DE202023101251U1

DE202023101251U1 - Eine kompakte Ultrabreitbandantenne für neuronale Aufzeichnungen mit hoher Datenrate für Gehirn-Computer-Schnittstellen

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Publication number: DE202023101251U1
Application number: DE202023101251.5U
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Priority date: 2023-03-15
Filing date: 2023-03-15
Publication date: 2023-03-30
Anticipated expiration: 2033-03-16

Abstract

Ein System (100) zum Entwerfen einer Ultrabreitbandantenne für Gehirn-Computer-Schnittstellen, wobei das System (100) Folgendes umfasst:
eine implantierbare modifizierte Schleifenantenne (102), die auf einer Grundplatte implantiert ist, wobei die Antenne auf einem Substrat mit einer bestimmten Dicke hergestellt ist;
ein Telemetriemodul (104) zum Entwerfen der Antenne (102), wobei das Telemetriemodul (104) ein Gehäuse einer biokompatiblen Kapsel (104a) und ein mehrschichtiges menschliches Hirnphantom (104b), einen Speicher (104c) und ein Steuermodul (104d) aufnimmt, wobei das mehrschichtige menschliche Hirnphantom (104b) die biokompatible Kapsel (104a) enthält und sich das Telemetriemodul (104) innerhalb des Gehäuses der biokompatiblen Kapsel (104a) befindet; und
ein Optimierungsmodul (106), das mit der Antenne (102) verbunden ist und so konfiguriert ist, dass es:
Berechnung der Resonanzfrequenz und der Eingangsimpedanz der gleichseitigen Dreiecksschleifenantenne;
eine niedrigere Resonanz zu erzielen, indem der Strompfad vergrößert und die Dreiecksschleife in eine Sierpinski-Schleife umgewandelt wird;
die Sierpinski-Schleife zu modifizieren, indem selektiv Seiten von der Antenne entfernt werden, um eine Miniaturisierung zu erreichen; und
ein Fertigungsmodul (108), das mit dem Optimierungsmodul (106) verbunden ist und dazu konfiguriert ist,:
einen rechteckigen Schlitz aus einer oberen rautenförmigen Schleife schneiden;
einen L-förmigen Metallstreifen an ein offenes Ende der Schleife anschließen und am Ende einen Kurzschlussstift anbringen;
eine geschlossene Schleife an einem unteren Abschnitt der Antenne anbringen, die ein Muster und einen geschlossenen Boden aufweist; und
einen Kurzschlussstreifen mit dem L-förmigen Metallstreifen verbinden, um eine Impedanzanpassung in den Bändern der Antenne zu erreichen.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Antennen- und Übertragungssysteme. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System zum Entwerfen einer Ultrabreitbandantenne für neuronale Aufzeichnungen mit hoher Datenrate, die für Gehirn-Computer-Schnittstellen erforderlich sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCI) haben ein großes Potenzial, das Leben von Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen zu verbessern, die Gehirnfunktion von Alzheimer-, Parkinson- und Suchtpatienten zu verbessern, Epilepsie frühzeitig zu diagnostizieren und die Kommunikation und Mobilität von gelähmten Menschen zu ermöglichen.
Im Jahr 2021 belief sich der Wert des BCI-Marktes auf 1.52 Milliarden USD. Und es wird erwartet, dass er aufgrund des schnellen technologischen Fortschritts bis 2030 um mindestens 17.6 % mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate wachsen wird. Brain Computer Interfaces (BCI) erfordern eine drahtlose Verbindung zwischen einem ins Gehirn implantierten Gerät und einem externen Controller. Für die Aufzeichnung neuronaler Aktivitäten im Gehirn sind hohe Datenraten erforderlich, und mit der Ultrabreitbandtechnologie (UWB) können wir eine hohe Datenrate für kurze Entfernungen bei geringem Stromverbrauch erreichen, was für die Aufzeichnung neuronaler Aktivitäten eine ziemlich gute Wahl ist.
Ultrabreitband-Signale (UWB) sind nicht lizenziert und von der FCC (Federal Communications Commission) im Frequenzbereich von 3.1 bis 10.6 GHz zugelassen. UWB bietet nicht nur hohe Bitraten, sondern sorgt auch für eine kompakte Antennengröße.
