Body-Centric Wirelessly Powered Miniaturized Biotelemetric and Implantable Bioelectronic Devices

Abstract

신체 중심 의료 기술의 발전으로 WIMD(Wireless Implantable Medical Device) 기반의 원격 의료 모니터링 시스템이 대중화되고 있다. 삶의 질을 개선하기 위한 의료 솔루션에는 진단, 치료 및 인간 내부 장기의 자극을 위한 중요한 생리적 징후의 모니터링 및 원격 측정이 포함된다. WIMD(Wireless Implantable Medical Device)는 첨단 의료 기술의 급속한 혁신의 결과로 이러한 솔루션을 가능하게 하였다. 생체 원격 측정은 WIMD가 외부 기지국에 무선으로 생리학적 데이터를 전송하고 치료, 치료 및 자극에 필요한 제어 명령을 수신하여 정보 교환을 수행할 수 있도록 하기 때문에 이러한 응용 프로그램에 필요하다. 주파수 의존적 유전 특성을 가진 인간 조직의 손실 특성으로 인해 이러한 WIMD는 생체 적합성, 크기 소형화, 환자 안전, 이기종 환경에서의 작동, 낮은 원거리 이득, 임피던스 불일치 및 짧은 배터리 수명을 비롯한 여러 문제를 가진다.

인체의 여러 층(뼈, 근육, 지방, 피부)의 유전적 특성(전도도 및 유전율)은 각 층뿐만 아니라 조직마다 다르며, 이를 생물학 연구에서는 이질성이라고 부른다. 조직의 유전 상수는 5.58에서 87 사이의 주파수 의존적인 값이며 지방이 유전 상수가 가장 낮고 위 근육이 가장 높다. WIMD의 개발은 손실 특성과 인간 조직의 이질적인 행동으로 인해 특정 제약 조건으로 인한 방해를 받는다. 외부 장치와 통신하는 WIMD의 능력은 조직의 전도성 손실로 인해 제한된다. 또한 장치에는 결합 문제를 일으키고 장치 내 이식 가능한 안테나의 성능을 조정할 수 있는 다른 전자 부품이 포함되어 있으므로 이러한 WIMD의 경우에는 앞서 언급한 디튜닝 효과를 커버할 수 있는 충분한 대역폭을 가진 안정적인 임피던스 매칭 안테나가 필요하다.

이식형 의료 기기를 설계할 때 가장 큰 문제는 전원을 공급하는 것에 관한 것이다. 가장 일반적인 전원은 1차 전지이다. 배터리는 임플란트의 수명과 크기를 제한하는데 WPT(Wireless Power Transfer)의 사용은 이 문제에 대한 실행 가능한 해결책으로 볼 수 있다. WIMD 배터리의 무선 충전은 수명 연장에 필수적이지만, 불행히도 단일 대역 이식 안테나는 무선 정보 교환과 무선 전력 수신을 동시에 관리할 수 없다. 또한, 멀티태스킹 임플란트의 각 기능은 고유한 주파수 범위에서 작동해야 한다. 데이터 전송, 에너지 수확 및 제어 신호와 같은 여러 활동을 수행하기 위해 일반 멀티태스킹 WIMD에는 최소한 이중 대역 또는 광대역 안테나가 필요하다. WIMD는 WPT 수신기로 기능하기 위해 안테나, 정합 네트워크, 다이오드 정류기 및 전력 관리 회로를 포함하는 전력 수확 장치를 포함해야 한다. 수신된 무선 주파수(RF) 전력은 렉테나(안테나 + 정류기)에 의해 사용 가능한 직류(DC)로 변환되고, 매칭 회로는 임피던스를 조정하여 RF-DC 변환 효율을 높일 수 있지만 이전 연구에서는 이러한 시스템을 설계하는데 실패하였다.

