Medikal uygulamalar için mikroşerit implant antenlerin sayısal analizi ve tasarımı

Abstract

Son yıllardaki medikal cihaz teknolojisindeki gelişmeler, biyotelemetri sistemlerini de etkilemiş ve medikal cihazların bu alandaki kullanımı artmıştır. Biyotelemetri sistemleri, insan vücudundaki hayati değerlerin uzaktan takibini yaparak, doktorlara hastalıkların teşhis ve tedavisinde yardımcı olmaktadır. Biyotelemetri sistemlerini oluşturan önemli bileşenlerden biri olan antenler, verilerin kablosuz olarak aktarılması ve ilgili sistemin minyatürizasyonunda hayatî bir rol oynamaktadır. Bu kapsamda küçük hacimli, düşük kayıplı/ maliyetli/ saçılma karakteristikli ve fabrikasyonlarının kolay olmasıyla mikroşerit antenler bu tür sistemlerde tercih edilmektedir. Ayrıca biyotelemetri uygulamalarında kullanılacak olan implant antenlerin bahsi geçen özelliklere ek olarak düşük güç tüketimine ve özgül soğurma oranına (SAR) sahip olması gerekmektedir. Buna ek olarak tasarlanacak implant antenler, medikal uygulamalar için tahsis edilen MICS ve/veya ISM bantlarında çalışacak şekilde tasarlanmaktadır.Bu tez çalışmasında, biyotelemetri uygulamalarında kullanılmak üzere beş yeni implant anten tasarımı tanıtılmaktadır. Önerilen implant antenler, insan ve fare derisinin dielektriksel özelliklerine sahip ortamda ve uluslararası kuruluşlarca belirlenen MICS/ ISM-bantlarında çalışacak şekilde tek/ çift-bantlı olarak tasarlanmıştır. Geliştirilen implant antenler düşük boyut makul seviyedeki tek/ çift-bant ışıma performanslarıyla ön plana çıkmaktadır. Tasarımların sayısal analizi ve tasarımı CST Microwave Studio ve Ansoft HFSS simülatörleri kullanılarak yapılmıştır. Ayrıca fabrikasyonları gerçekleştirilen prototiplere ait hava ve deri taklit jeli içerisindeki ölçüm sonuçlarının benzetim sonuçlarıyla, oldukça uyumlu olduğu gözlemlenmiştir.

In recent years advances in medical device technology, has also affected the biotelemetry systems and increased usage of medical devices in these systems. Biotelemetry systems assist the doctors for diagnosis and treatment of disease by remotely monitoring the vital signs of the patients. While the antennas which are an essential component of the biotelemetry systems allow remote communication also play a crucial role in miniaturizing the device. In this context, microstrip antennas have been preferred in such systems owing to their low-profile, low loss/ cost/ scattering and ease of fabrication characteristic. However, these features consistent with implantable devices are not sufficient enough for the medical applications. The antennas which have to be compatible with body surface must have low Specific Absorption Rate (SAR) and low power consumption. In addition to these features, implantable antennas must be designed to operate at desired frequency bands of MICS and/ or ISM which are allocated by international councils such as FCC and ITU.In this thesis, five new implantable microstrip antenna designs are introduced for biotelemetry applications. Proposed implant antennas are designed to operate in media having dielectric properties of human or rat skin by covering both or one of MICS/ ISM-bands. The proposed implant antennas with low size and reasonable single/ dual-band radiation performances are remarkable. The numerical analysis of the proposed antenna designs have been carried out using CST Microwave Studio and Ansoft HFSS simulators. In addition, the antenna prototypes were fabricated and measured in air and rat/ human skin-mimicking gels. It is observed that the simulation and measurement results are quite consistent.