植入式天线在生物医疗中的应用研究

发布时间：2017-04-18 21:15

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【摘要】：无线数据遥测与能量传输在无线医疗设备的设计开发及其个人医疗保健方面具有十分广阔的应用市场,是未来生物医疗发展的必然趋势。从目前的研究来看,研发高精确、稳定可靠的无线生物医疗设备仍然面临很大的挑战。本论文采用考虑人体耦合效应的仿真模型,指导设计高传输效率的无线能量传输系统与小型化、高精度的包括植入式天线在内的无线数据传输系统,分析并设计出用于生物医疗的无线能量与数据传输的各子系统,实现对无线生物医疗系统优化设计与性能评估。本文围绕植入式天线在生物医疗中无线数据遥测与能量传输中的应用研究开展了深入的研究。论文的主要研究成果可概括如下:1.研究了电磁波在有损媒介中的传播特性。将赫兹电偶极子作为发射源,逐步研究了电偶极子在近场与远场的吸收能量及其可以接收的能量,深入探讨植入式天线在体内的辐射特性,本研究内容为研究植入式天线的工作频率对远场无线能量传输提供了有效的理论支持。2.基于多邻近谐振点形成宽带阻抗特性技术,提出了高度融合微带折叠振子与倒F天线的宽带双频段植入式电小天线。双频段是提高无线植入设备在体内工作周期的途径之一,本文试图从小天线的辐射特性与多谐振点形成的途径出发,设计出同时具有小型化、宽频带特性的植入式天线,从实验结果可以看到所设计的天线优于其他双频段植入式天线;为了更有效地缩减植入式天线的尺寸,本文采用了微带天线与槽天线结合的方式,设计了小型化的贴片/槽天线,实验结果显示出所设计的天线具有明显的尺寸优势;为了设计更小的用于神经传感植入设备工作的植入式天线,本文利用CMOS(Complementary Metal Oxide-Semiconductor)加工工艺,设计出集成发射机在内的小型化片上天线发射系统。3.充分考虑人体环境下进行小型化圆极化植入式天线的研究。圆极化波在无线通信中具有特殊的优势,特别是在医院环境下具有明显的抗多径效应,本文首先探讨了植入式微带贴片天线在皮肤内的阻抗特性变化,利用容性加载技术抵消了感性阻抗,实现了天线的阻抗匹配与小型化;并详细讨论了同轴线等对天线测试的影响。4.提出了多层开口圆环结合连接金属化孔的吞入式宽带圆极化胶囊天线,并对其在人体消化道内的数据传输能力进行了仿真验证。本工作创新性地利用多层开口圆环结合连接金属化孔实现了工作于圆极化模式的平面螺旋天线结构,小型化与宽带圆极化特性均满足实际的胶囊系统,与发表的文献相比,具有突出的性能优势。在研究工作的基础上,为了更准确验证设计的正确性,利用小白鼠进行了相关动物体内测试工作。5.系统地研究了远场无线能量传输中的人体电、热效应等安全问题,并利用体表寄生辐射单元实现对接收功率的大幅提升。远场无线能量传输适用于超低功率的无线传感网络与设备。本章中首先从人体安全的角度出发,分析了所有的安全标准以约束外部发射机的发射功率,并在此基础上初步计算出植入式整流天线所能接收的功率范围,以指导整流电路在特定输入功率范围内的转换效率优化工作;为了更进一步提高无线能量传输的转换效率,本文采用体表引入寄生贴片的方法以提高植入式天线的辐射方向性,从而提高了植入式天线接收的功率,整流电路的转换效率也得到提升,从整体上提高了无线能量传输的转换效率。
【关键词】：植入式天线 无线数据遥测 无线能量传输 小型化天线 无线生物医疗设备
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318;TN822
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-29
• 1.1 研究工作的背景与意义12-13
• 1.2 无线数据遥测与能量传输的国内外研究历史与现状13-16
• 1.3 植入式天线的研究现状16-27
• 1.3.1 植入式天线形式17
• 1.3.2 植入式天线工作频率17-18
• 1.3.3 植入式天线仿真模型18-21
• 1.3.4 植入式天线测试方法21-27
