CN111432713A - 能够被摄入和植入在体内的生物遥测装置 - Google Patents

能够被摄入和植入在体内的生物遥测装置 Download PDF

Info

Publication number
CN111432713A
CN111432713A CN201880077897.4A CN201880077897A CN111432713A CN 111432713 A CN111432713 A CN 111432713A CN 201880077897 A CN201880077897 A CN 201880077897A CN 111432713 A CN111432713 A CN 111432713A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrical
signal
radio antenna
antenna
radio
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201880077897.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111432713B (zh
Inventor
丹尼斯·尼科拉耶夫
马克西姆·扎多博夫
罗南·索莱奥
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Rennes 1
Bodycap SAS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Rennes 1
Bodycap SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Rennes 1, Bodycap SAS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of CN111432713A publication Critical patent/CN111432713A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111432713B publication Critical patent/CN111432713B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0002—Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network
    • A61B5/0031—Implanted circuitry
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • A61B5/0538—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body invasively, e.g. using a catheter
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/0507—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves  using microwaves or terahertz waves
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • A61B5/0537—Measuring body composition by impedance, e.g. tissue hydration or fat content
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/07—Endoradiosondes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/07—Endoradiosondes
    • A61B5/073—Intestinal transmitters
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/04—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances
    • A61B1/041—Capsule endoscopes for imaging
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7225—Details of analog processing, e.g. isolation amplifier, gain or sensitivity adjustment, filtering, baseline or drift compensation

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Endoscopes (AREA)
  • Electrotherapy Devices (AREA)

Abstract

生物遥测装置(100)包括：微控制器(101)，其用于生成电设定点信号(CS)；无线电天线(103)，其用于通过转换入射电信号(IS)来发射电磁波(EMS)；射频电路(102)，其被互连在微控制器(101)和无线电天线(103)之间。无线电天线(103)被配置为使得当生物遥测装置(100)被放置在生物介质(110)中时，它能够相对于射频电路(102)阻抗失配，从而在无线电天线发射电磁波(EMS)的同时，通过一部分入射电信号的反射来生成反射电信号(RS)。

