Μελέτη σύγχρονων συστημάτων ραδιοσυχνοτήτων εμβαπτισμένων εντός του ανθρώπινου σώματος
Authors: Μπακογιάννη Σοφία 
Published: September 2021

Οι ασύρματες εμφυτεύσιμες ιατρικές διατάξεις συγκεντρώνουν ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον για την in vivo παρακολούθηση, μέτρηση και διέγερση βιολογικών σημάτων του ανθρώπινου σώματος στο πλαίσιο της πρόληψης, διάγνωσης και θεραπείας του ασθενούς. Η ιατρική τηλεμετρία συγκροτεί τις απαραίτητες διεργασίες που επιτρέπουν την αμφίδρομη μεταφορά δεδομένων μεταξύ των εμφυτεύσιμων ιατρικών διατάξεων και εξωτερικών συστημάτων παρακολούθησης. Στο πλαίσιο της μακράς εμφύτευσης των ιατρικών διατάξεων και της ανάγκης ενεργειακής αυτονομίας αυτών, το ζήτημα της ασύρματης φόρτισης ανακύπτει επιπλέον. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή πραγματεύεται τις κρίσιμες προκλήσεις σχεδίασης νέων μικροσκοπικών και αποδοτικών εμφυτεύσιμων κεραιών για εφαρμογές ασύρματης ιατρικής τηλεμετρίας και φόρτισης.Αρχικά, μελετάται η σχεδίαση εμφυτεύσιμων κεραιών με στόχο την υλοποίηση επίπεδων διατάξεων πλήρωσης χώρου (space-filling) μικρού φυσικού μεγέθους και για λειτουργία ασύρματης ιατρικής τηλεμετρίας στη ζώνη Υπηρεσιών Τηλεπικοινωνίας Ιατρικών Διατάξεων (Medical Device Radiocommunication Services, MedRadio, 401-406 MHz). Βάσει ενός πρωτότυπου παραμετρικού μοντέλου διπολικής κεραίας, διεξάγεται μελέτη των ιδιοτήτων επίδοσης εμφυτεύσιμων κεραιών ως συνάρτηση: (α) των κρίσιμων παραμέτρων σχεδίασης και (β) των συνθηκών πλαισίωσης των κεραιών (βιολογικός ιστός, βάθος εμφύτευσης και πολυστρωματικές/ανατομικές δομές). Στόχο αποτελεί η βασική διερεύνηση των σημαντικότερων θεμάτων σχεδίασης επίπεδων κεραιών πλήρωσης χώρου και εξαιρετικά μικρού μεγέθους.Έπειτα, μελετώνται οι ιδιότητες επίδοσης επίπεδων εμφυτεύσιμων διπολικών κεραιών ως συνάρτηση του φυσικού μήκους για εφαρμογές ασύρματης ιατρικής τηλεμετρίας. Δοθέντων των υπολογιστικών αποτελεσμάτων, αναπτύσσεται μία πρωτότυπη εμφυτεύσιμη κεραία μικρού φυσικού μεγέθους και μεγάλου εύρους ζώνης για λειτουργία στη ζώνη συχνοτήτων MedRadio. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται κατασκευή και πειραματική μέτρηση της προτεινόμενης κεραίας εντός πειραματικού ομοιώματος ιστού προς επαλήθευση της σχεδιασθείσας κεραίας μικροσκοπικών διαστάσεων.Ακολουθεί μία πολυεπίπεδη ανάλυση σχεδίασης ηλεκτρικά μικρών εμφυτεύσιμων κεραιών σε τρεις θεμελιώδεις άξονες: α) γεωμετρίας, β) προσαρμογής εμπέδησης, και γ) συντελεστή ποιότητας Q για εφαρμογές ασύρματης ιατρικής τηλεμετρίας στη ζώνη MedRadio. Στόχο αποτελεί η δημιουργία μίας εμπεριστατωμένης πηγής σχεδίασης μικρών κεραιών για βέλτιστες εμφυτεύσιμες ιατρικές διατάξεις αναφορικά με το μέγεθος, την απόδοση και την ευρωστία.Η Διατριβή ολοκληρώνεται με τη μελέτη, κατασκευή και μέτρηση μίας πρωτότυπης εμφυτεύσιμης διάταξης ραδιοσυχνοτήτων (rectenna) αποτελούμενη από μία πρωτότυπη κεραία μικροταινίας διπλής ζώνης συχνοτήτων (antenna) και ένα κύκλωμα ανόρθωσης (rectifier) για εφαρμογές ασύρματης ιατρικής τηλεμετρίας (ζώνη MedRadio) και φόρτισης (ζώνη ISM). Στο πλαίσιο ενίσχυσης της συνολικής απόδοσης της διάταξης, παρουσιάζεται μία πρωτότυπη τεχνική αύξησης της διαθέσιμης ισχύος στην είσοδο της εμφυτεύσιμης κεραίας. Στη συνέχεια, μελετώνται κυκλώματα ανόρθωσης προκειμένου να επιτευχθεί αποδοτική μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας σε ισχύ σταθερής τάσης. Ακολουθεί η ενσωμάτωση του κυκλώματος ανόρθωσης επί της εμφυτεύσιμης κεραίας διπλής ζώνης συχνοτήτων και η κατασκευή και μέτρηση της εμφυτεύσιμης rectenna.