Antena Implantável de Banda Ultra-Larga para Transmissão e Armazenamento de Dados Médicos

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1 1 Antena Implantável de Banda Ultra-Larga para Transmissão e Armazenamento de Dados Médicos J. Manuel Felício, C. António Fernandes, Senior Member, IEEE, and J. Manuel Costa, Senior Member, IEEE Resumo Este artigo apresenta uma antena de banda ultralarga implantável no corpo, que deverá ser integrada juntamente com uma memória flash para receber e transferir via rádio dados vitais de e para um instrumento exterior. A antena pode atingir um débito binário máximo de 1.43 Gbps permitindo às equipas médicas o acesso prático e quase instantâneo a um grande volume de informações vitais sobre o paciente em caso de emergência. Trata-se de uma antena impressa, cuja configuração é uma evolução de uma antena já apresentada anteriormente. Tem um diâmetro de 15 mm e funciona na banda GHz. As medidas são feitas utilizando um meio líquido que emula as propriedades electromagnéticas do músculo humano. Intencionalmente, o ritmo de transmissão diminui consideravelmente à medida que a distância de leitura aumenta como forma de assegurar a privacidade da informação. A distância óptima de leitura é da ordem dos 20 mm. Palavras-chave antena de banda ultra-larga, antena implantável, phantom, fidelidade, débito binário. N I. INTRODUÇÃO OS últimos anos tem-se assistido a um grande investimento por parte da comunidade científica com o objectivo de desenvolver novas soluções biomédicas que visem a melhoria do bem-estar dos pacientes ou a prevenção de doenças. Algumas das áreas em que mais se tem investido são a prevenção do cancro da mama [1]-[3], a monitorização do glaucoma [4], [5] e do nível de glucose no sangue [6], [7] e a telemetria de sinais vitais [8]. Muitas destas soluções são para ser implantadas dentro do corpo humano para que a monitorização seja contínua. Contudo, para que se tenha acesso a essa informação é necessário transmiti-la do dispositivo implantável para um dispositivo exterior. A Comissão de Comunicações Federais (do inglês Federal Communications Comission FCC) e o Comité de Comunicações Electrónicas (do inglês Electronic Communications Committee ECC), organismos estes que regulam as comunicações nos Estados Unidos da América e na Europa respectivamente, definem duas bandas para utilização de aplicações médicas [9]: a banda MICS (do inglês Medical Implant Communication Service) que se estende desde os 402 MHz até aos 405 MHz; e a banda ISM (do inglês Industrial, Scientific and Medical) que cobre o espectro de 2.4 GHz a GHz. Tanto uma como a outra dispõem de uma banda muito reduzida. No entanto, na transmissão de quantidades elevadas de informação é preferível dispor de bandas mais largas, para que a transmissão se faça com maior rapidez. Algumas antenas implantáveis de banda ultra-larga foram já apresentadas por alguns autores [10]-[13]. Em [10] e [11] são propostas antenas de banda ultra-larga para implantar por baixo do escalpe da cabeça para monitorização da actividade do cérebro, enquanto que em [12] os autores sugerem um antena para endoscopias. Nestes casos o objectivo é transferir a informação recolhida para um dispositivo de leitura exterior. Para além disso, os autores não fazem o estudo do débito binário que as soluções propostas podem atingir. Apenas em [10] os autores fazem uma breve referência a que a antena poderá ser utilizada em aplicações com débitos binários elevados, mas sem nunca referir que valor era este. Neste artigo propõe-se uma antena de banda ultra-larga. Esta é uma evolução da antena apresentada em [14]. Quando integrada com uma memória flash, permite o armazenamento e transmissão de qualquer tipo de dados (exames médicos, historial médico, alergias a medicamentos, entre outros). Estes podem ser carregados/descarregados de e para um dispositivo de leitura exterior. Desta forma, espera-se melhorar o tempo de reacção de uma equipa médica em caso de urgência, já que bastará varrer a área onde está a antena para obter a informação lá armazenada. Assim, pode compensar-se o tempo de acesso do sistema centralizado actual, onde está registado todo o historial do paciente, tempo esse que poderá ser demasiado longo em caso de emergência. Note-se ainda que num país estrangeiro poderá nem haver acesso a esta base de dados médica. Tendo em conta esta solução, o tempo de acesso à informação, que pode variar entre umas centenas de megabytes a alguns gigabytes, é crucial que seja o mais curto possível. Também a potência deve ser o mais baixa possível, uma vez que se trata de um dispositivo implantável e que por isso tem restrições de potência impostas pela FCC e ECC [15]. Por fim, a distância de leitura dos dados armazenados deve ser muito curta (na ordem de poucos centímetros) de forma a evitar leituras não consentidas pelo portador do dispositivo. Este artigo encontra-se organizado como se segue: a secção

