Σχεδίαση κεραίων για εμφυτεύσιμες βιοιατρικές διατάξεις

Abstract

Τα τελευταία χρόνια με τη μεγάλη ανάπτυξη που γνωρίζει ο τομέας τηε μικρο-ηλεκτρονικής και σε συνδυασμό με την πρόοδο που παρατηρείται στην Ιατρική έχει καταστεί δυνατή η δημιουργία βιοϊατρικών διατάξεων κατάλληλων για εμφύτευση εντός του ανθρωπίνου σώματος που στόχο έχουν τη διάγνωση και τη θεραπεία ποικίλων ασθενειών. Οι συσκευές αυτές αποτελούνται από το εμφυτεύσιμο τμήμα και μία εξωτερική συσκευή ελέγχου. Για τη επικοινωνία των διατάξεων αυτών με τη συσκευή ελέγχου έχει οριστεί από την Επιτροπή Ομοσπονδιακών Τηλεπικοινωνιών η Υπηρεσία Επικοινωνίας Εμφυτεύσιμων Βιοϊατρικών Διατάξων με εύρος συχνοτήτων 402-405MHz. Στόχος της παρούσας Διπλωματικής ήταν η σχεδίαση μίας νέας κυκλικής, μικροσκοπικής, ευρυζωνικής κεραίας μικροταινίας, κατάλληλη για εφαρμογές στη ζώνη συχνοτήτων 402-405MHz, που θα μπορεί να ενσωματωθεί επί μίας εμφυτεύσιμης βιοϊατρικής διάταξης. Το μέγεθος της κεραίας αλλά και ολόκληρης της διάταξης είναι από τις προκλήσεις που έχουν να αντιμετωπίσουν οι σχεδιαστές. Αφού μελετήθηκε η συμπεριφορά των επιδόσεων μιας δοσμένης κεραίας σε μεταβολή διαφόρων σχεδιαστικών παραμέτρων, έγινε δυνατή και η υλοποίηση της νέας κεραίας. Στη συνέχεια μελετήθηκαν οι επιδόσεις της νέας κεραίας σε διάφορα σενάρια εμφύτευσης και έγινε μία προσπάθεια βελτιστοποίησης των επιδόσεων αυτής για κάθε μία περίπτωση που μελετήθηκε. Τέλος, παρουσιάζονται διάφοροι βιο-αισθητήρες και μικρο-ηλεκτρονικές συσκευές οι οποίες μαζί με τη νέα κεραία και μια διάταξη ελέγχου θα μπορούσαν να αποτελέσουν μία ολοκληρωμένη εμφυτεύσιμη βιοϊατρική δίαταξη.

In recent years the great advancement in the field of microelectronics combined with the progress seen in medicine has made possible the development of biomedical devices suitable for implantation in the human body that aim in the treatment and diagnosis of various diseases. These devices consist of an implantable part and an external control device. The wireless communication between the internal and the external part relies on the Medical Implant Communication Service (MICS) frequency band (402-405ΜΘz) which is regulated by the Federal Communication Commission (FCC). The aim of this diploma thesis was to design a novel broadband miniature microstrip antenna, suitable for applications in the frequency band of 402-405MHz that could be embedded in an implantable medical device. The size of the antenna and it’s layout is one of the challenges designers have to face. The implementation of the new antenna was possible after studying the performance behavior of a standard antenna while changing various design parameters. Then, the new antenna’s performance was investigated through a diversity of implantation scenarios and an attempt was made to optimize this performance for each case-study. Finally, various biosensors and microelectonic devices are presented that in association with the proposed antenna and a control block could form an integrated implantable medical device.