взхпхв. Беспроводной мониторинг параметров состояния биологическихобъектов в микроволновом диапазоне
 Скачать 3 Mb.
|
|
Рис. 30. РИД-система, обеспечивающая связь с помощью радиоволн, распространяющихся через тело человека, между пассивными метками и бесконтактным считывателем (a): T — имплантированная метка; имплантированная метка с квадратной рамочной антенной и коэффициент передачи по мощности для метки, имплантированной в среду со свойствами мышечной ткани (b). вмешательством и после него, тем самым уменьшая риск ошибки. Также важно контролировать состояние имплантата в процессе его использования в том числе в долгосрочной перспективе. В [61] исследуются возможности прямых и обрат- ных связей для РИД-меток в чаcтотном диапазоне 860 −960 MHz. Метки бесконтактно опрашиваются счи- тывателем с целью сбора данных о физиологическом состоянии ортопедического протеза. Показатели каче- ства РИД-канала, передающего информацию через тело человека, оцениваются с применением электромагнит- ного моделирования антропоморфного фантома, а также с помощью экспериментов с реальными РИД-связями, которые устанавливают номенклатуру метки и переда- ют необходимую информацию. Полученные результаты позволяют предположить, что, используя современные возможности технологии РИД для конкретной метки (рамочная антенна) и антенны считывателя (SPIFA), можно получить стабильный канал связи на расстоянии до 10 −35 cm от поверхности тела с датчиками, им- плантированными в конечности, в полном соответствии с ограничениями на уровень мощности воздействия электромагнитных колебаний. На рис. 30, a показана РИД-система, обеспечиваю- щая связь с помощью радиоволн, распространяющихся через тело человека, между пассивными метками и бесконтактным считывателем. Используются обозначе- ния: d — расстояние между антенной считывателя и кожей пациента, h — расстояние между кожей пациента и имплантированной меткой. На рис. 30, b приведена имплантированная метка с квадратной рамочной ан- тенной (12 × 18 mm) на подложке Форекс (ε r = 2.3, tgδ = 2 · 10 − 4 ), защищенная слоем полиэтилена. В рамку встроен микрочип, импеданс которого согласован с импедансом рамки. Здесь же представлены результаты моделирования коэффициента передачи по мощности для метки, имплантированной в среду со свойствами мы- шечной ткани (ε r = 43, tgδ = 14.5 на частоте 870 MHz). Планарная антенна считывателя типа СПИФА (Stacked Planar Inverted-F Antenna, SPIFA) размером 13 × 20 cm, выполненная на тефлоновой подложке (рис. 31, a), имеет линейную поляризацию и характери- зуется коэффициентом усиления 4 dB. Антенна работает в режиме опроса пассивной метки. Для меток исполь- зуются разные расстояния, на которых они имплантиру- ются: от 27 mm для локтевого сустава до 10 7 mm для бедра. Антенна считывателя располагается на расстоя- нии 90 mm от вертикальной плоскости, касательной к поверхности фантома. Моделирование системы выполняется с использова- нием фантома, в который имплантируются метки. Ис- пользуются четыре различных позиции установки ме- ток: локоть, плечо, колено, бедро. Предполагается, что метка расположена непосредственно на кости. Модели- рование частотной зависимости коэффициента передачи (transducer power gain, GT) и относительного коэффи- циента усиления, полученного при усреднении данных при круговом обходе объекта (round trip gain, GRT), выполнено для четырех объектов измерений: локоть, плечо, колено, бедро (рис. 32). Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 Беспроводной мониторинг параметров состояния биологических объектов в микроволновом диапазоне 23 130 mm 200 mm 44 mm 50 mm 9.5 mm 4.5 mm 55 mm 14 mm Рис. 31. Антенна считывателя SPIFA. Для экспериментального исследования системы ис- пользовался фантом цилиндрической формы, выполнен- ный из фрагмента бычьей кости, окруженного говяжьим фаршем с добавлением жира (35%). Результаты измере- ния параметра GT соответствуют результатам модели- рования, расхождение составляет 2 −4 dB. Эксперимент проведен также в условиях имитации протеза при ис- пользовании алюминиевой пластинки, помещенной на поверхность кости. Здесь расхождение с моделировани- ем было также на уровне единиц dB. 860 880 900 920 940 960 –56 –54 –52 –50 Frequency, MHz GT , dB a –48 –46 –44 –42 –40 –38 –36 1 2 3 4 860 880 900 920 940 960 –115 –110 –105 –100 Frequency, MHz GRT , dB b –95 –90 –85 –80 –75 1 2 3 4 Рис. 32. Результаты моделирования частотной зависимости коэффициентов GT (a) и GRT (b) для меток внутри фантома: 1 — локоть, 2 — плечо, 3 — колено, 4 — бедро. В заключение рассмотрим применение различных по структуре и назначению антенн в составе достаточно сложной системы, предназначенной для сбора инфор- мации с биологического объекта, в частности, с чело- веческого мозга [6]. Обеспечение связи между мозгом человека и системой обработки полученной информации в компьютере — это относительно новая междисци- плинарная область деятельности, которая привлекает большое внимание в последнее десятилетие. Разработка системы связи между мозгом и компьютерной системой имеет огромное значение для терапии людей, страда- ющих от патологических неврологических состояний, от травмы спинного мозга и инсультов [62]. Связь между мозгом и системой обработки также важна для реализации протезов, управляемых движением мысли пациента [63,64]. На рис. 33 показана общая схема системы связи между мозгом и компьютерной системой и отдельные ее ком- поненты. Расположение системы на голове испытуемого (пациента) приведено на рис. 33, a. Система в целом занимает объем порядка 1 cm 3 и состоит из несколь- ких слоев, показанных на рис. 33, b. Отметим, что в состав системы входят две антенны: одна (передающая антенна ), которая передает сигнал, сформированный в системе, на относительно удаленный считыватель, и другая (имплантированная антенна), которая собирает информацию с датчиков и передает сформированный сигнал на малое расстояние по биологической ткани к части системы, формирующей сигнал для передающей антенны. Имплантированная антенна представляет со- бой рамку размером 6.5 × 6.5 mm. На рис. 33, b показана решетка (8 × 8) электродов, имеющих непосредствен- ный контакт с нервной тканью мозга. Электроды играют Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 24 И.Б. Вендик, О.Г. Вендик, Д.С. Козлов, И.В. Мунина, В.В. Плескачев, А.С. Русаков, П.А. Туральчук 5 mm 2 mm 2 mm 7 mm 1 mm Tx antenna Air Skin Fat layer Bone Cerebrum Implant antenna 6.5 mm Electrode array Microchip placement W a b c Рис. 33. Схема системы связи между мозгом и компьютерной системой и отдельные ее компоненты: расположение системы на голове пациента (a); система, содержащая две антенны: передающую, связанную с удаленным считывателем, и имплантированную, которая собирает информацию с датчиков (b); решетка электродов, имеющих непосредственный контакт с нервной тканью мозга (c). роль датчиков, снимающих распределение электриче- ского потенциала тканей мозга. На рисунке показа- на малогабаритная интегральная схема, преобразующая распределение электрического потенциала тканей мозга в сигнал для передающей антенны. Заключение Настоящий обзор написан на основании материалов