Design and Characterization of Human Body Antenna Systems for Wearable and Implantable Biomedical Applications

Abstract

웨어러블 안테나는 최근 무선 기술의 발전으로 현실화되었다. 이 안테나는 혀 구동 시스템, 스마트 콘택트 렌즈, 식별 시스템, 의료 및 군사 스포츠와 같은 무선 신체 영역 네트워크(WBANs) 애플리케이션에 사용된다. 웨어러블 안테나는 굴곡진 인체에 대해서 기존 안테나들보다 훨씬 더 밀착된 형태로 동작하므로, 인체와의 결합 및 전파 흡수에 의한 응답 계수, 대역폭, 방향성, 안테나 이득, 방사 특성, 전자파 인체 흡수율(SAR) 결합 및 흡수는 응답 계수, 대역폭, 지향성, 이득, 방사 특성 및 SAR(전자파 흡수율)와 같은 변수들에 영향을 미칠 것으로 예상된다.

우리는 적합한 ISM 대역에서 구강내 혀 기반 구동 시스템(iTDS) 적용을 위한 2개의 이중 대역 안테나(Dipole 및 PIFA)를 설계하고 실험적으로 검증하였다. 우리는 외부 간섭 문제를 완화하기 위해 두 개의 주파수 대역에서 동작할 수 있는 안테나를 개발하였다. 사람 입의 해부학적 구조와 iTDS 장치의 형태를 염두하여 구불구불한 형태의 안테나 패치, 높은 유전체 기판, 단락 핀 추가, 적절한 급전 위치와 같은 여러 소형화 기술을 채택하여 안테나의 크기를 초소형화 하였다. 인체 모델 기반의 시뮬레이션과 제작된 안테나 프로토타입과 3D 머리 모델 및 다진 돼지 근육을 사용한 측정 실험을 통해서 설계한 안테나들이 혀 구동 시스템에서 안전하고 효율적으로 동작함을 확인하였다.

눈과 눈물의 생리적 데이터를 추적할 수 있는 스마트 콘택트 렌즈(SCL)는 비침습적 실시간 의료 진단을 제공할 수 있다. 우리는 사람의 생체 신호 데이터를 지속적으로 전송하기 위한 비침습적 플랫폼으로 사용할 수 있는 SCL 시스템에 무선으로 전력을 공급하는 기술을 개발하였다. 제안된 SCL 안테나는 무선전력전송(WPT) 및 데이터 원격 측정을 동시에 수행하기 위해 각각 920 MHz와 2400 MHz에서 동작한다. 사람의 시야를 방해하지 않도록 SCL 안테나는 내경이 10mm, 외경이 14mm인 도넛 모양으로 설계되었으며, 두 ISM 대역에서 일치하는 요소가 없는 자체 튜닝 및 최적화를 위해 SCL 안테나는 일부 길고 짧은 라인 트레이스가 있는 나선형 쌍극자 모양으로 형성되었다. 생체적합성 물질인 폴리이미드를 기판으로 사용하였으며 PDMS를 통해 SCL 안테나를 코팅함으로서 인체 적용 안전성을 높였다. PDMS의 다양한 유전 특성이 S11, 이득 및 SCL 안테나의 효율에 미치는 영향을 고려하였으며, 모델 머리의 눈에 LED 조명을 나타내기 위해 SCL 안테나에 정류기와 마이크로 LED를 결합하였다. 외부 무선전력 송신 안테나를 통한 실험을 통해 SCL 안테나와 연결된 LED가 점등됨을 통해 무선전력 수신의 가능성을 확인하였고, Tx-Rx 이격 범위에 따른 경로 이득 형태의 PTE 분석, 분리에 따른 안테나 이득을 분석하였다. 또한 눈 깜빡임과 움직임이 무선전력전송 시스템에 미치는 영향을 고려하였으나 이로 인한 PTE 변화는 무시할 만한 수준이었다. SAR 값은 1.12 W/kg으로 가이드라인 기준보다 낮았으며 원거리 통신 링크 버짓 분석을 통해 안테나의 무선통신 가능 성을 이론적, 실험적으로 검증하였다.

