Metamaterial-Coupled Biotelemetric Systems Design and WPT-Based Safety Analysis in High Magnetic Fields

Abstract

Implantable medical devices (IMDs) support an expanding variety of diagnostic and therapeutic functions including sensing, stimulation, monitoring, and drug delivery. Antenna-enabled biotelemetry is a key component in IMDs for wireless communication with the external environment and has drawn significant research interest regarding antenna design and performance. In the design of implantable antennas for IMDs, various factors, and challenges such as small size, circular polarization, tissue coupling, high gain, acceptable communication ability, bandwidth, specific absorption rate (SAR) for patient safety, and licensing of the operating frequencies must be taken into consideration. Another major concern regarding these IMDs is power delivery, as the batteries in these devices are for a limited time whose replacement requires periodic invasive surgeries. Along with surgical complexities, the possibility of battery leakage may cause tissue damage and unwanted infections. Moreover, bulky geometries of the batteries are major hurdles in the implementation of small-sized IMDs. In this regard, wireless power transfer (WPT) technology has gained significant research interest in the biomedical environment and is considered the sole solution to power IMDs without any invasive procedures.

Wireless power transmission (WPT) systems have experienced significant technological innovations in recent years. However, as the WPT technology is being used more extensively in high-power applications, human exposure to time-varying electromagnetic (EM) fields is subsequently increasing. One of the safety aspects regarding the increased usage of RF devices is the coupling of EM fields with active and passive implants in the human body. These implants have the potential of picking up RF power, which is then absorbed locally, leading to tissue heating. In some cases, the local temperature rise can exceed the safety limit, causing tissue damage. The use of RF devices near the body is very common and moreover, metallic implants like screws, nails, and prosthetic hips are widely used for example in orthopedics for fractures and bone replacement. Although, human exposure in wireless power transfer scenarios is examined in the prior studies with respect to the induced electric field and SAR to determine the optimal operating frequency and maximum obtainable power without exceeding the exposure limits. Moreover, EM interaction with the implants in the near field of magnetic resonance imaging (MRI) has been quite extensively researched, but implants in the near field of an RF source; WPT to an electric vehicle have not yet been studied. Therefore, it is necessary to investigate the SAR and thermal effects on a patient with an implanted medical device in the vicinity of a WPT system.

This thesis focuses on a range of challenges related to the WIMDs' telemetry and wireless power transfer systems to overcome the aforementioned issues. Moreover, a detailed safety analysis of IMDs is conducted in WPT-based high magnetic fields. Firstly, a metamaterial (MTM)-loaded compact dual-band circularly polarized and high-gain antenna system suitable for multiple bio-telemetric applications is presented. The proposed antenna system operates in the industrial, scientific, and medical (ISM) bands with center frequencies: 915 MHz (902–928 MHz) and 2450 MHz (2400–2480 MHz). The integration of an MTM structure with epsilon's very-large property on the superstrate layer of the antenna produces significant gain enhancement and strong circular polarization (CP) behavior at both operating frequencies. The key features of the proposed antenna system are its compact size (7 mm × 6 mm × 0.254 mm), dual-band CP characteristics, significantly high gain values (−17.1 and −9.81 dBi in the lower and upper bands, respectively), and a slot-less ground plane that reduces the complexity and backscatter radiation. The performance of the MTM-loaded antenna system is validated experimentally. The antenna is fabricated and integrated with dummy electronics and batteries and is enclosed in a 3-D printed device. The hermetically sealed device is tested in minced pork muscle to validate the simulation results. The measured impedance bandwidths of 35.8\% and 17.8\% are obtained in the lower and upper ISM bands, respectively. The specific absorption rate of the antenna system is evaluated at both frequencies in different tissues. Additionally, to determine the wireless communication range, the link margin is estimated at data rates of 100 kbps and 1 Mbps.

Next, a flexible metasurface-coupled highly efficient near-field WPT system for wirelessly driven or rechargeable IMDs is presented, consisting of an off-body body transmitter (Tx), a flexible on-body metasurface slab, and an in-body receiver (Rx). The Rx element exhibits dual-band characteristics (i.e., 433 MHz and 915 MHz) for simultaneous wireless power reception and data telemetry. A flexible mu-negative (MNG) metasurface slab is used as a wearable device over the skin surface to enhance the performance of wireless powering by shaping the field pattern. To demonstrate the versatility, the performance of the proposed system is analyzed in various realistic scenarios, including misalignments (lateral and angular) and varying distances between the Tx and Rx. For validation, prototypes of the system are fabricated and measurements are conducted using saline-filled phantoms. The measured results are reasonably correlated with the simulated results. The measured results show a 9.2 dB enhancement in the coupling coefficient by the integration of the proposed flexible metasurface. Moreover, the compliance of the system with human safety standards is evaluated in terms of the specific absorption rate and temperature. Finally, a rectifier circuit is designed, and a compact rectenna solution is discussed.

