體域網生物醫學用植入式天線及無線傳播信道建模研究

《體域網生物醫學用植入式天線及無線傳播信道建模研究》是依託華南理工大學，由劉雄英擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：體域網生物醫學用植入式天線及無線傳播信道建模研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉雄英
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

為提高體域網醫學遙測用植入微系統與外界的無線通信質量，本項目將進行植入式天線及傳播信道數值建模等關鍵問題的理論和實驗研究：（1）通過薄膜鍍制工藝在天線表面製備介質層，研究薄膜特性對天線性能的影響，減少對生物組織近場電磁輻射，加強天線與人體間的阻抗匹配；（2）在醫療通信服務頻段內兼顧輻射效率，對植入式天線寬頻多頻小型化技術進行研究。根據具體套用，通過算法最佳化、電磁計算及數值分析研製多款符合安全標準和無線通信要求的天線，在建立非均勻物理和數字人體模型中，進行體外和體內實驗測量，評估輻射性能；（3）分析在不同場景下靜態或動態環境以及天線性能對無線傳播特性的影響，分別建立基於測量數據、電磁波理論的統計學和確定性數值傳播信道模型，計算鏈路預算，預測體域網無線性能。這些內容是項目組成員研究工作的拓展，預計在SCI索引期刊發表論文二十多篇，研究成果對推進遠程醫療和移動健康，提高患者生活質量具有重要意義。

結題摘要

本項目針對傳統醫療設備有線檢測會給患者帶來不適、交叉感染等問題，致力於用於生物醫學遙測的人體中心通信天線研究，以實現生物醫療感測設備與體外診斷設備的無線通信，增加患者的活動自由空間，提高生活質量。主要研究了：（1）套用於體域網的載入人工磁導體結構的穿戴式天線。集成AMC的雙頻單極子天線，降低了天線高度，剖面尺寸僅為2 mm，實現了雙頻單極子天線（2.4-2.48 GHz和5.725-5.85 GHz，增益為11.8 dBi和8 dBi）和寬頻風車型天線（5.7-11.0 GHz，增益為8 dBi左右，前後比高於15 dB）；（2）小型植入式差分分形天線。採用分饋電技術使得天線能夠直接與植入式醫療器械中差分電路連結，提高了集成度和對共模噪聲的抑制能力。通過採用Hilbert分形曲線實現天線的小型化（9.3 mm × 9.3 mm × 0.635 mm）。設計的雙頻（MICS和ISM頻段）分形天線，延長了植入感測器的使用周期；（3）植入式小型寬頻圓極化天線。通過刻蝕互補開口環諧振器實現了小型化。通過調節開口環諧振器的開口大小和位置實現天線的圓極化特性，3 dB軸比頻寬為2.42 GHz– 2.48 GHz（2.4%），使植入式天線與體外測量設備的朝向無需校準，無線通信性能不會受人體姿勢和運動姿態的影響；（4）膠囊內窺鏡系統的差分圓極化天線。通過採用高介電常數介質基板、輻射貼片及地板開槽實現小型化（9.8 mm × 9.8 mm × 1.27 mm），差分饋電連線埠在方形貼片對角線上激勵起TM01和TM10兩種輻射模式，引入幾何微擾調節實現圓極化，3-dB軸比頻寬為2.37–2.50 GHz；（5）差分饋電雙頻雙圓極化植入式天線：通過在雙環內部載入三角形貼片產生了慢波效應，使低頻段諧振頻率極大降低，同時這種雙環內部的載入產生了高頻諧振，實現了雙頻特性，最終覆蓋了915-MHz ISM頻段（用於數據通信）和2.45-GHz ISM頻段（用於狀態控制）。通過調節雙環和載入單元的形狀和尺寸，實現雙頻段的圓極化特性，3-dB軸比頻寬在低頻段為859–960 MHz，在高頻段為2.29–2.5 GHz。每一款人體天線都分別研究了生物相容性、電磁輻射對人體健康影響、鏈路預算等，研究成果對推進植入式天線在生物醫療設備中的套用，實現無線生物醫學遙測具有理論指導意義和參考價值。