Description

能够被摄入和植入在体内的生物遥测装置
技术领域
本说明书涉及旨在在体内介质中使用的生物遥测装置以及相关方法。
背景技术
在生物医学领域，生物遥测装置用于获取生理信号和分析相关联的生理数据。
在生物遥测装置中，存在可摄入的和/或可植入的无线生物遥测装置，其既可以用于收集和传输生理信号，又可以用于实现治疗功能，例如药物输送或电刺激。这些生物遥测装置例如是可摄入的胶囊或可以被***在人或动物的身体中的植入物的形式。
A.Kiourti等人于2014年在《Bioelectromagnetics》杂志上发表了题为“Implantable and ingestible medical devices with wireless telemetryfunctionalities:a review ofcurrent status and challenges(具有无线遥测功能的可植入的和可摄入的医疗装置：现状和挑战的综述)”的文献，概述了可摄入和/或可植入在体内的装置。
这些生物遥测装置包括至少一个无线电天线，用于将数据传输到外部设备以控制/分析数据或用于从此类设备接收命令。该外部设备尤其用于离体分析无线电天线所传输的数据。
因此，在本文中，“外部”是指在已经植入或摄入生物遥测装置的生物介质外部的设备。例如，对于人体或动物体，生物遥测装置被称为在人体或动物体外部。
这些生物遥测装置可以集成一个或多个小型传感器或换能器，以测量源自周围介质的生理变量，例如能够测量整个胃肠道的pH、温度或压力的传感器。然而，以玻璃电极形式制造的pH检测传感器体积大、价格昂贵并且消耗能量。
由于其减小的尺寸，旨在在体内介质中使用的生物遥测装置暗示了对可用电子组件的选择、布置和数量的限制。
因此，出现了对在体内可用，例如在体内可摄入或可植入的，简化的且具有消耗量和降低的成本的生物遥测装置的需要。
发明内容
根据第一方面，本说明书涉及一种用于在生物介质中使用的生物遥测装置。这个装置包括：微控制器，其被配置为生成电设定点信号；无线电天线，其被配置为通过转换入射电信号来发射电磁波；射频电路，其被互连在微控制器和无线电天线之间。无线电天线被配置为，当将生物遥测装置放置在生物介质中时，其相对于射频电路阻抗失配，从而在无线电天线发射电磁波的同时，通过一部分入射电信号的反射来生成反射电信号。射频电路被配置为拾取电设定点信号的第一部分，将电设定点信号的第二部分发设到无线电天线，形成入射电信号，并且拾取由无线电天线所反射的电信号。微控制器被配置为相对于电设定点信号的第一部分，确定反射系数，该反射系数对应于由无线电天线反射的电信号的部分。
在根据第一方面的装置中，无线电天线伴随地用于发射电磁波，例如可由外部设备检测，并且用于产生由于无线电天线相对于射频电路的阻抗失配而导致的反射电信号。
由于无线电天线的阻抗高度依赖于其所处的周围环境，因此无线电天线所反射的电信号代表了周围环境的电磁特性(包括介电常数、电导率)。因此，反射系数能够用于表征这种周围介质的电磁特性。
因此，这样的生物遥测装置使得从反射系数来检测和定量生物组织的电磁特性(特别是介电常数、电导率)的变化，和由此推断出与电磁特性的变化关联的生理变化成为可能。反射系数的计算以及基于反射系数的电磁特性的确定能够通过无线电天线所发射的电磁波由微控制器或由与微控制器通信的外部设备来执行。
这种检测生物组织的电磁特性的方法与其他传感器，例如温度传感器的结合，能够确定生理参数，例如pH值、葡萄糖水平、乳酸水平、胆固醇水平，而无需用于每一个这些生理参数的特定的传感器。因此，与合并了这种特定传感器的装置相比，可以减小生物遥测装置的尺寸，或者可以利用生物遥测装置的内部空间来集成其他部件。例如，能使用生物遥测装置来实现一种非侵入性自主的葡萄糖传感器，能够在葡萄糖水平异常的情况下自动地提醒患者或其医生。
与具有专用生物医学传感器或应用电路的装置相比，本文中所描述的生物遥测装置更具能效并且成本更低。另外，生物遥测装置使得有可能在体内测量人体或动物体的器官的EM性能，这迄今为止尚未实现。
这种用于检测生物组织的电磁特性的技术与例如无线内窥镜胶囊或药物递送***之类的装置的结合，使得有可能在介质的电磁特性与所关注的值相对应时激活这些装置或输送药物。
在根据第一方面的生物遥测装置的一个或多个实施例中，微控制器还被配置为获得由参考信号和从电设定点信号的信号中拾取的第一部分之间的比较产生的第一电比较信号，和获得由参考信号和由无线电天线所反射的电信号之间的比较产生的第二电比较信号。
在根据第一方面的生物遥测装置的一个或多个实施例中，微控制器还被配置为从第一电比较信号和第二电比较信号确定反射系数。
在根据第一方面的生物遥测装置的一个或多个实施例中，微控制器还被配置为从第一电比较信号的幅值和相位以及第二电比较信号的幅值和相位来确定生物介质的电磁参数。
在根据第一方面的生物遥测装置的一个或多个实施例中，射频电路包括被配置为拾取电设定点信号的第一部分和生成入射电信号的功率分配器。
在根据第一方面的生物遥测装置的一个或多个实施例中，射频电路包括被配置为拾取由无线电天线所反射的电信号的定向耦合器。
