JP2009106307A - Human body embedded type antenna for medical wireless communication system - Google Patents
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Description
本発明は、人体の内部に埋め込まれ、人体内で電磁波を送受信し、又は自由空間と人体との間で電磁波を送受信するための人体埋設型アンテナに関する。 The present invention relates to a human body-embedded antenna that is embedded in a human body and transmits / receives electromagnetic waves in the human body or transmits / receives electromagnetic waves between a free space and a human body.
近年における医療では、人体内に電子デバイスを埋設(インプラント)して、人体の治療や診断を行うケースが増加している。このため、体内に埋設された電子デバイスと基地局との間で無線通信リンクを確立して無線通信を行うシステムに関する研究も注目を浴びている。中でもリアルタイムに患者の検査データを取得するため、通信の高速化、利用しやすさ、信頼性に焦点を当てたシステムの構築も進展しつつある。
人体埋設型デバイスでは、人体内及び／又は人体外の外部装置との間で、電磁気的にカップリングされる必要がある。実際にそのカップリングを起こさせるためには、人体内に対して電磁波を送信し、又は人体内からの電磁波を検知するための人体埋設型アンテナが必要となる。人体埋設型アンテナの動作環境としては、従来における無線通信の環境と全く異なるものである。 A human body embedded device needs to be electromagnetically coupled with an external device inside and / or outside the human body. In order to actually cause the coupling, a human body embedded antenna for transmitting electromagnetic waves to the human body or detecting electromagnetic waves from the human body is required. The operating environment of the human body embedded antenna is completely different from the conventional wireless communication environment.
人体埋設型アンテナは、先ず超小型で構成される必要があり、低電圧で動作する必要がある。このため通信効率に優れたアンテナを提案する必要があり、実際に人体埋設型デバイスによる無線通信システム全体において、その要請は高まっている。人体埋設型アンテナは、人体埋設型デバイス上に接続する上で先ず生体適合性を有するものでなくてはならない。また、人体埋設型アンテナは、電気的なショートや不具合を回避するため、体内から電気的に絶縁されているものでなくてはならない。 A human-embedded antenna must first be configured in a very small size, and must operate at a low voltage. For this reason, it is necessary to propose an antenna having excellent communication efficiency, and the demand is actually increasing in the entire wireless communication system using the human body embedded device. The human-embedded antenna must first have biocompatibility when connected to a human-embedded device. The human-embedded antenna must be electrically insulated from the body in order to avoid electrical shorts and problems.
人体埋設型アンテナの先行研究としては、例えば非特許文献１、２において開示されている。これらは、渦巻状にループが形成された超小型のアンテナである。これらは何れもアンテナが無限に減衰する環境に置かれた場合を想定しており、あくまで体内において皮膚表面から深い箇所に埋設される場合のみしか有効性を発揮できない。 For example, Non-Patent Documents 1 and 2 disclose prior research on a human-embedded antenna. These are ultra-small antennas in which loops are formed in a spiral shape. All of these assume the case where the antenna is placed in an environment where the antenna is attenuated infinitely, and the effectiveness can be exhibited only when the antenna is embedded deeply from the skin surface in the body.
一般に人体組織中を伝搬する電磁波の波長が短くなるにつれて、電磁波の伝播速度は短くなる。このため、人体埋設型アンテナは、自由空間において波長の１０％より幾何学的に小さく構成することにより、非常に低い通信効率となり、非常に遅いデータレートで動作することになる。 Generally, as the wavelength of electromagnetic waves propagating in human tissue becomes shorter, the propagation speed of electromagnetic waves becomes shorter. For this reason, the human-embedded antenna is configured to be geometrically smaller than 10% of the wavelength in free space, thereby achieving very low communication efficiency and operating at a very low data rate.