Finally, the induced electric field (E-field) in the human model, standing close to the vehicle WPT system and sitting inside the vehicle was evaluated with a prosthetic hip implant, an interlocking nail implant, an InterStim neurostimulator implant, a traditional pacemaker implant, and a leadless pacemaker implant. The results indicated that medical implants influenced the maximum magnitude of the induced E-field and its distribution inside the body. A notable enhancement in the E-field was observed around the implants. In worst-case scenarios, the effects of implant shape and size were investigated. The highest induced E-field (12.68 V/m) was observed with the interlocking nail of length 340 mm for standing posture, which exceeded the prescribed limit of 11.5 V/m in the International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection guidelines. The presence of a medical implant in the body likely limits the transferred power of the WPT system, depending on the implant type, size, location, and body posture. Moreover, the effects of implants on the specific absorption rate (SAR) in a head model were computationally evaluated in the immediate vicinity of a WPT system operating at 6.78 MHz with a transferred power of 50 W. Although the local peak SAR value was increased by a factor of 600 in the worst-case scenario (for the skull plate), the SAR1g and SAR10g were only increased by factors of seven and four, respectively. Compliance with international safety limits was studied, followed by computing the maximum allowable transmit power (MATP). It was found that, without the implant, the MATP satisfying SAR1g was 43 W for the designed WPT system, and was reduced to 6.9 W in the presence of the skull plate.|이식형 의료 기기(Implantable medical device, IMD)는 감지, 자극, 모니터링 및 약물 전달을 포함하여 다양한 진단 및 치료 기능을 지원한다. 안테나 기반 생체 원격 측정은 유선용 IMD의 핵심 구성 요소이며 외부 환경과의 무선 통신의 어려움, 인체를 고려한 안테나 설계 방식과 성능 관련한 연구가 상당한 관심을 최근에 불러일으켰다. IMD용 이식형 안테나 설계에 있어서 초소형 크기, 원형 편파 특성, 커플링, 높은 안테나 이득, 수용 가능한 통신 능력, 주파수 대역폭, 환자 안전성을 고려한 전자파 인체 흡수율 (SAR), 동작 주파수 등을 고려해야 한다. 추가적으로 IMD와 관련된 또 다른 주요 관심사는 전력 공급 방법이다. 이러한 장치의 배터리는 제한된 시간 동안 사용될 수 있으므로 주기적인 침습적 배터리 교체 수술이 필요하며, 복잡한 수술의 인체 위험성과 함께 배터리 누출에 따른 조직 손상 및 원치 않는 감염 등의 위험성을 동반한다. 또한 큰 부피를 차지하는 배터리는 IMD의 초소형화를 구현하는데 주요 장애물로서 작용한다. 이와 관련하여 무선 전력 전송(WPT) 기술은 생체 의학 환경에서 상당한 연구 관심을 얻었으며 침습적 절차 없이 IMD에 전원을 공급하는 유일한 솔루션으로 여겨지고 있다.

무선 전력 전송(WPT) 시스템은 최근 몇 년 동안 상당한 기술적 혁신이 이루어졌지만 WPT 기술이 고전력 응용 분야에 광범위하게 사용되기 시작하면서 시변 전자기장에 노출된 인체에 대한 전자파 노출 위험성이 계속해서 증가하고 있다. 고주파 장치의 사용 증가와 관련된 안전 측면 중 하나는 인체의 능동 및 수동 임플란트와 고출력 전자기장과의 결합으로 인한 고주파 발열 위험성 증가이다. 이러한 임플란트는 RF 전력을 흡수할 가능성이 있으며, 이는 국부적으로 흡수되어 조직 가열로 이어지며 경우에 따라 국지적 온도 상승이 인체가 조절할 수 있는 온도 범위를 초과하게 되면 영구적인 조직 손상을 일으킬 수도 있다. 신체 근처에서 RF 장치를 사용하는 것은 매우 일반적이며 나사, 못, 보철 고관절과 같은 금속 임플란트는 골절 및 뼈 교체를 위한 정형외과에서 널리 사용되고 있다. 무선 전력 전송 시나리오에서 인체 노출은 노출 한계를 초과하지 않고 최적의 작동 주파수와 최대 획득 가능 전력을 결정하기 위해 유도 전기장 및 SAR에 대한 선행 연구들을 통해서 조사되었다. 또한 자기 공명 영상(MRI)의 근거리장에서 임플란트와의 전자기장 호 작용은 상당히 광범위하게 연구되었지만 전기자동차의 무선전력전송 시에 발생하는 고출력 근거리 전자기장에 의한 인체 내 임플란트의 반응, 영향성에 관한 연구를 수행된 바 없다. 따라서 고출력 PT 시스템 주변에서 의료기기를 이식한 환자에 대한 SAR 및 열 영향을 조사할 필요가 있다.