In der Literatur haben viele Autoren implantierbare Antennen für Gehirnimplantate vorgeschlagen, in Gehirn implantierbare Antennensystem für neuronale Aufzeichnung in der Dual-Band (HF und UHF) wurde vorgeschlagen. Die Größe der implantierbaren Antenne und der externen Empfängerantenne beträgt 25 mm bzw. 85 mm. Es wurde eine implantierbare Schmalbandantenne für das Gehirn vorgeschlagen, die im ISM-Bereich bei 2.45 GHz arbeitet. Diese Antenne wurde in einem mehrschichtigen Hirnphantom mit einer Bandbreite von nur 80 MHz (2.42-2.5 GHz) entwickelt, und die Abmessungen der Antenne betrugen 10×10×0.5 mm³.
Eine weitere implantierbare kreisförmige Antenne für Gehirnimplantate mit einer Fläche von π×3.5², die im ISM-Band bei 2.45 GHz arbeitet, wurde vorgeschlagen. Es wurde eine UltrabreitbandAntenne für neuronale Aufzeichnungen vorgeschlagen, die 12×12×0.8 mm³ groß ist und auf einem FR4-Substrat hergestellt und mit einer keramischen Aluminiumoxidschicht überzogen wurde, um Biokompatibilität zu gewährleisten. Dies ist die einzige Antenne, die für Brain Computer Interface (BCI) vorgeschlagen wurde, aber die Größe der Antenne ist ziemlich groß.
Die Bitfehlerrate (BER) wird bei der drahtlosen Kommunikation durch Intersymbolinterferenzen (ISI) eingeschränkt. Um ISI zu vermeiden, ist eine große Bandbreite erforderlich, und für mehrkanalige neuronale Aufzeichnungsanwendungen benötigt der implantierte Sender höhere Datenraten. Die anderen Frequenzbänder wie z.B.: 400-MHz- und 2.4-GHz-Frequenzbänder können für die Einkanal-Kommunikation mit Datenraten von mehreren Kbps verwendet werden.
US10452143B2 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren für die elektronische Prothetik beim Menschen, insbesondere eine in den Schädel und/oder die Wirbelsäule implantierbare bidirektionale Neuralkommunikations-/Gehirn-Maschinen-Schnittstelle (BBMI), bei der die Eingabe, die Ausgabe und die integrierte Datenverarbeitung in einer einzigen Einheit zusammengefasst sind, um eine kompakte neuroprothetische Vorrichtung zu bilden. Diese Erfindung bezieht sich auch auf ein vollständig implantierbares drahtloses elektronisches Aufzeichnungs- und Stimulationssystem für die Wirbelsäule, das die BBMI in einem Menschen verwendet. Die bidirektionalen Geräte (BBMIs) kommunizieren drahtlos mit anderen bidirektionalen Brain-Machine-Interface-Geräten (BBMIs) und/oder mit externen Steuerungen. Der kompakte implantierbare Stimulator verfügt über ein sekundäres Batterieladesystem mit Ultraschall. Ein oder mehrere BBMI können drahtlos verbunden werden, so dass eine geschlossene Schleife von BBMIs oder ein BBMI und ein externes Steuergerät drahtlos Triggerimpulse an diesen vollständig implantierten Stimulator über das Rückenmark senden können.
Eine Forschungsgruppe hat die SAR für implantierbare UWB-Antennen untersucht, die für Brain Computer Interface (BCI)-Anwendungen verwendet werden. Die Verwendung von UWB-Antennen wurde als sicher für Langzeitanwendungen wie BCI befunden. Die Autoren haben auch festgestellt, dass die SAR-Werte für ultrakompakte implantierbare Antennen geringer sein werden.
Unter Berücksichtigung aller oben genannten Faktoren besteht die Notwendigkeit, eine kompakte Low-SAR-Antenne für Brain Computer Interface zu entwickeln.
Die durch die vorliegende Erfindung offenbarten technischen Fortschritte überwinden die Einschränkungen und Nachteile bestehender und konventioneller Systeme und Methoden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System zur Entwicklung einer Ultrabreitbandantenne für Gehirn-Computer-Schnittstellen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine kompakte Ultrabreitband (UWB)-Antenne zur neuronalen Aufzeichnung für Brain-Computer-Schnittstellen zu entwickeln.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Integration der implantierbaren UWB-Antenne in das biokompatible Gehäuse der Gehirnkapsel.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das Gehäuse tief in das siebenschichtige Hirnphantom zu implantieren; und
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Leistung der Antenne in einer Kochsalzlösung zu messen, die die gleichen dielektrischen Eigenschaften wie das menschliche Gehirn hat.
In einer Ausführungsform ein System zum Entwerfen einer Ultrabreitbandantenne für Gehirn-Computer-Schnittstellen, wobei das System Folgendes umfasst:

