[论文解读] On the use of impedance detuning for gastrointestinal segment tracking of ingestible capsules

Erdem Cil, Ícaro V. Soares+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2022

Wireless Body Area Networks参考文献 40被引用 21

一句话总结

该论文提出通过在可吞咽胶囊中使用蜿蜒形偶极子天线的阻抗失谐，利用组织电磁（EM）特性变化引起的反射系数（S11）的相位和幅度变化，实现对胃肠道（GI）节段（胃、小肠、大肠）位置的追踪。在组织模拟液体和离体猪模型中的实验表明，不同组织间的最小相位差约为10°，证实相位变化足以通过现成的射频（RF）组件实现实时、非侵入式胶囊定位。

ABSTRACT

During their travel through the gastrointestinal tract, ingestible antennas encounter detuning in their impedance response due to varying electromagnetic properties of the surrounding tissues. This paper investigates the possibility of using this impedance detuning to detect in which segment of the gastrointestinal tract - stomach, small intestine, or large intestine - the capsule is located. Meandered dipole antennas operating in the 433 MHz Industrial, Scientific, and Medical Band are designed for this purpose. The antennas conform to the inner surface of 3D-printed polylactic-acid capsules with a shell thickness of 0.6 or 0.4 mm. The impedance response is first optimized numerically in a homogeneous cylindrical phantom with time-averaged electromagnetic properties. The magnitude and the phase of the reflection coefficient are then obtained in different tissues and compared with simulations and measurements. The experimental demonstration is carried out first using tissue-mimicking liquids and then in a recently deceased ex vivo porcine model. The minimum change in the phase between different gastrointestinal tissues was determined to be around 10 degrees in the porcine model, indicating that the changes in the impedance response, particularly the changes in the phase, provide sufficient information to follow the position of the capsule in the gastrointestinal tract.

研究动机与目标

• 研究可吞咽天线的阻抗失谐是否可用于确定胶囊所处的胃肠道节段（胃、小肠、大肠）。
• 评估反射系数（S11）的相位和幅度是否可作为组织特异性电磁（EM）特性指标。
• 使用组织模拟液体和具有真实组织异质性的离体猪模型，对方法进行实验验证。
• 证明S11的相位偏移在不同胃肠道组织之间足够显著，可实现无需额外传感器的可靠定位。

提出的方法

• 在100-µm厚的Rogers CLTE-MW基板上设计蜿蜒形偶极子天线，并将其共形集成到3D打印的聚乳酸（PLA）胶囊中，外壳厚度分别为0.6 mm或0.4 mm。
• 在具有平均胃肠道组织EM特性（433 MHz时εr=63，σ=1.02 S/m）的均匀圆柱体模型中，对天线导体长度（t=0.6 mm时为16.9 mm，t=0.4 mm时为14.5 mm）进行数值优化。
• 使用表I中的组织特异性EM特性，在数值模型中模拟代表胃、小肠和大肠的S11幅度和相位。
• 通过EM特性与胃肠道组织匹配的组织模拟液体进行实验验证，随后在刚死亡的猪模型中进行离体测量。
• 在434 MHz下测量五个位置的S11幅度和相位：胃（M1）、十二指肠（M2）、回肠（M3、M4）和结肠（M5），胶囊插入深度为10 cm。
• 采用偏移馈电（距中心6.3 mm）实现体内环境中50 Ω阻抗匹配，相较于中心馈电设计，性能更优。

实验结果

研究问题

• RQ1 可吞咽天线的阻抗失谐是否可基于S11幅度和相位的变化，用于区分不同的胃肠道节段？
• RQ2 可实现可靠定位的、不同胃肠道组织之间的最小可测量相位差是多少？
• RQ3 与均质体模型或液体相比，离体模型中的真实组织异质性和气隙如何影响阻抗变化的可检测性？
• RQ4 现成的、低功耗RF组件是否能可靠测量所需相位差，以实现实时定位？

主要发现

• 在离体猪模型中，不同胃肠道组织之间的最小可测量相位差约为10°，表明其对节段级追踪具有足够的灵敏度。
• 由于组织异质性和气隙增强了阻抗变化，S11的相位偏移在离体猪组织中比在组织模拟液体中更具可区分性。
• 对于两种外壳厚度（0.6 mm和0.4 mm），S11相位表现出一致的趋势：从M1（胃）到M2（十二指肠）减小，从M4（回肠）到M5（结肠）增大，证实了测量的稳定性。
• 在434 MHz下，t=0.6 mm时S11幅度在组织间的最小差异为0.9 dB，t=0.4 mm时为1.1 dB，表明幅度变化可测量但区分度低于相位。
• 相位响应在组织区分方面比幅度更敏感、更可靠，支持其作为主要追踪指标的使用。
• 结果证实，使用标准RF组件基于相位的阻抗传感在胃肠道中实现实时、完全无线胶囊定位是可行的。