Предыдущая публикация
Имплантируемые антенны для биомедицинских приложений: систематический обзор
Арчана Мохан & Нирадж Кумартом 23BioMedical Engineering OnLine, номер статьи: 87 (2024)
Абстракт
В этом обзоре подробно рассматриваются имплантируемые антенны для различных биомедицинских целей. В начале обсуждения рассказывается о разработке имплантируемых антенн, в том числе об их конструкции, материалах и принципах работы. В этом исследовании представлен обзор различных типов имплантируемых антенн, используемых в имплантируемых медицинских устройствах (ИМУ). Затем в статье рассматриваются важные факторы, которые необходимо учитывать при разработке имплантируемых антенн для биомедицинских целей, в том числе место имплантации, диапазон частот и требования к мощности. В этом исследовании дополнительно рассматриваются проблемы и ограничения, связанные с имплантируемыми антеннами, в том числе ограниченность пространства внутри человеческого тела, необходимость использования биосовместимых материалов, влияние окружающих тканей на работу антенны, затухание сигнала в тканях и помехи. В этом обзоре также рассказывается о последних достижениях в области имплантируемых антенн, таких как беспроводная передача энергии, многодиапазонная работа и миниатюризация. Кроме того, в статье приводятся примеры использования имплантируемых антенн в биомедицинских целях, в том числе для кардиостимуляторов, капсульной эндоскопии, мониторинга внутричерепного давления, протезирования сетчатки и костных имплантатов. В заключение в статье обсуждается будущее имплантируемых антенн и их возможное применение в биоэлектронной медицине и новых медицинских имплантатах. В целом в этом обзоре представлен тщательный анализ применения имплантируемых антенн в биомедицинских целях, подчёркивается их важность для развития имплантируемых медицинских технологий.Введение
Технология имплантируемых антенн - это современное направление в биомедицинских приложениях. Имплантация антенн используется в биомедицинской диагностике, терапии и биотелеметрии. Антенны вживляются в тело человека для использования в биомедицинских приложениях на основе электромагнитных волн. Целью имплантируемого устройства в область тела является сбор данных о пациенте и беспроводная передача их на базовую станцию. Тенденция к имплантации началась в 1960-х годах, и первым биомедицинским имплантируемым устройством стал кардиостимулятор для контроля нерегулярных сердечных ритмов [1]. Использование имплантируемой антенны (излучателей) для обнаружения рака для генерирования ограниченного бездонного тепла для лечения рака без перегрева поверхности важно в ситуациях, когда применяется имплантация антенн [2]. С ростом численности населения и повышением осведомленности общественности о здоровье IMD стали развивающейся технологией. В настоящее время в области биомедицины широко используются несколько систем распространения лекарственных средств, имплантируемые дефибрилляторы и имплантируемые кардиостимуляторы [3]. Имплантируемые антенны используются для измерения различных важных параметров человеческого организма, таких как непрерывный мониторинг уровня глюкозы [4], измерение температуры [5] и определение работы сердца [6].Имплантируемые антенны необходимы для беспроводной передачи данных с внутренних устройств на внешние. Медицинские имплантаты используются для идентификации, диагностики и мониторинга состояния пациентов. Ещё одно важное применение имплантируемых антенн — биотелеметрия. В настоящее время ведётся активная работа над созданием медицинских имплантатов, работающих в соответствующих частотных диапазонах с минимальным уровнем помех [7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]. Передача данных осуществляется по беспроводной сети, поэтому при передаче данных IMD важно обеспечить безопасность [17].
Распределение радиочастот для медицинских имплантатов варьируется от региона к региону в зависимости от регулирующего органа. В Соединенных Штатах распределение полосы частот разделено на полосы ближнего и дальнего действия на основе Федеральной комиссии связи (FCC) [18,19,20]. В Европе распределение спектра разделено на активные медицинские имплантаты и связанные с ними периферийные устройства, а диапазон сбора медицинских данных основан на Европейском комитете связи (ECC) [20, 21]. По сравнению с созданием антенны, работающей в свободном пространстве, создание антенны для использования внутри организма является сложной задачей [22]. В биотелеметрии используются следующие диапазоны частот:
- Службы связи с медицинскими имплантатами (MICS): 402–405 МГц [23, 85]
- Служба радиосвязи для медицинских устройств (Med Radio): 401–406, 413–419, 426–432, 438–444 и 451–457 МГц [24, 62].
- Промышленный, научный и медицинский (ISM) диапазон: 433,05–434,79, 902–928, 2400–2483,5, 5725–5850 МГц
- Диапазоны WMTS (608–614 МГц, 1395–1400 МГц, 1427–1432 МГц) [25].
- Сверхширокополосная связь (СШП): 3100–10600 МГц [26].
- Медицинская сеть телемедицины (MBAN): 2360–2400 МГц [27, 28]
На более высоких рабочих частотах сохраняются узкие диапазоны длин волн, что приводит к уменьшению размеров антенн. Для более качественной передачи данных необходимы антенны, работающие в более высоких частотных диапазонах с широкой полосой пропускания, но они сильнее подвержены влиянию уменьшения количества тканей по сравнению с низкочастотными диапазонами [29, 42]
В диапазоне частот от 3 до 5 ГГц затухание составляло от 20 до 30 дБ на каждые 2 см физиологического материала [30]. Скорость передачи данных ограничена низкими рабочими частотами и использованием крупногабаритных антенн и массивных элементов схемы, что увеличивает размер имплантируемого медицинского устройства [33].
На рисунке 1 показана модель имплантируемых медицинских устройств с биотелеметрией. Здесь несколько имплантируемых медицинских устройств размещены на разных частях тела. Данные собираются с имплантируемых медицинских устройств, обрабатываются в облачной базе данных и отправляются заинтересованным лицам по беспроводной сети.
Значение имплантируемых антенн
Мониторинг в режиме реального времени. Имплантируемые антенны позволяют непрерывно отслеживать жизненно важные показатели и физиологические параметры, что может способствовать раннему выявлению заболеваний и своевременному вмешательству.
Повышенная мобильность. Благодаря беспроводной связи, обеспечиваемой имплантируемыми антеннами, пациенты могут свободно передвигаться, не будучи привязанными к оборудованию для мониторинга, что повышает качество их жизни.
Минимально инвазивное лечение. Эти антенны сокращают необходимость в частых визитах к врачу и инвазивных исследованиях, делая процедуры менее инвазивными и более комфортными для пациентов. Кроме того, они минимизируют риск инфицирования.
Дистанционное медицинское обслуживание и телемедицина. Имплантируемые антенны упрощают телемедицину и дистанционный мониторинг состояния пациентов, делая медицинское обслуживание доступным для жителей отдалённых или недостаточно обслуживаемых районов.
Интеллектуальные имплантаты. Имплантируемые антенны необходимы для интеллектуальных имплантатов, таких как кардиостимуляторы, инсулиновые помпы и нейростимуляторы, поскольку они обеспечивают точное управление и тонкую настройку устройств.
Стратегии разработки имплантируемых антенн
В отличие от устаревших антенн, которые работают в свободном пространстве, имплантируемые антенны, закрепляемые на различных частях тела, должны быть эстетически приемлемыми в самых разных ситуациях. Имплантируемая антенна должна соответствовать требованиям биосовместимости, миниатюризации, безопасности для пациента, коэффициента усиления в дальней зоне и низкого энергопотребления.
Биосовместимость
Основным требованием к конструкции имплантируемой антенны является биосовместимость, обеспечивающая безопасность пациента и предотвращающая воздействие излучения на окружающие ткани. Кроме того, поскольку ткани человека естественным образом проводят электрический ток, тканевые антенны могут напрямую контактировать с металлизированным слоем антенны, что может привести к короткому замыканию. Предотвращение нежелательных коротких замыканий и обеспечение биосовместимости имеют решающее значение для долгосрочной имплантации имплантируемой антенны.
Проблема биосовместимости решается двумя методами: использованием диэлектрического сверхслойного слоя и использованием биосовместимого покрытия. Наиболее часто используемым подходом является использование диэлектрического сверхслойного слоя для отделения металлического излучателя антенны от биологической ткани и сохранения биосовместимости имплантируемой антенны [31,32,33,34,35,36,37]. Обычно в качестве верхнего слоя подложки используется тефлон (
\({\varepsilon }_{r}=2,1,\text{тангенс}\delta =0,00
1)\), MACOR (\({\varepsilon }_{r}=6,1,\text{tan}\delta =0,005)\) и керамический глинозём (\({\varepsilon }_{r}=9,4,\text{tan}\delta =0,006)\) [38,39,40,41]. Другой пример
]. На рисунке 2 показаны два метода обеспечения биосовместимости: Рис. 2a — биосовместимый верхний слой, 2b — биосовместимое покрытие.
Мониторинг в режиме реального времени. Имплантируемые антенны позволяют непрерывно отслеживать жизненно важные показатели и физиологические параметры, что может способствовать раннему выявлению заболеваний и своевременному вмешательству.
Повышенная мобильность. Благодаря беспроводной связи, обеспечиваемой имплантируемыми антеннами, пациенты могут свободно передвигаться, не будучи привязанными к оборудованию для мониторинга, что повышает качество их жизни.
Минимально инвазивное лечение. Эти антенны сокращают необходимость в частых визитах к врачу и инвазивных исследованиях, делая процедуры менее инвазивными и более комфортными для пациентов. Кроме того, они минимизируют риск инфицирования.
Дистанционное медицинское обслуживание и телемедицина. Имплантируемые антенны упрощают телемедицину и дистанционный мониторинг состояния пациентов, делая медицинское обслуживание доступным для жителей отдалённых или недостаточно обслуживаемых районов.
Интеллектуальные имплантаты. Имплантируемые антенны необходимы для интеллектуальных имплантатов, таких как кардиостимуляторы, инсулиновые помпы и нейростимуляторы, поскольку они обеспечивают точное управление и тонкую настройку устройств.
Стратегии разработки имплантируемых антенн
В отличие от устаревших антенн, которые работают в свободном пространстве, имплантируемые антенны, закрепляемые на различных частях тела, должны быть эстетически приемлемыми в самых разных ситуациях. Имплантируемая антенна должна соответствовать требованиям биосовместимости, миниатюризации, безопасности для пациента, коэффициента усиления в дальней зоне и низкого энергопотребления.
Биосовместимость
Основным требованием к конструкции имплантируемой антенны является биосовместимость, обеспечивающая безопасность пациента и предотвращающая воздействие излучения на окружающие ткани. Кроме того, поскольку ткани человека естественным образом проводят электрический ток, тканевые антенны могут напрямую контактировать с металлизированным слоем антенны, что может привести к короткому замыканию. Предотвращение нежелательных коротких замыканий и обеспечение биосовместимости имеют решающее значение для долгосрочной имплантации имплантируемой антенны.
Проблема биосовместимости решается двумя методами: использованием диэлектрического сверхслойного слоя и использованием биосовместимого покрытия. Наиболее часто используемым подходом является использование диэлектрического сверхслойного слоя для отделения металлического излучателя антенны от биологической ткани и сохранения биосовместимости имплантируемой антенны [31,32,33,34,35,36,37]. Обычно в качестве верхнего слоя подложки используется тефлон (
\({\varepsilon }_{r}=2,1,\text{тангенс}\delta =0,00
1)\), MACOR (\({\varepsilon }_{r}=6,1,\text{tan}\delta =0,005)\) и керамический глинозём (\({\varepsilon }_{r}=9,4,\text{tan}\delta =0,006)\) [38,39,40,41]. Другой пример
]. На рисунке 2 показаны два метода обеспечения биосовместимости: Рис. 2a — биосовместимый верхний слой, 2b — биосовместимое покрытие.