eine implantierbare modifizierte Schleifenantenne, die auf einer Grundplatte implantiert ist, wobei die Antenne auf einem Substrat mit einer bestimmten Dicke hergestellt ist;
ein Telemetriemodul zur Auslegung der Antenne, wobei das Telemetriemodul ein biokompatibles Kapselgehäuse und ein mehrschichtiges menschliches Hirnphantom, einen Speicher und ein Steuermodul aufnimmt, wobei die biokompatible Kapsel zwischen dem Telemetriemodul und dem mehrschichtigen menschlichen Hirnphantom angeordnet ist; und
ein Optimierungsmodul, das mit dem Telemetriemodul verbunden ist und so konfiguriert ist, dass es:
- Berechnung der Resonanzfrequenz und der Eingangsimpedanz der gleichseitigen Dreiecksschleifenantenne;
- eine niedrigere Resonanz zu erzielen, indem der Strompfad vergrößert und die Dreiecksschleife in eine Sierpinski-Schleife umgewandelt wird;
- die Sierpinski-Schleife zu modifizieren, indem selektiv Seiten von der Antenne entfernt werden, um eine Miniaturisierung zu erreichen; und
- ein mit dem Optimierungsmodul verbundenes Fertigungsmodul, das so konfiguriert ist, dass es:
einen rechteckigen Schlitz aus einer oberen rautenförmigen Schleife schneiden;
einen L-förmigen Metallstreifen an ein offenes Ende der Schleife anschließen und am Ende einen Kurzschlussstift anbringen;
eine geschlossene Schleife an einem unteren Abschnitt der Antenne anbringen, die ein Muster und einen geschlossenen Boden aufweist; und
einen Kurzschlussstreifen mit dem L-förmigen Metallstreifen verbinden, um eine Impedanzanpassung in den Bändern der Antenne zu erreichen.

In einer Ausführungsform hat die Antenne die Form eines gleichseitigen Dreiecks, wobei die dreieckige Schleifenantenne aus einer kreisförmigen Schleife entwickelt wird.
In einer Ausführungsform haben beide Schleifenantennen die gleiche Dicke (t) und der Abstand von der Mitte zum Winkel ist gleich dem Radius der kreisförmigen Schleife.
In einer Ausführungsform hat das Substrat eine Dielektrizitätskonstante von 3 und eine Dicke von 0.7-0.8 mm.
In einer Ausführungsform ist die Antenne an der Oberseite des Telemetriemoduls im biokompatiblen Kapselgehäuse innerhalb des siebenschichtigen menschlichen Gehirnphantoms angebracht.
In einer Ausführungsform sind die Strahlungsgrenzen weiter als λ₀/4 von der Antenne entfernt (bei 1.6 GHz).
In einer Ausführungsform wird die Miniaturisierung durch einen vergrößerten Strompfad und durch die Bandbreite der offenen Schleifenstruktur und die Anregung einer Mode bei 2 GHz und zweier Moden bei 4.5 GHz und 5.5 GHz erreicht.
In einer Ausführungsform besteht ein Energieverwaltungsmodul aus einer gestapelten Batterie zur Energieversorgung.
Um die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung weiter zu verdeutlichen, wird eine genauere Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, gemacht werden. Es wird davon ausgegangen, dass diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung ihres Umfangs zu betrachten sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Detail mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben und erläutert werden.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile in den Zeichnungen darstellen, wobei:

1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur Entwicklung einer Ultrabreitbandantenne für Gehirn-Computer-Schnittstellen,
2 zeigt einen Vorschlag für eine implantierbare UWB-Antenne.
3 zeigt die Entwicklung der implantierbaren Antenne: (a) Schritt 1 (b) Schritt 2 (c) Schritt 3 (d) vorgeschlagene Antenne und
4 zeigt eine grafische Darstellung des Vergleichs von simuliertem und gemessenem |S11| der implantierbaren Antenne.