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、人体の内部に埋め込まれ、人体内で電磁波を送受信し、又は自由空間と人体との間で電磁波を送受信するための人体埋設型アンテナにおいて、少ない消費電力により人体への影響を軽減させるとともに、サイズの小型化を図り、しかも体内において皮膚表面から浅い箇所に埋設可能とされていることにより、体内からの各種反応をより効果的に検出することも可能な人体埋設型アンテナを提供することにある。 Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and is embedded in the human body for transmitting and receiving electromagnetic waves within the human body, or for transmitting and receiving electromagnetic waves between free space and the human body. The human-embedded antenna reduces the impact on the human body with low power consumption, reduces the size of the antenna, and allows it to be embedded in a shallow part of the body from the surface of the skin. An object of the present invention is to provide a human body embedded antenna that can be detected more effectively.
本発明は、上述した課題を解決するために、人体の内部に埋め込まれ、人体内に対して電磁波を送信し、又は人体内からの電磁波を検知するための人体埋設型アンテナにおいて、誘電性の基板上に形成された第１のアンテナ導体と、第２のアンテナ導体とが互いに平行かつ矩形状に９０°単位で巻回させてなり、上記第１のアンテナ導体の内側先端の延長方向と、上記第２のアンテナ導体の内側先端の延長方向とが互いに正逆向きとされていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a dielectric antenna embedded in a human body for transmitting an electromagnetic wave to the human body or detecting an electromagnetic wave from the human body. A first antenna conductor formed on a substrate and a second antenna conductor are wound in parallel and in a rectangular shape in units of 90 °, and the extending direction of the inner tip of the first antenna conductor; The extending direction of the inner tip of the second antenna conductor is opposite to each other.
上述した構成からなる本発明では、少ない消費電力により人体への影響を軽減させるとともに、サイズの小型化を図り、しかも体内において皮膚表面から浅い箇所に埋設可能とされていることにより、体内からの各種ＲＦ信号をより効果的に検出することが可能となる。また電場と磁場のバランスを取ることが可能となる。 In the present invention having the above-described configuration, the influence on the human body can be reduced with less power consumption, the size can be reduced, and the body can be embedded in a shallow portion from the skin surface. Various RF signals can be detected more effectively. It is also possible to balance the electric and magnetic fields.
図４は、入力位置におけるアンテナ強度が１Ｗであるときの１-ｇ ＳＡＲの分布を示している。シミュレーションの結果は、供給電力の殆どが人体組織に吸収され、１．６Ｗ／Ｋｇの限定の下で設計した埋設アンテナのＳＡＲ値を示している。 FIG. 4 shows the distribution of 1-g SAR when the antenna strength at the input position is 1 W. The simulation results show the SAR value of the embedded antenna designed under the limitation of 1.6 W / Kg, where most of the supplied power is absorbed by human tissue.
埋設アンテナを設計するためには、動作するものと想定している媒体内にその埋設体を置いて考えることが必要になる。埋設アンテナは、組織層によって囲まれている媒体においてシミュレートされる。設計した埋設アンテナのシミュレートされたリターンロスを図５に示す。アンテナは、４０２−４０５Ｍｚの周波数帯域において良い一致を示している。 In order to design a buried antenna, it is necessary to consider placing the buried object in a medium that is supposed to operate. The embedded antenna is simulated in a medium surrounded by a tissue layer. The simulated return loss of the designed buried antenna is shown in FIG. The antenna shows a good match in the 402-405 Mz frequency band.
体内から偶発的に生じる電場からアンテナの端子への不整合によるロスを低減させた後の、放射アンテナの電力の時間平均を図６に示す。アンテナのゲインは、図７に示す。また図８は、提案したアンテナの放射パターンをプロットしたものであり、それぞれ周波数が４０３ＭＨｚ、Φ＝０°、Φ＝９０°のときでａ）は、ｙ−ｚ平面、ｂ）は、ｘ−ｚ平面、ｃ）はｘ−ｙ平面である。 FIG. 6 shows the time average of the power of the radiating antenna after the loss due to the mismatch between the electric field accidentally generated from the body and the terminal of the antenna is reduced. The gain of the antenna is shown in FIG. FIG. 8 is a plot of the radiation pattern of the proposed antenna. When the frequency is 403 MHz, Φ = 0 °, and Φ = 90 °, a) is a yz plane, and b) is x−. The z plane, c) is the xy plane.