Миниатюризация
Миниатюризация — один из важнейших аспектов проектирования имплантируемых антенн. Последние достижения в области производства антенн позволили создать сверхмалые имплантируемые антенны. Например, кохлеарные имплантаты и протезы сетчатки очень малы и устанавливаются внутри глазного яблока и слухового нерва. Геометрия обычных полуволновых или четвертьволновых антенн в соответствующих диапазонах волн подбирается для имплантируемых устройств, как правило, в радиодиапазонах MICS или Med. В таких условиях миниатюризация является сложной задачей. Ниже перечислены некоторые методы миниатюризации.Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью для подложки/суперподложки
Использование подложки/суперстраты из диэлектрического материала с высокой диэлектрической проницаемостью — один из самых эффективных способов миниатюризации, поскольку он сокращает эффективную длину волны, а высокие резонансные частоты смещаются в сторону более низких резонансных частот. Более толстая суперстрата увеличивает рабочую частоту имплантата, а для усиления резонанса требуются более крупные физические размеры [44]. Некоторые материалы с высокой диэлектрической проницаемостью перечислены в таблице 1, как указано в литературе [45,46,47,48,49].Расширение пути тока в радиаторе
Этот метод используется для расчёта общего размера антенны. Чем длиннее эффективный путь прохождения тока в излучателе, тем выше резонансная частота, которую можно сдвинуть в сторону более низкой резонансной частоты. Здесь используются вафельные, спиральные и щелевые патч-антенны [48, 49]. В частности, излучающие линии представляют собой зигзагообразные или змеевидные конструкции, которые удлиняют физический путь прохождения тока в излучателе при небольшой занимаемой площади [50].
Использование штифтов короткого замыкания
Если добавить замыкающий контакт между патч-кордом и заземлением, то на соответствующей рабочей частоте можно будет уменьшить необходимые физические размеры. Замыкающие контакты эффективно расширяют полосу пропускания как в обычных патч-кордах, так и в четвертьволновых патч-кордах [38, 51,52,53,54,55].
Установка заплатки
При вертикальном расположении двух излучающих пластин размеры антенны уменьшаются за счёт увеличения пути прохождения тока в радиаторе [54, 55]. К антенной структуре добавляется подложка на основе метаматериала для улучшения осевого соотношения, ширины полосы пропускания и коэффициента усиления [56].
Согласование импеданса
Согласование импедансов достигается с помощью методов нагружения, при которых для смещения частотной полосы и направления используется соответствующая ёмкость или индуктивность. Для минимизации размера антенны используются как ёмкостные, так и индуктивные нагрузки. Кроме того, для уменьшения размера и согласования импедансов можно использовать резонатор с разделённым кольцом (SRR) [35, 55].
Безопасность пациентов
Удельная поглощающая способность (УПС)
Безопасность пациента измеряется параметром удельной поглощаемой мощности (SAR — количество энергии, выделяемое на единицу массы ткани) в соответствии с правилами и рекомендациями IEEE, которые используются для защиты здоровья пациентов [57]. Безопасность пациента зависит от максимально допустимой мощности, подаваемой на имплантируемую антенну. Например, стандарт IEEE c95.1_1999 ограничивает удельную поглощаемую мощность, усредненную по 1 г ткани в форме куба, значением менее 1,6 Вт/кг (
) [56]. Согласно элементарным ограничениям Международной комиссии по радиологической защите, средняя плотность потока энергии на 10 г соединительной ткани должна составлять менее 2 Вт/кг [59]. В соответствии с рекомендациями Международной комиссии по радиологической защите стандарт IEEE C95.1–2005 ограничивает среднюю плотность потока энергии на 10 г ткани в форме куба значением менее 2 Вт/кг (
) [59, 60].
Температурный предел
Под воздействием электромагнитного поля температура тканей организма повышается. Температура окружающих тканей имплантируемой антенны не
[35]. В некоторых устройствах типа ректенны и кардиостимуляторов длительная зарядка аккумулятора и работа выпрямителя (беспроводная передача энергии) приводили к повышению температуры [61].
Усиление в дальней зоне
Как правило, системы связи с медицинскими имплантатами (MICS) состоят из внешнего устройства мониторинга, расположенного примерно в двух метрах от имплантируемого медицинского устройства (IMD), и имплантируемого медицинского устройства [62]. Записанные жизненно важные параметры и мониторинг жизненно важных параметров организма в режиме реального времени передаются по линиям медицинской телеметрии. Следовательно, внешнее устройство должно повышать уровень сигнала имплантируемой антенны до приемлемого значения. Помимо обеспечения безопасности пациента, инвазивность также ограничивает допустимую мощность, необходимую для имплантируемых антенн. Например, в диапазоне MICS эффективная излучаемая мощность (ЭИМ) имплантируемой антенны ограничена значением –16 дБм (25 мкВт), чтобы избежать помех в близлежащем рабочем диапазоне. Помимо эффективной излучаемой мощности, SAR ограничивает возможность приёмной антенны воспринимать коэффициент усиления в дальней зоне для обеспечения стабильной биотелеметрической связи. Однако для увеличения дальности связи при биотелеметрии необходима имплантируемая антенна с повышенным коэффициентом усиления [63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74].
Эффективность излучения
Излучательная эффективность является важнейшим фактором для имплантируемых антенн, поскольку она определяет эффективность преобразования входной мощности в излучаемую электромагнитную энергию. Однако добиться высокой излучательной эффективности имплантируемых антенн сложно, поскольку окружающие биологические ткани склонны поглощать и ослаблять электромагнитные волны. На эффективность передачи электромагнитной энергии из дисперсионных тканей в свободное пространство влияет несколько частотно-зависимых механизмов. К ним относятся затухание, вызванное диэлектрическими и проводящими потерями, потери на отражение (несогласованность), вызванные разницей в импедансах, а также физические ограничения на эффективность излучения электрически малых источников в средах с потерями. Для повышения эффективности излучения при сохранении компактных размеров электрически малых антенн используются следующие методы: сужение полосы пропускания и диэлектрическая нагрузка на конструкцию антенны за счёт использования подложки с высокой диэлектрической проницаемостью и верхней подложки [75,76,77,78,79].
Низкое энергопотребление
Производительность имплантируемых медицинских устройств ограничена энергопотреблением. Существует несколько подходов к подзарядке аккумуляторов, например с помощью индуктивной петли [80,81,82,83]. Тем не менее каналы биотелеметрии используются только для передачи необходимых данных. Для этой цели доступны некоторые экономичные приемопередатчики (приемопередатчик Zarlink ZL70101) [84]. Приемопередатчик использует два сигнала: один для пробуждения, используемый для передачи, а другой — для перехода в спящий режим с низким энергопотреблением. Пока приемопередатчик не получит сигнал для пробуждения в диапазоне ISM 2,45 ГГц, он будет находиться в спящем режиме. В обычном режиме система полностью загружена, передает данные в диапазоне MICS, а затем после завершения передачи снова переходит в спящий режим. Когда происходит событие, связанное с пациентом, или врач указывает расписание, внешнее управляющее устройство программируется на автоматическое пробуждение системы [22].
Из-за ограничений, связанных со сроком службы и ёмкостью аккумуляторов, в медицинских имплантатах и биомедицинских датчиках, а также в различных биомедицинских устройствах, таких как кардиостимуляторы, нейростимуляторы, капсульные эндоскопы и протезы сетчатки, применяется технология беспроводной передачи энергии (БПЭ). Беспроводная передача энергии — это безопасное и простое решение, которое устраняет ограничения по мощности и упрощает хирургическую замену аккумуляторов. В последнее время для ВПТ стали использоваться многие биомедицинские имплантаты, в том числе капсульные эндоскопы [85], датчики сердечного ритма [86], симуляторы мозга [87] и вспомогательные устройства для левого желудочка [88].
В зависимости от электромагнитных полей технология беспроводной передачи данных может быть разделена на область ближнего поля, или безызлучательную область, и область дальнего поля, или излучательную область [89]. Различия между излучательной и безызлучательной передачей данных заключаются в расстоянии покрытия и рабочей частоте [90]. На рисунке 3 представлена классификация технологий беспроводной передачи данных. При безызлучательной передаче расстояние передачи составляет от нескольких миллиметров до нескольких метров. Излучательная передача охватывает большую территорию — почти несколько километров [91]. Нерадиационную передачу энергии можно разделить на несколько типов: магнитно-резонансная связь (MRC), индуктивная связь (IC), ёмкостная связь (CC) и магнитодинамическая связь (MDC). При передаче энергии в дальнем поле используются лазеры и ми
В зависимости от электромагнитных полей технология беспроводной передачи данных может быть разделена на область ближнего поля, или безызлучательную область, и область дальнего поля, или излучательную область [89]. Различия между излучательной и безызлучательной передачей данных заключаются в расстоянии покрытия и рабочей частоте [90]. На рисунке 3 представлена классификация технологий беспроводной передачи данных. При безызлучательной передаче расстояние передачи составляет от нескольких миллиметров до нескольких метров. Излучательная передача охватывает большую территорию — почти несколько километров [91]. Нерадиационную передачу энергии можно разделить на несколько типов: магнитно-резонансная связь (MRC), индуктивная связь (IC), ёмкостная связь (CC) и магнитодинамическая связь (MDC). При передаче энергии в дальнем поле используются лазеры и микроволны, а расстояние передачи может составлять сотни метров [92,93,94,95].
Обзор имплантируемых антенн для кардиостимуляторов без проводов
В настоящее время сердечная дисфункция, связанная с аритмией, наблюдается у сотен миллионов людей по всему миру. Для того чтобы способствовать здоровому старению и сократить количество преждевременных смертей, связанных с сердечно-сосудистыми заболеваниями (ССЗ), необходимы доступные медицинские услуги. Кроме того, дистанционный мониторинг позволяет свести к минимуму личное общение между пациентами, медицинскими работниками и врачами, а также снизить риск заражения различными инфекциями. В продаже имеются такие кардиостимуляторы, как Micra Transcatheter Pacing System (Medtronic) и Nanostim Leadless Pacemaker (Abbott). На рисунке 4 представлен обзор архитектуры бесштангового кардиостимулятора и его компонентов.Обычный кардиостимулятор (КС) в сравнении с кардиостимулятором без проводов (КСБП)
Кардиостимуляторы — это медицинские устройства, которые помогают пациентам контролировать сердцебиение в случае аритмии или других заболеваний сердца. Бесконтактные кардиостимуляторы и обычные кардиостимуляторы — это два основных типа кардиостимуляторов. Обычные кардиостимуляторы состоят из генератора импульсов (батареи с электрической схемой) и электродов. Для установки кардиостимулятора в камеры сердца требуется хирургический разрез. Однако это сопряжено со многими осложнениями, такими как инфекции, смещение электродов, их повреждение, а также необходимость в регулярном обслуживании и замене батареи. Бесконтактные кардиостимуляторы очень малы по размеру, их можно закрепить в сердечной камере с помощью крошечных зубцов, и они минимально инвазивны. Бесконтактные кардиостимуляторы не содержат свинца, что исключает риск инфицирования, перелома или смещения электрода. Однако у таких кардиостимуляторов есть некоторые ограничения, например возможность стимуляции только одной камеры и ограниченный срок службы батареи.
Проблемы проектирования
Исследования глубоко имплантируемых антенн, предназначенных для кардиостимуляторов без проводов, ограничены из-за сложностей, связанных с созданием таких антенн в ограниченном пространстве, а также с учётом потерь сигнала, вызванных человеческими тканями и окружающими электронными модулями. Срок службы батареи кардиостимулятора ограничен, поэтому конструкция антенны должна быть энергоэффективной, чтобы продлить срок службы устройства. Кроме того, в некоторых конструкциях используются методы сбора энергии, для которых требуется эффективная антенна, способная улавливать и преобразовывать энергию из внешних источников. Импеданс тканей человеческого тела также может влиять на импеданс антенны, что требует тщательной настройки для обеспечения минимального отражения и максимальной передачи мощности. Настройка широкополосного импеданса может повысить качество и надёжность сигнала.