Der Fachmann wird verstehen, dass die Elemente in den Zeichnungen der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise das Verfahren anhand der wichtigsten Schritte, um das Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus kann es sein, dass eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung in den Zeichnungen durch herkömmliche Symbole dargestellt sind, und dass die Zeichnungen nur die spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind, um die Zeichnungen nicht mit Details zu überfrachten, die für Fachleute, die mit der vorliegenden Beschreibung vertraut sind, leicht erkennbar sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG:
Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und diese mit bestimmten Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Grundsätze der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.
Der Fachmann wird verstehen, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und diese nicht einschränken sollen.
Wenn in dieser Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“ oder ähnlichem die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.
Die Ausdrücke „umfasst“, „enthaltend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, so dass ein Verfahren oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte umfasst, sondern auch andere Schritte enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder zu einem solchen Verfahren oder einer solchen Methode gehören. Ebenso schließen eine oder mehrere Vorrichtungen oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, die mit „umfasst...a“ eingeleitet werden, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Vorrichtungen oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen oder anderer Komponenten oder zusätzlicher Vorrichtungen oder zusätzlicher Teilsysteme oder zusätzlicher Elemente oder zusätzlicher Strukturen oder zusätzlicher Komponenten aus.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Das System, die Methoden und die Beispiele, die hier angegeben werden, dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung gedacht.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems (100) zur Entwicklung einer Ultrabreitbandantenne für Gehirn-Computer-Schnittstellen, wobei das System (100) Folgendes umfasst: eine implantierbare modifizierte Schleifenantenne (102), ein Telemetriemodul (104), eine biokompatible Kapsel (104a), ein mehrschichtiges menschliches Gehirnphantom (104b), einen Speicher (104c), ein Steuermodul (104d), ein Optimierungsmodul (106), ein Herstellungsmodul (108) und ein Energieverwaltungsmodul (110).
Die implantierbare modifizierte Schleifenantenne (102) wird auf einer Grundplatte implantiert, wobei die Antenne auf einem Substrat mit einer bestimmten Dicke hergestellt wird.
Telemetriemodul (104) zum Auslegen der Antenne (102), wobei das Telemetriemodul (104) ein Gehäuse einer biokompatiblen Kapsel (104a) und ein mehrschichtiges menschliches Hirnphantom (104b), einen Speicher (104c) und ein Steuermodul (104d) aufnimmt, wobei das mehrschichtige menschliche Hirnphantom (104b) die biokompatible Kapsel (104a) enthält und sich das Telemetriemodul (104) innerhalb des Gehäuses der biokompatiblen Kapsel (104a) befindet.
Das Optimierungsmodul (106) ist mit dem Telemetriemodul (104) verbunden und so konfiguriert, dass es:

Berechnung der Resonanzfrequenz und der Eingangsimpedanz der gleichseitigen Dreiecksschleifenantenne;
eine niedrigere Resonanz zu erzielen, indem der Strompfad vergrößert und die Dreiecksschleife in eine Sierpinski-Schleife umgewandelt wird;
die Sierpinski-Schleife zu modifizieren, indem selektiv Seiten der Antenne entfernt werden, um eine Miniaturisierung zu erreichen.

Das Fabrikationsmodul (108) ist mit dem Optimierungsmodul (106) verbunden und so konfiguriert, dass es:

einen rechteckigen Schlitz aus einer oberen rautenförmigen Schleife schneiden;
einen L-förmigen Metallstreifen an ein offenes Ende der Schleife anschließen und am Ende einen Kurzschlussstift anbringen;
eine geschlossene Schleife an einem unteren Abschnitt der Antenne anbringen, die ein Muster und einen geschlossenen Boden aufweist; und
einen Kurzschlussstreifen mit dem L-förmigen Metallstreifen verbinden, um eine Impedanzanpassung in den Bändern der Antenne zu erreichen.