在根据第一方面的生物遥测装置的一个或多个实施例中，射频电路包括被配置为将参考信号和从电设定点信号的信号中拾取的第一部分进行比较的参考接收器，和被配置为将参考信号和由无线电天线所反射的电信号进行比较的测试接收器。
在根据第一方面的生物遥测装置的一个或多个实施例中，射频电路还包括至少一个开关，该至少一个开关被配置为将射频电路从第一操作模式切换到第二操作模式，反之亦然。射频电路被配置为在第一操作模式下，用于拾取电设定点信号的第一部分和由无线电天线所反射的电信号的部分，和从电设定点信号的第二部分中产生入射电信号；射频电路被配置为在第二操作模式下将整个电设定点信号发射给无线电天线，并且不拾取无线电天线所反射的电信号的任何部分。
在一个或多个实施例中，根据第一方面的生物遥测装置包括阻抗匹配电路，该阻抗匹配电路互连在微控制器和射频电路之间并且被配置为实现根据所确定的反射系数而被参数化的阻抗匹配。
在一个或多个实施例中，在无线电天线的工作频率下，反射系数小于-3dB。
在一个或多个实施例中，微控制器还被配置为从反射系数确定天线在生物介质中在无线电天线的工作频率下的复阻抗。
在一个或多个实施例中，微控制器还被配置为从将天线在自由空间中的复阻抗与天线在生物介质中的复阻抗和电磁特性联系起来的模型来确定生物介质的一种或多种电磁特性。
根据另一个方面，本发明涉及一种***，其包括生物遥测装置和被配置为接收由生物遥测装置的天线所发射的电磁波和/或向生物遥测装置发送命令的外部装置。
在一个或多个实施例中，外部装置还被配置为从反射系数确定天线在生物介质中在无线电天线的工作频率下的复阻抗，和从将天线在自由空间中的复阻抗与天线在生物介质中的复阻抗和电磁特性联系起来的模型来确定生物介质的一个或多个电磁特性。
根据第一方面的生物遥测装置的各种实施例的特征能够彼此组合。
根据第二方面，本说明书还涉及一种生物遥测测量方法，该方法旨在提供被放置在周围生物介质中的生物遥测装置来实施，该方法包括：通过生物遥测装置的微控制器来生成电设定点信号；通过生物遥测装置的无线电天线，发射由入射电信号所转换来的电磁波；生成反射电信号，所述反射电信号是由于无线电天线相对于射频电路在生物遥测装置被放置在生物介质中时的阻抗失配导致并且伴随着电磁波的发射通过无线电天线对入射电信号的一部分的反射所产生；通过生物遥测装置的被互连在微控制器和无线电天线之间的射频电路，拾取电设定点信号的第一部分和由无线电天线所反射的电信号；将所述电设定点信号的第二部分发射到无线电天线，形成入射电信号；由微控制器相对于电设定点信号的第一部分确定反射系数，所述反射系数对应于无线电天线所反射的电信号的部分。
根据一个或多个实施例，根据第二方面的该方法由根据第一方面的生物遥测装置来实施。因此，根据第一方面的生物遥测装置包括用于实施根据第二方面的方法的装置，并且相反，根据第二方面的方法包括与根据第一方面的生物遥测装置所实现的功能相对应的步骤。根据第一方面的生物遥测装置的特征、性能、优点和/或效果能够直接地转换为根据第二方面的方法，反之亦然。
附图说明
通过阅读下面参考附图所作的详细描述，将出现以上所呈现的技术的其他优点和特征，其中：
-图1示意性地示出了根据一个示例性实施例的生物遥测装置；
-图2示意性地示出了根据一个示例性实施例的生物遥测装置；
-图3A和图3B示意性地表示一个生物遥测装置的植入示例；
-图4A和图4B示出了根据示例性实施例的介质的电磁特性与生物遥测装置的工作频率之间的关系；
-图5示出了根据示例性实施例的介质的电磁特性与生物遥测装置的工作频率之间的关系。
在将参考附图进行描述的各种各样实施例中，相似或相同的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
下文所描述的各种实施例和方面能够以许多方式组合或简化。仅详细描述了示例的某些实施例以确保描述的清楚性，但是这些示例并不旨在限制从被看作整体的本说明书中所呈现的原理的一般范围。
图1示意性地示出了一个采用可摄入胶囊形式的生物遥测装置100的示例。
生物遥测装置100包括微控制器101、射频电路102、无线通信单元103和电源104。可选地，生物遥测装置100可以包括附加电路105，例如生物医学应用电路或传感器。
在一个或多个实施例中，生物遥测装置100可以通过一个或多个集成电路来实现，每个集成电路集成了生物遥测装置100的一个或多个部件。
在一个或多个实施例中，电源104被配置为给微控制器101、射频电路102、无线通信单元103和附加电路105供电。
在一个或多个实施例中，无线通信单元103被配置为经由无线电连接外部装置(未示出)进行通信。无线通信单元103能够例如将数据(例如，由生物遥测装置100获取的生物遥测数据)发射到外部设备，并且从这样的外部设备接收数据(例如，操作指令和/或治疗处理)。
在一个或多个实施例中，无线通信单元103以无线电天线的形式产生，该无线电天线能够高频发射和接收电磁波，例如在107Hz至1010Hz范围内。天线可以由导电材料(例如，铜、铝、银或合金等金属)制成。天线能够被印刷在介电材料的衬底上。根据另一个示例性实施例，无线通信单元103以感应线圈的形式产生，用于通过近场技术来发射和接收数据。
在一个或多个实施例中，微控制器101被配置为处理数据，例如处理由无线通信单元103所接收的数据或附加电路105所获得的数据。