2 2 II descreve a geometria e o dimensionamento da antena; na secção III é fabricado um material com as propriedades eléctricas do músculo, designado phantom, onde o protótipo é testado; os resultados obtidos são demonstrados e comparados com as simulações nas secções IV e V, de acordo com o desempenho electromagnético e transmissão de dados, respectivamente; por fim, na secção VI são tiradas as principais conclusões. II. DIMENSIONAMENTO DA ANTENA A antena apresentada neste artigo deriva da antena de banda ultra-larga descrita em [14]. Trata-se de uma antena plana constituída por duas fendas exponenciais cruzadas que intersectam uma fenda em forma de estrela, impressas num substrato, como ilustrada pela Fig. 1 a). Daqui para a frente a antena será referida como XETS, proveniente da sigla em inglês Crossed Exponentially Tapered Slot. a) b) Fig. 1: a) Vista frontal do XETS no CST; b) Protótipo fabricado. Devido à sua geometria balanceada, a antena exibe níveis de polarização cruzada e distorção de pulsos baixos e um centro de fase estável. Para além disso, o diagrama de radiação mantém-se estável ao longo da frequência. A antena foi dimensionada para funcionar de 1.4 GHz a 4.2 GHz, implantada no músculo. Esta banda foi escolhida como um compromisso entre penetração da radiação no corpo e tamanho da antena. As dimensões dos parâmetros da antena são apresentados na TABELA 1, de acordo com a nomenclatura apresentada em [14]. TABELA 1 DIMENSÕES DOS PARÂMETROS DO XETS PARA A APLICAÇÃO DENTRO DO CORPO EM MILÍMETROS. w 0 C 0 L D front w S L in L out D S O XETS tem um diâmetro total de aproximadamente 15 mm, o que pode não ser muito apelativo para um implante, mas torna mais fácil o fabrico de um protótipo e serve para provar o conceito, tal como se pretende neste artigo. Ainda assim, deve notar-se que para reduzir o tamanho da antena, basta fazer uma mudança da banda de operação para frequências superiores. De grosso modo, se a frequência duplicar, o tamanho será reduzido para metade. Foi fabricado um protótipo utilizando um substrato Duroid 5880 (ε r = 2.2 e tangente de perdas tan(δ) = ) com espessura h = 10 mil (0.254 mm). A antena é alimentada entre as pétalas frontais através de um cabo coaxial EZ-47 de diâmetro 1.19 mm, como mostra a Fig. 1 b). III. PHANTOM É necessário testar a antena imersa num material electricamente semelhante ao músculo humano para que se possa estudar o seu funcionamento, uma vez que não é possível fazê-lo dentro do próprio corpo humano. O material idêntico electricamente ao músculo é geralmente denominado phantom. As propriedades eléctricas do músculo foram estudadas em [16]. É possível encontrar diversos phantoms na literatura. No entanto não é o propósito deste trabalho desenvolver uma mistura complexa que replique as propriedades eléctricas do corpo na banda de interesse. Como tal, uma solução prática é utilizar a mesma receita utilizada em [17] e que se encontra disponível no laboratório do Instituto de Telecomunicações (IT). Para que seja possível caracterizar electricamente o phantom e utilizá-lo no simulador para estudar o desempenho da antena, é necessário determinar o modelo físico que melhor caracteriza o líquido do phantom. É referido em [18] que o modelo físico que melhor descreve misturas aquosas é o modelo de Cole-Cole. Este assume que a permitividade complexa pode ser descrita como s ' j '' (1) 1 j j 1 0 onde ω é a frequência angular, τ o tempo de relaxação, σ a condutividade e ε s e ε as constantes dieléctricas estática e infinita, respectivamente [18]. É possível determinar os valores do modelo de Cole-Cole que melhor se adaptam às medidas através do método de medição de permitividades complexas descrito em [17]. Tratase de um método, relativamente preciso, baseado na transmissão e reflexão. Consiste numa cavidade metálica que é atravessada por um cabo coaxial. A cavidade é preenchida pelo líquido do phantom e é medida a respectiva matriz de dispersão (representada nas Fig. 2 e Fig. 3). De seguida, calculam-se os parâmetros do modelo Cole-Cole por tentativa erro através de simulações no CST (Computer Simulation Technology) [19]. Quando a simulação for consistente com as medidas, tem-se o respectivo modelo físico. Os parâmetros do modelo estão apresentados na TABELA 2. Como se pode observar pelas figuras Fig. 2 e Fig. 3, o modelo físico do phantom da TABELA 2 é bastante consistente com as medidas, pelo que se pode assumir que o modelo representa razoavelmente bem o líquido. a) b) Fig. 2: Cavidade preenchida com o líquido do phantom: a) coeficiente de reflexão, s 11; b) fase do coeficiente de reflexão.

