ÇİFT-BANTLI MİKROŞERİT İMPLANT ANTEN TASARIMI A DUAL-BAND IMPLANTABLE ANTENNA DESIGN

Adnan Sondaş, Mustafa H.B. Uçar, Erdem Uras

Bilişim Sistemleri Mühendisliği

Kocaeli Üniversitesi asondas@kocaeli.edu.tr, mhbucar@kocaeli.edu.tr, erdemuras@gmail.com

ÖZETÇE

Bildiride, MICS (Medical Implant Communications Service; 402-405MHz) ve ISM (Industrial, Scientific and Medical; 2.4-2.48GHz) uygulamaları için çift-bantlı kompakt bir mikroşerit implant anten tasarımı ve ilgili sayısal analiz sonuçlarına yer verilmektedir. Önerilen implant anten, iç içe geçmiş iki adet kare şeklindeki yarıklı halka yapısından ve aralarındaki metalik şeritten meydana gelmektedir. Ayrıca minyatürizasyon sağlanabilmesi için dıştaki halka ile toprak düzlemi arasına metal bir tel yerleştirilmiştir. Tasarımın ilgili bantlarda %7 ve %13 empedans bant genişliğine, 2.1 dBi ve 4.52 dBi yönlendirme kazancına sahip olduğu gerçekleştirilen analizler sonucunda gösterilmiştir. Önerilen implant anten tasarımının analizleri CST Microwave Studio simülatörü kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

ABSTRACT

A dual-band implantable microstrip antenna design is proposed for MISC/ISM biomedical telemetry systems. The radiating layer of the antenna is comprised of two concentric square split-ring elements and a metallic pad placed between them. A shorting-pin is also used for miniaturization purposes directly connecting the outer ring element to the ground plane. It is numerically demonstrated that the proposed antenna offers approximately 7% and %13 impedance bandwidths and gains of 2.1 dBi and 4.52 dBi at the designated MICS and ISM frequency bands, respectively. Note that the full-wave analysis of the implant antenna is carried out using CST Microwave Studio simulator.

GİRİŞ

Hastaların hareketlerini kısıtlamadan radyo sinyalleri kullanılarak istenilen parametrelerin bir merkezde toplanması ve değerlendirilmesi amacıyla geliştirilen biyomedikal telemetri sistemleri son yıllardaki araştırmaların ilgi odağı haline gelmiştir. Günümüzde biyomedikal telemetri sistemleri sayesinde birçok hastalığın takibi rahatlıkla yapılabilmektedir. Bu sistemlerin önemli bileşenlerden birisi de, hastanın biyolojik sinyallerini dışarıdaki cihazlara kablosuz bir şekilde iletimini sağlayan antenlerdir. Bu kapsamda biyomedikal sistemlerde kullanılmak üzere geliştirilecek antenlerin biyo-uyumlu, küçük hacimli ve düşük çıkış gücüne sahip olması arzu edilmektedir. Tüm bu gereksinimler göz önüne alındığında biyomedikal telemetri uygulamalarında mikroşerit antenler ön plana çıkmaktadır [1-5].

Biyomedikal uygulamalarda kullanılan antenler, vücut içerisine yerleştirilebilir (implant), yutulabilir ve giyilebilir antenler olmak üzere üç sınıfa ayrılabilir [3]. İmplant antenler, vücut içerisinde belirli bir konuma sabit olarak yerleştirilerek ve mikrodalga görüntüleme, kalp ritim bozuklukları, kanser teşhis ve tedavilerinde veri iletiminin sağlanmasında kullanılmaktadırlar. Yutulabilir antenler, vücut içindeki değişkenlik göster bazı parametrelerin (örneğin; ısı) aktarılmasında ayrıca kolon kanserinin teşhisinde de kullanılabilir. Ayrıca son zamanlarda karşılaşılan giyilebilir antenler ise vücut yüzeyine yerleştirilerek kalp ritmi, kandaki oksijen miktarı ve kandaki şeker seviyesi gibi değerlerin iletiminde kullanılabilmektedirler [4].