Существует два основных типа антенн для беспроводных кардиостимуляторов: конформные и плоские. В частности, плоские антенны должны быть установлены поверх модуля биотелеметрии, который находится внутри капсулы кардиостимулятора, или на держателе печатной платы. Конформные антенны, напротив, должны располагаться на изогнутой поверхности капсулы кардиостимулятора. Недавние исследования продемонстрировали возможности миниатюризации, широкополосной передачи данных и беспроводной передачи энергии.
В литературе используются различные подходы
Спиральные антенны используются для уменьшения размеров имплантируемых антенн, а также для улучшения многодиапазонных характеристик бесшнуровых кардиостимуляторов с функцией биотелеметрии в диапазонах MICS, ISM и в середине диапазона. Миниатюрный объём
Это было достигнуто за счёт использования высокодиэлектрической подложки/наноподложки, спиралевидного излучателя с двумя симметричными плечами и открытыми прорезями в земле [96]. Сверхкомпактная имплантируемая антенна объёмом
Это было достигнуто с помощью складного меандрового излучателя, дефектной заземляющей конструкции и высокодиэлектрической подложки для беспроводного кардиостимулятора, работающего в диапазоне ISM. Для обеспечения биосовместимости вся система была покрыта керамической плёнкой из оксида алюминия [97]. Для повышения надёжности и эффективности телеметрической связи между кардиостимулятором и внешними устройствами в кардиостимуляторе используется метод круговой поляризации. Для получения круговой поляризации использовался асимметричный U-образный меандровый излучатель с различными прорезями в заземлении без каких-либо замыкающих контактов.
Зона покрытия антенны в диапазоне ISM 915 МГц для кардиостимуляторов [98]
Сверхширокополосные характеристики обеспечивают высокую скорость передачи данных между кардиостимулятором и внешним устройством и предотвращают расстройку. Антенна имеет компактный размер
и протестирован с использованием однородного фантома сердца для покрытия частот WMTS, среднего диапазона и ISM, что позволило получить сверхширокую полосу пропускания 3380 МГц. Большой прямоугольный вырез в излучателе и извилистая линия в заземляющем слое используются для миниатюризации и обеспечения сверхширокополосных характеристик [99]. Большие круглые и полукруглые вырезы в излучателе и извилистая линия в заземляющем слое используются для достижения сверхширокой полосы пропускания 3040 МГц и уменьшения объёма
и охватывает три различных диапазона ISM, средний диапазон и диапазоны частот WMTS [100]. На рисунке 5 показаны плоские и конформные антенны, описанные в литературе.
Кардиостимуляторы — это медицинские устройства, которые помогают пациентам контролировать сердцебиение в случае аритмии или других заболеваний сердца. Бесконтактные кардиостимуляторы и обычные кардиостимуляторы — это два основных типа кардиостимуляторов. Обычные кардиостимуляторы состоят из генератора импульсов (батареи с электрической схемой) и электродов. Для установки кардиостимулятора в камеры сердца требуется хирургический разрез. Однако это сопряжено со многими осложнениями, такими как инфекции, смещение электродов, их повреждение, а также необходимость в регулярном обслуживании и замене батареи. Бесконтактные кардиостимуляторы очень малы по размеру, их можно закрепить в сердечной камере с помощью крошечных зубцов, и они минимально инвазивны. Бесконтактные кардиостимуляторы не содержат свинца, что исключает риск инфицирования, перелома или смещения электрода. Однако у таких кардиостимуляторов есть некоторые ограничения, например возможность стимуляции только одной камеры и ограниченный срок службы батареи.
Проблемы проектирования
Исследования глубоко имплантируемых антенн, предназначенных для кардиостимуляторов без проводов, ограничены из-за сложностей, связанных с созданием таких антенн в ограниченном пространстве, а также с учётом потерь сигнала, вызванных человеческими тканями и окружающими электронными модулями. Срок службы батареи кардиостимулятора ограничен, поэтому конструкция антенны должна быть энергоэффективной, чтобы продлить срок службы устройства. Кроме того, в некоторых конструкциях используются методы сбора энергии, для которых требуется эффективная антенна, способная улавливать и преобразовывать энергию из внешних источников. Импеданс тканей человеческого тела также может влиять на импеданс антенны, что требует тщательной настройки для обеспечения минимального отражения и максимальной передачи мощности. Настройка широкополосного импеданса может повысить качество и надёжность сигнала.
Существует два основных типа антенн для беспроводных кардиостимуляторов: конформные и плоские. В частности, плоские антенны должны быть установлены поверх модуля биотелеметрии, который находится внутри капсулы кардиостимулятора, или на держателе печатной платы. Конформные антенны, напротив, должны располагаться на изогнутой поверхности капсулы кардиостимулятора. Недавние исследования продемонстрировали возможности миниатюризации, широкополосной передачи данных и беспроводной передачи энергии.
В литературе используются различные подходы
Спиральные антенны используются для уменьшения размеров имплантируемых антенн, а также для улучшения многодиапазонных характеристик бесшнуровых кардиостимуляторов с функцией биотелеметрии в диапазонах MICS, ISM и в середине диапазона. Миниатюрный объём
Это было достигнуто за счёт использования высокодиэлектрической подложки/наноподложки, спиралевидного излучателя с двумя симметричными плечами и открытыми прорезями в земле [96]. Сверхкомпактная имплантируемая антенна объёмом
Это было достигнуто с помощью складного меандрового излучателя, дефектной заземляющей конструкции и высокодиэлектрической подложки для беспроводного кардиостимулятора, работающего в диапазоне ISM. Для обеспечения биосовместимости вся система была покрыта керамической плёнкой из оксида алюминия [97]. Для повышения надёжности и эффективности телеметрической связи между кардиостимулятором и внешними устройствами в кардиостимуляторе используется метод круговой поляризации. Для получения круговой поляризации использовался асимметричный U-образный меандровый излучатель с различными прорезями в заземлении без каких-либо замыкающих контактов.
Зона покрытия антенны в диапазоне ISM 915 МГц для кардиостимуляторов [98]
Сверхширокополосные характеристики обеспечивают высокую скорость передачи данных между кардиостимулятором и внешним устройством и предотвращают расстройку. Антенна имеет компактный размер
и протестирован с использованием однородного фантома сердца для покрытия частот WMTS, среднего диапазона и ISM, что позволило получить сверхширокую полосу пропускания 3380 МГц. Большой прямоугольный вырез в излучателе и извилистая линия в заземляющем слое используются для миниатюризации и обеспечения сверхширокополосных характеристик [99]. Большие круглые и полукруглые вырезы в излучателе и извилистая линия в заземляющем слое используются для достижения сверхширокой полосы пропускания 3040 МГц и уменьшения объёма
и охватывает три различных диапазона ISM, средний диапазон и диапазоны частот WMTS [100]. На рисунке 5 показаны плоские и конформные антенны, описанные в литературе.
О петлевой антенне с круговой поляризацией, вдохновлённой кривой Гильберта, сообщалось в [101]. Для уменьшения занимаемой площади использовались подложка/наноподложка с высокой диэлектрической проницаемостью и фрактальная геометрия
в диапазонах частот WMTS и ISM. Разработанная антенна имеет конформную форму, которая идеально подходит для капсулы кардиостимулятора без проводов, и окружена фиктивными электронными компонентами. Затем интегрированный прототип был смоделирован в центре многослойной реалистичной модели сердца. Недавно были разработаны имплантируемые антенны с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) для повышения спектральной эффективности и скорости передачи данных в кардиостимуляторах. По сравнению с системами с одной антенной системы MIMO обеспечивают высокую пропускную способность и передачу/приём с низкими потерями без необходимости в дополнительном питании. Двухдиапазонная трёхдиапазонная MIMO-антенна с круговой поляризацией была представлена в [102]. Благодаря использованию кольцевых прорезей, прямоугольных щелей, закорачивающих контактов и зигзагообразной структуры разработанная антенна имеет компактные размеры
и обеспечивает свойства CP в диапазонах частот WMTS, ISM и в среднем диапазоне частот. Фрактальная MIMO-антенна на основе кривой Гильберта была представлена в [103], где фракталы используются для улучшения характеристик многодиапазонного приёма и уменьшения размеров антенны.
Бесконтактные кардиостимуляторы оснащены сверхкомпактной MIMO-антенной, которая обеспечивает передачу данных с низкими потерями на внешнюю MIMO-антенну для удаленного мониторинга сердечного ритма на платформе 5G IoT.
Кардиостимуляторы и другие имплантируемые медицинские устройства сталкиваются с серьёзными проблемами, связанными со сроком службы батареи. Чтобы продлить срок службы устройства, которое может потребовать дополнительного хирургического вмешательства, необходимо заменить батарею. Чтобы продлить срок службы батареи и снизить риск для жизни пациента, необходимо создать имплантируемую антенну, которая может передавать энергию и обеспечивать связь. Появление технологии беспроводной передачи энергии (WPT) даёт возможность решить эту проблему. Для получения сверхширокополосных характеристик используется имплантируемая антенна на основе разрезного резонансного кольца.
в диапазоне ISM [104]. Силиконовая головка используется для обеспечения биосовместимости. Кроме того, разработана новая система беспроводной передачи энергии (БПЭ), включающая в себя крошечную метаповерхность для повышения эффективности БПЭ и продления срока службы имплантируемых устройств. Петлевой патч и меандровая линия на земле используются для достижения минимальных размеров
и сверхширокой полосой пропускания. Предложенная антенна была объединена с многосекционным выпрямителем с возможностью работы в широком диапазоне частот для преобразования принимаемой радиочастотной (РЧ) энергии в постоянный ток (ПТ). Эффективность преобразования РЧ в ПТ была повышена за счёт использования методов пространственного объединения мощностей [105]. Эти методы предполагают независимую генерацию двух компонентов сигнала с частотами 1,5 и 1,52 ГГц, которые затем передаются через сверхширокополосную рупорную антенну. В таблице 2 перечислены различные типы антенн и их параметры, использованные в предыдущих исследованиях.
Обзор имплантируемых антенн для капсульной эндоскопии
Капсульная эндоскопия — это неинвазивный метод, при котором в организм вводится крошечная капсула с беспроводной системой передачи данных и камерой, которая используется для получения изображений желудочно-кишечного тракта с целью диагностики заболеваний.
Традиционная эндоскопия в сравнении с капсульной эндоскопией
Традиционная эндоскопия идеально подходит для терапевтических вмешательств и визуализации верхних и нижних отделов желудочно-кишечного тракта с высоким разрешением. Несмотря на инвазивность метода и необходимость анестезии, он обеспечивает прямой контроль и возможность проведения терапии по мере необходимости. Для тщательного неинвазивного исследования тонкой кишки и всего желудочно-кишечного тракта лучше всего подходит беспроводная капсульная эндоскопия. Несмотря на то, что этот метод безопаснее и приятнее для пациентов, его использование ограничивается диагностикой и не имеет терапевтического потенциала.
