Base station with wireless powering and communication for small rodents monitoring

Autor: Colmiais, Ivo Henrique Baltazar
Přispěvatelé: Mendes, P. M., Universidade do Minho
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2017
Předmět:
Zdroj: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
instacron:RCAAP
Popis: Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Eletrónica Médica)
Dealing with medical complications such as arrhythmia, diabetes, deafness, and neurological diseases is a challenging task that is generally tackled resorting to drugs. Nevertheless, some diseases are resistant to drug-based treatments, which leads to a demand for alternative solutions. One of these can be the use of implantable devices, which play a fundamental role in monitoring and treating diseases in modern medicine. However, prior to their use in humans, extensive and rigorous tests in animal models must be performed to assess their safety and efficacy. In a first stage, these tests are performed in lab animals, usually rodents. For an implantable medical device to be tested in rats, it must be as small and lightweight as possible and not have wired connections to the exterior. This is desirable to minimize its impact in the rodent’s normal behavior, which can influence the experimental data. As such, it is necessary to implement wireless communication and power transfer modules in the implant. This avoids problems related with the device’s size, shape, weight and biocompatibility. Additionally, wirelessly recharging the battery maximizes the implant’s lifetime and eliminates the need to perform surgical procedures to change batteries, thus reducing shock and infection risk for the animal. An implantable device for the treatment of epilepsy, developed in the scope of an ongoing research project, must be implanted and tested in rats. As such, a base station that allows to compensate the aforementioned issues was required. Due to the inexistence of communication and wireless powering systems that are suitable to the problem at hand, these were proposed, developed and tested during this dissertation’s work. The developed communication system allows sending and receiving data with OOK modulation at a 1 GHz frequency, with a communication distance of up to 1.5 meters which can be extended with the use of amplifiers. This system is regulated by a microcontroller and it is composed of several blocks, which facilitates its modification to tackle problems with diverse specifications. The wireless power transfer system is based in a two-element antenna array which allows for the maximum power to be focused at the implant through a tracking mechanism, thus maximizing the power transfer. The tracking system resorts to a feedback mechanism that receives information from the implant concerning the amount of power it is receiving at any given moment. With this information, an algorithm controls the phase difference of the excitation signals of the antenna array to ensure that maximum power is transferred to the implant. The system resorts to this information at a rate of 1 kHz, and wireless power transfer occurs at a 2 GHz frequency with a theoretical maximum tracking speed of 3.41 m/s. Since it is also necessary to supply power and recharge the batteries of implants placed at a considerable depth inside the human body, it is useful to study the power distribution inside biological tissues. In order to do this, a system capable of mapping power distributions inside liquid phantoms was developed. Knowing that biological tissues interact with and absorb electromagnetic radiation, it was necessary to study its dosage. To achieve this, a specific absorption rate (SAR) mapping system for biological tissue liquid phantoms was developed, allowing to conclude if the RF exposure safety limits are respected or not. This system was then validated resorting to electromagnetic simulation tools.
O tratamento de complicações médicas, tais como a arritmia, diabetes, surdez e doenças neurológicas, é um desafio árduo que é, tipicamente, resolvido recorrendo a medicamentos. No entanto, algumas doenças são resistentes a este tipo de tratamento, o que leva a uma procura por soluções alternativas. Umas destas reside na utilização de dispositivos implantáveis, que são parte fundamental da monitorização e tratamento de doenças na medicina moderna. Contudo, previamente à sua aplicação em humanos, extensos e rigorosos testes em modelos animais devem sem realizados por forma a avaliar a segurança e eficácia do dispositivo. Numa primeira fase, estes testes são feitos em animais de laboratório, normalmente roedores. Para que seja possível testar um dispositivo médico implantável neste tipo de animais, este deve ser o mais pequeno e leve possível e não ter ligações para o exterior. Isto é desejável para minimizar o seu impacto no comportamento natural do roedor, o que pode influenciar os resultados obtidos nas experiências. Para tal, é necessária a utilização de módulos de comunicação e carregamento sem fios no implante. Isto permite evitar problemas relacionados com o seu tamanho, forma, peso e biocompatibilidade. Adicionalmente, o carregamento sem fios da bateria permite maximizar o tempo de vida do implante e elimina a necessidade de procedimentos cirúrgicos para trocar baterias, reduzindo assim o choque para o animal e o risco de infeções. Um dispositivo implantável para o tratamento da epilepsia, desenvolvido no âmbito de um projeto de investigação, necessita ser implantado em roedores para ser testado. Para tal, é necessário utilizar uma estação base que permita solucionar os problemas previamente mencionados. Devido à inexistência de sistemas de comunicação e carregamento sem fios adequados ao problema em mãos, estes foram propostos, desenvolvidos e testados no âmbito da presente dissertação. O sistema de comunicação desenvolvido permite o envio e receção de dados com modulação OOK a uma frequência de 1 GHz, permitindo uma distância de comunicação de até 1.5 m, que pode ser aumentada recorrendo a amplificadores. Este sistema é regulado por um microcontrolador e composto por diversos blocos, o que facilita a sua adaptabilidade para as mais diversas aplicações. O sistema de transferência de energia sem fios baseia-se num array de antenas com dois elementos que permite focar o máximo da potência no implante através de um mecanismo de seguimento, maximizando assim a transferência de energia. Este sistema de seguimento recorre a um mecanismo de feedback que recebe informação do implante sobre a quantidade de potência que este está a receber num dado instante. Com esta informação, um algoritmo controla a diferença de fase dos sinais de excitação do array de antenas e faz com que o máximo de potência seja transmitida para o implante. O sistema adquire esta informação a uma taxa de 1 kHz, sendo que a transferência de potência sem fios ocorre a uma frequência de 2 GHz e com uma velocidade teórica máxima de seguimento de 3.41 m/s. Uma vez que também é necessário fornecer energia e recarregar baterias de implantes colocados a uma certa profundidade, torna-se necessário estudar a distribuição de potência no interior de tecidos biológicos. Para tal, foi desenvolvido um sistema que permite fazer o mapeamento de níveis de potência no interior de um fantoma líquido. Sabendo-se que os tecidos biológicos interagem com a radiação eletromagnética e absorvem-na, foi necessário o estudo da sua dosagem. Consequentemente, foi desenvolvido um sistema que permite avaliar os níveis de SAR em fantomas líquidos de tecido biológico, permitindo concluir se os limites de segurança destes níveis são ultrapassados. Este sistema foi posteriormente validado com recursos a ferramentas de simulação eletromagnética.
Projeto de investigação PTDC/EEI-TEL/5250/2014, suportado por fundos FEDER POCI-01-145-FEDER-16695.
Databáze: OpenAIRE
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