Σχεδίαση και μελέτη εξωτερικών κεραιών για τηλεμετρία με εμφυτεύσιμες ιατρικές διατάξεις

Abstract

Η εξέλιξη της τεχνολογίας στους τομείς των τηλεπικοινωνιών και της ηλεκτρονικής έχει δώσει σημαντική ώθηση στην ανάπτυξη εμφυτεύσιμων ιατρικών διατάξεων, οι οποίες καταγράφουν και επεξεργάζονται φυσιολογικές παραμέτρους του ανθρώπινου οργανισμού, και βρίσκονται σε ασύρματη επικοινωνία (τηλεμετρία) με εξωτερικές διατάξεις ελέγχου. Το σύστημα τηλεμετρίας αποτελείται από την εμφυτεύσιμη ιατρική διάταξη και μια εξωτερική διάταξη ελέγχου, οι οποίες ανταλλάσσουν δεδομένα σε πραγματικό χρόνο συμβάλλοντας στην ταχύτατη διάγνωση και θεραπεία ασθενειών. Για την επικοινωνία των διατάξεων αυτών έχει παραχωρηθεί για αποκλειστική χρήση η ζώνη συχνοτήτων 402-405 MHz, γνωστή και ως “Ζώνη Υπηρεσιών Επικοινωνίας Εμφυτεύσιμων Ιατρικών Διατάξεων”. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η σχεδίαση και μελέτη των επιδόσεων τριών εξωτερικών κεραιών (δίπολο ημίσεου κύματος, απλή κεραία μικροταινίας, μικροσκοπική κεραία μικροταινίας), με στόχο την ενσωμάτωσή τους επί εξωτερικών διατάξεων ελέγχου συστημάτων τηλεμετρίας για εμφυτεύσιμες ιατρικές διατάξεις που λειτουργούν στη ζώνη συχνοτήτων 402-405 MHz. Αρχικά, πραγματοποιείται σχεδίαση και μελέτη των επιδόσεων συντονισμού και ακτινοβολίας των εν λόγω κεραιών σε περιβάλλον ελεύθερου χώρου. Στη συνέχεια, λαμβάνονται υπόψη τριστρωματικά κανονικά μοντέλα προσομοίωσης του ανθρώπινου κεφαλιού, βραχίονα και κορμού, και διερευνάται η επίδραση της παρουσίας τους στις επιδόσεις των κεραιών, ως συνάρτηση της απόστασης. Ακολούθως, πραγματοποιείται βελτιστοποίηση της σχεδίασης μιας εμφυτεύσιμης κεραίας της βιβλιογραφίας για λειτουργία εντός του ιστού δέρματος του τριστρωματικού μοντέλου ανθρώπινου κεφαλιού (π.χ. παρακολούθηση ενδοκράνιας πίεσης). Τέλος, αξιολογούνται οι επιδόσεις της ασύρματης ζεύξης τηλεμετρίας που σχηματίζεται μεταξύ της εμφυτεύσιμης κεραίας και της προτεινόμενης εξωτερικής διπολικής κεραίας. Σε κάθε βήμα, λαμβάνονται υπόψη ζητήματα ασφάλειας των ασθενών και συμμόρφωσης με τις διεθνείς οδηγίες ασφάλειας. Οι αριθμητικές μελέτες διεξάγονται με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων.

Recent advances in telecommunications technology and electronics have given a considerable boost to the development of implantable medical devices, which record and post-process crucial physiological signals of the human beings, and are capable of wirelessly communicating (telemetering) with exterior devices. The overall telemetry system consists of the implantable medical device and an external control device, which exchange data in real-time, thus contributing in the rapid diagnosis and treatment of several diseases. The band of 402-405 MHz, which is also known as the “Medical Implant Communications Service Band”, has been allocated exclusively for the communication of these devices. The aim of this thesis is to design and study the performance of three exterior antennas (half-wavelength dipole, simple patch, miniaturized patch), which will be integrated on exterior control devices of medical telemetry systems for implantable devices operating at 402-405 MHz. Initially, the antennas are designed in free-space, and their resonance and radiation performance is evaluated in the same environment. Three-layer canonical models of the human head, arm and trunk are subsequently considered, and their effect on antenna performance is investigated, as a function of distance. A miniature implantable antenna, which has already been proposed in the literature, is further studied, and optimized for operation inside the skin-tissue of the three-layer head model (e.g. intra-cranial pressure monitoring). Finally, the performance of the telemetry link which is formed between the implantable antenna and the proposed exterior dipole antenna is evaluated. Patient safety issues and conformance with international safety guidelines are taken into account throughout this study. Numerical investigations are carried out using the Finite Element Method.