Проблемы проектирования
Чтобы определить этот параметр, капсульная антенна должна быть небольшой и способной перемещаться по различным частям тела. В ограниченном пространстве капсулы антенна должна идеально сочетаться с другими компонентами, включая камеру, аккумулятор и передатчик. Для высокой скорости передачи данных необходимы сверхширокополосные капсульные антенны. Материалы, из которых изготовлена антенна, должны быть безопасными и биосовместимыми, чтобы она могла длительное время контактировать с тканями человека. Это подразумевает отказ от любых вредных или химически активных материалов. Необходимо поместить антенну и другие электронные компоненты в биосовместимый материал, который защитит их от воздействия физиологических жидкостей и при этом обеспечит передачу сигнала. Существует небольшая вероятность того, что капсула застрянет в суженном участке желудочно-кишечного тракта и её придётся удалять хирургическим путём. Поэтому антенна для капсульной эндоскопии должна быть небольшого размера, иметь широкую полосу пропускания и всенаправленную диаграмму направленности, чтобы обеспечить успешную передачу данных от капсульного эндоскопа в пищеварительную систему. На рисунке 6 показана подробная схема работы беспроводной капсульной эндоскопии.
в диапазонах частот WMTS и ISM. Разработанная антенна имеет конформную форму, которая идеально подходит для капсулы кардиостимулятора без проводов, и окружена фиктивными электронными компонентами. Затем интегрированный прототип был смоделирован в центре многослойной реалистичной модели сердца. Недавно были разработаны имплантируемые антенны с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) для повышения спектральной эффективности и скорости передачи данных в кардиостимуляторах. По сравнению с системами с одной антенной системы MIMO обеспечивают высокую пропускную способность и передачу/приём с низкими потерями без необходимости в дополнительном питании. Двухдиапазонная трёхдиапазонная MIMO-антенна с круговой поляризацией была представлена в [102]. Благодаря использованию кольцевых прорезей, прямоугольных щелей, закорачивающих контактов и зигзагообразной структуры разработанная антенна имеет компактные размеры
и обеспечивает свойства CP в диапазонах частот WMTS, ISM и в среднем диапазоне частот. Фрактальная MIMO-антенна на основе кривой Гильберта была представлена в [103], где фракталы используются для улучшения характеристик многодиапазонного приёма и уменьшения размеров антенны.
Бесконтактные кардиостимуляторы оснащены сверхкомпактной MIMO-антенной, которая обеспечивает передачу данных с низкими потерями на внешнюю MIMO-антенну для удаленного мониторинга сердечного ритма на платформе 5G IoT.
Кардиостимуляторы и другие имплантируемые медицинские устройства сталкиваются с серьёзными проблемами, связанными со сроком службы батареи. Чтобы продлить срок службы устройства, которое может потребовать дополнительного хирургического вмешательства, необходимо заменить батарею. Чтобы продлить срок службы батареи и снизить риск для жизни пациента, необходимо создать имплантируемую антенну, которая может передавать энергию и обеспечивать связь. Появление технологии беспроводной передачи энергии (WPT) даёт возможность решить эту проблему. Для получения сверхширокополосных характеристик используется имплантируемая антенна на основе разрезного резонансного кольца.
в диапазоне ISM [104]. Силиконовая головка используется для обеспечения биосовместимости. Кроме того, разработана новая система беспроводной передачи энергии (БПЭ), включающая в себя крошечную метаповерхность для повышения эффективности БПЭ и продления срока службы имплантируемых устройств. Петлевой патч и меандровая линия на земле используются для достижения минимальных размеров
и сверхширокой полосой пропускания. Предложенная антенна была объединена с многосекционным выпрямителем с возможностью работы в широком диапазоне частот для преобразования принимаемой радиочастотной (РЧ) энергии в постоянный ток (ПТ). Эффективность преобразования РЧ в ПТ была повышена за счёт использования методов пространственного объединения мощностей [105]. Эти методы предполагают независимую генерацию двух компонентов сигнала с частотами 1,5 и 1,52 ГГц, которые затем передаются через сверхширокополосную рупорную антенну. В таблице 2 перечислены различные типы антенн и их параметры, использованные в предыдущих исследованиях.
Обзор имплантируемых антенн для капсульной эндоскопии
Капсульная эндоскопия — это неинвазивный метод, при котором в организм вводится крошечная капсула с беспроводной системой передачи данных и камерой, которая используется для получения изображений желудочно-кишечного тракта с целью диагностики заболеваний.
Традиционная эндоскопия в сравнении с капсульной эндоскопией
Традиционная эндоскопия идеально подходит для терапевтических вмешательств и визуализации верхних и нижних отделов желудочно-кишечного тракта с высоким разрешением. Несмотря на инвазивность метода и необходимость анестезии, он обеспечивает прямой контроль и возможность проведения терапии по мере необходимости. Для тщательного неинвазивного исследования тонкой кишки и всего желудочно-кишечного тракта лучше всего подходит беспроводная капсульная эндоскопия. Несмотря на то, что этот метод безопаснее и приятнее для пациентов, его использование ограничивается диагностикой и не имеет терапевтического потенциала.
Проблемы проектирования
Чтобы определить этот параметр, капсульная антенна должна быть небольшой и способной перемещаться по различным частям тела. В ограниченном пространстве капсулы антенна должна идеально сочетаться с другими компонентами, включая камеру, аккумулятор и передатчик. Для высокой скорости передачи данных необходимы сверхширокополосные капсульные антенны. Материалы, из которых изготовлена антенна, должны быть безопасными и биосовместимыми, чтобы она могла длительное время контактировать с тканями человека. Это подразумевает отказ от любых вредных или химически активных материалов. Необходимо поместить антенну и другие электронные компоненты в биосовместимый материал, который защитит их от воздействия физиологических жидкостей и при этом обеспечит передачу сигнала. Существует небольшая вероятность того, что капсула застрянет в суженном участке желудочно-кишечного тракта и её придётся удалять хирургическим путём. Поэтому антенна для капсульной эндоскопии должна быть небольшого размера, иметь широкую полосу пропускания и всенаправленную диаграмму направленности, чтобы обеспечить успешную передачу данных от капсульного эндоскопа в пищеварительную систему. На рисунке 6 показана подробная схема работы беспроводной капсульной эндоскопии.
В литературе используются различные подходы
Гибкая спиральная антенна на магнитной основе (
) с конформной структурой и извилистой линией передачи на основе диэлектрика (
) с плоской структурой были предложены для использования на теле [106]. Аналогичным образом спиральные антенны диапазона MICS (
) и извилистая линия полосы ISM (
) также были разработаны. Для миниатюризации используются как спиральная структура, так и меандровая линия. Для уменьшения многолучевых помех и повышения коэффициента битовых ошибок предлагаются антенны с круговой поляризацией. Была представлена двухдиапазонная сверхминиатюрная антенна с круговой поляризацией [107]. Круговая поляризация и миниатюризация достигаются за счёт меандровой структуры в сочетании со щелями и дефектной структурой заземления без переходных отверстий, что обеспечивает наименьшую занимаемую площадь
в диапазонах MICS и ISM. Предлагаемая конструкция представляет собой капсулу с медным цилиндром и медными полосками, которые окружают капсулу, чтобы освободить место для других компонентов [108]. Всенаправленность и широкая полоса пропускания достигаются за счёт медных полосок. Для обеспечения биосовместимости и снижения электромагнитных помех, создаваемых окружающими тканями, антенная система заключена в оболочку из полиимида. Размеры предлагаемой цилиндрической конструкции составляют
работает в диапазонах WMTS и ISM.
В [109] была представлена ультратонкая и сверхминиатюрная антенна, работающая в диапазоне ISM, для применения в глубоких тканях, например при капсульной эндоскопии. Миниатюризация была достигнута за счёт размещения прорезей в излучателе и заземлении, а также использования тонкого материала Rogers ULTRALAM толщиной 0,2 мм. Объём предложенной антенны составил
Двухдиапазонная функция — важный аспект имплантируемой антенны. Эта функция позволяет одновременно передавать данные и энергию в двух разных частотных диапазонах. Двухдиапазонная и миниатюрная антенна
были представлены в [110]. Двухдиапазонность и миниатюризация были достигнуты за счёт использования короткого штыря, открытых слотов, полукруглых слотов и среднего слота в патч-корде. Для проверки надёжности передачи данных была создана биотелеметрическая линия связи. Представленная имплантируемая антенна может использоваться в конформной или плоской форме [111]. Для создания конформной структуры антенна была установлена на внешней стенке капсулы. Для уменьшения объёма была использована структура меандровой линии.
Для обеспечения биосовместимости использовался полиэтиленовый материал толщиной 0,2 мм. Конформная сверхширокополосная антенна с двойной поляризацией была разработана в [112] для применения в беспроводной капсульной эндоскопии. Двойная поляризация достигается за счёт неправильной прямоугольной петли и ступенчатого монопольного элемента. Эти две петли печатаются отдельно на верхней и нижней частях диэлектрической подложки. Конформная антенна на основе слота была встроена в
капсула, окружённая гибким полиимидным материалом, для применения в радиодиапазоне Med в качестве проглатываемых и имплантируемых капсул, не зависящих от тканей [113]. Предложенная антенна обладает сверхпрочными характеристиками импеданса. Была представлена конформная низкопрофильная микрополосковая антенна для проглатываемых и имплантируемых капсул для эндоскопии, а также для биотелеметрии животных. Для уменьшения размеров антенны использовался гибридный численно-аналитический подход.
на частоте 433 МГц [114].
Имплантируемая антенна MIMO для капсульной эндоскопии
Для капсульной эндоскопии антенны MIMO имеют ряд преимуществ по сравнению с одноэлементными антеннами, в том числе расширенный охват, более высокую скорость передачи данных, лучшее качество сигнала, мультиплексирование пространственных характеристик сигнала без дополнительной мощности и устойчивость к помехам, что расширяет диагностические возможности. Однако основным ограничением антенн MIMO с небольшой геометрией является изоляция. Предлагаемая конформная двухпортовая антенна MIMO с извилистой структурой имеет размер
Он охватывает диапазоны частот MICS, WMTS и ISM [115]. Предлагаемая беспроводная капсульная эндоскопия состоит из антенны MIMO, двух модулей камеры, аккумуляторов, светодиода и печатной платы с имитацией электроники. Для обеспечения биосовместимости используется полиимидный материал, а для герметизации крышки капсулы и улучшения качества изображения — прозрачная слюда. Низкопрофильный MIMO охватывает диапазоны MICS и ISM для капсульной эндоскопии и имплантации в кожу головы. Миниатюрные размеры
Это было достигнуто за счёт использования коротких контактов, прямоугольных и дугообразных прорезей на пластыре и открытых прорезей в заземлении [116]. Капсула была протестирована как в плоской, так и в конформной форме. Для проверки эффективности канала связи был проведён анализ бюджета.
Была представлена миниатюрная двухэлементная антенна MIMO с высокой скоростью передачи данных [117] для применения в капсульной эндоскопии в диапазоне ISM. Миниатюрный размер
Это было достигнуто за счёт использования подложки с высокой диэлектрической проницаемостью, дефектного заземления и зигзагообразного петлевого излучателя. Для обеспечения высокой изоляции между элементами используются прорези и I-образные заглушки. Четырёхпортовая антенна MIMO была спроектирована в [118] для применения в беспроводной эндоскопии в диапазоне ISM. Антенна MIMO содержит четыре зигзагообразных петлевых излучателя с общим заземлением и расстоянием между краями 0,5 мм. Её размер составляет
Компактная двухпортовая двухдиапазонная имплантируемая антенна была предложена в [119]. Компактность
Это было достигнуто за счёт использования извилистых прорезей и прорезей в заземляющем слое без короткого замыкания. Кроме того, для улучшения изоляции портов не использовалась стратегия снижения взаимной связи. Вместо этого извилистые линии были специально спроектированы таким образом, чтобы компенсировать полевые эффекты, препятствующие прохождению токов в противоположных направлениях по соседним линиям в излучающей области, что происходит при обоих резонансах. Новый подход к созданию имплантируемой антенны SISO на водной основе (WBIA), которую можно быстро преобразовать в антенну MIMO для имплантируемого устройства [120]. Из-за чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемости воды размер WBIAs значительно уменьшился. Объём
Уменьшение размеров антенны MIMO возможно за счёт использования воды с высокой диэлектрической проницаемостью, ёмкостного эффекта излучателя и заземляющего слоя на водной основе в диапазоне ISM. В таблице 3 перечислены различные антенны, используемые в литературе для капсульной эндоскопии.