исследований ряда университетов европейских стран и США, а также практической реализации результатов исследований промышленными организациями. Основ- ными направлениями исследований являются: — электродинамический анализ распространения электромагнитного сигнала в многослойной биологиче- ской среде; — разработка конструкций миниатюрных антенн для радиометок, предназначенных для беспроводной иденти- фикации объектов в специфических условиях биологиче- ской среды; — разработка гибких антенн, предназначенных для использования на теле человека или животных в целях обеспечения безопасности в условиях дистанционного контроля; — разработка высокоимпедансных поверхностей на основе метаматериалов для создания гибких малогаба- ритных печатных антенн; — разработка систем радиочастотной идентификации, обеспечивающих беспроводную идентификацию объек- тов в специфических условиях биологической среды. Значительная часть исследований выполнена автора- ми в рамках государственного задания Минобрнауки России (задание № 8.2579.2014/К): ” Проведение научно- исследовательских работ (фундаментальных научных ис- следований, прикладных научных исследований и экс- периментальных разработок )“. Материалы исследова- ний опубликованы в российских и зарубежных издани- ях [8,10,17,54,65]. Материалы исследований также представлены на всероссийской конференции: ” Электроника и мик- роэлектроника СВЧ“, Санкт-Петербург (2014, 2015) [www.mwelectronics.ru], и на международных симпо- зиумах: 1 ) Days on Diffraction, Saint Petersburg (2015) [www.pdmi.ras.ru], 2) The International Scientific Sympo- sium ” Sense. Enable. SPITSE.“. The Symposium is the main annual event of the DAAD-supported Strategic Partnership Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 Беспроводной мониторинг параметров состояния биологических объектов в микроволновом диапазоне 25 of Ilmenau University of Technology (Germany), St. Petersburg Electrotechnical University ” LETI“ (Russia) and the National Research University ” Moscow Power Engineering Institute“ [www.eltech.ru/spitse], а также на авторитетной Европейской конференции по тех- нике СВЧ: EuMC — European Microwave Week [www.eumweek.com/conferences]. Список литературы [1] Finkenzeller K. RFID Handbook Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards, Radio Frequency Identification, and Near-field Communication, Third edition. John Wiley & Sons, Ltd., 2010. 480 p. [2] Lin J.C. Electromagnetic fields in biological systems. CRC Press, Taylor & Francis Group, London N. Y.: 2012. 458p. [3] Hall P.S., Hao Y. Antennas and Propagation for Body-Centric Wireless Communications. Artech House, Second Edition, 2012. [4] Nikita K.S. Handbook of Biomedical Telemetry. John Wiley & Sons, Ltd., 2014. 767 p. [5] Якубов В.П. и др. Радиоволновая томография: достижения и перспективы. Томск: Изд-во НТЛ, 2014. [6] Moradi E., Koski K., Bj¨orninen T., Syd¨anheimo L., Rabaey J.M., Carmena J.M., Rahmat-Samii Y., Ukkonen L. // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2014. Vol. 56. N 1. P. 271 –291. [7] Киттель Ч. Введение в физику твердого тела / Пер. с англ. М.: Наука, 1978. [8] Туральчук П.А., Вендик О.Г., Вендик И.Б. // Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41. № 6. C. 26 –33. [9] Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. М.: Сов. радио, 1971. [10] Вендик И Б., Вендик О.Г. // Сб. тр. конф. ” Электроника и микроэлектроника СВЧ“. СПб.: 1 –4 июня 2015. C. 42–46. [11] Collin R.E. Field Theory of Guided Waves. N. Y.: McGraw- Hill, 1960. [12] Paknys R. // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2005. Vol. 53. № 3. P. 898 –907. [13] Фок В.