Малогабаритная двухдиапазонная антенна для имплантируемого кардиомонитора
SMALL-SIZE DUAL-BAND ANTENNA FOR IMPLANTED CARDIAC MONITOR

Изобретение относится к изделиям медицинской техники, а именно к имплантируемым кардиомониторам.
В настоящее время в связи с применением в медицинской практике разнообразных медицинских устройств, имплантируемых в тело человека, таких как кардиостимуляторы, дефибрилляторы, кардиомониторы, нейростимуляторы, возросла потребность организации двусторонней радиосвязи между имплантированными и внешними устройствами. Одна из технических проблем организации радиосвязи с имплантированным устройством является проблема миниатюризации и оптимизации антенн с учетом специфических конструктивных особенностей имплантируемого устройства. Имплантируемый кардиомонитор относится к классу непрерывных анализаторов электрокардиограммы с записью фрагментов с различными отклонениями от нормального синусового ритма во внутреннюю память с цель дальнейшей периодической передачи по радиоканалу на внешнее устройство. Имплантируемый кардиомонитор имплантируется под кожу пациента вблизи сердца. Электрокардиографические электроды располагаются на противоположных концах герметичного корпуса имплантируемого кардиомонитора.
В патенте США №10737099 используется объемная цилиндрическая антенна, что усложняет монтаж миниатюрного имплантируемого устройства.
В патенте США №9905916 предлагается планарная конструкция антенны. Недостатком этого решения является раздельное изготовление элементов антенны из металла, что требует сборки антенны в составе имплантируемого медицинского устройства. Кроме того удлиненная форма антенны не обеспечивает ее размещение в небольшом радиопрозрачном отсеке имплантируемого кардиомонитора.
В патенте США №7047076 представлена инвертированная F-антенна. Недостатком этого решения также является отдельное изготовление этой антенны из металла с частичным покрытием полимерным материалом и работа антенны только в одном из необходимых для имплантируемого кардиомонитора диапазоне частот 402-405 МГц, выделенном для медицинских имплантируемых средств связи.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является решение по европейскому патенту №1764866. В патенте реализована монопольная антенна в форме прямоугольного меандра, выполненная на печатной плате. Недостатком этого решения является работа антенны только в одном диапазоне частот 2400-2483,5 МГц, выделенном для передачи данных и используемом интерфейсом беспроводной связи с низким потреблением Bluetooth.
Задачей изобретения является реализация малогабаритной антенны, работающей в двух диапазонах частот - 402-405 МГц, выделенном для медицинских имплантируемых средств связи, и 2400-2483,5 МГц, выделенном для передачи данных и используемом интерфейсом беспроводной связи с низким потреблением Bluetooth, с формой и размером, определяемыми небольшими габаритами радиопрозрачного отсека для размещения антенны. Диапазон частот 402-405 МГц используется для программирования параметров имплантируемого кардиорегистратора, а диапазон частот 2400-2483,5 МГц - для приема данных от кардиорегистратора на смартфон или планшет с помощью специального приложения.
Суть изобретения заключается что антенна выполняется в виде планарной структуры, состоящей из комбинации инвертированной F-антенны и монопольной антенны в форме прямоугольного меандра, включенной в состав многослойной печатной платы имплантируемого кардиомонитора. Использование в составе антенны комбинации двух типов антенн обеспечивает работу антенны в двух диапазонах частот, а включение конструктивных элементов антенны в состав многослойной печатной платы сокращает количество сборочных узлов имплантируемого кардиомонитора, что приводит к упрощению сборки и повышению надежности за счет уменьшения количества сборочных узлов.
Изобретение поясняется следующими графическими материалами. На фиг. 1 показано условное изображение установленной в корпус печатной платы имплантируемого кардиомонитора, содержащей двухдиапазонную антенну, где:
1 - контур печатной платы имплантируемого кардиомонитора;
2 - детали корпуса имплантируемого кардиомонитора;
3 -шина «земли», соединенная с общей цепью печатной платы;
4 - двухдиапазонная антенна, состоящая из комбинации инвертированной F-антенны и монопольной антенны в форме прямоугольного меандра;
5 - контактная площадка электрокардиографического электрода;
6 - проводник полосковой линии с волновым сопротивлением 50 Ом, соединяющий вывод приемо-передатчика с антенной 4;
7 - проводник, соединенный со входом усилителя биопотенциалов;
8 - последовательный SMD-резистор, соединяющий проводник 7 с контактной площадкой электрокардиографического электрода 5;
9 - шунтирующий SMD-конденсатор, подключенный между шиной «земли» и проводником, соединенным с выводом усилителя биопотенциалов 7.