Обзор имплантируемых антенн для мониторинга внутричерепного давления
Клинические измерения внутричерепного давления (ВЧД) сложно использовать для прогнозирования черепно-мозговых травм и заболеваний головного мозга, а также инсультов, чтобы предотвратить смерть и инвалидность.
Традиционные методы в сравнении с имплантируемыми антеннами для мониторинга внутричерепного давления
Для измерения внутричерепного давления инвазивными методами используются внутрижелудочковый катетер (вентрикулостомия), субдуральные/эпидуральные/паренхиматозные датчики, а для измерения внутричерепного давления с помощью методов визуализации — транскраниальная допплерография и магнитно-резонансная томография (МРТ). При использовании этих методов катетер вводится в головной мозг, а показатели спинномозговой жидкости считываются с помощью проводных методов. С помощью имплантируемой антенны беспроводная сенсорная система, имплантированная в полость черепа, измеряет внутричерепное давление и передает данные на внешний приемник через имплантируемую антенну. Хотя традиционные методы мониторинга внутричерепного давления отличаются высокой точностью и широко используются, они сопряжены со значительными рисками и ограничениями, особенно в том, что касается инвазивности и комфорта пациента. Имплантируемые антенны представляют собой многообещающую альтернативу, обеспечивая минимально инвазивный, непрерывный и беспроводной мониторинг. Однако они также создают новые проблемы, особенно в том, что касается миниатюризации, биосовместимости, передачи сигнала в сложных средах головного мозга и управления питанием.
Проблемы проектирования
Конструкция внутриполостной антенны была сложной из-за непредсказуемой природы человеческих тканей и органов, которые поглощают большую часть излучения антенны. При разработке имплантируемых антенн для мониторинга внутриполостной среды важно учитывать их широкую полосу пропускания, широкую диаграмму направленности, биосовместимость и хорошую способность передавать сигнал.
В литературе используются различные подходы
Ранее для измерения ICP на мегагерцовых частотах требовались большие индуктивные связи, после чего измерения были перенесены в диапазон микроволновых частот с помощью пьезорезистивного датчика, генератора и чиповой антенны [121]. Для мониторинга ICP в диапазоне ISM использовалась планарная перевернутая F-антенна, а для оценки времени работы, частоты, излучаемой температуры и излучения антенны, имитирующего физиологическую среду, применялся фантом скальпа, соответствующий среде имплантата [40].
На рисунке 7 представлена блок-схема системы мониторинга внутричерепного давления. Она оснащена имплантируемой антенной, которая используется для измерения внутричерепного давления, а затем жизненно важные параметры организма обрабатываются блоком обработки сигналов после их передачи по беспроводной среде. Приёмный блок состоит из блока преобразования сигналов, блока анализа и блока регистрации данных. Наконец, он подключается к сети для целей биотелеметрии.
Гибкая спиральная антенна на магнитной основе (
) с конформной структурой и извилистой линией передачи на основе диэлектрика (
) с плоской структурой были предложены для использования на теле [106]. Аналогичным образом спиральные антенны диапазона MICS (
) и извилистая линия полосы ISM (
) также были разработаны. Для миниатюризации используются как спиральная структура, так и меандровая линия. Для уменьшения многолучевых помех и повышения коэффициента битовых ошибок предлагаются антенны с круговой поляризацией. Была представлена двухдиапазонная сверхминиатюрная антенна с круговой поляризацией [107]. Круговая поляризация и миниатюризация достигаются за счёт меандровой структуры в сочетании со щелями и дефектной структурой заземления без переходных отверстий, что обеспечивает наименьшую занимаемую площадь
в диапазонах MICS и ISM. Предлагаемая конструкция представляет собой капсулу с медным цилиндром и медными полосками, которые окружают капсулу, чтобы освободить место для других компонентов [108]. Всенаправленность и широкая полоса пропускания достигаются за счёт медных полосок. Для обеспечения биосовместимости и снижения электромагнитных помех, создаваемых окружающими тканями, антенная система заключена в оболочку из полиимида. Размеры предлагаемой цилиндрической конструкции составляют
работает в диапазонах WMTS и ISM.
В [109] была представлена ультратонкая и сверхминиатюрная антенна, работающая в диапазоне ISM, для применения в глубоких тканях, например при капсульной эндоскопии. Миниатюризация была достигнута за счёт размещения прорезей в излучателе и заземлении, а также использования тонкого материала Rogers ULTRALAM толщиной 0,2 мм. Объём предложенной антенны составил
Двухдиапазонная функция — важный аспект имплантируемой антенны. Эта функция позволяет одновременно передавать данные и энергию в двух разных частотных диапазонах. Двухдиапазонная и миниатюрная антенна
были представлены в [110]. Двухдиапазонность и миниатюризация были достигнуты за счёт использования короткого штыря, открытых слотов, полукруглых слотов и среднего слота в патч-корде. Для проверки надёжности передачи данных была создана биотелеметрическая линия связи. Представленная имплантируемая антенна может использоваться в конформной или плоской форме [111]. Для создания конформной структуры антенна была установлена на внешней стенке капсулы. Для уменьшения объёма была использована структура меандровой линии.
Для обеспечения биосовместимости использовался полиэтиленовый материал толщиной 0,2 мм. Конформная сверхширокополосная антенна с двойной поляризацией была разработана в [112] для применения в беспроводной капсульной эндоскопии. Двойная поляризация достигается за счёт неправильной прямоугольной петли и ступенчатого монопольного элемента. Эти две петли печатаются отдельно на верхней и нижней частях диэлектрической подложки. Конформная антенна на основе слота была встроена в
капсула, окружённая гибким полиимидным материалом, для применения в радиодиапазоне Med в качестве проглатываемых и имплантируемых капсул, не зависящих от тканей [113]. Предложенная антенна обладает сверхпрочными характеристиками импеданса. Была представлена конформная низкопрофильная микрополосковая антенна для проглатываемых и имплантируемых капсул для эндоскопии, а также для биотелеметрии животных. Для уменьшения размеров антенны использовался гибридный численно-аналитический подход.
на частоте 433 МГц [114].
Имплантируемая антенна MIMO для капсульной эндоскопии
Для капсульной эндоскопии антенны MIMO имеют ряд преимуществ по сравнению с одноэлементными антеннами, в том числе расширенный охват, более высокую скорость передачи данных, лучшее качество сигнала, мультиплексирование пространственных характеристик сигнала без дополнительной мощности и устойчивость к помехам, что расширяет диагностические возможности. Однако основным ограничением антенн MIMO с небольшой геометрией является изоляция. Предлагаемая конформная двухпортовая антенна MIMO с извилистой структурой имеет размер
Он охватывает диапазоны частот MICS, WMTS и ISM [115]. Предлагаемая беспроводная капсульная эндоскопия состоит из антенны MIMO, двух модулей камеры, аккумуляторов, светодиода и печатной платы с имитацией электроники. Для обеспечения биосовместимости используется полиимидный материал, а для герметизации крышки капсулы и улучшения качества изображения — прозрачная слюда. Низкопрофильный MIMO охватывает диапазоны MICS и ISM для капсульной эндоскопии и имплантации в кожу головы. Миниатюрные размеры
Это было достигнуто за счёт использования коротких контактов, прямоугольных и дугообразных прорезей на пластыре и открытых прорезей в заземлении [116]. Капсула была протестирована как в плоской, так и в конформной форме. Для проверки эффективности канала связи был проведён анализ бюджета.
Была представлена миниатюрная двухэлементная антенна MIMO с высокой скоростью передачи данных [117] для применения в капсульной эндоскопии в диапазоне ISM. Миниатюрный размер
Это было достигнуто за счёт использования подложки с высокой диэлектрической проницаемостью, дефектного заземления и зигзагообразного петлевого излучателя. Для обеспечения высокой изоляции между элементами используются прорези и I-образные заглушки. Четырёхпортовая антенна MIMO была спроектирована в [118] для применения в беспроводной эндоскопии в диапазоне ISM. Антенна MIMO содержит четыре зигзагообразных петлевых излучателя с общим заземлением и расстоянием между краями 0,5 мм. Её размер составляет
Компактная двухпортовая двухдиапазонная имплантируемая антенна была предложена в [119]. Компактность
Это было достигнуто за счёт использования извилистых прорезей и прорезей в заземляющем слое без короткого замыкания. Кроме того, для улучшения изоляции портов не использовалась стратегия снижения взаимной связи. Вместо этого извилистые линии были специально спроектированы таким образом, чтобы компенсировать полевые эффекты, препятствующие прохождению токов в противоположных направлениях по соседним линиям в излучающей области, что происходит при обоих резонансах. Новый подход к созданию имплантируемой антенны SISO на водной основе (WBIA), которую можно быстро преобразовать в антенну MIMO для имплантируемого устройства [120]. Из-за чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемости воды размер WBIAs значительно уменьшился. Объём
Уменьшение размеров антенны MIMO возможно за счёт использования воды с высокой диэлектрической проницаемостью, ёмкостного эффекта излучателя и заземляющего слоя на водной основе в диапазоне ISM. В таблице 3 перечислены различные антенны, используемые в литературе для капсульной эндоскопии.
Обзор имплантируемых антенн для мониторинга внутричерепного давления
Клинические измерения внутричерепного давления (ВЧД) сложно использовать для прогнозирования черепно-мозговых травм и заболеваний головного мозга, а также инсультов, чтобы предотвратить смерть и инвалидность.
Традиционные методы в сравнении с имплантируемыми антеннами для мониторинга внутричерепного давления
Для измерения внутричерепного давления инвазивными методами используются внутрижелудочковый катетер (вентрикулостомия), субдуральные/эпидуральные/паренхиматозные датчики, а для измерения внутричерепного давления с помощью методов визуализации — транскраниальная допплерография и магнитно-резонансная томография (МРТ). При использовании этих методов катетер вводится в головной мозг, а показатели спинномозговой жидкости считываются с помощью проводных методов. С помощью имплантируемой антенны беспроводная сенсорная система, имплантированная в полость черепа, измеряет внутричерепное давление и передает данные на внешний приемник через имплантируемую антенну. Хотя традиционные методы мониторинга внутричерепного давления отличаются высокой точностью и широко используются, они сопряжены со значительными рисками и ограничениями, особенно в том, что касается инвазивности и комфорта пациента. Имплантируемые антенны представляют собой многообещающую альтернативу, обеспечивая минимально инвазивный, непрерывный и беспроводной мониторинг. Однако они также создают новые проблемы, особенно в том, что касается миниатюризации, биосовместимости, передачи сигнала в сложных средах головного мозга и управления питанием.
Проблемы проектирования
Конструкция внутриполостной антенны была сложной из-за непредсказуемой природы человеческих тканей и органов, которые поглощают большую часть излучения антенны. При разработке имплантируемых антенн для мониторинга внутриполостной среды важно учитывать их широкую полосу пропускания, широкую диаграмму направленности, биосовместимость и хорошую способность передавать сигнал.
В литературе используются различные подходы
Ранее для измерения ICP на мегагерцовых частотах требовались большие индуктивные связи, после чего измерения были перенесены в диапазон микроволновых частот с помощью пьезорезистивного датчика, генератора и чиповой антенны [121]. Для мониторинга ICP в диапазоне ISM использовалась планарная перевернутая F-антенна, а для оценки времени работы, частоты, излучаемой температуры и излучения антенны, имитирующего физиологическую среду, применялся фантом скальпа, соответствующий среде имплантата [40].
