Miniaturized Implantable Bio-telemetric and Wireless Power Transfer Systems for Biomedical Implants

Abstract

인체 내부 장기의 진단, 치료 및 자극을 위한 주요 활력 신호를 모니터링하고 원격 측정하는 것은 삶의 질을 향상시키는 대표적인 의료 솔루션이다. 이러한 솔루션은 무선 이식형 의료기기 (WIMD)를 통해 가능케 되면서 최근에 연구주제로 급부상하였는데, WIMD 기기의 기본적인 요구 사항은 환자의 생리학적 데이터와 기기 제어 신호를 무선으로 송수신할 수 있는 무선 원격 측정 기술이다. WIND는 손실성을 가진 인체 내에서 작동하기 때문에 소형화, 생체 적합성, 안전성, 가변하는 환경, 불안정한 안테나 입력 임피던스, 낮은 이득, 임피던스 불일치, 제한된 배터리 수명과 같은 기술적으로 제한되는 사항들이 있다. 인체는 여러 층 (뼈, 근육, 지방 및 피부)으로 구성되어 있으며 유전적 특성 (전도성 및 유전상수)은 조직마다 다를 뿐만 아니라, 생물학적으로 비균질한 형태로 여겨지고 있다. 조직의 유전상수는 주파수에 따라 5.58–87 사이의 다양한 범위를 가지며 해당 범위에서 가장 낮은 값을 가지는 조직은 지방이고, 가장 높은 값을 가지는 조직은 근육이다. 인체 조직의 비균질하고 손실성을 가지는 특성으로 인해서, 이식형 의료기기의 개발은 특정 요인들에 의해 제한된다. 예를 들어서, 조직의 전도성 특성은 이식형 의료기기로부터 방사된 전파를 장치로 다시 반사하여 시스템의 통신 기능에 영향을 마친다. 협대역 통신을 수행하는 장치는 해당 위치에서 위치 변화가 발생하면 주변에 배치된 다른 전자 부품과의 커플링 현상으로 인해서 통신 주파수가 대역을 벗어나므로 WIMD는 안정적인 임피던스 정합을 유지하는 안테나가 필요하다. 자연스러운 신체 활동 (심장 박동 및 호흡), 일상 활동 중 신체 움직임, 비 정적 임플란트 (무선 인공심장박동기나 캡슐내시경)의 움직임의 원활한 데이터 원격 측정을 유지할 필요성이 있다. 이러한 움직임으로 인해 각도가 잘못 정렬되어 통신 비트 오류율이 증가하게되고 안테나 빔이 기지국 방향과 맞지 않으면 편광 불일치 현상으로 인해 수신 신호가 갑자기 떨어지는 문제가 있다. 이전에는 단일 대역 원형 편파 안테나가 주로 설계되었는데 단일 대역 형태로는 멀티태스킹 업무를 수행하는 이식형 의료기기에는 적합하지 않다. 따라서, 다중 대역 원형 편파 이식형 안테나의 도입은 편파 불일치 현상을 완화하고 다중 대역을 통한 통신 품질 향상을 이룰 수 있다. 또한 WIMD의 수명 연장을 위해 배터리 무선충전 기술이 필요하지만 단일 대역 이식형 안테나로는 무선 전력 수신 및 데이터 원격 측정을 동시에 처리할 수 없다. 또한 멀티태스킹 이식형 의료기기는 일반적으로 데이터 통신, 에너지 하베스팅, 제어 신호 수신과 같은 여러 작업을 수행하기 때문에 각 기능별로 독립적인 주파수 대역 인가가 필요하며 최소한 쿼드 밴드 (4개의 주파수 대역)에서 동작하는 안테나가 필요하다. 무선전력전송(WPT) 수신기로서 WIMD에는 안테나, 정합 네트워크, 정류기, 전력 관리 회로 또는 부하로 구성된 전력 하베스팅 장치가 있어야한다. 정류기 (안테나 + 정류기)는 수신 된 무선 주파수(RF) 전력을 사용 가능한 직류 (DC)로 변환하며, 매칭 회로는 임피던스를 변환하여 RF-DC 변환 효율을 극대화하는데 필요하다. 하지만, 기존 연구들에서는 이러한 전력 하베스팅 장치들을 포함한 포괄적인 시스템을 설계할 수 없었다. 위에서 언급 한 문제를 해결하기 위해서, 본 학위논문에서는 WIMD의 원격 측정 및 무선 전력 전송 시스템과 관련된 여러 문제에 중점을 두었다. 이식 부위의 변화로 인한 임피던스 불일치를 극복하기 위해 안정적인 임피던스 매칭 특성을 가진 소형 초 광대역 안테나 시스템을 제안하였다. 제안된 안테나는 28.85 mm 3의 작은 부피를 가지고 있으며 이식 시나리오의 변경이나 장치의 회로 및 배터리와의 결합으로 인한 주파수 특성 변화(디튜닝 현상)을 완화하였다. 가능한 모든 경우에 대해 시뮬레이션과 측정 모두에서 ≥ 84 %의 넓은 대역폭이 달성되지만, 중심주파수 915 MHz의 단일대역으로서 원형 편파 특성을 가지고 있지 않았다. 