본 논문은 앞서 언급한 문제를 해결하기 위해 WIMD의 원격 측정 및 무선 전력 전송 시스템과 관련된 다양한 문제 해결에 중점을 두고 있다. 첫째, 특히 두피 이식을 위한 생물 의학 응용을 위한 소형 이식형 안테나 시스템이 개발되었다. 제안된 설계는 산업, 과학 및 의료 대역 (ISM 대역, 915 및 2450 MHz)에서 이중 대역 특성을 나타낸다. WIMD의 안테나는 마이크로 전자 부품 및 배터리와 통합되어 완벽한 전기 전도체로 구현된다. 제안된 이식 가능한 안테나는 작은 부피(8 $\times$ 6 $\times$ 0.5 = 24 mm$^3$)를 갖는다. 또한 접지면에 슬롯과 비아를 추가하지 않아도 되므로 설계 복잡성이 줄어드는 장점을 가지고 있다. 제안된 안테나는 더 낮은 공진 대역과 더 높은 공진 대역에서 각각 $-$28.5 및 $-$22.8 dBi의 만족스러운 피크 안테나 이득 값을 가진다. 또한 안테나의 전송 범위를 분석하기 위해 링크 버짓 시뮬레이션을 수행하였는데 915 및 2450 MHz에서 각각 9.84\% 및 8.57\%의 대역폭으로 비트 전송률에 따라 상당히 넓은 범위의 데이터 전송을 지원할 수 있었다.

다음으로 인체외 전력송신기(Tx)와 생체원격수신기(Rx)로 구성된 초소형 ICP 모니터링용 무배터리 WIMD를 개발했다. WIMD는 동시 전력 전송 및 데이터 원격 측정을 위한 이중 대역 성능(즉, 915 및 1900 MHz)을 보여준다. 이식 가능한 안테나의 최소 부피는 6.72mm$^3$ (5.6mm $\times$ 6mm $\times$ 0.2mm)이다. 전력 전송 효율(PTE) 개선을 위해 WIMD는 근거리 복사장(1900 MHz)에서 무선으로 전원이 공급된다. 또한, 구조는 9.83\% 및 27.9\%의 임피던스 매칭 대역폭으로 915 및 1900 MHz에서 각각 $-$26.8 및 $-$18.8 dBi의 피크 이득 값을 달성하였다. 장치의 무선 전력 전송 효율도 거리 변화에 따라 평가되었으며, 20mm(0.1267$\lambda$) Tx$-$Rx 이격 거리에서 최대 $-$25.9 dB의 PTE를 달성하였다. 2 dBm 입력 전력에서 정류기는 82\%의 최대 전력 변환 효율을 달성하였다.

마지막으로, 혈관내 동맥류 치료(EVAR)를 위한 스텐트형 안테나 시스템이 제안되었다. 이전에 EVAR 스텐트 시스템은 복부 대동맥류(AAA) 치료에만 사용되었으며 EVAR 스텐트의 금속성분(Stainless Steel 316L)과 유전체층을 활용하여 스텐트 구조가 안테나 특성을 가질 수 있는지 분석한 연구는 소개된 바 없다. 본 연구에서는 안테나로서의 EVAR 스텐트를 최초로 분석하고 안테나 속성에 대한 검증을 수행하였다. 스텐트 안테나는 단일 급전 와이어를 포함하는 메쉬 링을 형성하도록 연결된 여러 나선 와이어로 구성되어 스텐트 스트럿에서 전류의 무작위 분포를 방지한다. EVAR 적용 외에도 제안된 스텐트 시스템의 주요 특징은 무지향성 방사 패턴, 높은 이득 및 완벽한 임피던스 매칭을 포함하여 더 나은 안테나 특성을 가진다는 것이다. 제안하는 스텐트 안테나는 ISM 대역(868, 915 MHz)을 포함하는 850$-$950 MHz의 넓은 주파수 범위를 가지며, 868 및 915 MHz 대역에서 스텐트의 피크 이득 값은 각각 $-$20.75 및 $-$19.04 dBi이다. 생체 원격 측정 기능은 링크 예산 분석을 사용하여 평가되었다.