На рисунке 7 представлена блок-схема системы мониторинга внутричерепного давления. Она оснащена имплантируемой антенной, которая используется для измерения внутричерепного давления, а затем жизненно важные параметры организма обрабатываются блоком обработки сигналов после их передачи по беспроводной среде. Приёмный блок состоит из блока преобразования сигналов, блока анализа и блока регистрации данных. Наконец, он подключается к сети для целей биотелеметрии.
Использование крошечного (
) копланарная имплантируемая антенна с сенсорной ступенью для передачи зарегистрированных данных о внутричерепном давлении на череп и формирования бюджета канала для передачи данных в диапазоне 0,5–1 м является частью минимально инвазивной методики мониторинга внутричерепного давления [122]. Внутричерепное давление контролируется на частоте 2,45 ГГц с помощью кольцевых щелевых антенн, которые обладают более высокой эффективностью излучения, чем ранее использовавшиеся полосковые антенны, такие как печатная перевернутая F-антенна. Отклонение характеристик можно контролировать с помощью экранирующего слоя на внешней стенке кабеля при тестировании векторным анализатором цепей, а также с помощью соответствующей технологии заземления внешнего проводника кабеля и внутренней точки подачи [123]. На основе распределения температуры также осуществляется мониторинг ICP с помощью двухдиапазонной имплантируемой антенны. Для численного анализа используется модель головы человека сферической формы. Диапазон температур составляет от
генерируется рядом с имплантируемой антенной в соответствии с основными ограничениями по воздействию IEEE [124]. Петлевые антенны используются для беспроводного мониторинга ICP. В этой петлевой антенне максимальное расстояние от антенны до кожи составляет 19 мм, что на 8 мм больше, чем в предыдущих моделях, и обеспечивает проникновение имплантата в кожу на 11 мм [125].
Была разработана сверхминиатюрная двухдиапазонная имплантируемая антенная система, а спроектированная система была интегрирована с микроэлектронными элементами, батареями и гибкой имплантируемой антенной. Расчёты бюджета канала связи используются для проверки возможности беспроводной связи и определения дальности передачи сигнала от тканей человека во внешнюю среду. Сверхминиатюрность также достигается за счёт использования спирального излучателя, закорачивающего штыря и заземляющего слоя с несколькими прорезями. Путь тока удлиняется за счёт использования спиральной геометрии и закорачивающих штырей. Коэффициент усиления увеличивается за счёт использования прорезей в заземляющем слое и смещения резонансной частоты в более низкие диапазоны. Верхний слой действует как изолирующий слой, предотвращая излучение во внешнюю среду [126,127,128,129]. Чтобы упростить конструкцию, некоторые имплантируемые антенны изготавливаются с меньшим количеством прорезей и заземляющих слоёв. Канал биотелеметрии тестируется с расчётом запаса по каналу, и канал связи может быть запущен на расстоянии 4,5 м [130].
Вертикальная концевая антенна в форме скрипичного ключа работает на частотах 3–5 ГГц и обеспечивает высокоскоростную беспроводную связь для совместной работы мозга и машины. Чтобы предотвратить искажение излучения и избежать потери усиления из-за потерь в тканях, сконструированная антенна в форме скрипичного ключа устанавливается вертикально на уровне черепа. Миниатюризация достигается за счёт использования щелевых антенных решёток, которые также используются для увеличения коэффициента усиления и полосы пропускания [131]. Для миниатюризации в качестве изолятора используется деионизированная вода с высокой диэлектрической проницаемостью, а для разделения антенны с целью улучшения широкополосных свойств и согласования импедансов применяется прокладка на основе деионизированной воды. Для обеспечения широкой частотной характеристики предлагаемая антенна состоит из сужающейся микрополосковой линии питания с выступами и увеличенной прямоугольной щели, вытравленной на заземляющем слое [132]. Двухдиапазонная четырёхпортовая самоквадруплексирующая имплантируемая антенна была представлена для имплантации в кожу головы [133]. Миниатюрный размер
Это было достигнуто за счёт использования полукруглых прорезей, полукруглого зигзагообразного излучателя и подложек с высокой диэлектрической проницаемостью в трёх диапазонах ISM и в диапазоне WMTS. Кроме того, для проверки возможности одновременной передачи и приёма (STAR) этой антенны используются три программно-определяемых радиоприемника.
В таблице 4 собраны данные об имплантируемых антеннах, разработанных разными исследователями для мониторинга внутричерепного давления. В ней указаны тип антенны, рабочая частота и параметры антенны. В основном для мониторинга внутричерепного давления используются антенны с меандровой структурой и патч-антенны, а также некоторые сверхширокополосные антенны. Как правило, для миниатюризации и повышения коэффициента усиления и общей эффективности имплантируемых антенн используются подложки с высокой диэлектрической проницаемостью.
Проблемы проектирования
Миниатюризация имплантатов для протезирования сетчатки — сложная задача, поскольку разработанный имплантат должен располагаться во внутриглазной области, чтобы активировать неповреждённый задний зрительный путь. Ещё одним критерием является биосовместимость. Кроме того, необходимо свести к минимуму выделение тепла вокруг биологических тканей.
В литературе используются различные подходы
Интраокулярный элемент в протезе сетчатки сконструирован с использованием компактного планарного меандрового диполя. Это подтвердило, что меандровый диполь может работать лучше, чем традиционная микрополосковая патч-антенна в протезе сетчатки [134]. Для биоинформационной телеметрии в протезе сетчатки используются 2D- и 3D-антенны в виде гофрированных диполей. Хотя 2D-модели занимают меньшую площадь, чем 3D-модели, последние обладают лучшими антенными свойствами, такими как коэффициент усиления и полоса пропускания [135]. Микрополосковая патч-антенна с радиочастотным МЭМС-конденсатором была использована на микроволновых частотах как для интраокулярных, так и для экстраокулярных применений. Для достижения желаемой резонансной частоты радиочастотные конденсаторы размещаются на микрополосковых шлейфах. Тем не менее основным ограничением этой системы является то, что антенна заполнена радиальным шлейфом, поэтому многие конденсаторы не нагружены шлейфами [136].
Микрополосковая антенна PIFA в диапазоне MICS подходит для повышения эффективности излучения во внутреннем глазном яблоке [137]. Миниатюрная микрополосковая патч-антенна с круговой поляризацией и конформным расположением была разработана для работы в диапазоне 2,4–2,48 ГГц и предназначена для использования в протезах сетчатки и передачи данных от протеза во внешний мир. Распределение удельной поглощающей способности во внутренней модели фантома головы в диапазоне MICS (402–405 МГц) и в двух диапазонах ISM (902–928 МГц и 2,4–2,48 ГГц). Значения удельной поглощающей способности в диапазонах MICS и ISM (902–928 МГц) приемлемы для протезов сетчатки, но в диапазоне 2,4–2,48 ГГц значение удельной поглощающей способности выше, а потери также выше, чем в двух других диапазонах частот [138]. Для миниатюризации и получения круговой поляризации используются модифицированное преобразование Гильберта и змеевидная геометрия. И подложка, и суперподложка изготовлены из полидиметилсилоксана для повышения коэффициента усиления и биосовместимости [139].
Биосовместимая микрополосковая патч-антенна, используемая для протезирования сетчатки в радиочастотном диапазоне Med. Антенна выполнена из трех разнородных биосовместимых материалов, а именно медицинского эластомера Silastic MDX4-4210, циркония и PEEK, и анализируются ее характеристики. Желаемые свойства настройки антенны достигаются с помощью автоматизированного квази-ньютоновского метода [140]. Треугольные микрополосковые патч-антенны для интраокулярных и планарные инвертированные F-антенны были исследованы для экстраокулярного применения на частотах 1,45 и 2,45 ГГц [141]. Проволочные патч-антенны также использовались в диапазонах ISM и UWB для протезирования сетчатки на основе физических границ, установленных Хансеном и Коллином. Характеристики антенн оценивались исключительно путем подсчета различных спектров глаза с использованием модели анализа спектра глаза, созданной по аналогии с той, что использовалась для прототипов глаз SMCM [142]. Предлагаемая компактная система радиочастотной идентификации состоит из выпрямителя и имплантируемых приёмной антенны и передатчика, работающих на частотах 915 и 2450 МГц. Представленная антенна имеет форму, полученную путём добавления к традиционному круглому патчу полукруглого прямоугольного шлейфа с кольцевой нагрузкой и двух разомкнутых круглых кольцевых шлейфов. Для получения требуемых частотных диапазонов на краю патча также используется замыкающий штифт. Кроме того, круглая заземляющая пластина была изменена путём создания симметричных прорезей в четырёх квадрантах и по краям, чтобы сделать конструкцию электрически компактной и вместить очень плотные электроды. Объём предлагаемой антенны составляет
на тройных частотах 1,25 ГГц, 2,45 ГГц и 3,32 ГГц [143]. В таблице 5 представлено несколько имплантируемых антенн, используемых в протезах сетчатки. В протезах сетчатки в основном используются микрополосковые патч-антенны, работающие в диапазонах медицинского радио и межсетевого взаимодействия.
Традиционный мониторинг в сравнении с имплантируемой антенной для мониторинга переломов костей
Для выявления переломов костей используются такие методы, как рентгенография, компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, ультразвуковое исследование и физикальное обследование. Традиционные методы предполагают воздействие радиации и охватывают лишь ограниченную область. Физикальное обследование даёт функциональную информацию, но не позволяет визуализировать внутренние структуры. С помощью имплантируемой антенны можно осуществлять мониторинг в режиме реального времени и выявлять проблемы на ранней стадии.
Проблемы проектирования
Диэлектрический материал костного имплантата должен быть биосовместимым и прочным. Необходимо снизить затухание и повысить передачу сигнала. Размер костного имплантата должен быть минимальным, чтобы он помещался в ограниченном пространстве. Таким образом, современная антенна разработана таким образом, чтобы максимально эффективно работать в сложных условиях организма.
В литературе используются различные подходы
Гибкая петлевая антенна была протестирована в диапазонах MICS и ISM для применения в биомедицинских костных имплантатах. Антенны магнитного типа обеспечивают улучшенное проникновение сигнала в немагнитное человеческое тело, поэтому используются петлевые конструкции. Излучатели меандрового типа используются для увеличения пути прохождения тока, чтобы сместить резонансную частоту и обеспечить ожидаемый диапазон радиочастот Med [144].
На рисунке 8 представлена схема использования микроволновой системы для анализа прочности костной ткани. Микроволновый сигнал генерируется источником и усиливается с помощью усилителя мощности. Он проходит через антенну передатчика и исследуемую часть кости и принимается антенной приёмника. Затем он подаётся на малошумящий усилитель для устранения помех. Наконец, он подаётся на процессор для получения выходного сигнала
) копланарная имплантируемая антенна с сенсорной ступенью для передачи зарегистрированных данных о внутричерепном давлении на череп и формирования бюджета канала для передачи данных в диапазоне 0,5–1 м является частью минимально инвазивной методики мониторинга внутричерепного давления [122]. Внутричерепное давление контролируется на частоте 2,45 ГГц с помощью кольцевых щелевых антенн, которые обладают более высокой эффективностью излучения, чем ранее использовавшиеся полосковые антенны, такие как печатная перевернутая F-антенна. Отклонение характеристик можно контролировать с помощью экранирующего слоя на внешней стенке кабеля при тестировании векторным анализатором цепей, а также с помощью соответствующей технологии заземления внешнего проводника кабеля и внутренней точки подачи [123]. На основе распределения температуры также осуществляется мониторинг ICP с помощью двухдиапазонной имплантируемой антенны. Для численного анализа используется модель головы человека сферической формы. Диапазон температур составляет от
генерируется рядом с имплантируемой антенной в соответствии с основными ограничениями по воздействию IEEE [124]. Петлевые антенны используются для беспроводного мониторинга ICP. В этой петлевой антенне максимальное расстояние от антенны до кожи составляет 19 мм, что на 8 мм больше, чем в предыдущих моделях, и обеспечивает проникновение имплантата в кожу на 11 мм [125].