• 1.4 本文的主要研究工作27-29
• 第二章 天线在有耗媒质中的基本理论29-39
• 2.1 引言29
• 2.2 植入式天线相关参数29-32
• 2.2.1 工作带宽与工作频率29-30
• 2.2.2 天线尺寸与电小天线设计限制30
• 2.2.3 辐射能量与辐射效率30-31
• 2.2.4 比吸收率31-32
• 2.3 电磁波在有耗媒质中的传播32-33
• 2.4 赫兹电偶极子在有耗媒质中的传播模型33-37
• 2.4.1 赫兹电偶极子33-34
• 2.4.2 赫兹电偶极子在近场的吸收能量34-36
• 2.4.3 赫兹电偶极子在远场的吸收能量36-37
• 2.4.4 赫兹电偶极子的有效辐射能量37
• 2.5 本章小结37-39
• 第三章 无线数据遥测中小型化植入式天线设计39-59
• 3.1 引言39
• 3.2 双频段植入式天线设计39-45
• 3.2.1 天线设计与分析39-43
• 3.2.2 天线加工测试与讨论43-45
• 3.3 小型化贴片/槽植入天线45-49
• 3.4 集成化片上天线设计49-58
• 3.4.1 天线指标49-50
• 3.4.2 差分馈电反射系数计算50-51
• 3.4.3 片上天线设计51-54
• 3.4.4 天线测试与讨论54-58
• 3.5 本章小结58-59
• 第四章 容性加载圆极化植入式天线研究59-75
• 4.1 引言59
• 4.2 圆极化植入式天线设计59-64
• 4.2.1 微带贴片天线的阻抗特征59-61
• 4.2.2 容性加载圆极化微带贴片天线设计61-64
• 4.3 圆极化植入式天线测试64-65
• 4.4 人体模型中天线性能评估65-69
• 4.5 分析与讨论69-72
• 4.5.1 不同仿真模型对天线性能的影响69-70
• 4.5.2 同轴电缆对天线测试的影响70-71
• 4.5.3 生物兼容性方案71-72
• 4.6 通信距离评估72-74
• 4.7 本章小结74-75
• 第五章 无线内窥镜系统中圆极化胶囊天线研究75-102
• 5.1 引言75-76
• 5.2 圆极化胶囊天线设计76-84
• 5.2.1 多层螺旋天线设计76-78
• 5.2.2 天线参量研究78-80
• 5.2.3 天线灵敏度讨论80-81
• 5.2.4 共形胶囊天线设计81-84
• 5.3 圆极化胶囊天线辐射特性84-87
• 5.4 用于外部基站的全向圆极化天线设计87-89
• 5.5 天线体外测试89-91
• 5.6 分析与讨论91-93
• 5.6.1 胶囊天线层间缝隙影响91-92
• 5.6.2 全向圆极化天线与人体组织距离影响92-93
• 5.7 天线动物体内实验93-98
• 5.8 通信能力评估98-100
• 5.9 本章小结100-102
• 第六章 远场无线能量传输在生物医疗中的应用研究102-117
• 6.1 引言102
• 6.2 无线能量传输需考虑的安全事项102-104
• 6.2.1 美国联邦通讯委员会对发射功率的规定102-103
• 6.2.2 美国联邦通讯委员会对最大容许辐射量的限制103
• 6.2.3 人体辐射吸收率限制103
• 6.2.4 人体聚焦温度限制103-104
• 6.3 植入设备接收功率的确定104
• 6.4 植入式天线设计104-106
• 6.4.1 单层人体皮肤仿真模型104-105
• 6.4.2 人体模型下天线性能研究105-106
• 6.5 无线能量传输系统仿真分析106-109
• 6.6 通过加载寄生辐射单元提高接收功率109-113
• 6.7 整流电路设计113-116
• 6.8 本章小结116-117
• 第七章 全文总结与展望117-119
• 7.1 全文总结117-118
• 7.2 后续工作展望118-119
• 致谢119-120
• 参考文献120-130
• 攻读博士学位期间取得的成果130-133

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