심장 활동을 모니터링하기 위해 2.4GHz에서 작동하는 무연 심장 박동기(LCP) 시스템과 통합된 소형 이식형 안테나를 개발하였다. 3 mm $\times$ 4 mm $\times$ 0.5 mm의 초소형화 크기의 안테나를 설계하였으며 안테나 시스템의 성능을 평가하기 위해 39개의 분할된 조직을 가진 해부학적 Duke 모델이 사용되었으며 또한 성능에 대한 동축 케이블 및 안테나 방향 효과도 고려되었다. 시뮬레이션 결과와 함께 돼지고기 팬텀을 이용한 실험을 통해 개발한 안테나 시스템의 프로토타입 성능을 검증하였으며 IEEE C95.1-1999 및 ICNIRP SAR 규정을 만족함을 확인하였다. 마지막으로 무선전력전송 기술을 사용한 인체 심부 조직 이식형 기기의 무선충전을 수행을 위하여 인체 이식형 안테나, 이식형 안테나와 통합된 효율적인 정류기(안테나와 접지 공유) 및 WPT 송신기(Tx)를 구성하는 완전한 무선 전력 전송(WPT) 시스템 형태의 솔루션을 제안하였다. 안테나와 같은 크기의 전압 더블러(정류기)는 5dBm 입력 전력에서 무선 주파수(RF)-직류(dc) 변환 효율 82\%로 915MHz에서 작동하도록 최적화되었다. 이식형 안테나와 전압 더블러를 통합하여 완전한 시스템(생체 적합성 외피로 둘러싸여 있음)을 형성하고 전력 전송 효율(PTE)과 출력 전압을 측정한 결과 각각 0.616\%와 2.5V인 것으로 나타났으며 시뮬레이션을 통한 SAR 결과와 돼지고기팬텀을 이용한 측정 실험을 통해 개발한 시스템의 안전성과 효율을 분석하였다. |Wearable antennas have become a reality as a result of recent advancements in wireless technology. These antennas are used for Wireless Body Area Networks (WBANs) applications such as tongue drive systems, smart contact lenses, identification systems, healthcare, and military sports. Wearable antennas function in a setting that is much closer to the curved human body than conventional antennas do. Therefore, it is anticipated that coupling and absorption by human body tissues may affect the performance parameters of wearable and extensible antennas, such as response coefficient, bandwidth, directivity, gain, radiation characteristic, and specific absorption rate (SAR). We designed and experimentally validated two dual-band antennas (dipole and PIFA) for intraoral tongue drive system (iTDS) application in the suitable ISM bands. We developed the proposed antennas for dual-band operation in order to mitigate external interference issues. Bearing in mind the anatomy of the human mouth and the shape of iTDS device, we downsized the antennas by adopting multiple miniaturization techniques such as meandering the radiating patch, high dielectric loading, the addition of shorting pin, and appropriate feeding position.

Wireless communications and wearable electronics work together to make it possible to use health monitoring technology for medical applications. For instance, a smart contact lens (SCL) that can track the physiological data of the eye and tear fluid could offer noninvasive, real-time medical diagnostics. Therefore, we wirelessly powered the SCL system that can be used as a noninvasive platform for continuous transmission of human vital sign data. The proposed SCL antenna operates at 920 and 2400 MHz for simultaneous WPT and data telemetry, respectively. For self-tuning without matching elements and optimization at both ISM bands, the SCL antenna was formed in a spiral dipole shape with some elongated and shortened line traces. Biocompatible materials, polyimide and PDMS, were used as substrates and for coating the SCL antenna. To show LED illumination on the eye of the model head, the SCL antenna was combined with a rectifier and a micro-LED.

Wireless implantable medical devices (WIMDs) based remote healthcare monitoring systems are growing in popularity as a result of the development of body-centric medical technology. Monitoring and telemetry of crucial physiological signals are essential for diagnosis, treatment, and stimulation of internal organs as part of healthcare solutions to enhance the quality of life. For these applications, biotelemetry is essential because it enables WIMDs to communicate information by wirelessly transmitting physiological data to an external base station and receiving the required control signals for therapy, treatment, and stimulation. A pacemaker is one of the WIMDs which has a small size device and is used to treat irregular heart beating. We presented a miniaturized implantable antenna integrated with a leadless cardiac pacemaker (LCP) system operating at 2.4 GHz for monitoring cardiac activities. An enormously condensed size of 3 mm $\times$ 4 mm $\times$ 0.5 mm was achieved for the proposed antenna owing to the employment of high dielectric substrate/superstrate and meandering the radiating patch without ground slots and shorting pins, which may pose challenges for practical implementation. Owing to the small size and enhanced performance, the proposed antenna could be a good candidate for modern pacemaker systems such as Nanostim LCP and Micra TPS.

Furthermore, wireless charging of the WIMDs' batteries is essential for extending their lifespan; yet, a single-band implanted antenna is unable to manage simultaneous wireless charging and data telemetry. This thesis focuses on several problems with the telemetry and wireless power transfer systems of the WIMDs in an effort to address the aforementioned problems. Wireless charging of body implants can be achieved with the help of wireless power transfer (WPT) technologies. This research proposes a solution in the form of a complete wireless power transfer (WPT) system constituting an implantable antenna, an efficient rectifier integrated with the implantable antenna, and a WPT transmitter (Tx). The implantable antenna occupies an area of $\pi$ $\times$ 52 (78.5 mm$^2$) and exhibits dual-band operation at 915 MHz and 2450 MHz for simultaneous wireless power and data transfer operations, respectively. The voltage doubler (rectifier) having the same size as the antenna was optimized to operate at 915 MHz with a radio frequency (RF)-to-direct current (dc) conversion efficiency 82\% at 5 dBm input power. Finally, to verify the reliability of the communication link established with the external receiving station the received power was measured, and was found that up to a distance of 2 m a power of -100 dBm can be easily received.