Die Antenne (102) hat die Form eines gleichseitigen Dreiecks, wobei die dreieckige Schleifenantenne (102) aus einer kreisförmigen Schleife entwickelt ist.
Die Schleifenantennen haben die gleiche Dicke (t) und der Abstand von der Mitte zum Winkel ist gleich dem Radius der kreisförmigen Schleife.
Das Substrat hat eine Dielektrizitätskonstante von 3 und eine Dicke von 0.7-0.8 mm.
Die Antenne (102) ist an der Oberseite des Telemetriemoduls (104) im biokompatiblen Kapselgehäuse (104a) innerhalb des siebenschichtigen menschlichen Gehirnphantoms (104b) angebracht.
Die Strahlungsgrenzen sind mehr als λ0/4 von der Antenne entfernt (bei 1.6 GHz).
Die Miniaturisierung wird durch einen vergrößerten Strompfad und durch die Bandbreite der offenen Schleifenstruktur und die Anregung einer Mode bei 2 GHz und zweier Moden bei 4.5 GHz und 5.5 GHz erreicht.
Das Energieverwaltungsmodul (110) besteht aus einer Stapelbatterie zur Stromversorgung.
2 zeigt einen Vorschlag für eine implantierbare UWB-Antenne.
Die vorgeschlagene implantierbare Ultrabreitband (UWB)-Antenne ist in 2 dargestellt. Es handelt sich um eine modifizierte dreieckige Schleifenantenne, die von einer vollständigen Grundplatte unterstützt wird. Die Antenne ist auf das Substrat Rogers RT/Duroid 3003 mit einer Dielektrizitätskonstante (εr) von 3 und einer Dicke von 0.762 mm gedruckt. Das EM-Tool Ansys HFSS wird für den Entwurf und die Implementierung der vorgeschlagenen Antenne verwendet. Die Antenne hat eine Gesamtgröße von 5.5 mm × 5.5 mm. Die vorgeschlagene implantierbare Antenne ist von der gleichseitigen dreieckigen Schleife und der Sierpinski-Dichtung inspiriert.
In einer Ausführungsform wird ein Simulationsaufbau eines neuronalen Implantats mit integrierter UWB-Antenne entwickelt, das in ein siebenschichtiges menschliches Gehirnphantom implantiert wird.
In der Simulation wird die Antenne an der Oberseite des Telemetriemoduls im biokompatiblen Kapselgehäuse innerhalb des siebenschichtigen menschlichen Gehirnphantoms (mit Gesamtabmessungen von (100×100×72.2)mm³) konstruiert. Die Strahlungsgrenzen werden in einem Abstand von mehr als λ0/4 von der Antenne (bei 1.6 GHz) und die dielektrischen Eigenschaften von biologischem Gewebe (Haut, Fett und Herzmuskel) sowie deren Dicke berücksichtigt.
3 zeigt die Entwicklung der implantierbaren Antenne: (a) Schritt 1 (b) Schritt 2 (c) Schritt 3 (d) vorgeschlagene Antenne.
Die gleichseitige dreieckige Schleifenantenne wird aus der kreisförmigen Schleife (durch gestrichelte Linien dargestellt) entwickelt, wie in figur . 2 gezeigt, beide Schleifenantennen haben die gleiche Dicke (t) und der Abstand vom Mittelpunkt zum Winkel ist der gleiche wie der Radius der kreisförmigen Schleife. Die Resonanzfrequenz der gleichseitigen dreieckigen Schleifenantenne für den TMmn-Modus kann mit Hilfe von Gleichung (1) berechnet werden; $f_{n m} = \frac{α_{n m} c}{2 π r \sqrt{ε_{r}}}$
$α_{n m} = p χ_{n m}$
Dabei ist r die Länge vom Winkel zum Zentrum, c hat den Wert von 3 × 10 8 m/s (Lichtgeschwindigkeit), ε_r ist die Permittivität des Hirnphantoms und wird als Durchschnittswert der Permittivität aller Gewebe bei 2.4 GHz genommen, X_nm ist die Nullstelle der Ableitung der Bessel-Funktionen (Ordnung n), und p ist der Faktor, der die kreisförmige Schleife zu einer gleichseitigen Dreiecksschleife verformt, und sein Wert ist 1.12.
Diese Antenne mit gleichseitiger Schleife ist seitengetrieben. Der berechnete Wert der Resonanzfrequenz für die gleichseitige dreieckige Schleifenantenne mit r=2.5 mm sollte 4.2 GHz betragen, während der simulierte Wert der Resonanzfrequenz 4.5 GHz beträgt, was dem berechneten Wert sehr nahe kommt.
Bei der Verteilung der elektrischen Feldstärke sind bei 4.5 GHz zwei Nullstellen zu beobachten, die zeigen, dass die Antenne im TM11-Modus schwingt. Die Resonanzfrequenz beträgt 4.5 GHz und die Eingangsimpedanz der Antenne bei der Resonanzfrequenz liegt nahe bei 50 Ohm. Das angestrebte Frequenzband war jedoch das komplette Ultrabreitband (3.1-10.6 GHz).
In Schritt 2 müssen wir, um eine niedrigere Resonanz zu erreichen, den Strompfad vergrößern, also haben wir diese Dreiecksschleife in eine Sierpinski-Schleife umgewandelt, aber nur diese Änderung hat nicht geholfen, sondern die Resonanzfrequenz von 4.5 GHz auf 6 GHz verschoben.
In Schritt3 wird die Sierpinski-Schleife modifiziert, indem selektiv einige Seiten der Antenne entfernt werden. In Schritt3 wird die Miniaturisierung durch die Vergrößerung des Strompfades erreicht und durch die offene Schleifenstruktur wird die Bandbreite durch die Anregung einer Mode bei 2 GHz und zwei Moden bei 4.5 GHz und 5.5 GHz erhöht.
In Schritt 4 wurden dann einige wesentliche Änderungen an der Geometrie der Antenne vorgenommen:

(a) Um den Strompfad weiter zu vergrößern, wurde ein rechteckiger Schlitz in die obere rautenförmige Schleife geschnitten.
(b) Als nächstes wurde ein L-förmiger Metallstreifen mit dem offenen Ende der in (a) erzeugten Schleife verbunden und am Ende ein Kurzschlussstift hinzugefügt. Diese Änderung trug dazu bei, eine niedrigere Resonanz von 1.6 GHz zu erreichen, da der Strompfad vom oberen Strahler zum unteren erhöht wurde. Neben dem 1.6-GHz-Band gab es weitere Resonanzen bei 2 GHz und 4.5 GHz.
(c) Um eine Ultrabreitband-Bandbreite zu erreichen, haben wir eine geschlossene Schleife am unteren Teil der Antenne angebracht, die das gleiche Muster hat, aber unten geschlossen ist. Diese Änderung koppelt wiederum Moden bei 1.6 GHz, 2.45 GHz, 4.5 GHz und 5.5 GHz. Mit Hilfe eines Kurzschlussstreifens, der mit dem L-förmigen Metallstreifen verbunden ist, konnte eine Impedanzanpassung in allen genannten Bändern erreicht werden. Damit wurde schließlich die gewünschte UWB-Bandbreite bei 1.6 GHz und 2.4 GHz erreicht.