Была разработана сверхминиатюрная двухдиапазонная имплантируемая антенная система, а спроектированная система была интегрирована с микроэлектронными элементами, батареями и гибкой имплантируемой антенной. Расчёты бюджета канала связи используются для проверки возможности беспроводной связи и определения дальности передачи сигнала от тканей человека во внешнюю среду. Сверхминиатюрность также достигается за счёт использования спирального излучателя, закорачивающего штыря и заземляющего слоя с несколькими прорезями. Путь тока удлиняется за счёт использования спиральной геометрии и закорачивающих штырей. Коэффициент усиления увеличивается за счёт использования прорезей в заземляющем слое и смещения резонансной частоты в более низкие диапазоны. Верхний слой действует как изолирующий слой, предотвращая излучение во внешнюю среду [126,127,128,129]. Чтобы упростить конструкцию, некоторые имплантируемые антенны изготавливаются с меньшим количеством прорезей и заземляющих слоёв. Канал биотелеметрии тестируется с расчётом запаса по каналу, и канал связи может быть запущен на расстоянии 4,5 м [130].
Вертикальная концевая антенна в форме скрипичного ключа работает на частотах 3–5 ГГц и обеспечивает высокоскоростную беспроводную связь для совместной работы мозга и машины. Чтобы предотвратить искажение излучения и избежать потери усиления из-за потерь в тканях, сконструированная антенна в форме скрипичного ключа устанавливается вертикально на уровне черепа. Миниатюризация достигается за счёт использования щелевых антенных решёток, которые также используются для увеличения коэффициента усиления и полосы пропускания [131]. Для миниатюризации в качестве изолятора используется деионизированная вода с высокой диэлектрической проницаемостью, а для разделения антенны с целью улучшения широкополосных свойств и согласования импедансов применяется прокладка на основе деионизированной воды. Для обеспечения широкой частотной характеристики предлагаемая антенна состоит из сужающейся микрополосковой линии питания с выступами и увеличенной прямоугольной щели, вытравленной на заземляющем слое [132]. Двухдиапазонная четырёхпортовая самоквадруплексирующая имплантируемая антенна была представлена для имплантации в кожу головы [133]. Миниатюрный размер
Это было достигнуто за счёт использования полукруглых прорезей, полукруглого зигзагообразного излучателя и подложек с высокой диэлектрической проницаемостью в трёх диапазонах ISM и в диапазоне WMTS. Кроме того, для проверки возможности одновременной передачи и приёма (STAR) этой антенны используются три программно-определяемых радиоприемника.
В таблице 4 собраны данные об имплантируемых антеннах, разработанных разными исследователями для мониторинга внутричерепного давления. В ней указаны тип антенны, рабочая частота и параметры антенны. В основном для мониторинга внутричерепного давления используются антенны с меандровой структурой и патч-антенны, а также некоторые сверхширокополосные антенны. Как правило, для миниатюризации и повышения коэффициента усиления и общей эффективности имплантируемых антенн используются подложки с высокой диэлектрической проницаемостью.
Обзор имплантируемых антенн для протезов сетчатки
Ретинальные протезы — это реконструктивные устройства, которые используются для улучшения ограниченной видимости у слепых людей, страдающих пигментным ретинитом (ПР) и возрастной макулярной дегенерацией (ВМД), при которых часть сетчатки разрушается, что приводит к ухудшению зрения. В этом разделе рассказывается о некоторых имплантируемых антеннах для ретинальных протезов, разработанных исследователями.Проблемы проектирования
Миниатюризация имплантатов для протезирования сетчатки — сложная задача, поскольку разработанный имплантат должен располагаться во внутриглазной области, чтобы активировать неповреждённый задний зрительный путь. Ещё одним критерием является биосовместимость. Кроме того, необходимо свести к минимуму выделение тепла вокруг биологических тканей.
В литературе используются различные подходы
Интраокулярный элемент в протезе сетчатки сконструирован с использованием компактного планарного меандрового диполя. Это подтвердило, что меандровый диполь может работать лучше, чем традиционная микрополосковая патч-антенна в протезе сетчатки [134]. Для биоинформационной телеметрии в протезе сетчатки используются 2D- и 3D-антенны в виде гофрированных диполей. Хотя 2D-модели занимают меньшую площадь, чем 3D-модели, последние обладают лучшими антенными свойствами, такими как коэффициент усиления и полоса пропускания [135]. Микрополосковая патч-антенна с радиочастотным МЭМС-конденсатором была использована на микроволновых частотах как для интраокулярных, так и для экстраокулярных применений. Для достижения желаемой резонансной частоты радиочастотные конденсаторы размещаются на микрополосковых шлейфах. Тем не менее основным ограничением этой системы является то, что антенна заполнена радиальным шлейфом, поэтому многие конденсаторы не нагружены шлейфами [136].
Микрополосковая антенна PIFA в диапазоне MICS подходит для повышения эффективности излучения во внутреннем глазном яблоке [137]. Миниатюрная микрополосковая патч-антенна с круговой поляризацией и конформным расположением была разработана для работы в диапазоне 2,4–2,48 ГГц и предназначена для использования в протезах сетчатки и передачи данных от протеза во внешний мир. Распределение удельной поглощающей способности во внутренней модели фантома головы в диапазоне MICS (402–405 МГц) и в двух диапазонах ISM (902–928 МГц и 2,4–2,48 ГГц). Значения удельной поглощающей способности в диапазонах MICS и ISM (902–928 МГц) приемлемы для протезов сетчатки, но в диапазоне 2,4–2,48 ГГц значение удельной поглощающей способности выше, а потери также выше, чем в двух других диапазонах частот [138]. Для миниатюризации и получения круговой поляризации используются модифицированное преобразование Гильберта и змеевидная геометрия. И подложка, и суперподложка изготовлены из полидиметилсилоксана для повышения коэффициента усиления и биосовместимости [139].
Биосовместимая микрополосковая патч-антенна, используемая для протезирования сетчатки в радиочастотном диапазоне Med. Антенна выполнена из трех разнородных биосовместимых материалов, а именно медицинского эластомера Silastic MDX4-4210, циркония и PEEK, и анализируются ее характеристики. Желаемые свойства настройки антенны достигаются с помощью автоматизированного квази-ньютоновского метода [140]. Треугольные микрополосковые патч-антенны для интраокулярных и планарные инвертированные F-антенны были исследованы для экстраокулярного применения на частотах 1,45 и 2,45 ГГц [141]. Проволочные патч-антенны также использовались в диапазонах ISM и UWB для протезирования сетчатки на основе физических границ, установленных Хансеном и Коллином. Характеристики антенн оценивались исключительно путем подсчета различных спектров глаза с использованием модели анализа спектра глаза, созданной по аналогии с той, что использовалась для прототипов глаз SMCM [142]. Предлагаемая компактная система радиочастотной идентификации состоит из выпрямителя и имплантируемых приёмной антенны и передатчика, работающих на частотах 915 и 2450 МГц. Представленная антенна имеет форму, полученную путём добавления к традиционному круглому патчу полукруглого прямоугольного шлейфа с кольцевой нагрузкой и двух разомкнутых круглых кольцевых шлейфов. Для получения требуемых частотных диапазонов на краю патча также используется замыкающий штифт. Кроме того, круглая заземляющая пластина была изменена путём создания симметричных прорезей в четырёх квадрантах и по краям, чтобы сделать конструкцию электрически компактной и вместить очень плотные электроды. Объём предлагаемой антенны составляет
на тройных частотах 1,25 ГГц, 2,45 ГГц и 3,32 ГГц [143]. В таблице 5 представлено несколько имплантируемых антенн, используемых в протезах сетчатки. В протезах сетчатки в основном используются микрополосковые патч-антенны, работающие в диапазонах медицинского радио и межсетевого взаимодействия.
Обзор имплантируемых антенн для костных имплантатов
Кости — очень важная часть организма. Они обеспечивают механическую поддержку тканей и органов, а также служат для хранения минералов. Остеопороз возникает из-за дефицита витамина D, что приводит к хрупкости костей и образованию трещин. Причиной трещин или дефектов костей также может быть несчастный случай. Костные имплантаты — это искусственные устройства из таких материалов, как титан, нержавеющая сталь или керамика, которые хирургическим путём устанавливаются в кости для замены отсутствующих или повреждённых участков. Их можно использовать для лечения различных заболеваний, в том числе переломов, остеопороза и замены суставов. Цель установки костных имплантатов — восстановить структуру и функции поражённых костей, а также способствовать заживлению и восстановлению.Традиционный мониторинг в сравнении с имплантируемой антенной для мониторинга переломов костей
Для выявления переломов костей используются такие методы, как рентгенография, компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, ультразвуковое исследование и физикальное обследование. Традиционные методы предполагают воздействие радиации и охватывают лишь ограниченную область. Физикальное обследование даёт функциональную информацию, но не позволяет визуализировать внутренние структуры. С помощью имплантируемой антенны можно осуществлять мониторинг в режиме реального времени и выявлять проблемы на ранней стадии.
Проблемы проектирования
Диэлектрический материал костного имплантата должен быть биосовместимым и прочным. Необходимо снизить затухание и повысить передачу сигнала. Размер костного имплантата должен быть минимальным, чтобы он помещался в ограниченном пространстве. Таким образом, современная антенна разработана таким образом, чтобы максимально эффективно работать в сложных условиях организма.
В литературе используются различные подходы
Гибкая петлевая антенна была протестирована в диапазонах MICS и ISM для применения в биомедицинских костных имплантатах. Антенны магнитного типа обеспечивают улучшенное проникновение сигнала в немагнитное человеческое тело, поэтому используются петлевые конструкции. Излучатели меандрового типа используются для увеличения пути прохождения тока, чтобы сместить резонансную частоту и обеспечить ожидаемый диапазон радиочастот Med [144].
На рисунке 8 представлена схема использования микроволновой системы для анализа прочности костной ткани. Микроволновый сигнал генерируется источником и усиливается с помощью усилителя мощности. Он проходит через антенну передатчика и исследуемую часть кости и принимается антенной приёмника. Затем он подаётся на малошумящий усилитель для устранения помех. Наконец, он подаётся на процессор для получения выходного сигнала
Кроме того, для отслеживания заживления перелома кости использовалась антенная конструкция, состоящая из двух монополей и металлической пластины. Величина S21 описывает перелом между костями, который постепенно восстанавливается за счёт перехода от крови к костному мозгу и кортикальному слою кости [145]. Разработанная петлевая антенна спирального типа размещается на большеберцовой кости. Между двумя взаимодополняющими спиральными слоями моделируется структура апертурного типа для обеспечения одностороннего излучения [146]. Для неинвазивного мониторинга переломов костей на частотах 860–960 МГц требуются антенны УВЧ-диапазона. Две согласованные антенны располагаются спереди и сзади, рядом с местом перелома, и по разнице S-параметров можно определить положение трещины [147]. Для обнаружения переломов костей без контакта с костью используются имплантируемые антенны спиралевидной формы. Характеристики костной ткани в месте перелома изучаются по изменениям размеров биологического материала. При изменении ширины трещины диэлектрические свойства антенны также меняются, поэтому место трещины можно легко определить [148].
