Ανάπτυξη Εμφυτεύσιμων Κεραιών για Εφαρμογές Ασύρματης Ιατρικής Τηλεμετρίας

Abstract

Οι εμφυτεύσιμες ιατρικές διατάξεις (Implantable Medical Devices, IMD) προσελκύουν σήμερα υψηλό επιστημονικό ενδιαφέρον για ποικίλες ιατρικές εφαρμογές πρόληψης, διάγνωσης και θεραπείας. Βασικό στοιχείο της λειτουργίας τους είναι η δυνατότητα επικοινωνίας με εξωτερικές διατάξεις επίβλεψης/ελέγχου, γνωστή ως ιατρική τηλεμετρία. Στόχος της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η αντιμετώπιση των σημαντικότερων προκλήσεων υπολογιστικής και πειραματικής μελέτης εμφυτεύσιμων κεραιών, ή, ισοδύναμα, κεραιών που ενσωματώνονται επί εμφυτεύσιμων ιατρικών διατάξεων για την επίτευξη ασύρματης ιατρικής τηλεμετρίας.

Αρχικά, μελετάται η δυναμική διαφόρων τεχνικών σμίκρυνσης για εμφυτεύσιμες κεραίες, και, βάσει ενός πρωτότυπου παραμετρικού μοντέλου εμφυτεύσιμης κεραίας μικροταινίας, σχεδιάζονται και συγκρίνονται οι επιδόσεις πέντε νέων κεραιών για τηλεμετρία στη ζώνη Υπηρεσιών Επικοινωνίας Ιατρικών Εμφυτευμάτων (Medical Implant Communications Service, MICS) (402-405 MHz). Έμφαση δίνεται στην ποσοτικοποίηση της υποβάθμισης των επιδόσεων ακτινοβολίας και ασφάλειας των εμφυτεύσιμων κεραιών ως συνάρτηση του καταλαμβανόμενου φυσικού τους όγκου. Δοθέντων των αποτελεσμάτων, προτείνεται μία πρωτότυπη εμφυτεύσιμη κεραία μεγάλου εύρους ζώνης, και μία πρωτότυπη εμφυτεύσιμη κεραία διπλής ζώνης συχνοτήτων, οι οποίες καταλαμβάνουν σχετικά αυξημένο φυσικό όγκο προς όφελος των λοιπών επιδόσεων.

Στη συνέχεια, αναπτύσσονται και επαληθεύονται αριθμητικά τέσσερις πρωτότυπες μεθοδολογίες σχεδίασης εμφυτεύσιμων κεραιών για λειτουργία εντός συγκεκριμένων σεναρίων εμφύτευσης (θέσεων εμφύτευσης εντός του σώματος του ασθενούς). Στόχο αποτελεί η επιτάχυνση της διαδικασίας σχεδίασης και η βελτιστοποίηση των επιτευχθεισών επιδόσεων συντονισμού. Η επαλήθευση και σύγκριση των προτεινόμενων μεθοδολογιών πραγματοποιείται αριθμητικά στο πλαίσιο σχεδίασης πρωτότυπων κεραιών μικροταινίας για εμφύτευση εντός του ιστού δέρματος του ανθρώπινου κεφαλιού, και ιατρική τηλεμετρία στη ζώνη MICS.

Ακολουθεί παραμετρική μελέτη των επιδόσεων συντονισμού, ακτινοβολίας, και ασφάλειας εμφυτεύσιμων κεραιών, ως συνάρτηση: (α) της υπό μελέτη ιατρικής εφαρμογής (θέση εμφύτευσης της κεραίας εντός του σώματος του ασθενούς), (β) των ιδιαιτεροτήτων του εκάστοτε υποκειμένου (ανατομική δομή και ηλεκτρικές ιδιότητες βιολογικών ιστών), και (γ) της συχνότητας στην οποία λαμβάνει χώρα η ιατρική τηλεμετρία. Στόχο αποτελεί η μελέτη της διαλειτουργικότητας των εμφυτεύσιμων κεραιών, και η αξιολόγηση των επιδόσεών τους ως συνάρτηση της συχνότητας λειτουργίας.

