新型無線內(nèi)窺鏡膠囊天線設(shè)計(jì)方法

重慶郵電大學(xué)生物信息學(xué)院　趙德春　陳曉宇　李文瀚　王　力

1.目的

工作、生活節(jié)奏的加快導(dǎo)致消化道疾病的比例日益增加。并且隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人們對(duì)現(xiàn)代醫(yī)療水平的要求也越來越高。21世紀(jì)開始，各種檢測(cè)消化道手段不斷推新。線纜內(nèi)窺鏡、X光檢測(cè)、超聲成像、胃電圖、核磁共振成像等常用檢測(cè)方式[1]，已經(jīng)在各醫(yī)院廣泛應(yīng)用。X光檢測(cè)、超聲成像、胃電圖、核磁共振成像等成像技術(shù)，需要的圖像處理能力還有待提高；線纜內(nèi)窺鏡其最遠(yuǎn)只能到達(dá)人體胃部，不能到小腸，并且容易操作失誤導(dǎo)致誤傷病人。因此，提出無線膠囊內(nèi)窺鏡（Wireless Capsule Endoscope，WCE）診斷技術(shù)。

它不僅克服了線纜內(nèi)窺鏡的局限，可以通過生物體的整個(gè)消化系統(tǒng)，通過無線信號(hào)傳輸圖像，采集到的消化道內(nèi)的圖像用無線信號(hào)傳輸?shù)襟w外的接收設(shè)備上顯示出來[2-4]。無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　無線膠囊內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部電路主要分為圖像采集模塊、射頻模塊、電源模塊以及其他電路模塊。目前對(duì)該系統(tǒng)的研究思路主要有：（1）膠囊內(nèi)部系統(tǒng)微型化；（2）圖像采集及其處理優(yōu)化設(shè)計(jì)；（3）能量供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)；（4）膠囊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)[5，6]。除了以上設(shè)計(jì)研究方向，還有工作安全性、生物適應(yīng)性等問題。因此，對(duì)于一款適用于廣泛診斷用的醫(yī)療設(shè)備，無線膠囊內(nèi)窺鏡還需要不斷優(yōu)化和設(shè)計(jì)，才能滿足需求。

天線是系統(tǒng)內(nèi)必不可少的電路器件，天線的物理參數(shù)決定了傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量；與此同時(shí)天線和其它的電路元器件一樣，需要微型化設(shè)計(jì)。當(dāng)膠囊在人體中工作時(shí)，還需要探討射頻信號(hào)對(duì)人體的影響。因此本文的主要目的是為了提供一種在減小天線物理尺寸的基礎(chǔ)上，保證發(fā)射天線的傳輸信號(hào)質(zhì)量方法。

2　研究方法

2.1　天線模型選擇

常用的微型化天線是微帶天線，微帶天線是一種貼片天線，一般是將天線片或者天線帶黏附在介質(zhì)基板的凹槽里面，一般的模型如圖2所示。

除此之外，還有許多相應(yīng)的其他結(jié)構(gòu)的貼片微帶天線[7，8]。在膠囊內(nèi)的空間有限，一般的膠囊通用尺寸頂蓋半徑不超過6mm，膠囊整體長(zhǎng)度不超過30mm（含頂蓋）。因此在這種介質(zhì)基板下，使用的天線不能保證在放置進(jìn)入膠囊的同時(shí)，傳輸信號(hào)的質(zhì)量。因此在此基礎(chǔ)上體出微帶天線的一種變形天線—螺旋天線。

圖2　矩形微帶貼片天線理論模型

螺旋天線有很多種，結(jié)構(gòu)是根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)需求決定，因此對(duì)比所有類型天線，在尺寸上能夠最大限度地調(diào)整振子長(zhǎng)度，最佳的一款是圓錐型螺旋天線。其計(jì)算公式如下所示：

