השפעת הגומלין בין אנטנות על מעגל מודפס לגוף האדם ביישומים רפואיים

מאת: אלברט סבן, מכללת אורט בראודה

בשנים האחרונות, נמצאת התעשייה הביו–רפואית בגידול מתמיד. אנטנות קומפקטיות בעלות פרופיל נמוך חשובות ביותר לפיתוח מערכות ביו–רפואיות שניתן לשאתן על גוף אדם. במאמר זה אנו חוקרים את השפעת הגומלין שבין אנטנות על מעגל מודפס לגוף האדם. הביצועים החשמליים של אנטנות, משתנים באופן משמעותי בסמיכות לגוף אדם. המאמר מציג את הביצועים של כמה אנטנות במעגלים מודפסים כפונקציה של המרחק מגוף האדם. כמו כן, המאמר מתאר כמה אנטנות רחבות פס על מעגל מודפס שפועלות בקרבת גוף אדם.

הקדמה
התכונות של אנטנת Microstrip ואנטנה על מעגל מודפס הופכות אותן למתאימות ביותר לשימוש כאנטנות במערכות ביו–רפואיות. אך עם זאת, הביצועים החשמליים של האנטנה משתנים במידה רבה בסמיכות לגוף אדם. עובדות אלו מסבכות באופן משמעותי את תכנון האנטנה. לאנטנות Microstrip יש קבוצה של תכונות חשובות כגון פרופיל נמוך, גמישות, משקל קל, נפח קטן ועלויות ייצור נמוכות. כמו כן, את היתרון של רשת הזנה קומפקטית בעלות נמוכה, אנו משיגים על ידי ביצוע אינטגרציה של רשת הזנת ת”ר [RF] עם חלקים שמיועדים להפיק קרינה, על אותה תשתית. בעשור האחרון, אנטנות Microstrip מופיעות באופן נרחב בספרים ובמאמרים. במאמר זה אנו דנים בביצועים החשמליים של סוג חדש של אנטנות על מעגל מודפס, רחבות פס, שניתנות לנשיאה ומיועדות ליישומים רפואיים. הנושא של מאפייני שידור בת”ר של רקמות אנושיות נחקר כבר בכמה וכמה מאמרים. עם זאת, לא נמצא אזכור להשפעה שיש לגוף אדם על הביצועים החשמליים של האנטנות בתדרים שבהם פועלות מערכות ביו–רפואיות. השפעת הגומלין שבין אנטנות Microstrip לגוף אדם מופיעה במאמר זה.

חיישנים – אנטנה דו קוטבית על מעגל מודפס
ל–434 מגה–הרץ
אנטנת Microstrip חדשה חד–קוטבית מועמסת וקומפקטית תוכננה ליצירת תהודה בסמיכות לגוף אדם. האנטנה מורכבת משתי שכבות. השכבה הראשונה מורכבת ממצע דיאלקטרי בעובי של 0.8 מ”מ – RO3035. השכבה השנייה מורכבת ממצע דיאלקטרי– RT–Duroid 5880 – בעובי 0.8 מ”מ. עובי המצע קובע את רוחב הפס של האנטנה. אך ככל שהמצע דק יותר נוכל לקבל גמישות טובה יותר. בנוסף, תכננו גם אנטנות Microstrip , חד קוטביות, מועמסות, בשכבות כפולות, עבות, עם רוחב פס רחב יותר. האנטנה החד קוטבית שעל המעגל המודפס ואנטנת החריץ [slot] מספקות קיטובים כפולים ניצבים. האנטנה המוצעת היא בקיטוב כפול. אנטנה בקיטוב כפול מוצגת באיור 1. ממדי האנטנה הם 26x6x0.16 ס”מ. האנטנה יכולה לשמש כאנטנה נישאת על גוף אדם. אפשר לחבר את האנטנה לחולצת המטופל באזור הבטן שלו. לחלופין, אפשר לחבר את האנטנה לגבו של המטופל. ביצענו ניתוח של האנטנה בעזרת תוכנת ADS של Agilent. נמצא תיאום רב בין התוצאות המדודות לתוצאות המחושבות. רוחב הפס של האנטנה הוא 10% בערך כדי לקבל יחס VSWR טוב מאשר יחס של 2:1. רוחב קרן האנטנה הוא 100° בערך. ההגבר של האנטנה הוא 4 dBi בערך. את ממדי האנטנה אפשר להקטין עד ל–6x6x0.16 ס”מ, על ידי שימוש בקונפיגורציה של אנטנה מקופלת, כפי שנראה באיור 5.
איור 2 מציג את הפרמטרים S11 ו–S22 המחושבים של האנטנה. איור 3 מראה את הפרמטרים S11 שנמדדו. תבנית הקרינה המחושבת מופיעה באיור 4. ניתן לכוונן את עוצמת השדה המקוטב באופן מצולב על ידי שינוי מיקום ההזנה של החריץ. תבנית הקרינה המחושבת של דו–קוטב (דיפול) האנטנה נראית באיור 6. באיור 7 אפשר לראות את פרמטר S11 ואת פרמטר S22 המחושבים של האנטנה.

השפעת גומלין בין אנטנות וגוף אדם
את השינויים בעכבת הכניסה של האנטנה, כפונקציה של המרחק מהגוף, חישבנו על ידי שימוש בתוכנת ADS.
המבנה שעבר ניתוח מופיע באיור 8. התכונות של רקמות גוף אדם מופיעות בטבלה 1. בתכונות אלו השתמשנו בתכנון האנטנה.
איור 9 מציג את התוצאות של פרמטר S11 עבור נתונים שונים של עובי חגורה, עובי חולצה ומרווח האוויר שבין האנטנה וגוף האדם. מתוך התוצאות המופיעות באיור 9 ניתן לחשוב שלאנטנה יש יחס VSWR טוב יותר מאשר 2.5 : 1 כאשר מרווחי האוויר מגיעים עד ל–8 מ”מ בין האנטנה וגוף האדם.
בתדרים שבטווח שבין 415 מגה–הרץ לבין 445 מגה–הרץ האנטנה מתואמת כאשר אין אוויר בין האנטנה לבין גוף המטופל.

אנטנות על גוף האדם
יישום של האנטנה המוצעת מופיע באיור 10. ניתן לאסוף אנטנה חד–קוטבית מקופלת שלוש עד ארבע פעמים לתוך חגורה, ולחבר אותה לבטן של המטופל. הכבל מכל אנטנה מחובר לרשם. האות הנקלט מנותב למטריצת מיתוג. במהלך הבדיקה הרפואית בוחרים את האות בעל הרמה הגבוהה. התוצאות של S11 שנראות באיור 10 מייצגות תיאום של האנטנה המקופלת, כאשר מרווח האוויר בין החולצה והחגורה השתנה מ–0.0 ל–5 מ”מ. את ההסבר לנראה באיור 11 ניתן להבין בטבלה 3.
מתוך התוצאות הנראות באיור 11, אנו יכולים להבין שלאנטנה מקופלת יש יחס VSWR טוב מאשר 2.0 : 1 במקרה של מרווח אוויר שמגיע עד ל–5 מ”מ בין האנטנה לגוף המטופל. אם מרווח האוויר בין החיישנים לבין גוף האדם גדל מ–0 מ”מ ל–5 מ”מ, תדר התהודה של האנטנה מוזז ב–5%.
תוצאות S11 שנראות באיור 12 מייצגות את תיאום האנטנה המקופלת, כאשר עובי החגורה השתנה מ–2 מ”מ ל–4 מ”מ. ההסבר לאיור 12 מופיע בטבלה 4. תוצאות S11 טובות יותר מ––10 dB נמדדו עבור עובי חגורה בטווח שבין 2 מ”מ ל–4 מ”מ. התוצאות המחושבות של S11 ושל S22 היו טובות מאשר –10dB עבור רקמות שונות של גוף אדם עם קבוע דיאלקטרי בטווח שבין 40 ל–50. התוצאות המחושבות של S11 ושל S22 היו טובות מאשר –10dB עבור חולצות וחגורות שונות עם קבוע דיאלקטרי בטווח שבין 2 ל–4.
בכמה מבין היישומים, המרחב המפריד את אנטנת השידור ואנטנת הקליטה הוא פחות מ – 2D2/l כאשר D הוא הממד הגדול ביותר של מקור הקרינה. ביישומים אלו, המשרעת [אמפליטודה] של השדה האלקטרומגנטי הקרוב לאנטנה יכולה להיות בעלת עוצמה די גבוהה, אבל בשל הנפילה המהירה עם המרחק, אין הם מקרינים אנרגיה אל תוך המרחקים האינסופיים, אלא תחת זאת, האנרגיות שלהם נשארות לכודות באזור הקרוב לאנטנה.
מסקנות
במאמר זה עסקנו בהשפעת הגומלין שבין אנטנה על מעגל מודפס לבין גוף אדם. תוצאות S11 של האנטנה עבור נתונים שונים של עובי חולצה, עובי חגורה ומרווח האוויר שבין האנטנה לגוף אדם מופיעות במאמר זה. בתהליך תכנון האנטנה, יש לקחת בחשבון את ההשפעה של מיקום האנטנה על גוף האדם. מאמר זה מציג גם אנטנה Microscript קומפקטית רחבת פס עם נצילות גבוהה המיועדת ליישומים רפואיים. רוחב הפס של האנטנה הוא כ–10% כדי לקבל יחס VSWR טוב יותר מ–2 : 1. רוחב קרן האנטנה הוא סביב 100 מעלות. הגבר האנטנה נע סביב 4 dBi. אם מרווח האוויר שבין החיישנים וגוף האדם עולה מ–0 מ”מ ל–5 מ”מ, תדר התהודה של האנטנה מוזז ב–5%. אפשר להשתמש באנטנה המוצעת במערכות ת”ר [RF] של טיפולים רפואיים.

*הכתבה נכתבה ע”י מאת: אלברט סבן
מחלקת הנדסת חשמל, מכללת אורט בראודה, sabban@netvision.net.il