А. Проблемы дифракции и распространения элек- тромагнитных волн. М.: Сов. радио, 1970. 520 с. [14] Conway G.A., Scanlon W.G., Cotton S.L., Bentum M.J. // 2010 URSI Intern. Symp. on Electromagnetic Theory. 2010. P. 332 –333. [15] Gabriel S., Lau R.W., Gabriel C. // Physics in medicine and biology. 1996. Vol. 41. P. 2231 –2249. [16] Mavridis T., Petrillo L., Sarrazin J., Lautru D., Benlarbi- Delai A. et al. // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2014. Vol. 62. N 3. P. 1372 –1377. [17] Плескачев В.В., Вендик И.Б., Вендик О.Г. // Сб. тр. конф. ” Электроника и микроэлектроника СВЧ“. СПб.: 1 –4 июня 2015. C. 202 –206. [18] AVIVO Mobile Patient Management [Электронный ре- сурс ] // Corventis, Inc. 2009–2013. http://www.corventis.com/ int/products-international/avivo-mpm/how-it-works. [19] Libbus I., Manicka Y.D., Fogoros R. Adherent cardiac monitor with advanced sensing capabilities. U.S. Patent 8460189. 2013. [20] Borazio M., Laerhoven V.K. // Proceedings of the 2nd ACM SIGHIT International Health Informatics Symposium. 2012. P. 71 –80. [21] Hoque E., Dickerson R.F., Stankovic J.A. Wireless Health. ACM N. Y. 2010. P. 44 –53. [22] Liu J.J., Xu W., Huang M.C. et al. // 2013 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications (PerCom). 2013. P. 207–215. [23] Abbate S., Avvenuti M., Corsini P. et al. Monitoring of human movements for fall detection and activities recognition in elderly care using wireless sensor network: a survey InTech, N. Y., 2010. [24] Park C., Liu J., Chou P.H. // Information Processing in Sensor Networks. 2005. IPSN 2005. Fourth International Symposium on. 2005. P. 398 –403. [25] Hayashi Y., Livshits L., Caduff A. et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. Vol. 36. N 4. P. 369 –374. [26] Caduff A., Talary M.S., Mueller A. et al. // Biosensors and Bioelectronics. 2009. Vol. 24. N 9. P. 2778 –2784. [27] Caduff A., Feldman Y. Method and a Device for Measuring Glucose. U. S. Patent 7184810. 2007. [28] Pandian P. S., Mohanavel K., Safeer K.P. et al. // Medical engineering & physics. 2008. Vol. 30. N 4. P. 466 –477. [29] Karlsson J.S., Wiklund U., Berglin L. et al. // Proceedings of International Workshop on Wearable Micro and Nanosystems for Personalised Health. 2008. [30] Lee Y.D., Chung W.Y. // Sensors and Actuators B: Chemical. 2009. Vol. 140. N 2. P. 390 –395. [31] EnRhythm Pacemaker [Электронный ресурс] // Med- tronic, Inc., 2015, URL: http://www.medtronic.eu/your-health/ bradycardia/device/our-pacemakers/enrhythm/index.htm. [32] Patrick J.F., Busby P.A., Gibson P.J. // Trends in amplification. 2006. Vol. 10. N 4. P. 175 –200. [33] Humayun M.S., Weiland J.D., Fujii G.Y. et al. // Vision research. 2003. Vol. 43. N 24. P. 2573 –2581. [34] Bourbakis N., Giakos G., Karargyris A. // Imaging Systems and Techniques (IST). 2010. IEEE International Conference on. 2010. P. 1 –6. [35] Menciassi A., Quirini M., Dario P. // Minimally Invasive Therapy & Allied Technologies. 2007. Vol. 16. N 2. P. 91 –100. [36] Rao S., Pandojirao S.P., Chiao J.C. // Smart Nanosystems in Engineering and Medicine. 2012. Vol. 1. N 2. P. 38 –51. [37] Cao H., Rao S., Tang S.J. et al. // Gastrointestinal endoscopy. 