이 논문은 앞서 언급한 문제를 극복하기 위해 WIMD의 원격 측정 및 무선 전력 전송 시스템과 관련된 다양한 문제에 중점을 두고 있다 또한, WPT 기반의 고자기장에서 개량신약의 상세한 안전성 분석을 실시하였다. 첫째, 다중 생체 원격 측정 응용 분야에 적합한 메타 물질(MTM) 탑재 소형 이중 대역 원형 극성 Zed 및 고이득 안테나 시스템을 소개하였다. 제안된 안테나 시스템은 중심 주파수가 915 MHz (902~928 MHz) 및 2450 MHz(2400~2480 MHz)인 ISM 대역에서 작동한다. MTM 구조와 엡실론의 매우 큰 특성을 안테나의 유전체 레이어에 통합하면 두 작동 주파수 모두에서 상당한 이득 향상과 강력한 CP(원형 편파) 동작이 생성되는 것을 확인하였다. 제안된 안테나 시스템의 주요 특징은 초소형화된 크기(7mm × 6mm × 0.254mm), 이중 대역 CP 특성, 상당히 높은 이득 값(각각 하위 및 상위 대역에서 각각 17.1 dBi 및 9.81 dBi) 및 복잡성과 후방 산란 방사를 줄이는 슬롯 없는 접지면이며 소개된 MTM 탑재 안테나 시스템의 성능은 시뮬레이션과 실험을 통한 분석을 통해 검증되었다. 안테나는 더미 전자 장치 및 배터리와 함께 제작되고 통합되며 3D 프린팅한 패키징 내부에 장착되었다. 패키징된 프로토타입은 인체 내부를 가정한 돼지고기 팬텀 내부에 삽입되고 측정 실험을 통해 시뮬레이션 분석을 통해 얻은 결과와 비교하여 성능을 검증하였다. 35.8\% 및 17.8\%의 측정된 임피던스 대역폭은 각각 하위 및 상위 ISM 대역에서 획득함을 확인하였고 안테나 시스템의 전자파 흡수율은 서로 다른 조직의 두 주파수에서 모두 분석되었다. 추가적으로 무선 통신 범위를 결정하기 위해 링크 마진은 100kbps 및 1Mbps의 데이터 속도로 분석되었다.

다음으로 무선 구동 또는 충전식 IMD를 위한 유연한 메타표면 결합 고효율 근거리 WPT 시스템이을 제시하였으며, 시스템은 인체 외부 송신기(Tx), 플렉시블 형태의 인체 표면에 적용 가능한 메타표면 슬래브 및 인체 내부 삽입형 수신기(Rx)로 구성된다. Rx 소자는 동시 무선 전력 수신 및 데이터 원격 측정을 위한 이중 대역(즉, 433 MHz 및 915 MHz)에서 동작하며 유연한 MNG(mu-negative) 메타표면 슬래브는 필드 패턴을 형성하여 무선 전력 공급의 성능을 향상시키기 위해 피부 표면 위에 웨어러블 장치로 사용된다. 적용 다양성을 입증하기 위해 제안된 시스템의 성능은 오정렬(측면 및 각도) 및 Tx와 Rx 사이의 다양한 거리를 포함한 다양한 현실적인 시나리오에서 분석되었다. 시스템의 프로토타입을 제작하고 식염수가 채워진 팬텀을 사용하여 측정을 수행하였으며 시뮬레이션 결과와의 비교를 통해 성능이 검증되었다. 측정 결과는 제안된 유연한 메타표면의 통합에 의해 결합 계수가 9.2 dB 향상되었음을 확인하였고 시스템의 고주파 안전성 준수 여부는 전자파 인체 흡수율 및 온도 증가 분석을 통해서 평가되었다.

마지막으로 정류기 회로를 설계하고 초소형 정류형 안테나 솔루션에 대해 소개하였다. 마지막으로, 차량 WPT 시스템 가까이에 서 있고 차량 내부에 앉아 있는 인간 모델에 작용하는 전기장은 보철 고관절 임플란트, 인터로킹 손톱 임플란트, InterStim 신경자극기 임플란트, 기존 심박 조율기 임플란트에 노출된다는 시나리오를 토대로 분석되었다. 결과는 의료용 임플란트가 유도된 전기장의 최대 크기와 체내 분포에 영향을 미친다는 것을 확인하였고 최악의 시나리오를 위한 임플란트 모양과 크기의 영향을 조사했습니다. 가장 높은 유도 전기장은(12.68 V/m) 선 자세에서 길이 340 mm의 맞물림 못에서 관찰되었으며, 이는 국제비전리방사선방호위원회 가이드라인에서 규정한 한도인 11.5 V/m를 초과하는 정도로 확인되었다. 인체에 의료용 임플란트가 있으면 임플란트 유형, 크기, 위치 및 신체 자세에 따라 WPT 시스템의 전달된 전력이 제한될 수 있다. 또한, 머리 모델의 전자파 흡수율(SAR)에 대한 임플란트의 영향은 50W의 전송 전력으로 6.78 MHz에서 작동하는 WPT 시스템에 인접하여 있다고 가정하고 시뮬레이션으로 분석되었다. 최악의 시나리오(두개골판의 경우)에서 600배, SAR1g 및 SAR10g는 각각 7배 및 4배가 증가하였다. 국제 안전 제한 준수를 연구한 다음 최대 허용 전송 전력(MATP)을 계산하였으며 임플란트가 없는 경우 SAR1g를 만족하는 MATP는 설계된 WPT 시스템의 경우 43W이고 두개골판이 있는 경우 6.9W로 감소하는 것으로 나타났다.