CN110970725A - 一种用于医疗遥测的植入式天线及植入式医疗设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于医疗遥测的植入式天线及植入式医疗设备，该天线包括：介质基板，用于提供安装支撑，介电常数恒定；金属层，其中一面固定在介质基板的一面，包括位于中心的辐射贴片和位于辐射贴片外围的导体层；辐射贴片包括两个并排的在平面上呈螺旋状的结构，其中一个螺旋状结构的外端连接在另一螺旋状结构上，另一螺旋状结构上靠近外端的部位形成有馈电端；导体层包括两个开口相对形成合围之势的半包围体，两个半包围体端部之间均形成间隙；馈电端伸入其中一个间隙内；覆盖层，覆盖于金属层背离所述介质基板的一面上并固定连接。用于解决现有技术中体积大等问题，实现双频较高增益，保证天线的性能。
Description
技术领域
本发明涉及医疗遥测技术领域，具体是一种用于医疗遥测的植入式天线及植入式医疗设备。
背景技术
近年来，随着无线通信系统的广泛应用和电子信息产业的快速发展，医疗植入式电子设备也被广泛应用于疾病治疗和生理检测等领域，为病人的生活提供了很多便利。因此，用于医疗的植入式天线的研究近年来受到越来越多的关注。生物医学遥测技术建立了人体内部与外部之间生理信号的传输通道。植入式医疗设备通常植入医疗器械通常工作在MICS频段(402～405MHz)。为了延长植入医疗器械的使用时间，可选用的方法是使其工作在双频带，在不使用的时候打开休眠模式。采用多频段植入式天线还可在进行通信的同时可以实现诸如无线充电等的其他功能。植入式天线在双频带工作有较大的使用价值。
共面波导(CPW)馈电单极子天线已经被提出用于MICS(Medical ImplantCommunications Services,402～405MHz)频段，但现有设计单频工作且尺寸偏大；在文献调查中，发现设计了一款工作于MICS频段的类偶极子植入式天线，找到了提高增益的方法，但也是尺寸偏大，还提出了一种尺寸为17mm×16mm×1.27mm的双频PIFA植入式天线，使用了双层贴片结构，使用层叠式去实现双频工作，在植入式电子系统的狭小空间内，增加了空间容量的负担。
小型化直接决定天线能否植入人体的相应部位中以及植入后人体的舒适度。当前，具有单层金属辐射片的双带植入天线的尺寸普遍较大，需要进一步缩减。而使用层叠辐射片的植入天线虽然有较小的平面尺寸，但往往具有更大的厚度和更复杂的结构。因此，需要设计一些新型小型化的双带植入天线来满足植入医疗器械的性能。
总体来说，在设计上需要加以创新，在满足SAR值标准的前提下，既减小了尺寸，又获得了较高的增益，保证了天线的性能。
发明内容
本发明提供一种用于医疗遥测的植入式天线及植入式医疗设备，用于克服现有技术中尺寸大等问题，实现天线的小型化设计，并可实现双频较高增益，保证天线的性能。
为实现上述目的，本发明提供一种用于医疗遥测的植入式天线，包括：
介质基板，用于提供安装支撑，介电常数恒定；
金属层，其中一面固定在所述介质基板的一面，包括位于中心的辐射贴片和位于所述辐射贴片外围的导体层；所述辐射贴片包括两个并排的在平面上呈螺旋状的结构，其中一个螺旋状结构的外端连接在另一螺旋状结构上，另一螺旋状结构上靠近外端的部位形成有馈电端；所述导体层包括两个开口相对形成合围之势的半包围体，两个半包围体端部之间均形成间隙；所述馈电端伸入其中一个间隙内；
覆盖层，覆盖于所述金属层背离所述介质基板的一面上，并与所述金属层固定连接。
优选地，所述半包围体呈U形，用于接地；每个所述半包围体均将两个螺旋状结构的一部分包围在内。
优选地，所述半包围体由铜制成。
优选地，所述金属层为平面板状结构。
优选地，所述螺旋状结构的螺旋线圈呈矩形，分别由两条纵向导线和两条横向导线交替收尾连接形成；
两所述螺旋状结构在横向上并排；所述半包围体的底部沿横向设置，两侧沿纵向设置。
优选地，没有设置馈电端的所述螺旋状结构包括两圈矩形螺旋线圈。
