植入人体的微带贴片天线的研究

发布时间：2020-04-28 00:00

【摘要】：本文首次提出了将人体组织和器官所具有的高损耗特性对于微带贴片天线辐射特性的影响量化的计算方法;并在充分利用高损耗特性的影响的前提下,首次将自由空间中的微带贴片天线自身的多模辐射理论引入植入式微带贴片天线的设计中来;最后分别设计出了三款具有宽阻抗带宽特性的植入式线极化微带贴片天线和三款具有宽轴比带宽特性的植入式圆极化微带贴片天线。本文研究内容概括安排如下:第一章首先回顾了植入天线的发展历程。随后,详细介绍了目前植入于人体组织和器官中的微带贴片天线的研究现状。目前植入于人体组织和器官中的微带贴片天线的研究,主要集中于如何设计出具有宽阻抗带宽特性和宽轴比带宽特性的微带贴片天线,并且采用的方法均是聚焦于天线的自身结构。第二章首次提出了量化人体组织和器官对于微带贴片天线辐射特性影响的计算方法,完善了微带贴片天线埋藏在具有高损耗特性介质中的辐射理论。首先介绍了人体组织及其器官独特的电参数。人体组织和器官可以视为具有高相对介电常数、高损耗正切角特性的电磁材料,并且其相对介电常数和损耗正切角是随频率变化的,这一特性与自由空间迥异。随后,本章接下来的内容介绍了目前所使用的两类人体组织模型。然后,对本文所采用的微带天线做了简单的介绍,并详细给出了在自由空间以及人体组织和器官中这种具有高损耗正切角特性材料中的微带天线的品质因数(Q_T值)的计算过程。计算结果表明,植入于人体组织和器官中的微带天线的Q_T值极小。这与工作在自由空间中的微带天线所具有的高Q_T值极大的不同。而且当微带贴片天线植入于人体环境时,随着植入深度d的增加,微带贴片天线的Q_T值的也随之降低。这个不同点就给植入于人体组织和器官中的微带天线的设计带来的新的思路。第三章在充分利用第二章所揭示的人体组织和器官所具有的高损耗特性对于微带贴片天线Q_T值和输入阻抗的影响前提下,尝试将自由空间中的微带贴片天线自身的多模辐射理论引入植入式微带贴片天线的设计中,设计了三款具有宽阻抗带宽特性的线极化植入式微带贴片天线。在3.1节采用传统的办法,即在辐射贴片的四周增加一个正方形金属环,用于在微带贴片天线的辐射基模的谐振频率附近产生一个附加的谐振模式,从而展宽整体的阻抗带宽。在3.2节中介绍了基于微带贴片天线自身模式的多模辐射理论,并且详细讨论了如何抑制与调节不需要的高次模。在3.3节中充分利用人体组织的高损耗特性和微带贴片天线自身的多模辐射,设计出了一个基于差分馈电的、植入于人体组织和器官中的、宽带线极化微带贴片天线。该型天线的相对阻抗带宽高达65.8%。在3.4节当中,完成了3.3节所设计的天线的小型化,设计出了一个植入于人体的宽带线极化PIFA天线。对3.3节和3.4节中所设计的两款天线,均对其仿真过程与结果,SAR值,敏感性,生物兼容性进行了详细的研究。并且,这两款天线均应用于“无线心脏起搏器”的设计中,并在人体解剖模型中仿真验证其宽阻抗带宽特性。第四章在充分利用了第二章所揭示的人体组织和器官所具有的高损耗特性对于微带贴片天线Q_T值和输入阻抗的影响的前提下,尝试将自由空间中的微带贴片天线自身的多模辐射理论引入植入式圆极化微带贴片天线的设计中,设计了三款具有宽轴比带宽特性的圆极化植入式微带贴片天线。在4.1节采用传统的办法,设计了基于一对简并模(即辐射基模TM_(10)模和TM_(01)模)的圆极化微带贴片天线。该天线展宽轴比带宽的方法是从天线自身的结构出发,即短路销钉来实现。在4.2节中,利用人体组织和器官所具有的高损耗正切能够展轴比带宽的特性,设计出了一个单馈的、植入于人体组织和器官中的、宽带圆极化微带贴片天线。研究表明,该型天线的相对轴比带宽为5.3%。在4.3节中,在4.2节所设计的天线基础上,利用微带贴片天线自身的多模辐射理论,并结合人体组织和器官所具有的高损耗正切角特性,设计出了一款植入于人体组织和器官中的、利用两对简并模(即辐射基模TM_(10)模、TM_(01)模和辐射高次模TM_(30)模、TM_(03)模)的、圆极化微带贴片天线。4.2节和4.3节中设计的圆极化微带贴片天线均应用于“无线心脏起搏器”的设计中,并在人体解剖模型中仿真验证其圆极化特性。第五章中对本论文所有的研究工作进行了归纳与总结,并对植入于人体组织和器官中的微带贴片天线的研究工作进行了展望。
【图文】：

采集终端,人体

随着经济的增长和医疗水平的进步，人口老龄化在全球范围内的趋势。对于我国来说，实际正在处于加速老龄化的过程之中。20日，国家统计局公布了 2018 年度中国人口数据报告。报告显示，截，我国 60 周岁及以上的人口占总人口数的 17.9%，其中 65 周岁及以人口数的 11.9%。根据现有数据测算，到 2050 年，我国的老年人口比将近 23%。这将会给我国的医疗行业造成重大的压力。而利用无线程医疗，无疑是一个经济实惠、行之有效的方案。前，国际上对于无线医疗技术的研究方兴未艾。无线医疗技术大致：首先，传感系统采集患者身体指标数据；其次，将采集的数据通输给数据储存和分析终端；最后，，终端系统将数据交给医生或者通系统做出判断，并给出医疗建议。本论文研究的主要内容就是如何系统与数据储存和分析终端的互联互通。前，采集患者身体指标的数据传感系统可以分为三种类型：第一种表面的穿戴式数据采集终端；第二种，工作于人体消化系统的吞入端；第三种，工作于人体组织和器官中的植入式数据采集终端。

采集终端,胶囊,心率

电子科技大学博士学位论文图 1-1 展示了一种工作于人体表面的穿戴式数据采集终端，这种穿戴式数端最典型的代表就是手环。手环所具有最典型的功能就是测量佩戴者的理是通过光电容积脉搏波描记法来监测心率。但是这种测量方法有较大比如，当手环和皮肤贴合不紧密时，手环感知心率的能力就会变弱。但密又会影响佩戴者的舒适度。因此，手环等穿戴式数据采集终端主要还动辅助器械，还不能提供医疗所需要的高精度数据。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.08;TN822

【参考文献】