生物遥测装置100的所有部件(微控制器101、射频电路102、无线通信单元103、电源104以及可选的附加电路105)都被集成在生物相容性胶囊107中。该胶囊能够例如由生物相容性塑料材料(PVC、PTFE、PEEK、聚乙烯等)、聚合物或陶瓷制成。
在一个或多个实施例中，射频电路102在微控制器101和射频天线103之间互连。射频电路102用作微控制器101之间的电接口。
在一个或多个实施例中，生物医学应用电路105被配置为实现诊断功能和/或治疗功能。诊断功能可以包括例如通过一个或多个传感器，例如温度传感器、电子传感器、MEMS(“微机电***”)或传感器微流体，来获取或测量诊断数据的功能。诊断功能可以包括内窥镜检查、图像采集、葡萄糖或其他生理参数的测量、抗体检测等。治疗功能能够包括例如药物递送和电刺激，例如神经刺激。
生物遥测装置100旨在例如在体内摄入或植入之后在周围的生物介质110中使用。随着生物遥测装置100例如在胃肠道传输期间在人体中移动，该生物介质110可能具有各种性能。
围绕生物遥测装置100的生物介质110的电磁(EM)特性决定了无线电天线103和生物介质110之间的耦合以及这种生物介质110对EM场的吸收。知道这些EM特性使得可以调整无线电天线103的配置以优化无线电天线103通过生物介质的无线发射性能。特别地，无线电天线103与生物介质110之间的耦合很重要，并且无线电天线的发射性能受到生物遥测装置100所位于的生物介质110的EM特性的变化的影响。因此，能够检测出生物介质110的EM特性的这种变化，并且如果需要的话可以对其进行量化。
图2更详细地示出了生物遥测装置100的工作原理。
根据一个或多个实施例，微控制器101被配置为生成电设定点信号CS，以通过无线电天线103将其转换为电磁波EMS。
无线电天线103被配置为通过入射电信号IS的转换来发射EMS电磁波。根据一个或多个实施例，入射电信号IS由射频电路102从电设定点信号CS产生。
根据一个或多个实施例，无线电天线103被配置为，当将生物遥测装置100放置在生物介质110中时，其相对于射频电路102阻抗失配，从而通过一部分入射电信号IS的反射来生成反射电信号RS，同时无线电天线103发射电磁波EMS。
无线电天线103所反射的电信号RS是无线电天线103与射频电路之间的阻抗失配率的函数。然而，无线电天线103的阻抗极大地取决于与无线电天线103所耦合的生物介质110的EM特性。因此，由无线电天线103所反射的电信号RS是这个生物介质110的EM特性的函数。
注意到无线电天线103的体内复阻抗：
Figure BDA0002518697420000071
这个复阻抗
Figure BDA0002518697420000073
取决于以rad/s表示的角频率ω(ω＝2πf0，f0是无线电天线103的工作频率)以及周围生物介质110的复介电常数
Figure BDA0002518697420000072
其中实部
Figure BDA0002518697420000081
是生物介质的介电常数，εr是相对介电常数，虚部
Figure BDA0002518697420000082
代表由于生物介质的电导率σ(以S/m表示)相对于角频率ω所引起的损耗。
考虑到周围生物介质110的非磁性能(即其磁导率μ＝μ0等于自由空间的磁导率)，则无线电天线在自由空间中的复阻抗ZANT(nω，ε0)通过以下关系与其体内复阻抗
Figure BDA0002518697420000085
相关联：
Figure BDA0002518697420000083
其中η是生物介质的固有复阻抗，η0是自由空间的固有阻抗，n是生物介质相对于空气的折射率。例如Burdette等人在文章“In vivo Probe Measurement Technique forDetermining Dielectric Properties at VHF through Microwave Frequencies(通过微波频率确定VHF下的介电特性的体内探针测量技术)”IEEE Transactions on MicrowaveTheory Technology,vol.28,n°4,pp 414-427,April 1980中描述了这种关系。这个等式(式2)适用于任何类型的无线电天线，用于电介质中无线电天线阻抗
Figure BDA0002518697420000086
的任何表达以及自由空间中无线电天线阻抗ZANT(nω，ε0)的任何表达。
由于由无线电天线103所反射的电信号RS取决于与无线电天线103所耦合的生物介质110的EM特性(特别是相对介电常数εr和电导率σ)，因此无线电天线103能够用于电磁波EMS的发射以及由此从无线电天线所反射的电信号RS中推断生物介质110的EM特性。
能够基于反射系数S11评估无线电天线与射频电路之间的阻抗失配率。这个反射系数S11能够在无线电天线的工作频率上根据入射电信号IS和反射电信号RS来确定。这个反射系数S11是与无线电天线103所耦合的生物介质110的EM特性(特别是介电常数和电导率)的函数。
根据一个或多个实施例，将反射系数S11确定为入射电信号IS的复强度和反射电信号RS的复强度之间的复关系(即，幅值和相位)：
