Ανάπτυξη Εμφυτεύσιμων Κεραιών Για Εφαρμογές Ασύρματης Ιατρικής Τηλεμετρίας

Abstract

Οι εμφυτεύσιμες ιατρικές διατάξεις (Implantable Medical Devices, IMD) προσελκύουν σήμερα υψηλό επιστημονικό ενδιαφέρον για ποικίλες ιατρικές εφαρμογές πρόληψης, διάγνωσης και θεραπείας. Βασικό στοιχείο της λειτουργίας τους είναι η δυνατότητα επικοινωνίας με εξωτερικές διατάξεις επίβλεψης/ελέγχου, γνωστή ως ιατρική τηλεμετρία. Στόχος της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η αντιμετώπιση των σημαντικότερων προκλήσεων υπολογιστικής και πειραματικής μελέτης εμφυτεύσιμων κεραιών, ή, ισοδύναμα, κεραιών που ενσωματώνονται επί εμφυτεύσιμων ιατρικών διατάξεων για την επίτευξη ασύρματης ιατρικής τηλεμετρίας. Αρχικά, μελετάται η δυναμική διαφόρων τεχνικών σμίκρυνσης για εμφυτεύσιμες κεραίες, και, βάσει ενός πρωτότυπου παραμετρικού μοντέλου εμφυτεύσιμης κεραίας μικροταινίας, σχεδιάζονται και συγκρίνονται οι επιδόσεις πέντε νέων κεραιών για τηλεμετρία στη ζώνη Υπηρεσιών Επικοινωνίας Ιατρικών Εμφυτευμάτων (Medical Implant Communications Service, MICS) (402–405 MHz). Έμφαση δίνεται στην ποσοτικοποίηση της υποβάθμισης των επιδόσεων ακτινοβολίας και ασφάλειας των εμφυτεύσιμων κεραιών ως συνάρτηση του καταλαμβανόμενου φυσικού τους όγκου. Δοθέντων των αποτελεσμάτων, προτείνεται μία πρωτότυπη εμφυτεύσιμη κεραία μεγάλου εύρους ζώνης, και μία πρωτότυπη εμφυτεύσιμη κεραία διπλής ζώνης συχνοτήτων, οι οποίες καταλαμβάνουν σχετικά αυξημένο φυσικό όγκο προς όφελος των λοιπών επιδόσεων. Στη συνέχεια, αναπτύσσονται και επαληθεύονται αριθμητικά τέσσερις πρωτότυπες μεθοδολογίες σχεδίασης εμφυτεύσιμων κεραιών για λειτουργία εντός συγκεκριμένων σεναρίων εμφύτευσης (θέσεων εμφύτευσης εντός του σώματος του ασθενούς). Στόχο αποτελεί η επιτάχυνση της διαδικασίας σχεδίασης και η βελτιστοποίηση των επιτευχθεισών επιδόσεων συντονισμού. Η επαλήθευση και σύγκριση των προτεινόμενων μεθοδολογιών πραγματοποιείται αριθμητικά στο πλαίσιο σχεδίασης πρωτότυπων κεραιών μικροταινίας για εμφύτευση εντός του ιστού δέρματος του ανθρώπινου κεφαλιού, και ιατρική τηλεμετρία στη ζώνη MICS.Ακολουθεί παραμετρική μελέτη των επιδόσεων συντονισμού, ακτινοβολίας, και ασφάλειας εμφυτεύσιμων κεραιών, ως συνάρτηση: (α) της υπό μελέτη ιατρικής εφαρμογής (θέση εμφύτευσης της κεραίας εντός του σώματος του ασθενούς), (β) των ιδιαιτεροτήτων του εκάστοτε υποκειμένου (ανατομική δομή και ηλεκτρικές ιδιότητες βιολογικών ιστών), και (γ) της συχνότητας στην οποία λαμβάνει χώρα η ιατρική τηλεμετρία. Στόχο αποτελεί η μελέτη της διαλειτουργικότητας των εμφυτεύσιμων κεραιών, και η αξιολόγηση των επιδόσεών τους ως συνάρτηση της συχνότητας λειτουργίας.Έπειτα, μελετώνται θέματα πειραματικής κατασκευής και μέτρησης εμφυτεύσιμων κεραιών. Προτείνονται πρωτότυπες «συνταγές» υγρών και ημι–στερεών εξομοίωσης των ιστών δέρματος και μυός στη ζώνη MICS, και αναπτύσσεται μία πρωτότυπη μεθοδολογία σχεδίασης–και–μέτρησης εμφυτεύσιμων κεραιών, η οποία αποσκοπεί στην ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων μεταξύ των αριθμητικών αποτελεσμάτων και πειραματικών μετρήσεων. Η μεθοδολογία επαληθεύεται στο πλαίσιο κατασκευής δύο πρωτότυπων εμφυτεύσιμων κεραιών ζώνης MICS και πειραματικής μέτρησης αυτών εντός προσομοιωμάτων. Η δυναμική των κατασκευασθεισών κεραιών επιδεικνύεται, επιπλέον, μέσω εμφύτευσης και μέτρησης αυτών εντός πειραματόζωων (αρουραίων), κατόπιν ανάπτυξης κατάλληλου πειραματικού πρωτοκόλλου. Η Διατριβή ολοκληρώνεται με υπολογιστικές και πειραματικές μελέτες της ασύρματης ζεύξης τηλεμετρίας που σχηματίζεται μεταξύ εμφυτεύσιμων και εξωτερικών κεραιών. Πραγματοποιείται μοντελοποίηση της ζεύξης μακρινού πεδίου, και αξιολογούνται, υπολογιστικά, οι επιδόσεις αυτής για διάφορες συχνότητες λειτουργίας κεραιών και σενάρια διάδοσης. Στη συνέχεια, σχεδιάζονται, κατασκευάζονται, και μετρώνται πειραματικά δύο εξωτερικές κεραίες για χρήση σε ζεύξεις ασύρματης τηλεμετρίας ζώνης MICS: μία μονοπολική κεραία, και μία πρωτότυπη φορετή κεραία μικροταινίας διπλής ζώνης. Ακολουθεί υπολογιστική και πειραματική μελέτη του συντελεστή μετάδοσης και του μέγιστου δυνατού εύρους επικοινωνίας μεταξύ εμφυτεύσιμων και εξωτερικών κεραιών κατά την απομονωμένη λειτουργία τους αλλά και κατά τη λειτουργία τους επί προγραμματιζόμενων εμπορικών πομποδεκτών.