优选地，设置有馈电端的所述螺旋状结构包括1.5～1.8圈矩形螺旋线圈。
优选地，所述介质基板、金属层和覆盖层复合形成的整体天线的长和宽均为10mm，厚为1.27mm；所述螺旋状结构的螺旋线宽为0.5mm，在金属层所在平面上的螺距为0.25mm，螺旋线与所述半包围体之间的间距为0.5mm。
优选地，所述覆盖层与所述介质基板的介电常数相同，均为10.2。
为实现上述目的，本发明还提供一种植入式医疗设备，包括用于模拟皮肤组织的模拟体、植入式电子系统和嵌设在所述模拟体内的植入式天线，所述植入式天线为上述的用于医疗遥测的植入式天线；所述植入式电子系统包括电路板及集成在所述电路板上的电池和传感器，所述植入式天线也集成在所述电路板上；所述电池用于给集成在所述电路板上的传感器、电路及植入式天线供电，所述传感器用于获取感知的待测物相关信息并传输至电路进行处理，最后经植入式天线发射。
本发明提供的用于医疗遥测的植入式天线及植入式医疗设备，本方案的天线源于一个典型的类偶极子天线，可采用共面波导(CPW)馈电的平面天线结构，共面波导方式的辐射单元(折合蜿蜒螺旋偶极子结构的方法使天线尺寸得到降低，并设计出双频工作的辐射单元结构。)和馈电单元(馈电端)在同一平面上，即在介质基片的一个面上通过贴设金属层中的辐射贴片制作出中心导体带，通过上述紧凑的结构布置，能够实现在较小的平面范围内构建较长的导线，以提高天线的谐振特性，同时，上述的半包围体用于接地，接地面扩大，有利于扩大天线接地面与环绕带之间电容耦合区域的面积，从而增加辐射面的电场强度，进而增加天线的增益；并且易于和有源器件集成，易于实现宽频带和直连、感性耦合和容性耦合多种馈电方式。在实现天线在双频段工作的同时，进一步减小了天线的尺寸，并保持了较高的远场增益，保证了天线的性能。使用CPW馈电发生设计植入式天线具有如下优点：(1)工艺简单，成本低。由于共面波导结构所有接地线都在上表面，可以很便捷地串联或者并联其他器件，因而完全不需接触孔所从而有效地降低了成本；(2)由于在相邻的CPW结构之间的屏蔽性能好于其他结构，所以CPW结构在集成度上有着天然的优势，而这也可以使得最后的芯片制作中能有更小巧的外观从而实现了小型化目的；(3)比金属孔有更低的接地电感；(4)低的阻抗和速度色散。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的植入式天线中金属层的平面示意图；
图2a为本发明实施例一提供的植入式天线的立体图；
图2b为图2a的立体分解示意图；
图3为本发明实施例二提供的植入式医疗设备中天线植入模拟块的示意图；
图4为天线仿真实验的回波损耗和电压驻波比示意图；
图5为天线的在402MHz的二维方向图；
图6为天线的在1.43GHz的二维方向图；
图7为本发明实施例二提供的植入式医疗设备结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例一
如图1、图2a、图2b所示，本发明实施例提供一种用于医疗遥测的植入式天线，包括：介质基板1、金属层2、覆盖层3；介质基板1用于提供安装支撑，介电常数恒定；
金属层2其中一面固定在所述介质基板1的一面，包括位于中心的辐射贴片21和位于所述辐射贴片21外围的导体层22；所述辐射贴片21包括两个并排的在平面上呈螺旋状的结构，其中第一螺旋状结构10的外端101连接在第二螺旋状结构20上，第二螺旋状结构20上靠近外端201的部位形成有馈电端23；所述导体层22包括两个开口相对形成合围之势的半包围体220，两个半包围体端部之间均形成间隙221；所述馈电端23伸入其中一个间隙221内；覆盖层3覆盖于所述金属层2背离所述介质基板1的一面上，并与金属层2固定连接。
优选地，所述金属层为平面板状结构。以采用共面波导(CPW)馈电的平面天线结构。
植入式天线的设计主要在于小型化和低频段。高介电常数的介质基板可以减小谐振频率，天线的总线长也会影响天线的谐振特性。如公式(1)所示，在介电常数不变的情况下，电长度增加，电路路径则会加长，天线的有效长度增大Lantenna，那么谐振频率将会降低。