İmplant antenler vücut içerisine yerleştirileceğinden dolayı kullanılacak malzemelerin ve tasarlanacak antenlerin küçük boyutlu, düşük güç tüketimli ve vücuda uyumlu olması gerekmektedir [5]. Literatürdeki implant anten tasarımları, biyomedikal uygulamalar için tahsis edilmiş olan, MICS (Medical Implant Communications Service; 402 405MHz) ve/veya ISM (Industrial, Scientific and Medical; 2.4 2.48GHz) bantlarında çalışacak şekilde tasarlanmaktadırlar [6, 7].

Bildiride, MICS ve ISM bantlarında performans gösteren çift-bantlı bir mikroşerit implant anten tasarımı önerilmektedir. Önerilen antenin tasarımı CST Microwave Studio yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiş ve bildiride ilgili tasarıma ait (S11, Işıma Örüntüsü, SAR) benzetim sonuçlarına yer verilmektedir.

1. ANTEN TASARIMI Önerilen mikroşerit implant anten tasarımı Şekil 1’de yer almaktadır. Görüldüğü üzere, implant anten yapısı, iç içe yerleştirilmiş iki adet kare şeklindeki yarık-halka elemanı ve bu halkaları birbirine birleştiren bir metalik şerit elemandan meydana gelmektedir. Tasarlanan anten, deri altına yerleştirileceğinden, ışıma elemanları ile dokunun temas etmesini önlemek için, ışıma elemanı 1.27 mm kalınlığındaki iki adet dielektrik tabaka arasına (Rogers RO3210, r=10.2, tan =0.0027) yerleştirilmiştir. Ayrıca, anten yapısının daha da küçük boyutlu olması için dıştaki yarık halka ile toprak düzlemi, 0.4 mm kalınlığındaki metal bir tel ile birleştirilmiştir. Bu tel sayesinde, anten elemanının elektriksel boyutu yaklaşık olarak iki katına çıkarılmış, böylece anten yapısının rezonans frekansı yaklaşık olarak yarıya düşürülmüştür [8]. Oldukça küçük boyutlu olan mikroşerit anten yapısı 50 Ω’luk koaksiyel tipteki bir konnektör ile beslenmektedir.

Şekil 2’de implant antenin ilgili frekans aralığındaki geri dönüş kaybına (S11) ait benzetim sonuçları gösterilmektedir.

1830

2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)

Görüldüğü üzere ilgili anten 393 423 MHz ve 2.25 2.56 GHz frekans aralıklarında olmak üzere çift-bant performans sergilemektedir. Bu aralıklar MICS ve ISM bantlarının tamamını kapsamaktadır. Tasarımın ilgili bantlardaki -10dB bant genişliği sırası ile %7 ve %13 olarak hesaplanmıştır.

ÜsttaşAlttaşr

Doku

2h

3mm

L0

L 0

KoaksiyelBesleme

Pin

L 1 L 2W1

g

S

F

g

Şekil 1: Önerilen implant anten konfigürasyonu ve tasarım parametreleri: L0=14, L1=12, L2=6.6, W1=1.7, g=1, S=2.8, F=11.2, h=1.27 (hepsi mm), r=10.2.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Frekans (GHz)

S 11

(dB)

Şekil 2: Tasarımın geri-dönüş kaybı (S11) sonuçları.

Şekil 3’te ise, tasarlanan implant antenin 403 MHz ve

2.44 GHz frekanslarındaki ışıma diyagramları verilmektedir. Görüldüğü üzere, önerilen tasarım, φ=0o ve φ=90o düzlemlerinde oldukça benzer ışıma karakteristiğine sahip

olup ilgili frekans bantlarındaki ortalama yönlendirme kazançları sırasıyla 2.1 dBi ve 4.52 dBi seviyelerindedir.

-20-10 0 dB

30o

60o

90o90o

60o

30o=0o

180o

120o

150o 150o

120o

403 MHz

φ = 0o

φ = 90o

-20-10 0 dB

30o

60o

90o90o

60o

30o=0o

180o

120o

150o 150o

120o

2.44 GHz

φ = 0o

φ = 90o

Şekil 3: Önerilen implant anten tasarımına ait ışıma örüntüsü benzetim sonuçları.