以下、本発明を実施するための最良の形態として、人体の内部に埋め込まれ、人体内で電磁波を送受信し、又は自由空間と人体との間で電磁波を送受信するための人体埋設型アンテナについて、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, as the best mode for carrying out the present invention, it is embedded in a human body, transmits and receives electromagnetic waves in the human body, or a human body embedded antenna for transmitting and receiving electromagnetic waves between free space and the human body. This will be described in detail with reference to the drawings.
本発明を適用した人体埋設型アンテナ１は、図１に示すように、基板１１と、基板１１上に形成されたアンテナ導体１２、１３と、アンテナ導体１２、１３上に形成されたカバー１４とを備えている。 As shown in FIG. 1, a human body embedded antenna 1 to which the present invention is applied includes a substrate 11, antenna conductors 12 and 13 formed on the substrate 11, and a cover 14 formed on the antenna conductors 12 and 13. It has.
基板１１は、厚さ１ｍｍ以下の誘電性材料で構成されている。以下の例において、この基板１１は、比誘電率εｒが３０であるものを想定している。 The substrate 11 is made of a dielectric material having a thickness of 1 mm or less. In the following example, it is assumed that the substrate 11 has a relative dielectric constant ε r of 30.
第１のアンテナ導体１２と第２のアンテナ導体１３は、それぞれ厚さが０．０３６ｍｍの銅で構成されている。図２は、基板１１上に形成されている第１のアンテナ導体１２と第２のアンテナ導体１３の平面図である。この第１のアンテナ導体１２と第２のアンテナ導体１３とは、互いに矩形状に構成されている。第１のアンテナ導体１２は、右下に位置する基点１２ａから上向きに延長され、左方向へ９０°巻回されてそのまま延長され、さらに下方向へ９０°巻回されてそのまま延長され、さらに右方向へ９０°巻回されてそのまま延長されることになる。第１のアンテナ導体１２は、これらのプロセスが繰り返し実行されることにより、順次内周側へ渦巻状に９０°単位で巻回されていく。 The first antenna conductor 12 and the second antenna conductor 13 are each made of copper having a thickness of 0.036 mm. FIG. 2 is a plan view of the first antenna conductor 12 and the second antenna conductor 13 formed on the substrate 11. The first antenna conductor 12 and the second antenna conductor 13 are formed in a rectangular shape. The first antenna conductor 12 is extended upward from the base point 12a located at the lower right, is wound 90 ° in the left direction and is extended as it is, is further wound 90 ° in the lower direction and is extended as it is, and is further extended to the right. It is wound 90 ° in the direction and extended as it is. The first antenna conductor 12 is wound around the inner circumference side in a spiral manner in units of 90 ° by repeatedly executing these processes.
第２のアンテナ導体１３は、第１のアンテナ導体１２よりも内周側でしかも第１のアンテナ導体１３と平行となるように、矩形状に９０°単位で巻回される。即ち、第２のアンテナ導体１３の基点１３ａは、第１のアンテナ導体１２における基点１２ａよりも内周側に位置しており、しかも第１のアンテナ導体１２における巻回位置よりも外周側に位置している。第２のアンテナ導体１３は、当該基点１３ａから、最外周側のアンテナ導体１２と内周側へ巻回されたアンテナ導体１２の中間を上方向に向けて延長されることになる。このようにして、第２のアンテナ導体１３は、第１のアンテナ導体１２の中間を沿うようにして、矩形渦巻状に９０°単位で巻回されていくことになる。 The second antenna conductor 13 is wound in a rectangular shape in units of 90 ° so as to be closer to the inner periphery than the first antenna conductor 12 and parallel to the first antenna conductor 13. In other words, the base point 13 a of the second antenna conductor 13 is located on the inner peripheral side of the base point 12 a of the first antenna conductor 12, and is positioned on the outer peripheral side of the winding position of the first antenna conductor 12. is doing. The second antenna conductor 13 is extended from the base point 13a upward in the middle between the antenna conductor 12 on the outermost peripheral side and the antenna conductor 12 wound on the inner peripheral side. In this way, the second antenna conductor 13 is wound in units of 90 ° in a rectangular spiral shape along the middle of the first antenna conductor 12.