Figure BDA0002518697420000084
其中E表示电场或信号的复强度。
这个反射系数S11还通过以下关系与天线的复阻抗ZANT以及射频电路的复阻抗ZRF相关联：
Figure BDA0002518697420000091
天线在体内的复阻抗
Figure BDA0002518697420000092
本身通过以下关系与其在自由空间中的阻抗ZANT(nω，ε0)和在体内周围介质的复介电常数相关联：
Figure BDA0002518697420000093
因此，通过将反射的电信号RS与入射电信号IS进行比较，能够相继确定反射系数S11、天线的复阻抗
Figure BDA0002518697420000094
和周围的体内介质的复介电常数。
根据一个或多个实施例，无线电天线103与射频101之间的阻抗失配率受到限制，以保证无线电天线103在工作频率f0下的数据传输中的可接受的性能水平。例如，将选择无线电天线的配置，以使得在旨在使用无线电天线的生物介质中，在无线电天线103的工作频率下反射系数|S11|保持小于-3dB。无线电天线103的工作频率f0对应于由无线电天线所发射的电磁波的频率。
根据一个或多个实施例，微控制器包括电信号分析单元111，其被配置为计算无线电天线103的复阻抗ZANT、反射系数S11和/或从反射电信号RS的周围生物介质110的电磁或生理特性的值。
根据一个或多个实施例，微控制器101包括被配置为生成电设定点信号CS的电信号生成单元112。根据一个或多个实施例，微控制器包括数据处理单元113。数据处理单元113例如被配置用于基于通过电信号分析单元111计算出的参数值(无线电天线103的复阻抗ZANT，反射系数S11，生物介质110的电磁特性和/或生理特性)，确定将由电信号生成单元112所发射的设定点信号CS。
根据一个或多个实施例，微控制器101(或外部装置)被配置为确定无线电天线103在工作频率下的复阻抗ZANT，该工作频率基于等式(式3)和(式4)由入射电信号IS以及反射电信号RS的反射系数S11和/或复强度来确定。
根据一个或多个实施例，微控制器101(或外部装置)被配置为从复阻抗ZANT和/或反射系数S11来确定周围生物介质的EM特性(特别是介电常数ε和电导率σ)。这种确定取决于无线电天线的物理配置，并且能够从将自由空间中的复阻抗与体内复阻抗以及EM特性(特别是介电常数ε和电导率σ)联系起来的数学模型中进行。这种确定尤其可以基于等式(式2)进行。
存在用于采用短的单极探针(请参见上文中所引用的Burdette等人的文献)或同轴探针(例如请参见Blackham等人的标题为“An improved technique forpermeattivitymeasurementusing a coaxialprobe(使用同轴探针的磁导率测量的改进技术)”的文献，IEEE Transactions on Instrumentation and Measurements,vol.46,n°45,pp 1093-1099,October 1997)形式的简单无线电天线的分析模型。对于没有可用分析模型的更复杂的无线电天线，能够使用具有已知EM特性的介质中的无线电天线来生成数字模型，以便例如将介质中的无线电天线的复阻抗ZANT的值和/或反射系数S11的值对介质的介电常数ε和/或电导率σ的值关联起来。然后，能够在具有未知EM特性的环境中使用无线电天线，这些特性的值根据数字模型的值的插值以及微控制器所确定的复阻抗ZANT和/或反射系数S11来确定。
由周围的生物介质110引起的阻抗的变化取决于其中封装了生物遥测装置并且将生物遥测装置与生物介质110分开的生物可相容的胶囊的厚度和介电常数。厚度(或分别地，介电常数)越高，灵敏度越低。因此，更薄的胶囊能够检测到EM性能的更精细变化，但是无线电天线失谐(或鲁棒性)的范围变窄。
根据一个或多个实施例，无线电天线被配置为在具有各种EM特性的生物介质中操作。无线电天线例如由微带制成，并且通过其中封装有无线电天线的具有高介电常数的生物可相容的胶囊与生物介质隔离。天线还能够由导电材料(例如，铜、铝、银等金属或合金)制成。参照图1或图2描述的其他实施例也是适用的。
图3A示出了射频电路102和微控制器101的植入的第一示例。
根据一个或多个实施例，电信号生成单元112包括用于产生电设定点信号CS的子单元132和用于产生参考电信号REF的子单元133。参考信号例如是谐波信号。
根据一个或多个实施例，射频电路102包括功率分配器123，该功率分配器123被配置为拾取电设定点信号的第一部分CS1，拾取电设定点信号的第二部分CS2，和从电设定点信号的第一部分CS1中生成入射电信号IS。根据一个或多个实施例，入射电信号IS对应于电设定点信号的第一部分CS1。
根据一个或多个实施例，射频电路102包括被配置为将电设定点信号的第二部分CS2的幅值和/或相位与参考信号REF的幅值和/或相位进行比较的分析器。根据图3A所示的一个或多个实施例，这个分析器包括定向耦合器124、测试接收器121和参考接收器122。
根据一个或多个实施例，定向耦合器124被配置为拾取由无线电天线103反射的电信号。
