальный коэффициент усиления на частоте 5.6 GHz в E -плоскости составил 5.3 dBi. Для разработки гибких низкопрофильных антенн с ВИмП необходимо использовать гибкие импедансные поверхности, для которых используются те же мате- риалы и технологии, которые применяются для гиб- ких антенн. Фотографии недеформированной и смятой структур, использованных для образования ВИмП, при- ведены на рис. 23, где также даны частотные зависи- мости коэффициента отражения для плоской и смятой структуры [48]. Другие варианты гибких ВИмП ана- лизируются в [49–52]. Все они демонстрируют слабую чувствительность параметров к изгибу. Большое число исследований гибких антенн в сочета- нии с ВИмП демонстрирует возможность их интегри- рования в системы РИД для практического примене- ния. Такие антенны, предназначенные для применения в биомедицине в системах дистанционной диагностики заболеваний, детально исследовались в [52]. Использу- ется печатный монополь (M-антенна), возбуждаемый с помощью копланарного волновода, изготовленный на подложке из каптона толщиной 58 µm. Антенна, работа- ющая на частоте 2.45 GHz, интегрирована с планарной ВИмП на элементах типа модифицированный иеруса- лимский крест со щелевыми прорезями (рис. 24). ВИмП выполняется на той же подложке с обратной стороны, что позволяет получить тонкий гибкий элемент. На рис. 24 приведена фотография гибкой M-антенны с ВИмП, которая размещена на цилиндрической диэлек- трической трубе. Там же показано изображение руки фантома с такой антенной. На рис. 25 представлены экспериментальные частотные зависимости коэффициен- та отражения антенны на цилиндрическом фантоме для двух значений радиуса цилиндра (13 и 27 mm). По уров- ню 10 −12 dB для коэффициента отражения параметры антенны при изгибе сохраняются. Чрезвычайно важными являются результаты иссле- дования плотности потока энергии (ППЭ, ” specific absorption rate — SAR“ ) [53]. Плотность потока энер- гии — физическая величина, численно равная потоку энергии через единичную площадку, перпендикулярную направлению потока. На рис. 25 представлены результа- ты моделирования распределения ППЭ по поверхности предложенной структуры по сравнению с результатами для такого же монополя без ВИмП. Оценка дает значе- ния ППЭ для монополя без ВиМП 1.88 W/kg и для ин- тегрированной структуры 0.683 W/kg, что соответствует уменьшению ППЭ за счет применения ВИмП на 64%. 4.2. Имплантированные антенны в составе системы РИД Большое число публикаций посвящено системам мо- ниторинга, использующим имплантированные датчики, включающие антенны [54–61]. Анализ имплантирован- ных антенн позволил сформулировать основные тре- бования к антеннам радиометок, обладающих малыми размерами по сравнению с длиной волны в окружающей среде. Среди них биосовместимость и возможность счи- тывания информации с учетом специфических свойств биологической среды. Биологическая среда, окружаю- Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 Беспроводной мониторинг параметров состояния биологических объектов в микроволновом диапазоне 19 a b Рис. 26. Магнитная рамка с согласующим конденсатором (а) и рамка, связанная с ПАВ-датчиком (b). a L C C 50 W 870 885 900 915 930 945 960 –40 –30 –20 –10 0 Frequency, MHz S 1 1 , dB b –110 –100 –90 –80 Signal level , m dB 50 70 90 110 130 150 h, mm L c M2: 914 MHz M2 Рис. 27. Антенна считывателя в виде рамки, разделенной емкостными зазорами на 8 сегментов (a), частотная зависимость коэффициента отражения (b) и измеренный уровень считываемого сигнала в зависимости от расстояния между меткой и считывателем. щая устройства имплантата, характеризуется высокой диэлектрической проницаемостью и потерями, что в результате приводит к затуханию электромагнитного сигнала. В этом случае предпочтительным является использование магнитной связи между рамочными ан- теннами, что позволяет минимизировать влияние ди- электрических свойств среды. В качестве примера рас- смотрим сенсор беспроводного контроля температуры биологического объекта с магнитной связью между рамочными антеннами [54]. Имплантированный сенсор, предназначенный для работы на частоте 915 MHz, состо- ит из рамочной антенны и температурного датчика на основе поверхностных акустических волн (ПАВ). Мини- атюрная конструкция магнитной рамки, реализованная в виде полосковой структуры на кварцевой подложке толщиной 0.5 mm, представлена на рис. 26. Габаритные размеры устройства 10 × 12 mm. Антенна считывающего устройства также выполнена в виде электрически малой рамки (рис. 27). С целью получения равномерного рас- пределения тока вдоль рамки и повышения за счет этого коэффициента связи между рамками метки и считывате- ля последняя выполнена в виде 8 сегментов, связанных между собой емкостными зазорами. Для преобразования балансного входа антенны к 50 входу коаксиальной линии используется ” балун“ на сосредоточенных ком- понентах: L = 7.5 nH и C = 4.8 pF. Измеренный коэффи- циент отражения антенны считывателя представлен на рис. 27, b. Экспериментальное исследование связи между ан- тенной считывающего устройства и меткой, связан- ной с сенсором на ПАВ, выполнено с использова- нием среды, эквивалентной по параметрам биологи- ческой ткани (ε r = 55 и σ = 3 S/m). Рамочная антен- на, помещенная в эквивалентную среду, использует- ся как радиометка. В качестве считывателя исполь- зуется патч-антенна на кварцевой подложке толщи- ной 0.5 mm. Как показывает эксперимент и соответ- ствующий ему анализ, расположение имплантированной 2 ∗ Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 20 И.