3 3 a) b) Fig. 3: Cavidade preenchida com o líquido do phantom: a) coeficiente de transmissão, s 21; b) fase do coeficiente de transmissão. TABELA 2 PARÂMETROS DO MODELO COLE-COLE DO PHANTOM. τ[ps] ε ε s σ [S/m] α A permitividade do phantom pode ser determinada calculando a parte real de (1). A permitividade relativa do músculo humano [16] e do phantom na banda GHz estão representados na Fig. 4. Fig. 5: Comparação dos coeficientes de reflexão do XETS: a vermelho e a tracejado está representado o resultado da simulação da antena imersa no músculo; a azul e a tracejado está o resultado da simulação do XETS imesa no phantom; a azul e a sólido está o resultado das medidas do XETS imersa no líquido do phantom. Fig. 4: Comparação das permitividades relativas do músculo humano [16] e do phantom, assumindo o modelo Cole-Cole da TABELA 2. É possível ver que a permitividade do phantom e do músculo não são totalmente iguais na banda de interesse. Contudo, como se verifica no próximo capítulo, isso não tem uma grande influência no desempenho electromagnético da antena. IV. DESEMPENHO ELECTROMAGNÉTICO O coeficiente de reflexão da antena foi simulado e medido. Por forma a perceber o efeito do phantom no desempenho da antena comparativamente às características do músculo, simulou-se a antena imersa no músculo, baseado nas propriedades discutidas em [16], bem como imersa no líquido, assumindo o modelo apresentado na TABELA 2. Estes resultados estão representados na Fig. 5 pelas linhas tracejadas. Como se pode observar, dentro da banda de interesse, o funcionamento da antena não é afectado de forma significativa, uma vez que o coeficiente de reflexão em ambas as situações se encontra abaixo do limite de -10 db. Isto significa que o phantom é válido para o propósito deste artigo, apesar de as propriedades eléctricas do músculo humano e do phantom não serem exactamente as mesmas. Fig. 6: Montagem da antena imersa no líquido para medição do coeficiente de reflexão, s 11. O XETS está colocado a cerca de 3 mm da base do copo de plástico. Assumindo que, de facto, o phantom pode ser utilizado para emular as propriedades do músculo, mediu-se o coeficiente de reflexão da antena embebida no líquido. Para tal, mergulhouse a antena no líquido dentro de um copo de plástico, até cerca de 3 mm da base deste, como ilustra a Fig. 6. Verificou-se que a forma cilíndrica do copo afecta o desempenho da antena apenas marginalmente. O resultado é representado pela linha azul sólida da Fig. 5. A simulação e a medida mostram uma boa correspondência. De modo a compreender como a distância de leitura afecta a potência transmitida do XETS imerso no líquido comparativamente à transmissão em espaço livre, foram considerados dois cenários onde foi utilizado como dispositivo externo de leitura um XETS apresentado anteriormente em [20] e devidamente dimensionado para a banda de interesse. O XETS utilizado como dispositivo de leitura será denominado XETSL a partir de agora. No primeiro cenário, foram colocados frente a frente o XETS imerso (XETSI) no phantom dentro do copo a cerca de 3 mm da base do mesmo e o XETSL (ver Fig. 7). No segundo, foram colocados frente a frente dois XETSL. De seguida, estudou-se a o coeficiente de transmissão, s 21, em cada um dos cenários para diferentes valores da distância entre o XETSL e a segunda antena. Para efeitos deste estudo e porque a banda é bastante larga, tomou-se em consideração o valor do coeficiente de transmissão no centro da banda (f c = 2.8 GHz). A sua variação ao longo da distância está ilustrada na Fig. 8.