其中，c是光速(3×108m/s),f为天线的谐振频率，εr是介电常数。
对于植入式天线而言，所处的电磁环境为混合媒介，植入生物组织后，有效的介电常数发生了一定的改变，根据Lichtenecker公式(公式(2))可知，有效介电常数与各个混合媒介的介电常数和体积分数有关。植入生物组织深度、天线介质基板的厚度都会对有效介电常数产生影响。通过各个参数分析，用εeff替换公式(1)中的εr，得到的介电常数εeff会更加准确。
ln(εeff)＝v2ln(ε1)+v1ln(ε2) (2)
其中，公式中的v1、v2为两种物质的相对体积分数，ε1、ε2为两种物质的相对介电常数。
优选地，所述半包围体220呈U形，用于接地；每个所述半包围体220均将两个螺旋状结构的一部分包围在内。半包围体220用金属制成，所述半包围体是作为接地面的金属贴片结构。优选地，所述半包围体由铜制成。铜为一种性价比较好的优良导体。第一螺旋状结构10、第二螺旋状结构20的平面形状均为矩形，两者在排列时在宽度方向上并排，并排后能形成正方形，并且U形的半包围体220的开口能从一端将并排的两个螺旋结构长度方向上的一半均包围在其内，另一个U形的半包围体220的开口能从另一端将并排的两个螺旋结构长度方向上的另一半均包围在其内。一方面，形成紧凑的排列结构，减小体积；另一方面，共面波导天线接地面(即铜围)设计的结构会对天线性能结构有较大的影响，通常共面波导天线的接地面分布在辐射体的周边，且未对接地面延长处理，经过实验验证与优化，采用本设计中的U型接地面，将天线外层的U形接地面扩大，有利于扩大天线接地面与环绕带之间电容耦合区域的面积，从而增加辐射面的电场强度，进而增加天线的增益。天线增益公式如式(3)所示：
G＝ηD (3)
其中，公式中，G代表增益系数，η代表天线的辐射效率，D为天线的方向性系数；辐射面的电场强度越大D越高。天线的增益系数描述了一个实际天线与理想的无方向性无损耗天线相比，在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数。
优选地，第一螺旋状结构10及第二螺旋状结构20的螺旋线圈呈矩形，分别由两条纵向导线和两条横向导线首尾交替连接形成；两所述螺旋状结构在横向上并排；所述半包围体23的底部沿横向设置，两侧沿纵向设置。
优选地，第一螺旋状结构10包括两圈矩形螺旋线圈。
优选地，第二螺旋状结构20包括1.5～1.8圈矩形螺旋线圈。上述设计能够满足较大增益。
优选地，所述金属层2长和宽均为10mm，厚为1.27mm；所述螺旋状结构的螺旋线宽为0.5mm，在金属层2所在平面上的螺距为0.25mm，螺旋线与所述半包围体220之间的间距为0.5mm。
优选地，所述覆盖层3与所述介质基板1的介电常数相同，均为10.2。覆盖层和介质基板均采用Rogers3010，介电常数为10.2。铜围(铜质半包围体)的作用相对于是接地面。
相比同轴馈电：同轴馈电的方法也会产生一些问题，其中同轴馈电带来的窄带问题一直困扰设计者的一条“拦路虎”，另外由于在同轴馈电中探针位置的毫厘偏差也会使得设计的天线的性能产生非常大的偏差因此也会带来设计的困难性和复杂性；同时对于利用同轴馈电所设计的天线如果其介质基板的厚度相对较厚也会导致交叉极化更加明显。
考虑到小型化的问题，天线设计采用高介电常数介质和折合蜿蜒偶极子结构的方法使天线尺寸得到降低，并设计双频工作。为了适应加工制造、和生物辐射限制问题，在不影响天线性能的前提下，对所获得的天线设计进行了进一步的优化改进。植入式天线在皮肤组织模型中进行了仿真验证。给出了天线的回波损耗、方向图、远场增益和比吸收率等详细结果。