На фиг. 2 показан вид сверху на нижний слой проводников фрагмента печатной платы имплантируемого кардиомонитора в области антенны.
На фиг. 3 показан вид сверху на средний слой проводников фрагмента печатной платы имплантируемого кардиомонитора в области антенны.
На фиг. 4 показан вид сверху на верхний слой проводников фрагмента печатной платы имплантируемого кардиомонитора в области антенны.
На фиг. 5 показана зависимость коэффициента отражения антенны в зависимости от частоты сигнала.
На фиг. 6 показана зависимость эффективности антенны в зависимости от частоты сигнала.
Конструктивные элементы антенны выполнены в трех слоях металлизации многослойной печатной платы имплантируемого кардиомонитора.
На нижнем слое металлизации фрагмента печатной платы имплантируемого кардиомонитора, представленном на фиг. 2, размещены следующие элементы конструкции антенны: шина «земли» 3, соединенная с общей цепью печатной платы, проводник 6 полосковой линии с волновым сопротивлением 50 Ом, соединяющий вывод приемо-передатчика с антенной, проводники 7, соединяющие вход усилителя биопотенциалов с SMD-резистором, имеющим в частном случае сопротивление 1 кОм, подключенным последовательно к контактной площадке электрокардиографического электрода 5, контактная площадка 10 для пайки шунтирующего SMD-конденсатора, имеющего в частном случае емкость 1 нФ, контактная площадка 11 для пайки последовательного SMD-резистора.
На среднем слое металлизации фрагмента печатной платы имплантируемого кардиомонитора, представленном на фиг. 3, размещены следующие элементы конструкции антенны: шина «земли» 3, соединенная с общей цепью печатной платы, проводники 7, соединяющий вход усилителя биопотенциалов с SMD-резистором, подключенным последовательно к контактной площадке электрокардиографического электрода.
На верхнем слое металлизации фрагмента печатной платы имплантируемого кардиомонитора, представленном на фиг. 4, размещены следующие элементы конструкции антенны: шина «земли» 3, соединенная с общей цепью печатной платы, согласующий проводник антенны 12, проводник питания антенны 13, короткозамкнутый шлейф 14, сегмент заземления 15, передающий сегмент инвертированной F-антенны 16, конечный сегмент антенны 17, контактная площадка электрокардиографического электрода 5.
Запитка антенны от вывода приемо-передатчика осуществляется через проводник полосковой линии 6 с волновым сопротивлением 50 Ом (фиг. 2) и согласующий проводник антенны 12 (фиг. 4). Инвертированная F-антенна обеспечивает работу в диапазоне частот 402-405 МГц, выделенном для медицинских имплантируемых средств связи, и состоит из проводника питания антенны 13, передающего сегмента инвертированной F-антенны 16, короткозамкнутого шлейфа 14 и сегмента заземления 15 (фиг. 2). Монопольная антенна в форме прямоугольного меандра обеспечивает работу в диапазоне частот 2400-2483,5 МГц, выделенном для передачи данных и используемом интерфейсом беспроводной связи с низким потреблением Bluetooth. Она начинается от конца передающего сегмента инвертированной F-антенны 16 и заканчивается конечным сегментом антенны 17. В области размещения антенны находится электрокардиографический электрод, который для фильтрации помех при работе антенны в режиме передачи соединяется со входом усилителя биопотенциалов, параллельно которому подключен шунтирующий SMD-конденсатор, через последовательный SMD-резистор 8 (фиг. 1).
В частном случае реализации изобретения антенна обеспечивает коэффициент отражения (график фиг. 5) в диапазоне частот 402-405 МГц, не выше -14 дБ, и коэффициент отражения не выше - 6 дБ в диапазоне частот 2400-2465,4 МГц. Также в частном случае реализации антенна обеспечивает общую эффективность (график фиг. 6) - 3 дБ на частоте 403,5 МГц и -4 дБ на частоте 2450 МГц.
Техническая задача изобретения заключается в реализации малогабаритной антенны, работающей в двух диапазонах частот, с формой и размером, определяемыми небольшими габаритами радиопрозрачного отсека для размещения антенны, и размещением одного из электрокардиографических электродов непосредственно в области размещения антенны. Работа антенны в двух диапазонах частот обеспечивается применением в ее составе комбинации двух антенн: инвертированной F-антенны и монопольной антенной в форме прямоугольного меандра. Благодаря включению конструктивных элементов антенны в состав многослойной печатной платы кардиомонитора упрощается его сборка и повышается надежность за счет исключения дополнительного узла сборки.
Источники информации:
1. Патент США №10737099.
2. Патент США №9905916.
3. Патент США №7047076.
4. Европейский патент №1764866 - прототип.