[논문 리뷰] Antenna Systems for Wireless Capsule Endoscope: Design, Analysis and Experimental Validation

Suzan Miah, Ahsan Noor Khan외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 04.

Wireless Body Area Networks인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 433 MHz에서 무선 캡슐 내 endoscopy를 위한 내체내 캡슐 송신기용 초광대역 적응형 루프 안테나와 체표면에 장착하는 프린팅 모노폴 안테나를 제안한다. 캡슐 안테나는 -10 dB 임피던스 매칭을 위한 795 MHz 대역폭(309–1104 MHz)을 달성하여 조직 변화와 위치 변화에 관계없이 견고한 성능을 보이며, 체표면 안테나는 390–500 MHz 범위에서 -10 dB 리턴 로스를 유지한다. 모든 캡슐 위치 및 방향에서 경로 손실이 50 dB 이하로 유지되어 고속 데이터 전송을 지원한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 내부 전자기기와 다양한 위장 조직에 의한 임피던스 편이에 영향을 받지 않도록 하면서도, 조직의 변형과 캡슐 위치 변화에 관계없이 임피던스 매칭을 유지할 수 있는 작고 초광대역 적응형 루프 안테나를 설계하는 것.
• 433 MHz에서 인간 신체 근처에서 신뢰성 있는 신호 수신을 위해 부분 기판 기반 기반의 프린팅 모노폴 안테나를 개발하는 것.
• 액체 펌프 모형을 이용한 시뮬레이션 및 실험 측정, 실체 대장에서의 이식 후 측정을 통해 두 안테나의 성능을 검증하는 것.
• 다양한 캡슐 위치 및 방향에서 내체내에서 체표면으로의 무선 링크 경로 손실을 특성화하여, 향상된 WCE 시스템에서 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하는 것.

제안 방법

• 외부 벽에 적응하는 루프 안테나를 캡슐 외부에 설계하여 방사 면적을 극대화하면서도 내부 전자기기 공간을 유지하며, -10 dB 리턴 로스를 위한 309–1104 MHz 대역에서 작동하도록 한다.
• 체표면 수신기용 프린팅 모노폴 안테나에 부분 기판을 사용하여 인간 신체 근처에서의 임피던스 매칭 및 성능 최적화를 도모한다.
• 수치 시뮬레이션을 위해 대장 유사 조직 펌프 모형과 CST Gustav 바이오 모델을 사용하여 안테나 성능 및 링크 특성을 평가한다.
• 캡슐 및 체표면 안테나의 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 액체 펌프 모형을 사용한 이식 후 측정을 수행한다.
• 실제 인간 대장에서의 이식 후 측정을 통해 체표면 안테나의 성능을 실제 생물학적 조건에서 추가로 검증한다.
• 경로 손실은 S21 산란 계수를 사용하여 계산되며, PL(dB) = −10 log10|S21|로 정의되며, 여러 캡슐 방향(기준 X, Y 및 45° YZ 평면)과 거리(20–120 mm)에서 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 위장 조직과 내부 전자기기의 영향을 받는다고 해도, 내체내 캡슐 안테나는 어떻게 광대역 임피던스 매칭을 유지할 수 있는가?
• RQ2 체표면 수신 안테나는 인간 신체에 가까이 위치했을 때 성능이 어떻게 되며, 시뮬레이션 결과와 실제 측정 결과 간의 비교는 어떠한가?
• RQ3 캡슐의 방향 변화는 내체내에서 체표면으로의 무선 링크 경로 손실에 어떤 영향을 미치며, 모든 방향에서 신뢰성 있는 통신을 유지할 수 있는가?
• RQ4 캡슐 및 체표면 안테나에 대해 펌프 모형 및 이식 후 환경에서의 시뮬레이션 결과와 실험 측정 결과 간의 일치 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 내체내 적응형 루프 안테나는 -10 dB 임피던스 대역폭 795 MHz(309–1104 MHz)를 확보하여 다양한 조직 유형과 캡슐 방향 변화에 관계없이 견고한 성능을 보였다.
• 체표면 프린팅 모노폴 안테나는 시뮬레이션 및 이식 후 측정 모두에서 390 MHz에서 500 MHz까지 -10 dB 리턴 로스를 나타내어 모델과 실제 데이터 간의 높은 일치를 확인했다.
• 내체내에서 체표면으로의 링크 경로 손실은 모든 테스트된 캡슐 방향과 위치에서 50 dB 이하로 유지되었으며, Y-방향 및 50 mm 거리에서 최대 50 dB의 손실이 관측되었다.
• 경로 손실에 대한 평균 시뮬레이션 오차는 X 방향에서 -0.4 dB, Y 방향에서 -0.4 dB, YZ 방향에서 -0.3 dB이며, 표준편차는 각각 1.3 dB, 2.1 dB, 1.4 dB로 나타나 높은 시뮬레이션 정확도를 보였다.
• 편광 불일치가 경로 손실 변동의 주요 원인로 확인되었으며, Y-방향 캡슐에서 최대 손실(13 dB 축비)이 관측되어 원형 편광 안테나 도입을 통한 향상 가능성을 시사한다.
• 경로 손실이 개선된 WCE 시스템에서 허용 가능한 기준인 73.3 dB 이하로 유지되어 고속 데이터 전송을 지원함을 확인하였다.