新型无线内窥镜胶囊天线设计方法

重庆邮电大学生物信息学院　赵德春　陈晓宇　李文瀚　王　力

1.目的

工作、生活节奏的加快导致消化道疾病的比例日益增加。并且随着经济迅速发展，人们对现代医疗水平的要求也越来越高。21世纪开始，各种检测消化道手段不断推新。线缆内窥镜、X光检测、超声成像、胃电图、核磁共振成像等常用检测方式[1]，已经在各医院广泛应用。X光检测、超声成像、胃电图、核磁共振成像等成像技术，需要的图像处理能力还有待提高；线缆内窥镜其最远只能到达人体胃部，不能到小肠，并且容易操作失误导致误伤病人。因此，提出无线胶囊内窥镜（Wireless Capsule Endoscope，WCE）诊断技术。

它不仅克服了线缆内窥镜的局限，可以通过生物体的整个消化系统，通过无线信号传输图像，采集到的消化道内的图像用无线信号传输到体外的接收设备上显示出来[2-4]。无线胶囊内窥镜系统主要结构如图1所示。

图1　无线胶囊内窥镜结构简化图

无线胶囊内窥镜内部电路主要分为图像采集模块、射频模块、电源模块以及其他电路模块。目前对该系统的研究思路主要有：（1）胶囊内部系统微型化；（2）图像采集及其处理优化设计；（3）能量供给系统设计；（4）胶囊机器人运动控制设计[5，6]。除了以上设计研究方向，还有工作安全性、生物适应性等问题。因此，对于一款适用于广泛诊断用的医疗设备，无线胶囊内窥镜还需要不断优化和设计，才能满足需求。

天线是系统内必不可少的电路器件，天线的物理参数决定了传输的信号质量；与此同时天线和其它的电路元器件一样，需要微型化设计。当胶囊在人体中工作时，还需要探讨射频信号对人体的影响。因此本文的主要目的是为了提供一种在减小天线物理尺寸的基础上，保证发射天线的传输信号质量方法。

2　研究方法

2.1　天线模型选择

常用的微型化天线是微带天线，微带天线是一种贴片天线，一般是将天线片或者天线带黏附在介质基板的凹槽里面，一般的模型如图2所示。

除此之外，还有许多相应的其他结构的贴片微带天线[7，8]。在胶囊内的空间有限，一般的胶囊通用尺寸顶盖半径不超过6mm，胶囊整体长度不超过30mm（含顶盖）。因此在这种介质基板下，使用的天线不能保证在放置进入胶囊的同时，传输信号的质量。因此在此基础上体出微带天线的一种变形天线—螺旋天线。

图2　矩形微带贴片天线理论模型

螺旋天线有很多种，结构是根据实际的设计需求决定，因此对比所有类型天线，在尺寸上能够最大限度地调整振子长度，最佳的一款是圆锥型螺旋天线。其计算公式如下所示：

计算公式中确定了天线可变物理参数，包含天线振子长度（螺旋线总长）l、初始极径r0、螺距（XY平面投影和Z方向），除此之外天线还可以研究的物理参数包含线径、螺旋方向和基板介质参数（介电常数、厚度、与天线距离、半径）。由于圆锥型螺旋天线形状上的优势，可以将天线放置在顶壳内，充分利用胶囊内部空间，具体天线的设计模型如图3所示。

图3　圆锥型天线模型

天线绘制可以使用ProE工具软件，生成固定格式导入后面的仿真软件。

2.2　发射天线性能研究方法

胶囊在人体中运动工作，人体组织对电磁波的影响十分严重，不像天线在自由空间中工作的状态，因此不能忽略人体对天线信号的影响。在计算机中的人体模型，暴露在电磁场中的主要参数取决于电磁场的频率。在医疗和商业使用频段一般选择2.4GHz公开频段，人体模型就在此频率基础上搭建和设置[9]。本文研究仿真人体模型采用Skeleton骨架作为搭建基础，创建一个自由姿势的人体体态作，如图4所示：

图4　三维真实人体模型

天线在空间时变电磁场的计算是一项庞大而且复杂的工作，需要对电磁场建模和对时间、空间变量的公式建立，因此使用计算机相关仿真软件，可以大幅减小计算时间，本文采用时域有限差分（Finite-Difference Time-Domain，FDTD）方法。XFDTD软件是REMCOM公司的一款空间电磁仿真软件，专门使用FDTD方法，并且能够计算生物电磁效应SAR，因此本文选取该方法和软件作为空间电磁场仿真计算工具。

由上述天线的理论研究可知，天线的物理尺寸参数可以在绘制软件中任意修改以生成许多各种不同外观的天线。射频天线的信号频段应该在2.4GHz附近，而天线性能的主要指标是S11和VSWR。S11是回波损耗，VSWR是电压驻波比。使用控制变量法，可以得到不同的天线物理参数产生的S11和VSWR，在某频点的S11越小，该点的VSWR越小。通过不断地实验测试得知，当S11<-9.5dB时，VSWR<2，射频天线的信号质量最好，那么在VSWR<2之间的频率就是信号的频段。本文提出为了达到优化天线性能的目的，需要改变天线物理参数，观察和对比天线的S11和VSWR情况，决定天线设计的走向，最终确定一款适用于内窥镜胶囊的天线模型。

3　总结

本文根据天线应用在内窥镜胶囊的实际设计情况，提出一款新型结构—圆锥型螺旋天线，该结构天线不仅能实现微型化设计，还能利用胶囊顶壳空闲空间放置天线，充分利用了胶囊内部有限空间。该类方法在圆锥型螺旋天线的基础，还能推广至其它类型天线应用在内窥镜胶囊系统中使用。

[1]张晓鹏,李雪丹,孙应实.胃肠道疾病磁共振水成像应用研究[J].中国CT和MRI杂志,2003,1(1):42-5.

[2]赵德春.按需式无线内窥镜的设计与研究[D].重庆大学,2008.

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

[4]邱祥玲.无线胶囊内窥镜系统的研究[D].上海交通大学,2010.

[5]黄标,颜国正,昝鹏,et al.遥测胶囊微带天线的设计[J].上海交通大学学报,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]樊红社,赵军仓,查代奉.对L型宽频微带天线的改进[J].现代雷达,2009,31(8):66-8.

[9]韦保林,岳宏卫,周茜,et al.2.5-6.0 GHz信号的体内植入式信道特性分析及建模[J].电子与信息学报,2013,35(8):2019-23.