İmplant anten tasarımlarının vücutta oluşturabilecekleri en

olumsuz etkilerden birisi, antenden gerçekleşecek elektromanyetik ışımalar sonucunda vücut ya da doku ısısını 1oC’den daha fazla arttırmasıdır. İnsan vücudundaki 1 kg’lık bir dokunun sıcaklığının 1oC artması için 4 W’lık güç soğurması gerekmektedir. Bu değerin 1/50’si (0.08W/kg) genel yaşam alanları için limit değer olarak kabul edilmektedir. Vücut içerisine yarleştirilen implant anten yapısından kaynaklı olarak dokudaki aşırı ısınmayı engellemek amacıyla 1 gramlık vücut dokusu için ortalama özgül soğurma oranı (Specific Absorption Rate; SAR) 1.6 W/kg olarak öngörülmektedir [9]. Şekil 4’te, tasarlanan implant antenin 403 MHz ve 2.44 GHz frekanslarında hesaplanan SAR değerleri yer almaktadır. Görüldüğü üzere, tasarlanan anten için hesaplanan maksimum SAR değeri 233 W/kg seviyelerindedir. İlgili değer anten girişine 1 W’lık bir sinyal bağlandığında elde edilmiştir. Dolayısı ile SAR değerinin ≤ 1.6 W/kg olabilmesi için önerilen implant antenin girişine en fazla 6.8 mW’lık bir güç verilmesi uygundur.

1831

2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)

@ 403 MHz

@ 2.44 GHz

Şekil 3: Önerilen implant anten tasarımına ait SAR sonuçları.

2. SONUÇLAR Bildiride, yeni bir çift-bantlı mikroşerit implant anten tasarımı ve tasarıma ait ilgili sayısal analiz sonuçlarına yer verilmiştir. Önerilen implant anten tasarımı, iç içe geçmiş iki adet kare şeklindeki yarıklı halka yapısından ve aralarındaki metalik şeritten meydana gelmektedir. Dıştaki halka ile toprak düzlemi arasına metal bir tel yerleştirilerek anten yapısının daha küçük boyutlu olması sağlanmıştır. Önerilen tasarım MICS ve ISM bantlarında %7 ve %13 empedans bant genişliğine, 2.1 dBi ve 4.52 dBi yönlendirme kazancına sahiptir. Ayrıca tasarlanan implant antenin vücuda zarar vermemesi için anten girişine en fazla 6.8 mW’lık bir güç verilmesi gerektiği gösterilmiştir.

3. KAYNAKÇA [1] Kiourti, A. Konstantinos, A. Psathas, J. R. Costa, C. A.

ve Konstantina S. N., “Dual-Band Implantable Antennas for Medical Telemetry: A Fast Design Methodology and Validation for Intra-Cranial Pressure Monitoring”, Progress In Electromagnetics Research, 141, 161-183, 2013.

[2] Sondaş, A. ve Ucar M.H.B., “An Implantable Microstrip Antenna Design for Biomedical Telemetry. 10th International Conference on Electronics, Computer and Computation ICECCO'13, 36-39, 2013.

[3] Topsakal, E. “Antennas for Medical Applications: Ongoing Research and Future Challenges”, International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications ICEAA '09, 890-893, 2009.

[4] Zengin, F., Türetken, B. Akkaya, E. ve San, S.E., “Ekit (implant) Uygulamaları İçin Geniş Bantlı Anten Tasarımı”, 15th National Biomedical Engineering Meeting (BIYOMUT), 1-4, 2010.

[5] Çakmak, G. Özen, Ş. ve Başaran, S.C. “Biyomedikal Uygulamaları için Kompakt Anten Tasarımı”, 2. Ulusal EMC Konferansı, 1-4, 2013.

[6] Medical Implant Communication Service (MICS) federal register. Rules and Regulations 1999, 64.240: 69926 69934.

[7] European Radiocommunications Commission (ERC) Recommendation 70-03 relating to the use of short range devices. Conf. Eur. Postal. Telecomm. Admin. 1997, CEPT/ERC 70-03, Annex 12.

[8] Soontornpipit, P. Furse, C.M. ve Chung, Y.C. “Design of implantable microstrip antenna for communication with medical implants”, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 52(8), 1944-1951, 2004.

[9] IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radiofrequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300GHz, IEEE Standard C95.1, 1999.

1832

2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)