4 4 % XETSI XETSL Fig. 7: Montagem para medição da variação do coeficiente de transmissão, s 21, entre o XETS imerso no líquido (XETSI) e o XETS de leitura (XETSL). Fig. 8: Variação do coeficiente de transmissão, s 21, na frequência central ao longo da distância. No primeiro cenário, têm-se perdas de transmissão de cerca de -29 db à frequência central quando as antenas estão posicionadas a 2 cm de distância uma da outra. Na segunda montagem, a distância pode ser aumentada até aos 60 cm, de modo a verificar as mesmas perdas de transmissão de -29 db. Isto significa que para as mesmas condições de potência das duas antenas em espaço livre, o alcance da primeira montagem com o XETSI é de apenas 2 cm. Isto corresponde a uma redução de 25 dbi na potência recebida. Fig. 9: Fidelidade do XETS imerso no líquido do phantom ao longo do ângulo sólido. O ângulo radial é θ, ao passo que o ângulo polar é φ. A fidelidade está à volta de 98%, o que é extraordinariamente bom, pois significa que a antena praticamente não distorce os pulsos radiados. No entanto, a fidelidade por si só não permite estimar o débito binário que a antena suporta. Para isso é necessário um outro indicador, designado E90. O E90 é a janela temporal que a antena demora a radiar 90% da energia de um pulso. Idealmente, quando dois pulsos são transmitidos de seguida não deveriam interferir um com o outro. Contudo, na prática existe interferência inter-simbólica. Uma estratégia para minimizar esta interferência é transmitir um pulso apenas quando 90% da energia do pulso anterior já tiver sido transmitida. Este período de tempo entre os dois pulsos é dado pelo E90 e define o débito binário máximo suportado pelo sistema. O E90 foi simulado, adoptando o mesmo pulso definido por (2). Os resultados podem ser observados na Fig. 10. ns V. DESEMPENHO DE TRANSMISSÃO DE DADOS Geralmente, as antenas de banda ultra-larga são utilizadas em sistemas de transmissão/recepção de pulsos. Como tal, é de extrema relevância que os pulsos sejam transmitidos com a menor distorção possível. Ao indicador da distorção de pulsos que uma antena introduz chama-se fidelidade. Este indicador foi simulado para o caso do XETS imerso no líquido. Para tal, adoptou-se um pulso gaussiano descrito pela expressão 2 t u( t) cos(2 fct)exp 2 (2) em que a frequência central f c = 2.8 GHz e a largura temporal τ = 850 ps. A fidelidade ao longo do ângulo sólido está ilustrada na Fig. 9. Fig. 10: Janela temporal que contém 90% da energia do pulso transmitido pelo XETS imerso no líquido do phantom ao longo do ângulo sólido (o E90 do pulso original é de 0.56 ns). O ângulo radial é θ, ao passo que o ângulo polar é φ. A janela E90 do pulso de entrada é de 0.56 ns, ao passo que para o pulso transmitido é de 0.7 ns no pior caso. O débito binário máximo é, de grosso modo, o inverso do E90, de onde resulta um débito binário máximo de 1.43 Gbps. Este resultado é bastante interessante tendo em conta a aplicação da antena implantada no músculo. Note-se que é possível diminuir a interferência entre pulsos ao impor uma percentagem mais

5 5 elevada de energia transmitida (por exemplo, em vez de considerar 90% da energia transmitida do pulso, pode imporse 99% reduzindo assim o débito binário máximo). Uma vez calculado o débito binário máximo, analisou-se a variação do débito binário com a distância. Para tal, utilizou-se um router Wi-Fi comercial para o efeito, já que a frequência de funcionamento deste (2.4 GHz) se encontra dentro da banda coberta pela antena implantável. Apesar de ser uma solução de baixo custo, poderá fornecer dados interessantes sobre a variação do débito binário com a distância. No entanto, alguns detalhes devem ser tidos em consideração. O router adquirido tem um ritmo binário máximo de 150 Mbps e recorre a diversas modulações e débitos binários conforme a robustez do canal de transmissão, definidos