2013. Vol. 77. N 4. P. 649 –653. [38] Mohammed B.J., Abbosh A.M., Mustafa S. et al. // Instrumentation and Measurement. IEEE Transactions on. 2014. Vol. 63. N 1. P. 117 –123. [39] Zhu S., Langley R. // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2009. Vol. 57. N 4. P. 926 –935. [40] Kennedy T.F., Fink P.W., Chu A.W., Champagne N.J., Lin G.Y., Khayat M.A. // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2009. Vol. 57. N 4. P. 910 –918. [41] Song L. Stretchable and Reversibly Deformable Radio Frequency Antennas Based on Silver Nanowires / L. Song, A.C. Myers, J.J. Adams, Y. Zhu. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. N 6. P. 4248 –4253. [42] Tsolis A., Whittow W.G. et al. // Electronics. 2014. Vol. 3. P. 314 –338. [43] Jung-Sim R., Yong-Seung C., Jae-Hee L., Youndo T., Sangwook N., Tae J.K. // IEEE Trans. on Antennas and Wireless Propagation Letters. 2010. Vol. 9. P. 803 –806. [44] Yang L., Rida A., Vyas R., Tentzeris M.M. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2007. Vol. 55. N 12. Pt 2. P. 2894 –2901. Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 26 И.Б. Вендик, О.Г. Вендик, Д.С. Козлов, И.В. Мунина, В.В. Плескачев, А.С. Русаков, П.А. Туральчук [45] Agneessens S., Rogier H. // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2014. Vol. 62. N 5. P. 2374 –2381. [46] Bashir S. // A Doctoral Thesis, Loughborough University. 2009. [47] Vallecchi A., Luis J.R., Capolino F., Flaviis F. // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60. N 1. P. 51 –62. [48] Cos M.E., Alvarez Y., Hadarig R., Las-Heras F. // Progress in Electromagnetics Research. 2010. Vol. 106. P. 349 –362. [49] Cos M.E., Las-Heras F. // Hindawi Publishing Corporation, International Journal of Antennas and Propagation. 2012. Article ID 353821. [50] Durgun A.C. // Thesis for the Degree, Doctor of Philosophy, ARIZONA State University. 2013. [51] Durgun A.C., Balanis C.A., Birtcher C.R. // Antennas and Propagation (APSURSI), 2011 IEEE International Symposium on. 2011. P. 1844 –1847. [52] Raad H.R., Abbosh A.I., Al-Rizzo H.M., Rucker D.G. // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2013. Vol. 61. N 2. P. 524 –531. [53] Osepchuk J.M., Petersen R.C. ” Historical review of RF exposure standards and the International Committee on Electromagnetic Safety (ICES)“, Bioelectromagnetics. 2003. Vol. 24. N S6. P. S7 –S16. [54] Turalchuk P., Munina I., Derkach M., Vendik O., Vendik I. // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2015. Vol. PP. N 99. P. 1 –4. [55] Liu C., Guo Y.X., Xiao S. // IEEE Antennas Wireless Propagation Letters. 2012. Vol. 11. P. 1508 –1511. [56] Kiourti A., Nikita K. // IEEE Antennas Propag. Magazine. 2012. Vol. 54. N 3. P. 210 –228. [57] Duan Z., Guo Y.X., Je M., Kwong D.L. // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2014. Vol. 62. N 5. P. 2430 –2439. [58] Chien T.F., Cheng C.M., Yang H.C., Jiang J.W., Luo C.H. // IEEE Antennas Wireless Propagation Letters. 2010. Vol. 9. P. 599 –602. [59] Xu L.J., Guo Y.X., Wu W. // IEEE Antennas Wireless Propagation Letters. 2012. Vol. 11. P. 1564 –1566. [60] Merli F., Bolomey L., Z ¨urcher J.F., Corradini G., Meurville E., Skrivervik A.K. // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2011. Vol. 59. N 10. P. 3544 –3555. [61] Lodato R., Lopresto V., Pinto R., Marrocco G. // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2014. Vol. 62. N 10. P. 5298 –5306. [62] Mak J.N., Wolpaw J.R. // IEEE Rev. Biomed. Eng. 2009. Vol. 2. P. 187 –199. [63] Nicolelis M.A.L. // Nature. 2001. Vol. 409. P. 403–407. [64] Koralek A. C., Jin X., Long IIJ.D., Costa R.M., Carmena J.M. // Nature. 2012. Vol. 483. P. 331 –335. [65] Ященко В.Н., Козлов Д.С., Вендик И.Б. // Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41. № 6. C.42 –49. Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1 |