모델링 및 수치해석을 위해 유한요소법과 유한차분 시간영역을 이용하여 전자기계산을 수행하여 이중대역 이식형 안테나, 무배터리 생체원격 이식형 시스템, EVAR 스텐트 시스템의 특성을 평가하였다. 시뮬레이션 시간을 단축하고 예비 결과를 평가하기 위해 균질한 피부 팬텀, 균질한 근육 팬텀, 균질한 혈액 및 대동맥 혈관 팬텀에서 초기 분석을 수행하였다. 그 후에, 제안된 시스템들은 Sim4Life의 Duke Model 및 Remcom의 VariPose Man과 같은 여러 인체 조직으로 구성된 인체 모델에서 추가적으로 시뮬레이션 분석되었다. 검증을 위해 듀얼 밴드 이식형 안테나의 성능 측정 실험은 식염수에서, 배터리가 없는 이식형 시스템 측정은 식염수를 채운 인간 머리 팬텀과 다진 돼지고기에서, EVAR 스텐트 시스템 측정은 식염수로 채워진 American Society for Testing and Materials (ASTM) 팬텀과 다진 돼지고기에 3D 인쇄된 AAA를 배치함으로서 수행되었다. 측정된 결과는 모두 시뮬레이션으로 수치적으로 분석된 결과와 일치되는 결과를 획득하였다. |With the advancement in body-centric medical technologies, Wireless implantable medical devices (WIMDs) based remote healthcare monitoring systems are becoming increasing popular. Healthcare solutions to improve the quality of life include the monitoring and telemetry of important physiological signs for diagnosis, therapy, and stimulation of internal human organs. Wireless implantable medical devices (WIMDs) have enabled these solutions as a result of rapid breakthroughs in advanced medical technologies. Biotelemetry is necessary for these applications, as it allows WIMDs to perform the exchange of information by wirelessly transmitting physiological data to the external base station and receiving necessary control commands for therapy, treatment, and stimulation. Due to the lossy nature of human tissues with frequency-dependent dielectric properties, these WIMDs face several challenges including biocompatibility, size miniaturization, patient safety, operation in heterogenous environment, low far-field gains, impedance mismatches, and shorter battery lifetime.

The dielectric characteristics (conductivities and dielectric constants) of the human body's different layers (bone, muscle, fat, and skin) vary between the layers as well as from tissue to tissue, which is referred to as heterogeneous in biological research. The dielectric constant of tissues is frequency dependent, ranging from 5.58 to 87, with fat having the lowest dielectric constant and stomach muscle having the highest. The development of WIMDs is hampered by certain constraints due to the lossy nature and heterogeneous behavior of human tissues. The ability of WIMD to communicate with the external device is limited because of the conductive losses in tissues. Moreover, the device contains other electronic components which can cause coupling issues and detune the performance of implantable antenna within the device. For these WIMDs, stable impedance-matched antennas that have sufficient bandwidth to cover the detuning effects are necessary.

The biggest problem in designing implantable medical devices is to power them. The most common power source is a primary battery. Batteries, on the other hand, limit the implant's lifespan and size. The use of wireless power transfer (WPT) appears to be a viable answer to this problem. Wireless charging of the WIMDs' batteries is essential for extending their lifespan; unfortunately, a single-band implanted antenna cannot manage both wireless information exchange and wireless power reception at the same time. Furthermore, each function of a multitasking implant has to operate on its own frequency range. To accomplish several activities such as data transfer, energy harvesting, and control signaling, a generic multitasking WIMD requires at least a dual band or wideband antenna. The WIMD must include a power harvesting unit, which contains an antenna, matching network, diode rectifier, and power management circuitry, in order to function as a WPT receiver. The received radio frequency (RF) power is converted to usable direct current (DC) by a rectenna (antenna + rectifier), while the matching circuit adjusts the impedance to enhance the RF-to-DC conversion efficiency. Previous studies, on the other hand, have failed to design such a system.