4 zeigt eine grafische Darstellung des Vergleichs von simuliertem und gemessenem |S11| der implantierbaren Antenne.
Die Ultrabreitbandantenne ist im Kapselgehäuse untergebracht und über ein 50 Ω-Koaxialkabel mit dem VNA verbunden. Die Messung erfolgt in einem Flüssigphantom aus Kochsalzlösung (mit dielektrischen Eigenschaften, die dem Durchschnittswert des Gehirnphantoms entsprechen). Während der Messung wurde das Kabel mit transparentem Klebeband abgeschirmt, um eine unerwünschte Kopplung mit der Antenne zu vermeiden, da das Kabel bei der geringen Größe der Antenne einen erheblichen Einfluss auf die Antennenleistung hat. Die gemessene Impedanzbandbreite weist mehrere Resonanzen auf, aber die simulierten und gemessenen Ergebnisse stimmen sehr gut überein.
Für die Messung der Strahlungsdiagramme wurde die implantierbare Antenne in einer schalltoten Kammer in das Flüssigkeitsphantom platziert und die Strahlungsdiagramme wurden gemessen. Die gemessenen und simulierten Spitzenwerte der Verstärkung in Richtung der Bohrung (θ = 0°). Der Unterschied zwischen gemessenem und simuliertem Gewinn könnte auf die im Phantom eingeschlossenen Luftblasen zurückzuführen sein. 4 zeigt einen Vergleich der simulierten und gemessenen Strahlungsdiagramme in der E-Ebene und H-Ebene bei 2.45 GHz. Bei 2.45 GHz sind die Strahlungsdiagramme leicht verzerrt, was auf erhöhte Leitungsverluste im Flüssigkeitsphantom bei dieser Frequenz zurückzuführen sein könnte.
SAR-Verteilung im menschlichen Gehirnphantom: Die SAR-Werte werden bewertet, um die Sicherheit des vorgeschlagenen WPT-Systems gemäß den Sicherheitsrichtlinien der FCC und der Internationalen Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung (ICNIRP) zu überprüfen. Die Sicherheitskriterien besagen, dass der durchschnittliche SAR-Wert (ASAR) für 1 g/10 g menschliches Gewebe in Form eines Würfels weniger als 1.6/2.0 W/kg betragen muss. Da die Antenne in Blickrichtung abstrahlt, sind die SAR-Werte aufgrund ihrer ultrakompakten Größe und der Abstrahlung aus dem Gehirn niedrig. Table I demonstrates 1 g/10 g ASAR values for the proposed UWB antenna system for 1 W of input power.

Frequenz SAR (W/Kg) (Eingangsleistung = 1 W/kg) Max. zulässige Leistung (mW)

-g 10-g 1-g 10-g

2.4 GHz 10 45.7 14.5 44.5
In Bezug auf IMDs ist die Eingangsleistung auf nur 0.025 mW begrenzt; daher ist das vorgeschlagene System gemäß der vorliegenden Erfindung für den Langzeitbetrieb zur Aufzeichnung neuronaler Aktivitäten völlig sicher.
In der vorliegenden Erfindung wird eine ultra-miniaturisierte UWB-Antenne für die neuronale Aufzeichnung für Gehirn-Computer-Schnittstellen vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Antenne hat ultrabreite-Bandbreite, zufriedenstellende Gewinn und niedrige SAR, zusammen mit der kleinsten Größe von 5.5 mm × 5.5 mm × 0.762 mm (23.05 mm3) im Vergleich zu den anderen berichteten Antennen für Gehirn-Computer-Schnittstellen für neuronale Aufnahme-Anwendungen in der Literatur gezeigt. Außerdem ist die Antenne in ein 3D-Kapselgehäuse aus biokompatiblem keramischem Aluminiumoxid integriert. Die Messung von S-Parametern und Strahlungsdiagrammen mit der Antenne im Inneren eines Kapselgehäuses wurde in einem Flüssiggel-Phantom durchgeführt. Die gemessenen Ergebnisse stehen in guter Übereinstimmung mit den simulierten Ergebnissen. Die SAR-Werte der vorgeschlagenen Antenne für 1-g- und 10-g-Gewebe liegen innerhalb der akzeptablen Werte gemäß den neuen ICNIRP-Richtlinien und der Norm IEEE C95.1-2019. Aufgrund ihrer geringen Größe, der ultrabreiten Bandbreite, der niedrigen SAR-Werte und der Abstrahlung aus dem menschlichen Gehirn ist diese Antenne für neuronale Aufzeichnungen mit hoher Datenrate für Brain Computer Interfaces geeignet.
Die Zeichnungen und die vorangehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Der Fachmann wird verstehen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ dazu können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente aus einer Ausführungsform können einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Die Reihenfolge der hier beschriebenen Prozesse kann beispielsweise geändert werden und ist nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen eines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden; auch müssen nicht unbedingt alle Aktionen durchgeführt werden. Auch können die Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, parallel zu den anderen Handlungen ausgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist durch diese spezifischen Beispiele keineswegs begrenzt. Zahlreiche Variationen sind möglich, unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung explizit aufgeführt sind oder nicht, wie z. B. Unterschiede in der Struktur, den Abmessungen und der Verwendung von Materialien. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so groß wie in den folgenden Ansprüchen angegeben.
Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und Komponenten, die dazu führen können, dass ein Vorteil, ein Nutzen oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder Komponente eines oder aller Ansprüche zu verstehen.
Bezugszeichenliste