根据一个或多个实施例，测试接收器121被配置为将定向耦合器124所拾取的反射电信号RS与参考信号REF进行比较。第一测试接收器121产生由这个比较所产生的电比较信号S1。由测试接收机执行的比较包括将由定向耦合器124拾取的反射电信号RS的幅值和相位与参考信号REF的幅值和相位进行比较。
根据一个或多个实施例，参考接收器122被配置为将电设定点信号的第二部分CS2与参考信号REF进行比较。测试接收器121产生由这个比较所产生的电比较信号S2。由第二网络所执行的比较包括将电设定点信号的第二部分CS2的幅值和相位与参考信号REF的幅值和相位进行比较。
根据一个或多个实施例，射频电路102被配置为拾取电设定点信号CS的第一部分CS1，将电设定点信号的第二部分CS2发射到无线电天线，形成入射电信号IS，并且拾取由无线电天线所反射的电信号RS，将反射的电信号RS与入射电信号IS分开。
根据一个或多个实施例，微控制器被配置为相对于电设定点信号的第一部分CS1，确定对应于由无线电天线103所反射的电信号RS的部分的反射系数S11。根据一个或多个实施例，电信号分析单元111被配置为接收电比较信号S1和S2，从电比较信号S1和S2计算无线电天线103的复阻抗ZANT、反射系数S11和/或周围生物介质110的电磁或生理特性的值。
图3B示出了射频电路102和微控制器101的植入的第二示例。在射频电路102的这个第二植入示例中，与参考图3A所描述的射频电路的第一植入示例相同的元件不再赘述，并且在图3A和图3B中具有相同的附图标记。
根据一个或多个实施例，射频电路102还包括至少一个电开关141、142，该至少一个电开关141、142被配置为将射频电路102从第一工作模式切换到第二工作模式，反之亦然。射频电路102被配置为在第一工作模式下用于拾取电设定点信号的第一部分和由无线电天线所反射的电信号的部分，和用于从电设定点信号的第二部分产生入射电信号。射频电路被配置为在第二工作模式下将整个电设定点信号发射到无线电天线，并且不拾取无线电天线所反射的电信号的任何部分。因此，能够从其中从无线电天线所反射的电信号来确定周围生物介质110的EM或生理特性的值的第一工作模式切换到其中不拾取无线电天线103所反射的电信号RS并且不能从无线电天线103所反射的电信号RS来确定周围生物介质110的EM或生理性能的值的第二工作模式。
在图3B中所示的实施例中，第一电开关141被互连在用于产生电设定点信号CS的亚单元132的输出与功率分配器123的输入之间，并且第二电开关141被互连在定向耦合器124的输出和无线电天线103之间。
在能够与参照图1、图2、图3A或图3B所描述的实施例结合的至少一个实施例中，生物遥测装置包括阻抗匹配电路150(未示出)，该阻抗匹配电路150被互连在无线电天线103和射频电路102之间。阻抗匹配电路150被配置为实现阻抗匹配。这种阻抗适配例如根据反射系数S11来配置。因此，能够动态地调节实际获得的反射系数S11和所反射的电信号RS的性能(特别是幅值、相位)，例如，根据生物遥测装置100在给定时间的预期用途，或以获得反射的电信号RS或天线所发射的电磁波EMS的给定质量水平，或以增加天线的范围。
图4A示出了不同器官的相对介电常数随工作频率变化的曲线：胃，小肠，结肠和肌肉。食道的值与胃的值相同。可以看出，对于给定的工作频率，相对介电常数取决于器官，在1GHz以下，差异仍然可观。
图4B示出了不同器官的电导率随工作频率变化的曲线：胃，小肠，结肠和肌肉。食道的值与胃的值相同。还可以看出，对于给定的工作频率，相对介电常数取决于器官，在10GHz以下，差异仍然可观。
因此，基于图4A和图4B的曲线，能够确定可以根据预期应用使用的工作频率范围。例如，使用434MHz的工作频率(ISM频段，工业，科学和医学)，器官之间的相对介电常数和电导率值的差异足够大，可以被检测到，同时具有足够高的频率以允许EM波在人体中具有很高的传输速率和良好的扩散性。
因此，在根据本说明书的生物遥测装置的应用示例中，能够基于在不同器官中例如图4A和图4B的器官中的EM特性的变化曲线，例如在微控制器中或者在与生物遥测装置100通信的外部装置中，根据微控制器101从复阻抗ZANT和/或从反射系数S11确定的生物介质110的EM特性，确定在给定瞬间生物遥测装置所在的人体器官。然后能够推导出其他信息，例如胃肠道通过时间。
在生物遥测装置被配置为执行特定器官或胃肠道(例如，小肠)的特定部分的内窥镜检查的示例应用中，能够仅当生物遥测装置到达这种特定的器官/部分时启动内窥镜相机，从而节省生物遥测装置的电池，和/或更好地使用了这个电池，以改善内窥镜相机的图像采集(例如，每秒采集的图像数量)。
在生物遥测装置被配置为将药物递送到特定器官或胃肠道的特定部分的应用示例中，当生物介质110的EM特性对应于这个器官或这个特定部分的EM特性时，该药物能够被自动释放。
图5中的表格给出了在一些示例性工作频率值下的胃、小肠、结肠和肌肉的相对介电常数和电导率的一些示例值。观察到，在2.4GHz以上，小肠和结肠的值非常接近：因此很难通过在这种频率下工作来区分这两个器官。
生物遥测装置具有许多应用可能性，无论是在医学领域还是非医学领域，例如，用于土木工程、农业、食品加工等。