Двойная UWB-антенна с укороченным шлейфом предназначена для неинвазивного измерения минеральной плотности костной ткани в диапазоне 3–7 ГГц. Минеральную плотность костной ткани можно использовать для диагностики остеопороза. Микрополосковая линия, модифицированная заземляющая пластина и круглый излучающий элемент со щелью составляют конструкцию антенны с укороченным шлейфом. Заземляющая пластина имеет квадратную форму, а поверх нее расположен квадратный шлейф для увеличения полосы пропускания [149]. Для костных имплантатов в радиодиапазоне Med 402–406 МГц и диапазоне ISM 433–434 МГц используется патч-антенна со спиральными разрезными кольцами и канал биотелеметрии на расстоянии 12 м в помещении. Модель антенны была протестирована на ногах взрослых и детей [150]. На частоте 2,45 ГГц для диагностики трещин в костях на первичном уровне используется небольшая узкополосная монопольная антенна. Конструкция антенны состоит из прямоугольной заземляющей пластины и усовершенствованного излучателя в форме шестиугольника с шестью встроенными треугольными прорезями на нижнем крае. Результаты моделирования антенны были проверены на костях и тканях свиньи [151].
Предлагаемый метод заключается в установке полуволновой дипольной антенны длиной 116 мм в месте перелома руки и измерении мощности излучения и коэффициента отражения антенны в дальней зоне за пределами тела на частоте 402 МГц [152]. К плечевой кости добавляется дополнительный слой, имитирующий перелом, что приводит к увеличению потерь электромагнитного поля в тканях человека и последующему снижению передаваемой мощности. При переломах средняя плотность передаваемой мощности (СППМ) варьируется от 11,54 до 15,75 % в зависимости от типа перелома. Кроме того, коэффициенты отражения увеличиваются с −22,35 дБ до −22,65 дБ по сравнению с показателями нормальной кости, что указывает на изменение состояния заживления кости. Показана конформная печатная антенна, которая глубоко имплантируется на частоте 2,45 ГГц. Трапециевидный излучатель с коаксиальным кабелем, предназначенный для передачи биологических сигналов, собранных соответствующими биосенсорами внутри тела, с использованием тазобедренного имплантата в качестве заземляющего слоя. Система, включающая в себя конформный излучатель, биосовместимый диэлектрик на основе гипса и металлический (или аналогичный) тазобедренный имплантат, была протестирована путём погружения пластиковой кости, напечатанной на 3D-принтере, в тканеподобную жидкость, которая находилась в пластиковом ведре [153]. Трапециевидный излучатель и усечённая заземляющая плоскость использовались для мониторинга переломов костей в диапазоне ISM [154]. Предложенная антенна имеет компактные размеры
и использует подложку Rogers RT/Duroid 5880. Антенна Vivaldi со стандартным (
) и миниатюрный (
) для контроля состояния заживления кости была предложена частота 1,5 ГГц [155] . Антенны типа Вивальди обычно используются для обеспечения кросс-поляризации, широкополосных характеристик, эффективных диаграмм направленности, простоты подключения и изготовления. В таблице 6 перечислены некоторые антенны, которые используются в костных имплантатах. На рисунке 9 показана имплантируемая антенна, которая используется в литературе для костных имплантатов.
Двойная UWB-антенна с укороченным шлейфом предназначена для неинвазивного измерения минеральной плотности костной ткани в диапазоне 3–7 ГГц. Минеральную плотность костной ткани можно использовать для диагностики остеопороза. Микрополосковая линия, модифицированная заземляющая пластина и круглый излучающий элемент со щелью составляют конструкцию антенны с укороченным шлейфом. Заземляющая пластина имеет квадратную форму, а поверх нее расположен квадратный шлейф для увеличения полосы пропускания [149]. Для костных имплантатов в радиодиапазоне Med 402–406 МГц и диапазоне ISM 433–434 МГц используется патч-антенна со спиральными разрезными кольцами и канал биотелеметрии на расстоянии 12 м в помещении. Модель антенны была протестирована на ногах взрослых и детей [150]. На частоте 2,45 ГГц для диагностики трещин в костях на первичном уровне используется небольшая узкополосная монопольная антенна. Конструкция антенны состоит из прямоугольной заземляющей пластины и усовершенствованного излучателя в форме шестиугольника с шестью встроенными треугольными прорезями на нижнем крае. Результаты моделирования антенны были проверены на костях и тканях свиньи [151].
Предлагаемый метод заключается в установке полуволновой дипольной антенны длиной 116 мм в месте перелома руки и измерении мощности излучения и коэффициента отражения антенны в дальней зоне за пределами тела на частоте 402 МГц [152]. К плечевой кости добавляется дополнительный слой, имитирующий перелом, что приводит к увеличению потерь электромагнитного поля в тканях человека и последующему снижению передаваемой мощности. При переломах средняя плотность передаваемой мощности (СППМ) варьируется от 11,54 до 15,75 % в зависимости от типа перелома. Кроме того, коэффициенты отражения увеличиваются с −22,35 дБ до −22,65 дБ по сравнению с показателями нормальной кости, что указывает на изменение состояния заживления кости. Показана конформная печатная антенна, которая глубоко имплантируется на частоте 2,45 ГГц. Трапециевидный излучатель с коаксиальным кабелем, предназначенный для передачи биологических сигналов, собранных соответствующими биосенсорами внутри тела, с использованием тазобедренного имплантата в качестве заземляющего слоя. Система, включающая в себя конформный излучатель, биосовместимый диэлектрик на основе гипса и металлический (или аналогичный) тазобедренный имплантат, была протестирована путём погружения пластиковой кости, напечатанной на 3D-принтере, в тканеподобную жидкость, которая находилась в пластиковом ведре [153]. Трапециевидный излучатель и усечённая заземляющая плоскость использовались для мониторинга переломов костей в диапазоне ISM [154]. Предложенная антенна имеет компактные размеры
и использует подложку Rogers RT/Duroid 5880. Антенна Vivaldi со стандартным (
) и миниатюрный (
) для контроля состояния заживления кости была предложена частота 1,5 ГГц [155] . Антенны типа Вивальди обычно используются для обеспечения кросс-поляризации, широкополосных характеристик, эффективных диаграмм направленности, простоты подключения и изготовления. В таблице 6 перечислены некоторые антенны, которые используются в костных имплантатах. На рисунке 9 показана имплантируемая антенна, которая используется в литературе для костных имплантатов.
Необходимость дальнейших исследований в области имплантируемых антенн
Имплантируемые антенны — это крошечные, надёжные устройства связи, вживляемые в тело человека. Ниже перечислены основные критерии для продолжения исследований в области имплантируемых антенн:
Чтобы найти новые материалы и покрытия, которые повысят биосовместимость и сведут к минимуму вероятность отторжения или инфицирования.
Для повышения мощности и надёжности сигнала в сложном и изменчивом человеческом теле.
Необходимо разработать эффективные методы сбора энергии и её беспроводной передачи, чтобы обеспечить долговечность имплантируемых устройств без необходимости частой замены аккумуляторов.
По мере того как имплантируемые устройства становятся всё более взаимосвязанными, обеспечение безопасности и конфиденциальности передаваемых данных приобретает всё большее значение для защиты информации о пациентах.
Интеграция имплантируемых антенн с другими развивающимися технологиями, такими как биоэлектроника и нанотехнологии, может привести к созданию более сложных и универсальных медицинских устройств.
Для повышения эффективности имплантируемых медицинских устройств необходимо разработать настраиваемые антенны, адаптированные к индивидуальным потребностям пациентов и конкретным заболеваниям.
Заключение
Обзор недавних исследований показал, что имплантируемые антенны имеют множество возможностей для применения в различных областях биомедицины. Благодаря способности этих антенн обеспечивать беспроводную связь между внешними системами мониторинга и имплантируемыми медицинскими устройствами, сбор данных и мониторинг в режиме реального времени становятся возможными. При разработке имплантируемых антенн необходимо учитывать ряд сложностей, таких как размер, эффективность и биосовместимость. Для имплантируемых устройств было предложено и изучено несколько типов антенн с разной степенью эффективности, в том числе патч-антенны, спиральные антенны, структуры с извилистыми линиями, диполи и антенны с фрактальной геометрией. Имплантируемые антенны играют важную роль в медицине, но им предстоит преодолеть ряд препятствий, таких как проблемы с передачей энергии и распределением частот. Кроме того, необходимо решить вопросы безопасности, особенно в свете возможности нагрева тканей и взаимодействия с другим электронным оборудованием. Чтобы лучше понять потенциальное влияние имплантируемых антенн на здоровье человека, а также усовершенствовать их конструкцию и функциональность, необходимы дополнительные исследования. Подводя итог, можно сказать, что исследования в области имплантируемых антенн открывают большие перспективы для улучшения медицинского мониторинга и лечения, что делает эту область весьма перспективной для изучения. Несмотря на значительный прогресс в этой сфере, для решения текущих проблем и обеспечения безопасности и эффективности этих устройств в медицинских учреждениях необходимы дальнейшие исследования.
https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.8a79978b-69222e0c-13e0fc7a-74722d776562/https/biomedical-engineering-online.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12938-024-01277-1
Имплантируемые антенны — это крошечные, надёжные устройства связи, вживляемые в тело человека. Ниже перечислены основные критерии для продолжения исследований в области имплантируемых антенн:
Чтобы найти новые материалы и покрытия, которые повысят биосовместимость и сведут к минимуму вероятность отторжения или инфицирования.
Для повышения мощности и надёжности сигнала в сложном и изменчивом человеческом теле.
Необходимо разработать эффективные методы сбора энергии и её беспроводной передачи, чтобы обеспечить долговечность имплантируемых устройств без необходимости частой замены аккумуляторов.
По мере того как имплантируемые устройства становятся всё более взаимосвязанными, обеспечение безопасности и конфиденциальности передаваемых данных приобретает всё большее значение для защиты информации о пациентах.
Интеграция имплантируемых антенн с другими развивающимися технологиями, такими как биоэлектроника и нанотехнологии, может привести к созданию более сложных и универсальных медицинских устройств.
Для повышения эффективности имплантируемых медицинских устройств необходимо разработать настраиваемые антенны, адаптированные к индивидуальным потребностям пациентов и конкретным заболеваниям.
Заключение
Обзор недавних исследований показал, что имплантируемые антенны имеют множество возможностей для применения в различных областях биомедицины. Благодаря способности этих антенн обеспечивать беспроводную связь между внешними системами мониторинга и имплантируемыми медицинскими устройствами, сбор данных и мониторинг в режиме реального времени становятся возможными. При разработке имплантируемых антенн необходимо учитывать ряд сложностей, таких как размер, эффективность и биосовместимость. Для имплантируемых устройств было предложено и изучено несколько типов антенн с разной степенью эффективности, в том числе патч-антенны, спиральные антенны, структуры с извилистыми линиями, диполи и антенны с фрактальной геометрией. Имплантируемые антенны играют важную роль в медицине, но им предстоит преодолеть ряд препятствий, таких как проблемы с передачей энергии и распределением частот. Кроме того, необходимо решить вопросы безопасности, особенно в свете возможности нагрева тканей и взаимодействия с другим электронным оборудованием. Чтобы лучше понять потенциальное влияние имплантируемых антенн на здоровье человека, а также усовершенствовать их конструкцию и функциональность, необходимы дополнительные исследования. Подводя итог, можно сказать, что исследования в области имплантируемых антенн открывают большие перспективы для улучшения медицинского мониторинга и лечения, что делает эту область весьма перспективной для изучения. Несмотря на значительный прогресс в этой сфере, для решения текущих проблем и обеспечения безопасности и эффективности этих устройств в медицинских учреждениях необходимы дальнейшие исследования.
https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.8a79978b-69222e0c-13e0fc7a-74722d776562/https/biomedical-engineering-online.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12938-024-01277-1
Следующая публикация
Нет комментариев