Σχεδίαση Εμφυτεύσιμων Κεραιών Μεγάλου Εύρους Ζώνης για Εφαρμογές Ασύρματης Τηλεμετρίας

Abstract

Τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί ένα αυξημένο ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας στις εμφυτεύσιμες ιατρικές διατάξεις. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται σε μεγάλο αριθμό ιατρικών εφαρμογών, και η εξέλιξή τους δημιουργεί νέες προοπτικές προς όφελος των ασθενών. Ο έλεγχος της διαδικασίας και η εξαγωγή των σημαντικών βιοσημάτων που συλλέγουν οι εμφυτεύσιμες διατάξεις γίνεται μέσω ενός συστήματος ιατρικής τηλεμετρίας, όπου το εμφύτευμα επικοινωνεί με μια εξωτερική διάταξη. Πλέον, αυτή η επικοινωνία γίνεται ασύρματα εξαιτίας μιας μικροσκοπικής κεραίας που είναι ενσωματωμένη στην εμφυτεύσιμη διάταξη. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση μιας πρωτότυπης μικροσκοπικής εμφυτεύσιμης κεραίας μεγάλου εύρους ζώνης που θα λειτουργεί στην ζώνη MedRadio (Medical Device Radiocommunications Service, 401-406 MHz). Στην φάση της σχεδίασης δόθηκε έμφαση στην επίτευξη όσο το δυνατόν μεγαλύτερου εύρους ζώνης συχνοτήτων μέσα στο οποίο η κεραία θα παραμένει συντονισμένη. Το βασικότερο πλεονέκτημα που επιφέρει το μεγάλο εύρος ζώνης είναι η δυνατότητα σχεδίασης κεραιών που θα μπορούν να λειτουργούν σε πολλές διαφορετικές ιατρικές εφαρμογές χωρίς να απαιτούνται κάθε φορά αλλαγές στις σχεδιαστικές παραμέτρους ώστε να διατηρούν το συντονισμό τους. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας σχεδιάστηκε μια κεραία μικροταινίας μεγάλου εύρους ζώνης. Έπειτα, πραγματοποιήθηκε παραμετρική μελέτη των σχεδιαστικών παραμέτρων της για να εκτιμηθούν οι επιπτώσεις τυχόν μικρών κατασκευαστικών αστοχιών στην απόδοσή της. Τέλος, μελετήθηκαν οι επιδόσεις συντονισμού και ακτινοβολίας της κεραίας εντός κανονικού μοντέλου ανθρώπινου κεφαλιού, και εξήχθησαν συμπεράσματα που αναδεικνύουν την σημασία του μεγάλου εύρους ζώνης. Εκτός του κυρίου μέρους της διπλωματικής εργασίας που είναι η σχεδίαση της κεραίας, παρουσιάζεται μια αριθμητική μέθοδος μέτρησης των ηλεκτρικών ιδιοτήτων υγρών προσομοιωμάτων. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για τον καθορισμό υλικών με διαφορετικές ιδιότητες που εφαρμόζονται στην παραμετρική μελέτη της πρωτότυπης κεραίας μεγάλου εύρους ζώνης.

In recent years there has been an increased interest of the scientific community in implantable medical devices. These devices are used in a great number of medical applications, and their development can create new prospects in benefit of the patients. Both the control of the procedure and the extraction of the important biosignals collected by the implantable devices is achieved through a medical telemetry system, where the implant communicates with an external device. Nowadays, this communication is done with the help of a microscopic antenna integrated within the implantable device. The aim of this diploma thesis is the design of a novel microscopic implantable wide bandwidth antenna which will operate in the MedRadio band (Medical Device Radiocommunications Service, 401-406 MHz). During the design process emphasis was given in achieving the wider possible bandwidth in which the antenna will remain functional. The main advantage of a wide bandwidth is the potential of antenna designs capable operating in many different medical applications without the need of altering the design parameters every time. In this thesis a wide bandwidth microstrip antenna was designed. Then, a parametric study of the design parameters was held so that the effects of any constructional defects could be estimated. Finally, coordination and resonance performance of the antenna were studied inside a canonical human head phantom model, where the results highlighted the importance of a wide frequency bandwidth. Aside from the main part of the diploma thesis which is the design of the antenna, a numerical measurement method of the electric properties of liquid phantoms is introduced. Using this method, a number of phantoms with different electrical properties is defined to be a part of the parametric study of the novel wide bandwidth antenna.