Claims (15)

1.一种在生物介质(110)中使用的生物遥测装置(100)，所述生物遥测装置(100)包括：
-微控制器(101)，其被配置为生成电设定点信号(CS)；
-无线电天线(103)，其被配置为通过转换入射电信号(IS)来发射电磁波(EMS)；
-射频电路(102)，其被互连在所述微控制器(101)和所述无线电天线(103)之间，
所述无线电天线(103)被配置为，当所述生物遥测装置(100)被放置在所述生物介质(110)中时，其相对于所述射频电路(102)阻抗失配，从而在所述无线电天线发射电磁波(EMS)的同时，通过一部分所述入射电信号的反射来生成反射电信号(RS)；
其中所述射频电路(102)被配置为拾取所述电设定点信号的第一部分(CS2)，将形成所述入射电信号(IS)的所述电设定点信号的第二部分(CS1)发送到所述无线电天线，并且拾取由所述无线电天线(103)所反射的电信号(RS)；
其中所述微控制器(101)被配置为相对于所述电设定点信号的所述第一部分(CS2)，确定对应于由所述无线电天线(103)反射的电信号(RS)的部分的反射系数。
2.根据权利要求1所述的生物遥测装置，其中所述微控制器还被配置为获得由参考信号(REF)和从所述电设定点信号的信号中拾取的所述第一部分(CS2)之间的比较产生的第一电比较信号(S2)，以及获得由所述参考信号(REF)和由所述无线电天线所反射的电信号(RS)之间的比较产生的第二电比较信号(S1)。
3.根据权利要求2所述的生物遥测装置，其中
所述微控制器还被配置为从所述第一电比较信号(S2)和所述第二电比较信号(S1)确定所述反射系数。
4.根据前述权利要求中任一所述的生物遥测装置，其中
所述微控制器还被配置为从所述第一电比较信号(S2)的幅值和相位以及所述第二电比较信号(S1)的幅值和相位来确定所述生物介质(110)的电磁参数。
5.根据前述权利要求中任一所述的生物遥测装置，其中
所述射频电路包括功率分配器(123)，所述功率分配器(123)被配置为拾取所述电设定点信号的所述第一部分(CS2)和生成所述入射电信号(IS)。
6.根据前述权利要求中任一所述的生物遥测装置，其中
所述射频电路包括定向耦合器(124)，所述定向耦合器(124)被配置为拾取由所述无线电天线所反射的电信号(RS)。
7.根据前述权利要求中任一所述的生物遥测装置，其中
所述射频电路包括被配置为将所述参考信号(REF)和从所述电设定点信号的信号中拾取的所述第一部分(CS2)进行比较的参考接收器(122)，以及被配置为将所述参考信号(REF)和由所述无线电天线所反射的电信号(RS)进行比较的测试接收器(121)。
8.根据前述权利要求中任一所述的生物遥测装置，其中
所述射频电路(102)还包括至少一个开关(141,142)，所述至少一个开关(141,142)被配置为将所述射频电路(102)从第一工作模式切换到第二工作模式，反之亦然，
所述射频电路(102)被配置为在所述第一工作模式下，用于拾取所述电设定点信号的所述第一部分(CS2)和由所述无线电天线所反射的电信号(RS)的部分，并从所述电设定点信号的所述第二部分(CS1)中产生所述入射电信号(IS)；
所述射频电路(102)被配置为在所述第二工作模式下将整个所述电设定点信号(CS)发射给所述无线电天线(103)，并且不拾取所述无线电天线(103)所反射的电信号(RS)的任何部分。
9.根据前述权利要求中任一所述的生物遥测装置，其包括
被互连在所述微控制器和所述射频电路之间并且被配置为实现根据所确定的反射系数而被参数化的阻抗匹配的阻抗匹配电路。
10.根据前述权利要求中任一所述的生物遥测装置，其中
在所述无线电天线(103)的工作频率下，所述反射系数小于-3dB。
11.根据权利要求1至10中任一所述的生物遥测装置，其中
所述微控制器还被配置为从所述反射系数确定所述天线在所述生物介质中在所述无线电天线(103)的所述工作频率下的复阻抗。
12.根据权利要求11所述的生物遥测装置，其中
所述微控制器还被配置为从将所述天线在自由空间中的复阻抗与所述天线在生物介质中的复阻抗和电磁特性联系起来的模型来确定所述生物介质的一种或多种电磁特性。
13.一种***，其包括根据权利要求1至12中任一所述的生物遥测装置(100)和被配置为接收由所述生物遥测装置的所述天线所发射的电磁波和/或向所述生物遥测装置发送命令的外部装置。
14.根据权利要求13所述的***，其中
所述外部装置还被配置为从所述反射系数确定所述天线在所述生物介质中在所述无线电天线(103)的所述工作频率下的复阻抗，和从将所述天线在自由空间中的复阻抗与所述天线在所述生物介质中的复阻抗和电磁特性联系起来的模型来确定所述生物介质的电磁特性。
15.一种生物遥测方法，所述方法旨在通过被放置在周围生物介质(110)中的生物遥测装置(100)来实施，所述方法包括：
-通过所述生物遥测装置(100)的微控制器(101)生成电设定点信号(CS)；
-通过所述生物遥测装置的无线电天线(103)发射由入射电信号(IS)所转换的电磁波(EMS)；
-反射电信号(RS)的生成，所述反射电信号是由于所述无线电天线(103)相对于射频电路(102)在所述生物遥测装置(100)被放置在所述生物介质(110)中时的阻抗失配导致并且伴随着所述电磁波(EMS)的发射通过所述无线电天线对所述入射电信号(IS)的一部分的反射所产生；
-通过所述生物遥测装置的被互连在所述微控制器(101)和所述无线电天线(103)之间的射频电路(102)，对所述电设定点信号的第一部分(CS2)和由所述无线电天线所反射的电信号的拾取；
-所述电设定点信号的第二部分(CS1)发射到所述无线电天线，形成入射电信号；
-通过所述微控制器，相对于所述电设定点信号的所述第一部分(CS2)，对对应于由所述无线电天线反射的电信号(RS)的部分的反射系数(S11)的确定。
CN201880077897.4A 2017-10-02 2018-10-02 能够被摄入和植入在体内的生物遥测装置 Active CN111432713B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1759198 2017-10-02
FR1759198A FR3071714B1 (fr) 2017-10-02 2017-10-02 Dispositif biotelemetrique ingestible et implantable in vivo
PCT/FR2018/052418 WO2019069008A1 (fr) 2017-10-02 2018-10-02 Dispositif biotélémétrique ingestible et implantable in vivo