Б. Вендик, О.Г. Вендик, Д.С. Козлов, И.В. Мунина, В.В. Плескачев, А.С. Русаков, П.А. Туральчук a b w 2 w 2 d 2 d 3 d 4 d 1 d 5 w 4 w 2 g 1 l b l a External layer d 6 w 6 g 2 h f Side view vias Port 1 Port 2 d 7 Рис. 28. Топология антенны для мониторинга ЖКТ (a) и ее расположение в глотаемой капсуле, где также размещена схема, осуществляющая обработку сигнала, и батарея для электрического питания схемы (b). антенны (метки) на глубине 10 mm при расстоянии от края биологического объекта до приемной антенны (считывателя) порядка 50 mm обеспечивает ослабле- ние сигнала не более 70 dB. При этом малошумя- щий приемник СВЧ обеспечивает устойчивый прием сигнала отклика. Результаты измерения приведены на рис. 27, c. Отдельную группу составляют элементы системы мо- ниторинга желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). Антен- на размещается в капсуле, которая вводится в пищевод и желудок пациента посредством глотания. Связь с системой обработки позволяет вести мониторинг со- стояния желудка. В [57] описана конструкция двух- диапазонной имплантируемой антенны, работающей на частотах 402 −405 MHz (MICS) и 2.4−2.5 GHz (ISM). Диапазон MICS предназначен для медицинских им- плантатов, а диапазон ISM — для промышленных, научных и медицинских исследований. Для обоих диа- пазонов были предложены как плоские, так и гиб- кие имплантированные антенны. Антенна выполнена на двух сторонах диэлектрической подложки (рис. 28, a). Гибкая антенна расположена на поверхности цилиндра и размещена в глотаемой капсуле, где также распо- ложена схема, осуществляющая обработку сигнала, и батарея для электрического питания схемы (рис. 28, b). Для гибкой антенны используется цилиндрическая под- ложка из полиимида (ε r = 3.5, tgδ = 0.008) толщи- ной 0.15 mm. Наружный и внутренний радиусы цилин- дра 5 mm и 4.85 mm соответственно. Для обеспечения биосовместимости имплантата с биологической средой на антенну нанесен слой полимера (parylen-С) толщи- ной 0.1 mm. Полный размер антенны: диаметр 10.2 mm и длина 17.2 mm. Для исследования влияния окружающей среды на условия согласования антенны со схемой питания в заданном частотном диапазоне проведено электродинамическое моделирование. На рис. 29 пока- заны разные условия расположения антенны в соста- ве капсулы и результаты моделирования коэффициента отражения. Для экспериментальной проверки качества работы капсулу с антенной, батареей и схемой обработки сигна- ла помещали в свиной фарш, свойства которого близки к свойствам реальной биологической ткани, что позволило успешно имитировать реальные условия работы имплан- тированной антенны. На рис. 29, c показано сравне- ние результатов электродинамического моделирования (с использованием пакета HFSS) и экспериментального Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 Беспроводной мониторинг параметров состояния биологических объектов в микроволновом диапазоне 21 b 0 0.5 1.0 2.0 1.5 2.5 3.0 –40 –30 – 0 2 –10 0 Differ ential r ef lection coef ficient , dB Frequency, GHz 1 2 3 4 c 0 0.5 1.0 2.0 1.5 2.5 3.0 –40 –30 – 0 2 –10 0 Differ ential r ef lection coef ficient , dB Frequency, GHz HFSS skin lumped HFSS skin wave Measurements a 1 2 3 4 Рис. 29. Различные варианты исполнения антенны в капсуле (а): 1 — антенна, батарея и схема обработки сигнала в биологической среде, 2 — батарея и схема обработки сигнала экранированы проводящим слоем, 3 — батарея и схема обработки сигнала отделены от антенны условным вакуумным слоем, 4 — антенна без батареи и схемы обработки сигнала в биологической среде. Сравнение результатов расчета согласования для различных в осуществления гибкой антенны (b). Сравнение результатов расчета и измерений (c). исследования антенны. Получено удовлетворительное совпадение результатов расчета и эксперимента. 4.3. Многоступенчатая система связи с имплантированными датчиками Прогресс в усовершенствовании миниатюрных бес- проводных устройств расширяет возможности медицин- ской диагностики и терапии, что позволяет сохранить состояние здоровья человека благодаря получению внут- ренних характеристик организма с помощью электро- магнитной маркировки и мониторинга. В частности, речь идет о мониторинге протезов, послеоперационных швов, состояния сосудов, контроля ортопедической фиксации и состояния искусственных суставов. Отдельным направлением является разработка систе- мы датчиков, имплантированных в конечности или про- тезы. В таких системах используются радиоволны, рас- пространяющиеся через тело пациента и обеспечиваю- щие РИД-связь между внешним считывателем и меткой, имплантированной в конечность в месте, где могут быть размещены ортопедические протезы. Ключевая идея за- ключается в том, что имеется возможность добавить элементы связи и получить возможность зондирования имплантированных биомедицинских устройств с целью получения подробной информации о модели устройства, ее производителе, имени хирурга и даты установки, а также для сбора данных о техническом состоянии устройства. Соответственно врачи и хирурги получают возможность отслеживать процесс перед операционным Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 |