pela norma IEEE n [21]. Estes aspectos são específicos das redes Wi-Fi e podem não se aplicar a uma antena implantável. Além disso, o router pode aumentar a potência de transmissão até 20 dbm, que é uma potência incomportável dentro do corpo humano. O XETSI foi ligado ao router, de acordo com a montagem ilustrada na Fig. 11, e um ficheiro de dimensão conhecida foi transferido para uma antena Wi-Fi comercial a diferentes distâncias. O respectivo tempo de transmissão foi cronometrado, permitindo assim calcular o débito binário médio da transmissão. De seguida, substitui-se o XETSI pelo XETSL e procedeu-se ao mesmo método. A variação do débito binário, D b, médio e de pico encontra-se registado na Fig. 12. Antena USB Wi-Fi Wi-Fi router XETSI Fig. 11: Montagem do router Wi-Fi com o XETSI ligado, colocado frente a frente com a antena Wi-Fi para medição da variação do débito binário ao longo da distância. Fig. 12: Variação do débito binário D b com a distância. Com o XETSL o débito binário médio permanece estável à volta de 90 Mbps, enquanto que o débito binário máximo atinge os 100 Mbps, excepto para uma distância de 50 cm. Nesta situação o XETSL e a antena de recepção acoplam uma com a outra o que explica o débito binário mais baixo. Ao substituir o XETSL pelo XETSI, verifica-se que o débito binário diminui substancialmente com a distância, em que o débito binário médio estabiliza por volta dos 35 Mbps. A 2 cm, obtiveram-se os mesmo valores de débito binário médio e máximo que a montagem com o XETSL, o que significa que a esta distância se está em condições óptimas de transmissão. Note-se que a estabilização do débito binário a distâncias superiores a 20 cm da montagem com o XETSI se deve sobretudo às estratégias que o router utiliza para aumentar a robustez do sistema às falhas do canal de transmissão, pelo que estes resultados devem ser encarados com precaução. Contudo, é possível concluir que o débito binário diminui consideravelmente quando a distância aumenta. Note-se ainda que a análise teórica do XETSI prevê débitos binários bastante mais elevados que a norma de Wi-Fi, pelo que este resultado não apresenta grandes surpresas. VI. CONCLUSÃO Foi apresentada neste artigo um antena implantável de banda ultra-larga que, uma vez integrada com uma memória flash, permitirá estabelecer uma ligação bi-direccional entre a antena implantada e o dispositivo de leitura exterior. Pretendese com esta solução diminuir o tempo de acesso aos dados por parte das equipas médicas em caso de emergência. Para emular as propriedades eléctricas do corpo humano, utilizou-se um material, designado phantom, onde a antena foi imersa. A antena funciona na banda GHz e tem um diâmetro de 15 mm. Esta dimensão pode ser reduzida ainda mais, simplesmente alterando a banda de funcionamento para frequências mais altas. Verificou-se que o débito binário máximo pode atingir os 1.43 Gbps o que é muito satisfatório para esta aplicação. Além disso, observou-se um decréscimo significativo do ritmo binário à medida que a distância entre a antena implantada e o instrumento de medida aumentava, protegendo assim o paciente de medidas não consentidas. REFERENCES [1] S. M. Aguilar, M. A. Al-Joumayly, M. J. Burfeindt, N. Behdad, S. C. Hagness, Multiband Miniaturized Patch Antennas for a Compact Shielded Microwave Breast Imaging Array, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 62, no. 3, March 2014, pp [2] M. Bassi, M. Caruso, M. S. Khan, A. Bevilacqua, A. Capobiano and A. Neviani, An Integrated Microwave Imaging Radar With Planar Antennas for Breast Cancer Detection, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 61, no. 5, May 2013, pp [3] Abbosh A. M., Compact Antenna for Microwave Imaging Systems, Biomedical Engineering Conference (CIBEC), 1-4, 2008, Cairo. [4] Eric Y. Chow, Arthur L. 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