計(jì)算公式中確定了天線可變物理參數(shù)，包含天線振子長(zhǎng)度（螺旋線總長(zhǎng)）l、初始極徑r0、螺距（XY平面投影和Z方向），除此之外天線還可以研究的物理參數(shù)包含線徑、螺旋方向和基板介質(zhì)參數(shù)（介電常數(shù)、厚度、與天線距離、半徑）。由于圓錐型螺旋天線形狀上的優(yōu)勢(shì)，可以將天線放置在頂殼內(nèi)，充分利用膠囊內(nèi)部空間，具體天線的設(shè)計(jì)模型如圖3所示。

圖3　圓錐型天線模型

天線繪制可以使用ProE工具軟件，生成固定格式導(dǎo)入后面的仿真軟件。

2.2　發(fā)射天線性能研究方法

膠囊在人體中運(yùn)動(dòng)工作，人體組織對(duì)電磁波的影響十分嚴(yán)重，不像天線在自由空間中工作的狀態(tài)，因此不能忽略人體對(duì)天線信號(hào)的影響。在計(jì)算機(jī)中的人體模型，暴露在電磁場(chǎng)中的主要參數(shù)取決于電磁場(chǎng)的頻率。在醫(yī)療和商業(yè)使用頻段一般選擇2.4GHz公開頻段，人體模型就在此頻率基礎(chǔ)上搭建和設(shè)置[9]。本文研究仿真人體模型采用Skeleton骨架作為搭建基礎(chǔ)，創(chuàng)建一個(gè)自由姿勢(shì)的人體體態(tài)作，如圖4所示：

圖4　三維真實(shí)人體模型

天線在空間時(shí)變電磁場(chǎng)的計(jì)算是一項(xiàng)龐大而且復(fù)雜的工作，需要對(duì)電磁場(chǎng)建模和對(duì)時(shí)間、空間變量的公式建立，因此使用計(jì)算機(jī)相關(guān)仿真軟件，可以大幅減小計(jì)算時(shí)間，本文采用時(shí)域有限差分（Finite-Difference Time-Domain，F(xiàn)DTD）方法。XFDTD軟件是REMCOM公司的一款空間電磁仿真軟件，專門使用FDTD方法，并且能夠計(jì)算生物電磁效應(yīng)SAR，因此本文選取該方法和軟件作為空間電磁場(chǎng)仿真計(jì)算工具。

由上述天線的理論研究可知，天線的物理尺寸參數(shù)可以在繪制軟件中任意修改以生成許多各種不同外觀的天線。射頻天線的信號(hào)頻段應(yīng)該在2.4GHz附近，而天線性能的主要指標(biāo)是S11和VSWR。S11是回波損耗，VSWR是電壓駐波比。使用控制變量法，可以得到不同的天線物理參數(shù)產(chǎn)生的S11和VSWR，在某頻點(diǎn)的S11越小，該點(diǎn)的VSWR越小。通過不斷地實(shí)驗(yàn)測(cè)試得知，當(dāng)S11<-9.5dB時(shí)，VSWR<2，射頻天線的信號(hào)質(zhì)量最好，那么在VSWR<2之間的頻率就是信號(hào)的頻段。本文提出為了達(dá)到優(yōu)化天線性能的目的，需要改變天線物理參數(shù)，觀察和對(duì)比天線的S11和VSWR情況，決定天線設(shè)計(jì)的走向，最終確定一款適用于內(nèi)窺鏡膠囊的天線模型。

3　總結(jié)

本文根據(jù)天線應(yīng)用在內(nèi)窺鏡膠囊的實(shí)際設(shè)計(jì)情況，提出一款新型結(jié)構(gòu)—圓錐型螺旋天線，該結(jié)構(gòu)天線不僅能實(shí)現(xiàn)微型化設(shè)計(jì)，還能利用膠囊頂殼空閑空間放置天線，充分利用了膠囊內(nèi)部有限空間。該類方法在圓錐型螺旋天線的基礎(chǔ)，還能推廣至其它類型天線應(yīng)用在內(nèi)窺鏡膠囊系統(tǒng)中使用。

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