第１のアンテナ導体１２並びに第２のアンテナ導体１３ともに略正方形状となるように巻回されていくことになる。例えば、第１のアンテナ導体１２の最外周は、８．２×８．１ｍｍのサイズで構成されていてもよい。 Both the first antenna conductor 12 and the second antenna conductor 13 are wound so as to have a substantially square shape. For example, the outermost periphery of the first antenna conductor 12 may be configured with a size of 8.2 × 8.1 mm.
また、第１のアンテナ導体１２における内側先端１２ｂの延長方向は左向きとなっている。これに対して、第２のアンテナ導体１３における内側先端１３ｂは、右向きとなっている。即ち、これら内側先端１２ｂ、１３ｂは互いに正逆向きとなるように形成されている。 Further, the extending direction of the inner tip 12b in the first antenna conductor 12 is leftward. On the other hand, the inner front end 13b of the second antenna conductor 13 faces right. That is, these inner front ends 12b and 13b are formed so as to be in opposite directions.
即ち、このような巻回された第１のアンテナ導体１２並びに第２のアンテナ導体１３は、いわゆるマルチターン型のダイポールアンテナを構成する。 That is, the wound first antenna conductor 12 and second antenna conductor 13 constitute a so-called multi-turn dipole antenna.
また、この第１のアンテナ導体１２並びに第２のアンテナ導体１３は、外周側においては互いに同一方向で平行に巻回されているのに対して、内側先端１２ｂ、１３ｂにおいては互いに正逆向きとなるように形成されている。 In addition, the first antenna conductor 12 and the second antenna conductor 13 are wound in parallel in the same direction on the outer peripheral side, whereas they are in opposite directions at the inner tips 12b and 13b. It is formed to become.
このアンテナ導体１２、１３の上に形成されているカバー１４は、厚さ１ｍｍ以下の誘電性材料で構成されている。以下の例において、この基板１１は、比誘電率εｒが１．０００６であるものを想定している。 The cover 14 formed on the antenna conductors 12 and 13 is made of a dielectric material having a thickness of 1 mm or less. In the following example, it is assumed that the substrate 11 has a relative dielectric constant ε r of 1.0006.
図３は、本発明を適用した人体埋設型アンテナ１を実際に体内に埋設する例を示している。最表面の皮膚から、脂肪、筋肉、骨に至る体内において、本発明を適用した人体埋設型アンテナ１は、筋肉に埋設される。図３においては、皮膚が２ｍｍ、脂肪が３ｍｍ、筋肉３０ｍｍ、骨１０ｍｍからなる組織において、人体埋設型アンテナ１を、表層からの筋肉１０ｍｍと下層からの筋肉２０ｍｍの間に埋設させている例を示している。その結果、この人体埋設型アンテナ１は、骨からある程度浅い位置において埋設されることになる。特に本発明を適用した人体埋設型アンテナ１においては、８．２×８．１ｍｍの平板状で、しかも３ｍｍ以下の薄い板厚で構成されていることから筋肉の間であっても容易に埋設することができる。 FIG. 3 shows an example in which the human body embedded antenna 1 to which the present invention is applied is actually embedded in the body. The human body-embedded antenna 1 to which the present invention is applied is embedded in the muscle in the body from the outermost skin to fat, muscle, and bone. In FIG. 3, in a tissue composed of 2 mm of skin, 3 mm of fat, 30 mm of muscle, and 10 mm of bone, the human body embedded antenna 1 is embedded between 10 mm of muscle from the surface layer and 20 mm of muscle from the lower layer. Show. As a result, the human body embedded antenna 1 is embedded at a position that is somewhat shallow from the bone. In particular, in the human body embedded antenna 1 to which the present invention is applied, since it has a flat plate shape of 8.2 × 8.1 mm and a thin plate thickness of 3 mm or less, it is easily embedded even between muscles. can do.