This thesis focuses on a variety of challenges relating to the WIMDs' telemetry and wireless power transfer systems to address the aforementioned problems. Firstly, miniaturized implantable antenna systems for biomedical applications, specifically for scalp implantation has been developed. The proposed designs exhibit dual-band characteristics on the industrial, scientific, and medical bands (i.e., 915 and 2450 MHz). The antenna in the WIMD is integrated with the microelectronic components and a battery, realized as a perfect electric conductor. The proposed implantable antenna has a small volume (8 × 6 × 0.5 = 24 mm$^3$). Moreover, the design complexity is reduced by avoiding the addition of slots and vias in the ground plane. The structure exhibits satisfactory peak gain values of $-$28.5 and $-$22.8 dBi at a lower and higher resonant band, respectively. Furthermore, link budget simulations were conducted to analyze the transmission range for the antenna. It can support the data transmission at a remarkable range, depending upon the bitrate, with a bandwidth of 9.84\% and 8.57\% at 915 and 2450 MHz, respectively.

Next, an ultra-small batteryless WIMD for ICP monitoring comprising an off-body power transmitter (Tx) and in-body biotelemetric receiver (Rx) has been developed. The WIMD demonstrates dual-band performance (i.e., 915 and 1900 MHz) for simultaneous power transmission and data telemetry. The implantable antenna has the smallest volume of 6.72 mm$^3$ (5.6 mm $\times$ 6 mm $\times$ 0.2 mm). For improved power transfer efficiency (PTE), the WIMD is powered wirelessly in the radiative near field (1900 MHz). Furthermore, the structure has achieved peak gain values of $-$26.8 and $-$18.8 dBi at 915 and 1900 MHz, respectively, with impedance-matched bandwidths of 9.83 \% and 27.9 \%. The device's wireless power transfer efficiency was also evaluated in terms of distance variations, and a maximum PTE of $-$25.9 dB was attained at 20 mm (0.1267$\lambda$) Tx$-$Rx separation. At 2 dBm input power, the rectifier achieved a maximum power-conversion efficiency of 82 \%.

Finally, a deeply implanted stent antenna system for endovascular aneurysm repair (EVAR) has been presented. Previously, the EVAR stent system has only been used to treat abdominal aortic aneurysm (AAA). No study in the literature has conducted research to analyze the antenna characteristics of EVAR stent as it contains metallic component (Stainless Steel 316L) and dielectric layer. In this study, the EVAR stent as an antenna has been analyzed and a first validation of its antenna attributes has been performed. The stent antenna is composed of multiple helical wires connected to form meshed rings incorporating a single feed wire, thereby precluding the random distribution of currents on the stent-struts. In addition to EVAR application, the key features of the proposed stent system are its better antenna characteristics, including an omnidirectional radiation pattern, high gain, and perfect impedance matching. The proposed stent antenna has a wide frequency range of 850 $-$ 950 MHz, which includes ISM bands (i.e., 868 and 915 MHz). Furthermore, at the 868 and 915 MHz bands, the stent has peak gain values of $-$20.75 and $-$19.04 dBi, respectively. The biotelemetry capabilities were assessed using a link budget analysis.

For modelling and numerical analysis, electromagnetic computations were performed using the finite-element method and finite-difference time domain to evaluate the properties of dual band implantable antenna, battery-less biotelemetric implantable system, and EVAR stent system. To reduce the simulation time and assess the preliminary results, initial analysis was performed in the homogeneous skin phantom, homogeneous muscle phantom, and homogeneous blood and Aortic vessel phantom. Later, these implantable systems were simulated in the heterogenous environment comprising multiple human body tissues, such as Duke Model in Sim4Life and VariPose Man in Remcom. For validation, measurements for dual band implantable antenna were conducted in a saline solution, measurements for battery-less implantable system were conducted in a saline-filled human head phantom, as well as in minced pork, and measurements for EVAR stent system were conducted with a 3D printed AAA placed in a saline-filled American Society for Testing and Materials phantom and in minced pork. Good agreement between simulation and measured results was observed in all cases.