本文设计了一种工作于医疗植入装置通讯服务(Medical ImplantCommunications Services,MICS)频段(402～405MHz)和无线医疗遥测服务(WirelessMedical Telemetry Service,WMTS)频段(1.427～1.432MHz)的CPW馈电双频植入式天线。该天线的尺寸为10mm×10mm×1.27mm，尺寸比现有的更小。本设计利用简单的单层辐射贴片结构实现双频段工作，与现有的双频天线相比，多数使用堆叠结构，进一步加大了植入式电子系统的空间使用的负担，本设计更有优越性。在实现天线在双频段工作的同时，进一步减小了天线的尺寸，并保持了较高的远场增益，保证了天线的性能。植入式天线在双频带工作有较大的使用价值。为植入式天线的研究与设计提供了参考。
本设计采用共面波导馈电(CPW)，即在介质基片的一个面上制作出中心导体带，并在紧邻中心导体带的两侧制作出导体平面。天线结构如图1所示。该植入式天线是一层金属贴片紧凑型结构，其尺寸为10mm×10mm×1.27mm，为保护人体直接接触，如图2a、图2b所示设计天线的三维结构图，在天线贴片上方加一个覆盖介质板，与介质层一样，均采用Rogers3010，介电常数为10.2。
本设计通过公式(1)、(2)可估算出天线的总线长，采用折合蜿蜒偶极子结构来增加电流路径，使得天线谐振频率降低，与此同时实现阻抗匹配。在仿真中，将所设计的天线放入到单层皮肤模型中，皮肤组织在本设计工作频点下的电参数如表1所示。模型的尺寸为100mm×100mm×30mm，植入深度为5mm。天线植入模拟皮肤组织的示意图如图3所示。
表1皮肤组织在常用频率下的电性能参数
在植入式电子设备和人体外部通信设备进行无线通信时，植入式天线的辐射功率太大，会对人体健康造成一定的影响。国际上用比吸收率(SAR)来描述人体组织和电磁波的相互作用，1g平均比吸热率(1-g SAR)定义为单位时间内单位质量的物质吸收的电磁辐射能量，单位时W/kg。
植入式天线工作时，为了不对人体造成伤害，IEEEC95.1-1999标准规定了1-g SAR不能超过1.6W/kg。通过设置入射功率为1W，1g的SAR值远大于标准。通过计算，降低入射功率至1.2mW时，在402MHz和1.43GHz时的SAR值分别为小于1.6W/kg，达到规定的标准。
天线的回波损耗、电压驻波比(VSWR)、方向图、增益是分析天线性能的重要指标。
图4中，通过对折合蜿蜒路径的参数扫描优化，得到最佳天线的回波损耗。回波损耗(即S11)，又称反射损耗。当馈线和天线匹配时，馈线上没有反射波，只有入射波，即馈线上传输的只是向天线方向行进的波。这时，馈线上各处的电压幅度及电流幅度都相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。天线一般回波损耗低于-10dB则表示该天线在该频段能正常工作。
电压驻波比(VSWR)指驻波波腹电压与波节电压幅度之比，又称为驻波系数、驻波比。驻波比等于1时，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗。天线一般VSWR小于等于2dB为设计较好。
如图4在中心频率402MHz和1.43GHz处的回波损耗分别为-28.97dB和-30.37dB，并且优化得到电压驻波比在双频工作频段内小于2dB。馈线和天线的阻抗匹配较好，能量的反射损耗较少。
天线辐射电磁波是有方向性的，它表示天线向一定方面辐射电磁波的能力。反之，作为接收天线的方向性表示了它接收不同方向来的电磁波的能力。我们通常用垂直平面及水平平面上表示不同方向辐射(或接收)电磁波功率大小的曲线来表示天线的方向性，并称为天线的方向图。
增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关。