다음으로, 멀티태스킹 WIMD를 위해서 의료 임플란트 통신 서비스 대역(MICS) (402 MHz)과 산업, 과학 및 의료 대역 (ISM) (915 MHz 및 2.4 GHz)에서 동작하는 이중 대역 원형 편파 광대역 컨포멀 내시경용 안테나가 최초로 설계되었다. 8mm 3(32 mm × 10 mm × 0.025 mm)의 작은 크기의 안테나는 유현한 폴리아미드 기판에 인쇄되었고 공간 절약을 위해 캡슐 내시경 내부벽에 씌워진 형태로 되어있다. 측정된 축비 대역폭(axial ratio bandwidth)은 각각 915 MHz 및 2.4 GHz에서 45.9 % 및 21.3 %였다. 또한 링크 버짓 (linkbudget)은 소프트웨어 정의 라디오 (USRP)를 사용하여 실시간 원격 측정을 통해 수치적으로 분석 및 측정되었다. 측정 결과를 토대로 제안된 안테나는 인체안전 표준을 잘 준수하고 주파수 범위 및 높은 데이터 속도 요구사항을 충족함을 확인하였다. 마지막으로, 패턴화된 WPT 송신기 (Tx), 효율적인 정류기 및 시스템과 통합 된 안테나로 구성된 완전한 WPT 시스템을 구축하였다. WPT Tx의 크기는 6 cm × 6 cm이고 1470 MHz에서 심부 조직 임플란트에 전력을 무선으로 집중하여 보낼 수 있도록 최적화되었다. 배전압회로 (Voltage doubler)는 1470 MHz주파수에서 최적회되었으며 5 mm × 10 mm의 작은 크기를 가지며 2 dBm RF 입력 전력에서 90 %의 높은 RF-DC 변환 효율을 나타낸다. 또한 이식 형 안테나는 8.43 mm 3의 작은 부피를 차지하고 쿼드 밴드 동작을 지원한다. 403 MHz 및 915 MHz의 원격 측정, 1470 MHz의 미드 필드 대역의 WPT 및 2.4 GHz의 제어 신호 처리를 지원한다. WPT 시스템은 인체 안전 표준을 기반으로 평가하여 시스템 안전 제한을 충족함을 확인하였다. 실험 결과를 통해 제안된 시스템이 조직 깊이 5cm에 위치한 밀리미터 크기의 임플란트에 6.7 mW 전력을 전달할 수 있음을 분명히 확인하였다. 처음에는 안테나와 장치가 FEM 기반 Ansys HFSS를 사용하여 균일한 조직으로 구성된 근육 모형 상자 내에 위치한 것으로 모델링되었다. 추가 검증 및 다중 적용 가능성을 위해 장치 내에서 제안 된 안테나를 현실적인 인체 DUKE 모델의 다른 이식 부위에 이식하고 FDTD 기반 Sim4Life를 통해 분석하였다. 각 풀 패키지 장치는 생체 적합성 케이스에 포함된 배터리, 전자 장치, 안테나 시스템 및 센서 팩으로 구성된다. 제작된 안테나와, 3D 프린팅 기술을 통한 기타 장치들은 식염수와 다진 돼지 고기 팬텀 내부에 담겨 측정 실험을 수행하였다.|Monitoring and telemetry of vital key signs for diagnosis, treatment, and stimulation of the internal human organs are healthcare solutions to improve the quality of life. These solutions made possible through wireless implanted medical devices (WIMD) and emerged as evolutionary research topics. The fundamental requirement for these applications is wireless telemetry, which empowers the WIMDs to transmit and receive the physiological data of the patients and control signals wirelessly. Because these WIMDS operate inside the lossy human body, they are constrained by several challenges such as miniaturization, bio-compatibility, safety, variable environment, unstable antenna input impedance, low gains, mismatches, and limited battery life.

