[論文レビュー] Antenna Systems for Wireless Capsule Endoscope: Design, Analysis and Experimental Validation

Suzan Miah, Ahsan Noor Khan+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2018

Wireless Body Area Networks被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、433 MHzで動作する体内内蔵型カプセル送信機用の超広帯域コンフォーマルループ素子と、体表面に設置するプリントモノポール受信素子を提案する。カプセル素子は−10 dBインピーダンスマッチングのための795 MHz帯域（309–1104 MHz）を達成し、組織の変動や姿勢の変化に対しても堅牢な性能を発揮する。一方、体表面素子は390–500 MHzで−10 dBリターンロスを維持する。カプセルのあらゆる姿勢や位置においてパスロスは50 dB未満を維持し、高データレート伝送を可能にする。

ABSTRACT

Wireless capsule endoscopy (WCE) systems are used to capture images of the human digestive tract for medical applications. The antenna is one of the most important components in a WCE system. In this paper, we provide novel small antenna solutions for a WCE system operating at the 433 MHz ISM band. The in-body capsule transmitter uses an ultrawideband outer-wall conformal loop antenna, whereas the on-body receiver uses a printed monopole antenna with a partial ground plane. A colon-equivalent tissue phantom and CST Gustav voxel human body model were used for the numerical studies of the capsule antenna. The simulation results in the colon-tissue phantom were validated through in-vitro measurements using a liquid phantom. According to the phantom simulations, the capsule antenna has -10 dB impedance matching from 309 to 1104 MHz. The ultrawideband characteristic enables the capsule antenna to tolerate the detuning effects due to electronic modules in the capsule and due to the proximity of various different tissues in gastrointestinal tracts. The on-body antenna was numerically evaluated on the colon-tissue phantom and the CST Gustav voxel human body model, followed by in-vitro and ex-vivo measurements for validation. The on-body antenna exceeds -10 dB impedance matching from 390 MHz to 500 MHz both in simulations and measurements. Finally, this paper reports numerical and experimental studies of the path loss for the radio link between an in-body capsule transmitter and an on-body receiver using our antenna solutions. The path loss both in simulations and measurements is less than 50 dB for any capsule orientation and location.

研究の動機と目的

• 胃腸管組織によるデチューニングやカプセルの姿勢変化に対してもインピーダンスマッチングを維持できる、コンactな超広帯域コンフォーマルループ素子を体内カプセル送信機に設計すること。
• 人体に近接して使用する433 MHzで動作する、部分的基板を備えたプリントモノポール素子を設計し、信号受信の信頼性を高めること。
• 液体ホモジーン・フォントと人体モデルを用いた数値シミュレーション、in-vitro測定、および人体コロニーのex-vivo測定を通じて、両アンテナの性能を検証すること。
• カプセルのさまざまな姿勢や位置における体内から体表面へのラジオリンクのパスロスを特徴づけ、より優れたWCEシステムの信頼性あるデータ伝送を確保すること。

提案手法

• 外側壁にコンフォーマルなループ素子を設計し、カプセル外装に収容することで、電子部品の内部空間を確保しつつ放射面積を最大化し、309–1104 MHzで−10 dBリターンロスを達成する。
• 体表面受信素子として、部分的基板を備えたプリントモノポール素子を採用し、人体に近接した環境下でのインピーダンスマッチングと性能を最適化する。
• 数値シミュレーションを、コロニーに類似した組織フォントとCST Gustavボクセル人体モデルを用いて実施し、アンテナ性能とリンク特性を評価する。
• in-vitro測定を液体フォントを用いて実施し、カプセルおよび体表面アンテナのシミュレーション結果を検証する。
• 実際の人体コロニーを用いたex-vivo測定を実施し、生物学的条件下での体表面アンテナ性能をさらに検証する。
• パスロスはS21散乱パラメータを用いてPL(dB) = −10 log10|S21|として計算し、複数のカプセル姿勢（X、Y、および45° YZ面）と距離（20–120 mm）で評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 胃腸管組織の変動や内部電子部品によるデチューニングに対しても、広帯域インピーダンスマッチングを維持できる体内カプセルアンテナの設計法は何か？
• RQ2 人体に近接して使用する体表面受信アンテナの性能はどのようであり、シミュレーションと実世界測定の結果はどの程度一致するか？
• RQ3 カプセルの姿勢が体内から体表面へのラジオリンクのパスロスにどのように影響を与えるか？また、すべての姿勢において信頼性のある通信を維持できるか？
• RQ4 フォントおよびex-vivo環境におけるシミュレーション結果と実験測定結果の一致度は、カプセルおよび体表面アンテナにおいてどの程度か？

主な発見

• 体内コンフォーマルループアンテナは、−10 dBインピーダンス帯域が795 MHz（309–1104 MHz）を達成し、多様な組織タイプやカプセルの姿勢にかかわらず堅牢な性能を発揮する。
• 体表面プリントモノポールアンテナは、シミュレーションおよびin-vitro測定の両方で390 MHzから500 MHzの範囲で−10 dBリターンロスを示し、モデルと実世界データの間で強い一致を確認した。
• 体内から体表面へのリンクにおけるパスロスは、すべてのテストされたカプセル姿勢および位置で50 dB未満を維持し、Y方向姿勢で50 mm距離のとき最大50 dBを記録した。
• パスロスの平均シミュレーション誤差は、X方向で−0.4 dB、Y方向で−0.4 dB、YZ方向で−0.3 dBであり、標準偏差は1.3 dB、2.1 dB、1.4 dBであった。これは高いシミュレーション精度を示している。
• 偏波不一致がパスロスの変動の主な要因であると特定され、Y方向姿勢のカプセルでは最大13 dBの軸比が観測された。これは円偏波アンテナを用いることでさらなる改善が可能であることを示唆している。
• 提案されたシステムは、パスロスが改善されたWCEシステムに許容される73.3 dBのしきい値をはるかに下回っているため、高データレート伝送を支援する。