100: ein System zur Entwicklung einer Ultrabreitbandantenne für Gehirn-Computer-Schnittstellen
102: Implantierbare modifizierte Schleifenantenne
104: Telemetrie-Modul
104a: Biokompatible Kapsel
104b: Mehrschichtiges Menschliches Gehirn-Phantom
104c: Speicher
104d: Steuermodul
106: Optimierungsmodul
108: Fabrikationsmodul
110: Energieverwaltungsmodul

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 10452143 B2 [0008]

Claims

Ein System (100) zum Entwerfen einer Ultrabreitbandantenne für Gehirn-Computer-Schnittstellen, wobei das System (100) Folgendes umfasst: eine implantierbare modifizierte Schleifenantenne (102), die auf einer Grundplatte implantiert ist, wobei die Antenne auf einem Substrat mit einer bestimmten Dicke hergestellt ist; ein Telemetriemodul (104) zum Entwerfen der Antenne (102), wobei das Telemetriemodul (104) ein Gehäuse einer biokompatiblen Kapsel (104a) und ein mehrschichtiges menschliches Hirnphantom (104b), einen Speicher (104c) und ein Steuermodul (104d) aufnimmt, wobei das mehrschichtige menschliche Hirnphantom (104b) die biokompatible Kapsel (104a) enthält und sich das Telemetriemodul (104) innerhalb des Gehäuses der biokompatiblen Kapsel (104a) befindet; und ein Optimierungsmodul (106), das mit der Antenne (102) verbunden ist und so konfiguriert ist, dass es: Berechnung der Resonanzfrequenz und der Eingangsimpedanz der gleichseitigen Dreiecksschleifenantenne; eine niedrigere Resonanz zu erzielen, indem der Strompfad vergrößert und die Dreiecksschleife in eine Sierpinski-Schleife umgewandelt wird; die Sierpinski-Schleife zu modifizieren, indem selektiv Seiten von der Antenne entfernt werden, um eine Miniaturisierung zu erreichen; und ein Fertigungsmodul (108), das mit dem Optimierungsmodul (106) verbunden ist und dazu konfiguriert ist,: einen rechteckigen Schlitz aus einer oberen rautenförmigen Schleife schneiden; einen L-förmigen Metallstreifen an ein offenes Ende der Schleife anschließen und am Ende einen Kurzschlussstift anbringen; eine geschlossene Schleife an einem unteren Abschnitt der Antenne anbringen, die ein Muster und einen geschlossenen Boden aufweist; und einen Kurzschlussstreifen mit dem L-förmigen Metallstreifen verbinden, um eine Impedanzanpassung in den Bändern der Antenne zu erreichen.
System nach Anspruch 1, wobei die Antenne (102) die Form eines gleichseitigen Dreiecks hat, wobei die dreieckige Schleifenantenne (102) aus einer kreisförmigen Schleife entwickelt ist.
System nach Anspruch 2, wobei beide Schleifenantennen die gleiche Dicke (t) haben und der Abstand von der Mitte zum Winkel gleich dem Radius der Kreisschleife ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Dielektrizitätskonstante von 3 und eine Dicke von 0.7-0.8 mm aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die Antenne (102) an der Oberseite des Telemetriemoduls (104) innerhalb des biokompatiblen Kapselgehäuses (104a) innerhalb des siebenschichtigen menschlichen Gehirnphantoms (104b) angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Strahlungsgrenzen mehr als λ0/4 von der Antenne entfernt sind (bei 1.6 GHz).
System nach Anspruch 1, wobei die Miniaturisierung durch einen vergrößerten Strompfad und durch die Bandbreite der offenen Schleifenstruktur und die Anregung einer Mode bei 2 GHz und zweier Moden bei 4.5 GHz und 5.5 GHz erreicht wird.
System nach Anspruch 1, wobei ein Energieverwaltungsmodul (110) aus einer gestapelten Batterie zur Energieversorgung besteht.