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111432713A true CN111432713A (zh) 2020-07-17
CN111432713B CN111432713B (zh) 2023-05-09

Family

ID=60515623

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880077897.4A Active CN111432713B (zh) 2017-10-02 2018-10-02 能够被摄入和植入在体内的生物遥测装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11871896B2 (zh)
EP (1) EP3691518A1 (zh)
CN (1) CN111432713B (zh)
FR (1) FR3071714B1 (zh)
WO (1) WO2019069008A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9752818B2 (en) 2015-12-22 2017-09-05 Whirlpool Corporation Umbilical for pass through in vacuum insulated refrigerator structures
KR102331477B1 (ko) * 2019-12-11 2021-11-29 조선대학교산학협력단 양방향 통신이 가능한 캡슐형 내시경
WO2023087074A1 (en) * 2021-11-19 2023-05-25 Atmo Biosciences Pty Ltd Therapeutic payload delivery mechanism

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050249667A1 (en) * 2004-03-24 2005-11-10 Tuszynski Jack A Process for treating a biological organism
CN101626734A (zh) * 2007-03-09 2010-01-13 医疗设备创新有限公司 组织分类装置
CN101856540A (zh) * 2009-04-10 2010-10-13 张希华 基于无线能量传输和双向通信的植入式遥测刺激***
US20170095667A1 (en) * 2014-03-14 2017-04-06 Nalu Medical, Inc. Method and apparatus for neuromodulation treatments of pain and other conditions

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
MX9702434A (es) * 1991-03-07 1998-05-31 Masimo Corp Aparato de procesamiento de señales.
DE69532367T2 (de) * 1994-07-01 2004-10-21 Interstitial Llc Nachweis und Darstellung von Brustkrebs durch elektromagnetische Millimeterwellen
US20030216622A1 (en) * 2002-04-25 2003-11-20 Gavriel Meron Device and method for orienting a device in vivo
US20040249257A1 (en) * 2003-06-04 2004-12-09 Tupin Joe Paul Article of manufacture for extracting physiological data using ultra-wideband radar and improved signal processing techniques
JP4732451B2 (ja) * 2004-05-26 2011-07-27 メディカル・デバイス・イノベーションズ・リミテッド 組織分類機器
ES2424763T3 (es) * 2006-10-10 2013-10-08 Medical Device Innovations Limited Aparato para el tratamiento de tejido con radiación de microondas y sistema y procedimiento de calibración de antena
JP6081355B2 (ja) * 2010-07-21 2017-02-15 キマ メディカル テクノロジーズ リミテッド 埋込み式無線周波数センサ

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050249667A1 (en) * 2004-03-24 2005-11-10 Tuszynski Jack A Process for treating a biological organism
CN101626734A (zh) * 2007-03-09 2010-01-13 医疗设备创新有限公司 组织分类装置
CN101856540A (zh) * 2009-04-10 2010-10-13 张希华 基于无线能量传输和双向通信的植入式遥测刺激***
US20170095667A1 (en) * 2014-03-14 2017-04-06 Nalu Medical, Inc. Method and apparatus for neuromodulation treatments of pain and other conditions

Also Published As

Publication number Publication date
EP3691518A1 (fr) 2020-08-12
WO2019069008A1 (fr) 2019-04-11
US11871896B2 (en) 2024-01-16
CN111432713B (zh) 2023-05-09
FR3071714B1 (fr) 2022-03-25
US20210030305A1 (en) 2021-02-04
FR3071714A1 (fr) 2019-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5993372B2 (ja) 埋込み式誘電測定装置
Yilmaz et al. Detecting vital signs with wearable wireless sensors
Valdastri et al. An implantable telemetry platform system for in vivo monitoring of physiological parameters
CN103068302B (zh) 使用分布式电磁（em）组织监测的方法及***
Celik et al. Microwave stethoscope: Development and benchmarking of a vital signs sensor using computer-controlled phantoms and human studies
US11259715B2 (en) Monitoring and diagnostics systems and methods
CN111432713B (zh) 能够被摄入和植入在体内的生物遥测装置
CN101711673B (zh) 食道酸碱度无线监测定位***、装置及方法
JP2013532508A5 (zh)
CN106999090A (zh) 用于估计生理特性的值的装置和方法
Chiao et al. Applications of microwaves in medicine
Kwak et al. The helical antenna for the capsule endoscope
Mohammed et al. A noninvasive, electromagnetic, epidermal sensing device for hemodynamics monitoring
Wang et al. A novel RF-based propagation model with tissue absorption for location of the GI tract
EP3488778B1 (en) Device for electromagnetic structural characterization
Grzeskowiak et al. A multilayered coil antenna for ingestible capsule: Near-field magnetic induction link
Zhao et al. Low-power wireless electronic capsule for long-term gastrointestinal monitoring
CN102068240B (zh) 全消化道多生理参数无创检测***
KR101132634B1 (ko) 인체 삽입형 혈당 센서 및 이를 이용한 실시간 혈당 측정 장치
Islam et al. Software module development for non-invasive blood glucose measurement using an ultra-wide band and machine learning
Ali et al. Non-invasive ultra-wide band system for reliable blood glucose level detection
Vasić et al. Preliminary characterization of capacitive intrabody communication channel under implantable-like conditions
Shi et al. In Vitro and In Vivo characterization of wireless and passive micro system enabling gastrointestinal pressure monitoring
Vendik et al. Wireless monitoring of the biological object state at microwave frequencies: A review
Tang et al. Channel characterization for galvanic coupled in vivo biomedical devices

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant