Biyotelemetri sistemleri için optik olarak frekansı yapılandırılabilir implant anten tasarımı
Optically frequency reconfigurable implantable antenna design for biotelemetry systems
Yazar: MERT ÇİFLİK
Danışman: PROF. DR. SIDDIK CUMHUR BAŞARAN
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Biyotelemetri sistemleri ile çeşitli hastalıkların erken teşhisi ve takibi yapılabilmekte, vücut içerisinde gerçekleşen kan şeker oranı, nabız atış hızı, vücut sıcaklığı, damar basıncı gibi fizyolojik olaylara ait bulgular anlık olarak toplanabilmekte, hastanın yaşam kalitesi artırılabilmektedir. Biyotelemetri sistemleri yardımı ile elde edilen veriler, implant mikroşerit antenler aracılığıyla dış dünyaya aktarılmaktadır. Bu işlem, FCC (Federal Communications Commission) tarafından tahsis edilen MICS (402 – 405 MHz), MedRadio (401 – 406 MHz), ISM (433 – 435 MHz), ISM (902 – 928 MHz) ve ISM (2.40 - 2.48 GHz) gibi frekans bantlarında gerçekleştirilebilmektedir. Etrafını çevreleyen doku içinde performans sergileyen implant antenlerin, yerleştirildiği doku çeşidi değiştiğinde ışıma karakteristiği değişmekte ve haberleşmenin gerçekleştirilememesine yol açmaktadır. Bu kapsamda, bu tez çalışmasında biyotelemetri uygulamalarında kullanılmaya uygun, kompakt yapılı, kullanılan anahtarlama elemanının kapalı ve açık durumları arasında geçiş yapılıp frekansı yapılandırılarak yerleştirildiği doku çeşidi değiştirildiğinde çalışma frekans bandını koruyabilen ve aynı doku içinde çalışma frekans bantlarını değiştirebilen frekansı yeniden yapılandırılabilir implant anten tasarımları geliştirilmiştir.
	Önerilen antenler, kare ve dairesel geometriye sahiptir ve her iki anten koaksiyel besleme tekniği ile uyarılmaktadır. Anten boyutunu küçültmek ve bant genişliklerini en iyi seviyelerde tutmak için ana ışıma elemanları olarak yarık halka (YH) ve kıvrımlı yapı (KY) rezonatör yapıları seçilmiştir. Kıvrımlı yapılar, rezonatör üzerinde bulunan akım yollarının uzunluğunu artırarak minyatürizasyona, yarık halka yapılar ise hem bant genişliğinin iyileştirilmesine hem de iç içe yerleştirilmesi sebebiyle minyatürizasyona katkıda bulunmaktadır. Frekans yapılandırılması özelliği antene harici olarak eklenen bir PIN-Fotodiyot ile gerçekleştirilmiştir. Fotodiyot, dışarıdan uygulanan bir ışık yardımı ile açık duruma getirilerek anahtarlama işlemi yapılmaktadır. Tasarlanan antenlerden biri deri, kas ve yağ olmak üzere üç farklı dokuda performans sergilemekte; fotodiyot, anten deri ve kas dokuları içerisinde iken kapalı, yağ dokusu içerisinde iken ise açık konuma getirilerek frekansı ayarlanabilmektedir. Tasarlanan diğer anten ise sadece kas dokusunda performans sergilemekte, fotodiyot kapalı konumda iken ISM-2.4 GHZ bandında, açık iken ise MICS, MedRadio, ISM-433 MHz, ISM-915 MHZ ve ISM-2.4 GHz bantlarında çalışmaktadır. Sayısal tasarımları CST Microwave Studio aracılığıyla gerçekleştirilen antenin testleri için prototip üretimi gerçekleştirilmiştir.  Üretilen antenin ölçümleri, ilgili frekanslarta insan deri dokusu özelliği gösteren sıvı fantom içerisinde (In-vitro), temin edilen domuz kıyması içerisinde ve etik kurallara uygun şekilde canlı domuz içerisinde (In-vivo) gerçekleştirilmiştir. Antenlerin benzetim ve ölçüm sonuçlarına göre geri dönüş kaybı ve ışıma örüntüsü karakteristikleri karşılaştırıldığında, oldukça uyumlu olduğu gözlemlenmiştir.
	Sonuç olarak bu tez çalışmasında özgün olarak geliştirilmiş frekansı ayarlanabilir implant antenlerin, biyotelemetri uygulamaları için kullanılan MICS ve ISM bantlarında gösterdiği ışıma karakteristikleri, kompakt yapısı ve yeniden ayarlanabilme özelliği göz önünde bulundurulduğunda bu sistemlerde kullanımının uygun olduğu ve literatürde etki faktörü yüksek bir çıktı yaratarak gelecekte yapılacak olan çalışmalara ışık tutacağı değerlendirilmektedir.

Abstract:
Thanks to biotelemetry systems, early diagnosis and follow-up of various diseases can be made, the findings of physiological events such as blood sugar rate, pulse rate, body temperature, vascular pressure can be collected instantly and the patient's quality of life can be increased. The data obtained with the help of biotelemetry systems are transferred to the outside world through implantable microstrip antennas. This operation can be performed in frequency bands allocated by the FCC (Federal Communications Commission) such as MICS (402 − 405 MHz), MedRadio (401 − 406 MHz), ISM (433 − 435 MHz), ISM (902 − 928 MHz) and ISM (2.40 − 2.48 GHz). The radiation characteristics of the implant antennas, which perform in the surrounding tissue, change when the type of tissue they are placed in changes, leading to the inability to communicate. In this thesis, a compact structured implant antenna design suitable for use in biotelemetry applications, with a reconfigurable frequency, which can maintain the operating frequency band and change the operating frequency bands in the same tissue when the tissue type is changed by configuring the frequency by switching between the closed and open states of the used switching element, has been developed.
	The proposed antennas have square and circular geometry and both antennas are excited by coaxial feeding technique. In order to reduce the antenna size and keep the bandwidths at the best levels, split-ring (SR) and meander-line (ML) resonator structures were chosen as the main radiation elements. Convoluted structures contribute to miniaturization by increasing the length of the current paths on the resonator, while split-ring structures contribute to both improving the bandwidth and miniaturization due to intertwine. Frequency configuration feature is realized with a PIN-Photodiode added externally to the antenna. The photodiode is switched on with the help of an externally applied light and switching is performed. One of the designed antennas performs in three different tissues: skin, muscle and fat; The frequency can be adjusted by turning the photodiode to the closed position when the antenna is in the skin and muscle tissues, and on position when it is in the fat tissue. The other antenna designed performs only in muscle tissue, works in the ISM-2.4 GHz band when the photodiode is off, and works in the MICS, MedRadio, ISM-433 MHz, ISM-915 MHZ and ISM-2.4 GHz bands when it is on. Prototype production was carried out for the tests of the antenna, whose numerical design was carried out through CST Microwave Studio. The measurements of the produced antenna were carried out in a liquid phantom (In-vitro) showing the characteristics of human skin tissue at the relevant frequencies, in the pork minced meat supplied and in live pig (In-vivo) in accordance with ethical rules. When the return loss and radiation pattern characteristics of the antennas are compared according to the simulation and measurement results, it is observed that they are quite compatible.
	As a result, in this thesis study, considering the radiation characteristics, compact structure and reconfigurabilty of the originally developed frequency adjustable implant antennas in MICS and ISM bands used for biotelemetry applications, it is appropriate to use in these systems and by creating an output with a high impact factor in the literature, It is considered that it will shed light on the future studies.