Έπειτα, μελετώνται θέματα πειραματικής κατασκευής και μέτρησης εμφυτεύσιμων κεραιών. Προτείνονται πρωτότυπες "συνταγές" υγρών και ημι-στερεών εξομοίωσης των ιστών δέρματος και μυός στη ζώνη MICS, και αναπτύσσεται μία πρωτότυπη μεθοδολογία σχεδίασης-και-μέτρησης εμφυτεύσιμων κεραιών, η οποία αποσκοπεί στην ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων μεταξύ των αριθμητικών αποτελεσμάτων και πειραματικών μετρήσεων. Η μεθοδολογία επαληθεύεται στο πλαίσιο κατασκευής δύο πρωτότυπων εμφυτεύσιμων κεραιών ζώνης MICS και πειραματικής μέτρησης αυτών εντός προσομοιωμάτων. Η δυναμική των κατασκευασθεισών κεραιών επιδεικνύεται, επιπλέον, μέσω εμφύτευσης και μέτρησης αυτών εντός πειραματόζωων (αρουραίων), κατόπιν ανάπτυξης κατάλληλου πειραματικού πρωτοκόλλου.

Η Διατριβή ολοκληρώνεται με υπολογιστικές και πειραματικές μελέτες της ασύρματης ζεύξης τηλεμετρίας που σχηματίζεται μεταξύ εμφυτεύσιμων και εξωτερικών κεραιών. Πραγματοποιείται μοντελοποίηση της ζεύξης μακρινού πεδίου, και αξιολογούνται, υπολογιστικά, οι επιδόσεις αυτής για διάφορες συχνότητες λειτουργίας κεραιών και σενάρια διάδοσης. Στη συνέχεια, σχεδιάζονται, κατασκευάζονται, και μετρώνται πειραματικά δύο εξωτερικές κεραίες για χρήση σε ζεύξεις ασύρματης τηλεμετρίας ζώνης MICS: μία μονοπολική κεραία, και μία πρωτότυπη φορετή κεραία μικροταινίας διπλής ζώνης. Ακολουθεί υπολογιστική και πειραματική μελέτη του συντελεστή μετάδοσης και του μέγιστου δυνατού εύρους επικοινωνίας μεταξύ εμφυτεύσιμων και εξωτερικών κεραιών κατά την απομονωμένη λειτουργία τους αλλά και κατά τη λειτουργία τους επί προγραμματιζόμενων εμπορικών πομποδεκτών.

Implantable medical devices (IMDs) are nowadays attracting significant scientific interest for a number of prevention, diagnosis, and therapy applications. One of their basic characteristics is their ability to communicate with exterior monitoring/control devices, also known as medical telemetry. The aim of the present PhD Thesis is to address the major challenges related to the numerical and experimental investigation of implantable antennas, or, equivalently, antennas which are integrated into IMDs for wireless medical telemetry purposes.

Initially, the potential of several miniaturization techniques is studied for implantable antennas, and, based on a novel parametric model of a patch implantable antenna, five new antennas are designed and compared in terms of performance for telemetry in the Medical Implant Communications Service (MICS) band (402-405 MHz). Emphasis is given on quantifying the degradation of the radiation and safety performance of implantable antennas as a function of their occupied physical volume. Given the results, two novel implantable antennas are designed, which occupy relatively enhanced volume in favor of improved performance: a wide-bandwidth antenna, and a dual-band antenna.

Four novel methodologies are further developed and evaluated for implantable antenna design inside specific implantation scenarios (implantation sites inside the human body). The goal is to accelerate implantable antenna design while optimizing the achieved resonance performance. Evaluation and comparison of the proposed methodologies is numerically carried out within the framework of designing novel microstrip antennas for implantation inside the skin tissue of the human head, and medical telemetry in the MICS band.

A parametric study is then carried out regarding the resonance, radiation, and safety performance of implantable antennas, with respect to: (a) the medical application under consideration (implantation site of the antenna), (b) inter–subject variability (anatomical structure and electric properties of biological tissues), and (c) the frequency at which medical telemetry takes place. The aim is to study the interoperability of implantable antennas, and evaluate their performance as a function of operation frequency.

Furthermore, issues related to fabrication and experimental testing of implantable antennas are investigated. Novel recipes are proposed for liquid and semi-solid phantoms which emulate the skin and muscle tissues in the MICS band, and a novel design-and-testing methodology for implantable antennas is developed, which aims to minimize deviations between numerical and experimental results. The methodology is evaluated within the framework of fabricating two novel MICS implantable antennas and experimentally testing them inside phantoms. The potential of the fabricated antennas is, further, studied through implantation and in-vivo measurements in rats, following the development of a suitable experimental protocol.

The Thesis concludes with numerical and experimental investigations of the wireless telemetry link between implantable and exterior antennas. The far-field link is modeled, and its performance is evaluated for several operation frequencies and propagation scenarios. Two exterior antennas are further designed, fabricated, and measured for use in wireless MICS telemetry links: a monopole antenna, and a novel wearable dual-band patch antenna. Finally, numerical and experimental studies are carried out regarding the transmission coefficient and maximum communication range between implantable and exterior antennas operating stand-alone or integrated into programmable commercial transceivers.