[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出了一种用于433 MHz无线胶囊内镜的体内心电图胶囊发射器用超宽带共形环形天线，以及一种体表印刷单极子接收天线。胶囊天线在−10 dB阻抗匹配下实现了795 MHz带宽（309–1104 MHz），可在组织变化和胶囊方向变化下保持稳健性能；体表天线在390–500 MHz范围内保持−10 dB回波损耗。在所有胶囊方向和位置下，路径损耗均低于50 dB，支持高速率数据传输。

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.

研究动机与目标

• 设计一种紧凑的超宽带共形环形天线，用于体内心电图胶囊发射器，即使在组织去谐和胶囊方向变化下也能保持阻抗匹配。
• 开发一种具有部分接地平面的体表印刷单极子天线，用于在433 MHz频段可靠接收人体附近的信号。
• 通过数值仿真、使用液体仿体的体外测量以及人体结肠的离体测量，验证两种天线的性能。
• 表征不同胶囊方向和位置下的体内心电图至体表无线电链路路径损耗，确保可靠的数据传输以提升无线胶囊内镜系统性能。

提出的方法

• 设计了一款外壁共形环形天线，用于贴合胶囊外表面，最大化辐射面积的同时保留内部电子元件空间，工作频段为309–1104 MHz（−10 dB回波损耗）。
• 采用具有部分接地平面的印刷单极子天线作为体表接收天线，优化其在人体附近的阻抗匹配与性能表现。
• 利用结肠等效组织仿体和CST Gustav体素人体模型进行数值仿真，评估天线性能与链路特性。
• 通过液体仿体开展体外测量，验证胶囊与体表天线的仿真结果。
• 在真实人体结肠上进行离体测量，进一步验证体表天线在真实生物环境下的性能。
• 路径损耗通过S21散射参数计算：PL(dB) = −10 log10|S21|，在多种胶囊方向（X、Y及45° YZ平面）和距离（20–120 mm）下进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计体内心电图胶囊天线，使其在胃肠道组织变化和内部电子元件引起的去谐影响下仍能保持超宽带阻抗匹配？
• RQ2 体表接收天线在贴近人体时的性能如何？其仿真结果与实际测量结果相比有何差异？
• RQ3 胶囊方向如何影响体内心电图至体表无线电链路的路径损耗？系统是否能在所有方向下维持可靠通信？
• RQ4 仿真结果在仿体与离体环境中与实验测量结果的匹配程度如何，针对胶囊与体表天线？

主要发现

• 体内心电图共形环形天线在−10 dB阻抗带宽达到795 MHz（309–1104 MHz），可在多种组织类型和胶囊方向下实现稳健性能。
• 体表印刷单极子天线在仿真与体外测量中均表现出390–500 MHz范围内的−10 dB回波损耗，表明模型与真实数据高度一致。
• 体内心电图至体表链路的路径损耗在所有测试的胶囊方向与位置下均低于50 dB，最大值为50 dB（Y方向，50 mm距离）。
• 路径损耗的平均仿真误差为−0.4 dB（X方向）、−0.4 dB（Y方向）和−0.3 dB（YZ方向），标准差分别为1.3 dB、2.1 dB和1.4 dB，表明仿真具有高精度。
• 极化失配被识别为路径损耗波动的关键因素，Y方向胶囊的轴向比最高（13 dB），提示可通过采用圆极化天线进一步优化性能。
• 所提出的系统支持高速率数据传输，因路径损耗远低于73.3 dB的可接受阈值，适用于改进型无线胶囊内镜系统。