The human body consists of multiple layers (bone, muscle, fat, and skin), and their dielectric properties (conductivities and dielectric constants) vary across the layers as well as from tissue to tissue, which is termed as heterogeneous in biological science. The dielectric constant of the tissues is frequency-dependent, varying in the range of 5.58–87: the lowest in the range is for fat, and the highest is for stomach muscle. Due to the heterogeneous and the lossy behavior of human tissues, the development of these implants is constrained by certain factors, for example, the conductive nature of tissues affects the communication ability of the systems by reflecting back the radiated waves to implantable devices. The narrow-band devices go out of the band if a small displacement occurs in their positions and due to coupling with the other electronic components placed in the vicinity. Therefore, stable impedance-matched antennas are required for these WIMDs.

To maintain seamless data telemetry in natural body activities (such as heartbeat and breathing), body movements during daily activities, and self-movements of the non-static implants (leadless pacemaker and capsule endoscope). These movements lead to angular misalignments, which increases the bit error rates. In rotation of the implants, if the implantable antennas’ nulls face the on-body Base-station antenna the received signal drops abruptly. These drops in the received signal are due to the polarization mismatches. Previously, single-band circular polarized antennas have been designed; however, due to their single-band operation, they cannot be used for multi-tasking implants. Thus, the introduction of a multiband circular polarized implantable antenna can mitigate the polarization mismatches and improve the communication quality of the multiband implantable systems.

Moreover, To prolong the lifespan of the WIMDs, wireless charging of their batteries is key; however, a single-band implantable antenna cannot handle simultaneous wireless charging and data telemetry. Moreover, each function in a multitasking implant required an independent operating frequency band. A generic multitasking WIMD needs at least a quadband antenna to perform multiple tasks: data communication, energy harvesting, and control signaling. As a WPT receiver, the WIMD must have a power harvesting unit that consists of an antenna, matching network, rectifier, and power management circuitry or load. A rectenna (antenna + rectifier) converts the received radio frequency (RF) power to a usable direct current (DC), whereas the matching circuit transforms the impedance to maximize the RF-to- DC conversion efficiency. However, previous studies were unable to design such a system.

To solve the above-mentioned issues, this thesis concentrating on a number of issues related to the telemetry and wireless power transfer systems of the WIMDs. To overcome the mismatches due to change in implantation sites, a small-sized ultra-wideband antenna system with stable impedance matching has been proposed. The suggested antenna has a small volume of 28.85 mm3 and mitigates detuning due to changes in implantation scenarios or coupling with circuitry and batteries of the device. A wide bandwidth of greater than 84% in both simulations and measurements were achieved for all possible cases. However, this antenna was working only at 915 MHz and was not circularly polarized.

Next, for multitasking WIMDs, the first-ever dual-circular-polarized wideband conformal endoscopic antenna is designed at the medical implant communication service band (402 MHz) and industrial, scientific, and medical bands (915 MHz, and 2.4 GHz). The proposed antenna with a small footprint of 8 mm3 (32 mm × 10 mm × 0.025 mm) is printed on flexible polyamide and wrapped onto the inner wall of the capsule to spare the space for the capsule integrated components. The measured axial-ratio bandwidths are 45.9% and 21.3% at 915 MHz and 2.4 GHz, respectively. Further, the link budget is numerically analyzed and measured via real-time telemetry using software-defined radios. The proposed antenna complies well with the human safety standards and satisfies the range and high data-rate requirements.

Finally, a complete WPT system consisting of a patterned WPT transmitter (Tx), an efficient rectifier, and an antenna integrated with the system. The WPT Tx had a size of 6 cm $\times$ 6 cm and was optimized to focus the power on the deep-tissue implants at 1470 MHz. The voltage doubler was optimized at 1470 MHz, had a small size of 5 mm $\times$ 10 mm, and exhibited high RF-to-DC conversion efficiency of 90% at 2 dBm RF input power. Moreover, the implantable antenna occupies a small volume of 8.43 mm3 and supports quadband operations: telemetry at 403 MHz and 915 MHz, WPT at the midfield band 1470 MHz, and control signaling at 2.4 GHz. The compliance of the WPT system is corroborated with the human safety standards and found that the system solely satisfies the safety limits. It is evident from the experimental results that the system can transfer 6.7 mW power to the millimeter-sized implants located 5 cm deep in tissues.

Initially, the antennas and devices were designed in a homogeneous muscle box using FEM-based Ansys HFSS. For further verification and multiple applicability, the proposed antennas within the devices was implanted into different implantation sites in a realistic human DUKE model and analyzed through FDTD-based Sim4Life. Each full package device is composed of batteries, electronics, an antenna system, and sensor packs enclosed in a bio-compatible casing. The proposed antennas were fabricated, devices were printed using 3D printing technology, and measurements are carried out through immersion in a saline solution and in minced pork.