图5、图6中，植入式天线在辐射效率限制的情况下，天线的远场増益可以看作实现可靠通信所需的生物遥测灵敏度。对植入式天线来说，天线增益一般较低，比如在MICS频既増益通常在-46dBi到-24dBi之间。天线的尺寸越小，电容效应越明显，能量辐射效率越低，产生的增益就低。为了増加生物遥测通信的范围，需要尽可能増加植入式天线的増益。图5、图6为双频植入式天线分别在谐振频率402MHz和1.43GHz时仿真所得到的方向图，图5、图6分布展示了天线在两个谐振频率(402MHz和1.43GHz)处，xoy面、xoz面、yoz面上的二维增益方向图。在402MHz和1.43GHz处的最大增益分别为-31.68dBi和-17.98dBi。
实施例二
参见图3、图7，基于上述实施例一，本发明实施例还提供一种植入式医疗设备，包括用于模拟皮肤组织的模拟体(参见图3中的皮肤模型)、植入式电子系统和嵌设在所述模拟体内的植入式天线，所述植入式天线为任一实施例一所述的用于医疗遥测的植入式天线；所述植入式电子系统包括电路板及集成在所述电路板上的电池和传感器，所述植入式天线也集成在所述电路板上；所述电池用于给集成在所述电路板上的传感器、电路及植入式天线供电，所述传感器用于获取感知的待测物相关信息并传输至电路进行处理后，经植入式天线发射。技术效果参见上述实施例一，在此不再赘述。植入式医疗设备通过微型传感器提取生物体相关信息参数，通过电路处理之后，经过天线对信息发送出体外至电脑终端，得到有用的生物体医疗信息。该植入式医疗设备可做成植入皮肤组织的各种植入式电子医疗设备，如头皮植入式设备等。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于医疗遥测的植入式天线，其特征在于，包括：
介质基板，用于提供安装支撑，介电常数恒定；
金属层，其中一面固定在所述介质基板的一面，包括位于中心的辐射贴片和位于所述辐射贴片外围的导体层；所述辐射贴片包括两个并排的在平面上呈螺旋状的结构，其中一个螺旋状结构的外端连接在另一螺旋状结构上，另一螺旋状结构上靠近外端的部位形成有馈电端；所述导体层包括两个开口相对形成合围之势的半包围体，两个半包围体端部之间均形成间隙；所述馈电端伸入其中一个间隙内；
覆盖层，覆盖于所述金属层背离所述介质基板的一面上，并与所述金属层固定连接。
2.如权利要求1所述的用于医疗遥测的植入式天线，其特征在于，所述半包围体呈U形，用于接地；每个所述半包围体均将两个螺旋状结构的一部分包围在内。
3.如权利要求2所述的用于医疗遥测的植入式天线，其特征在于，所述半包围体由铜制成。
4.如权利要去2或3所述的用于医疗遥测的植入式天线，其特征在于，所述金属层为平面板状结构。
5.如权利要去4所述的用于医疗遥测的植入式天线，其特征在于，所述螺旋状结构的螺旋线圈呈矩形，分别由两条纵向导线和两条横向导线首尾交替连接形成；
两所述螺旋状结构在横向上并排；所述半包围体的底部沿横向设置，两侧沿纵向设置。
6.如权利要求5所述的用于医疗遥测的植入式天线，其特征在于，没有设置馈电端的所述螺旋状结构包括两圈矩形螺旋线圈。
7.如权利要求6所述的用于医疗遥测的植入式天线，其特征在于，设置有馈电端的所述螺旋状结构包括1.5～1.8圈矩形螺旋线圈。
8.如权利要求1～3任一项所述的用于医疗遥测的植入式天线，其特征在于，所述介质基板、金属层和覆盖层复合形成的整体天线的长和宽均为10mm，厚为1.27mm；所述螺旋状结构的螺旋线宽为0.5mm，在金属层所在平面上的螺距为0.25mm，螺旋线与所述半包围体之间的间距为0.5mm。
9.如权利要求1所述的用于医疗遥测的植入式天线，其特征在于，所述覆盖层与所述介质基板的介电常数相同，均为10.2。
10.一种植入式医疗设备，包括用于模拟皮肤组织的模拟体、植入式电子系统和嵌设在所述模拟体内的植入式天线，所述植入式天线为权利要求1～9任一项所述的用于医疗遥测的植入式天线；
所述植入式电子系统包括电路板及集成在所述电路板上的电池和传感器，所述植入式天线也集成在所述电路板上；
所述电池用于给集成在所述电路板上的传感器、电路及植入式天线供电，所述传感器用于获取感知的待测物相关信息并传输至电路进行处理，最后经植入式天线发射。
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