なお、本発明では、アンテナとしての機能を発揮する第１のアンテナ導体１２、第２のアンテナ導体１３を直接的に体内に埋設するのでは無く、あくまで基板１１とカバー１４により上下面を保護した状態で埋設する。これにより、アンテナ導体１２、１３がショートしてしまうのを防止することが可能となる。 In the present invention, the first antenna conductor 12 and the second antenna conductor 13 that function as an antenna are not directly embedded in the body, but the upper and lower surfaces are protected by the substrate 11 and the cover 14 to the last. Buried in state. Thereby, it is possible to prevent the antenna conductors 12 and 13 from being short-circuited.
また、この人体埋設型アンテナ１は、外部機器に対して信号を送信することも可能となる。 The human-embedded antenna 1 can also transmit a signal to an external device.
このとき、外部機器との間で送受信する信号は、４０２〜４０５ＭＨｚとしてもよい。人体埋設型アンテナ１が小さくても、通信効率を向上させることが可能となる。また、この人体埋設型デバイス１を利用した無線通信システムにおいて、４０２〜４０５ＭＨｚの周波数帯域を利用することにより、人体への影響の軽減を優先して通信を低電圧で実現することができる。 At this time, the signal transmitted / received to / from the external device may be 402 to 405 MHz. Even if the human-embedded antenna 1 is small, communication efficiency can be improved. In addition, in the wireless communication system using the human body-embedded device 1, by using the frequency band of 402 to 405 MHz, communication can be realized at a low voltage with priority given to reducing the influence on the human body.
心臓のペースメーカとの間で通信を行ったり、また体内と外部機器との間で無線信号を送受信する等、医療面、健康管理面の利用が期待される。 It is expected to be used for medical and health management, such as communication with a cardiac pacemaker, and transmission and reception of radio signals between the body and external devices.
１ 人体埋設型アンテナ
１１ 基板
１２、１３ アンテナ導体
１４ カバー
1 Human body embedded antenna 11 Substrate 12, 13 Antenna conductor 14 Cover
Claims (4)
誘電性の基板上に形成された第１のアンテナ導体と、第２のアンテナ導体とが互いに平行かつ矩形状に９０°単位で巻回させてなり、
上記第１のアンテナ導体の内側先端の延長方向と、上記第２のアンテナ導体の内側先端の延長方向とが互いに正逆向きとされていること
を特徴とする人体埋設型アンテナ。 In a human body embedded antenna that is embedded in the human body, transmits electromagnetic waves to the human body, or detects electromagnetic waves from the human body,
A first antenna conductor and a second antenna conductor formed on a dielectric substrate are wound in units of 90 ° in parallel and in a rectangular shape,
The human body-embedded antenna, wherein the extension direction of the inner tip of the first antenna conductor and the extension direction of the inner tip of the second antenna conductor are opposite to each other.
上記第１のアンテナ導体並びに第２のアンテナ導体は、それぞれ厚さ０．０３６ｍｍ以下の銅で構成され、さらにその上層には厚さ１ｍｍの誘電性のカバーが形成されていること
を特徴とする請求項１記載の人体埋設型アンテナ。 The substrate has a thickness of 1 mm,
Each of the first antenna conductor and the second antenna conductor is made of copper having a thickness of 0.036 mm or less, and a dielectric cover having a thickness of 1 mm is formed on the upper layer. The human body embedded antenna according to claim 1.
を特徴とする請求項１又は２記載の人体埋設型アンテナ。 The human body-embedded antenna according to claim 1 or 2, characterized in that it can be embedded in a human body.
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の人体埋設型アンテナ。 The human body-embedded antenna according to any one of claims 1 to 3, wherein a signal transmitted to and received from an external device is 402 to 405 MHz.
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2007
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