新型無線內窺鏡膠囊天線設計方法

重慶郵電大學生物信息學院　趙德春　陳曉宇　李文瀚　王　力

1.目的

工作、生活節奏的加快導致消化道疾病的比例日益增加。并且隨著經濟迅速發展，人們對現代醫療水平的要求也越來越高。21世紀開始，各種檢測消化道手段不斷推新。線纜內窺鏡、X光檢測、超聲成像、胃電圖、核磁共振成像等常用檢測方式[1]，已經在各醫院廣泛應用。X光檢測、超聲成像、胃電圖、核磁共振成像等成像技術，需要的圖像處理能力還有待提高；線纜內窺鏡其最遠只能到達人體胃部，不能到小腸，并且容易操作失誤導致誤傷病人。因此，提出無線膠囊內窺鏡（Wireless Capsule Endoscope，WCE）診斷技術。

它不僅克服了線纜內窺鏡的局限，可以通過生物體的整個消化系統，通過無線信號傳輸圖像，采集到的消化道內的圖像用無線信號傳輸到體外的接收設備上顯示出來[2-4]。無線膠囊內窺鏡系統主要結構如圖1所示。

圖1　無線膠囊內窺鏡結構簡化圖

無線膠囊內窺鏡內部電路主要分為圖像采集模塊、射頻模塊、電源模塊以及其他電路模塊。目前對該系統的研究思路主要有：（1）膠囊內部系統微型化；（2）圖像采集及其處理優化設計；（3）能量供給系統設計；（4）膠囊機器人運動控制設計[5，6]。除了以上設計研究方向，還有工作安全性、生物適應性等問題。因此，對于一款適用于廣泛診斷用的醫療設備，無線膠囊內窺鏡還需要不斷優化和設計，才能滿足需求。

天線是系統內必不可少的電路器件，天線的物理參數決定了傳輸的信號質量；與此同時天線和其它的電路元器件一樣，需要微型化設計。當膠囊在人體中工作時，還需要探討射頻信號對人體的影響。因此本文的主要目的是為了提供一種在減小天線物理尺寸的基礎上，保證發射天線的傳輸信號質量方法。

2　研究方法

2.1　天線模型選擇

常用的微型化天線是微帶天線，微帶天線是一種貼片天線，一般是將天線片或者天線帶黏附在介質基板的凹槽里面，一般的模型如圖2所示。

除此之外，還有許多相應的其他結構的貼片微帶天線[7，8]。在膠囊內的空間有限，一般的膠囊通用尺寸頂蓋半徑不超過6mm，膠囊整體長度不超過30mm（含頂蓋）。因此在這種介質基板下，使用的天線不能保證在放置進入膠囊的同時，傳輸信號的質量。因此在此基礎上體出微帶天線的一種變形天線—螺旋天線。

圖2　矩形微帶貼片天線理論模型

螺旋天線有很多種，結構是根據實際的設計需求決定，因此對比所有類型天線，在尺寸上能夠最大限度地調整振子長度，最佳的一款是圓錐型螺旋天線。其計算公式如下所示：

計算公式中確定了天線可變物理參數，包含天線振子長度（螺旋線總長）l、初始極徑r0、螺距（XY平面投影和Z方向），除此之外天線還可以研究的物理參數包含線徑、螺旋方向和基板介質參數（介電常數、厚度、與天線距離、半徑）。由于圓錐型螺旋天線形狀上的優勢，可以將天線放置在頂殼內，充分利用膠囊內部空間，具體天線的設計模型如圖3所示。

圖3　圓錐型天線模型

天線繪制可以使用ProE工具軟件，生成固定格式導入后面的仿真軟件。

2.2　發射天線性能研究方法

膠囊在人體中運動工作，人體組織對電磁波的影響十分嚴重，不像天線在自由空間中工作的狀態，因此不能忽略人體對天線信號的影響。在計算機中的人體模型，暴露在電磁場中的主要參數取決于電磁場的頻率。在醫療和商業使用頻段一般選擇2.4GHz公開頻段，人體模型就在此頻率基礎上搭建和設置[9]。本文研究仿真人體模型采用Skeleton骨架作為搭建基礎，創建一個自由姿勢的人體體態作，如圖4所示：

圖4　三維真實人體模型

天線在空間時變電磁場的計算是一項龐大而且復雜的工作，需要對電磁場建模和對時間、空間變量的公式建立，因此使用計算機相關仿真軟件，可以大幅減小計算時間，本文采用時域有限差分（Finite-Difference Time-Domain，FDTD）方法。XFDTD軟件是REMCOM公司的一款空間電磁仿真軟件，專門使用FDTD方法，并且能夠計算生物電磁效應SAR，因此本文選取該方法和軟件作為空間電磁場仿真計算工具。

由上述天線的理論研究可知，天線的物理尺寸參數可以在繪制軟件中任意修改以生成許多各種不同外觀的天線。射頻天線的信號頻段應該在2.4GHz附近，而天線性能的主要指標是S11和VSWR。S11是回波損耗，VSWR是電壓駐波比。使用控制變量法，可以得到不同的天線物理參數產生的S11和VSWR，在某頻點的S11越小，該點的VSWR越小。通過不斷地實驗測試得知，當S11<-9.5dB時，VSWR<2，射頻天線的信號質量最好，那么在VSWR<2之間的頻率就是信號的頻段。本文提出為了達到優化天線性能的目的，需要改變天線物理參數，觀察和對比天線的S11和VSWR情況，決定天線設計的走向，最終確定一款適用于內窺鏡膠囊的天線模型。

3　總結

本文根據天線應用在內窺鏡膠囊的實際設計情況，提出一款新型結構—圓錐型螺旋天線，該結構天線不僅能實現微型化設計，還能利用膠囊頂殼空閑空間放置天線，充分利用了膠囊內部有限空間。該類方法在圓錐型螺旋天線的基礎，還能推廣至其它類型天線應用在內窺鏡膠囊系統中使用。

[1]張曉鵬,李雪丹,孫應實.胃腸道疾病磁共振水成像應用研究[J].中國CT和MRI雜志,2003,1(1):42-5.

[2]趙德春.按需式無線內窺鏡的設計與研究[D].重慶大學,2008.

[3]SEN S,KANSE A,SHINDE T,et al.Wireless Capsule Endoscopy[J].2017.

[4]邱祥玲.無線膠囊內窺鏡系統的研究[D].上海交通大學,2010.

[5]黃標,顏國正,昝鵬,et al.遙測膠囊微帶天線的設計[J].上海交通大學學報,2007,41(11):1830-3.

[6]LENAERTS B,PUERS R.An inductive power link for a wireless endoscope[J].Biosensors & Bioelectronics,2007,22(7):1390.

[7]NEZHAD S M A,HASSANI H R.A Novel Triband E-Shaped Printed Monopole Antenna for MIMO Application[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters,2010,9(1):576-9.

[8]樊紅社,趙軍倉,查代奉.對L型寬頻微帶天線的改進[J].現代雷達,2009,31(8):66-8.

[9]韋保林,岳宏衛,周茜,et al.2.5-6.0 GHz信號的體內植入式信道特性分析及建模[J].電子與信息學報,2013,35(8):2019-23.