Tài liệu Nghiên cứu ăng ten xoắn kích thước nhỏ dùng cho các cảm biến vô tuyến đặt trong cơ thể người

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐẶNG TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU ĂNG-TEN XOẮN KÍCH THƯỚC NHỎ DÙNG CHO CÁC CẢM BIẾN VÔ TUYẾN ĐẶT TRONG CƠ THỂ NGƯỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 9.52.02.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS NGUYỄN QUỐC ĐỊNH PGS. TS ĐỖ QUỐC TRINH HÀ NỘI - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày 6 tháng 9 năm 2019 Tác giả Đặng Tiến Dũng LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án này, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và hướng dẫn quý báu. Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới hai thầy giáo hướng dẫn là PGS. TS. Nguyễn Quốc Định và PGS. TS. Đỗ Quốc Trinh Khoa Vô tuyến - Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự. Đồng thời tác giả cũng vô cùng biết ơn vì sự giúp đỡ lớn lao của GS.TS. Yoshihide Yamada. Các thầy đã luôn động viên, tận tình giúp đỡ và dành những điều kiện tốt nhất cho nghiên cứu sinh trong quá trình nghiên cứu cũng như hoàn thành luận án này. Tác giả cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo, Bộ môn Thông tin, Khoa Vô tuyến - Điện tử, nơi nghiên cứu sinh học tập và tiến hành các nghiên cứu khoa học vì sự quan tâm, chia sẻ và giúp đỡ những điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu khoa học. Tác giả cũng rất chân thành cảm ơn Phòng Sau đại học - Học viện KTQS, Trường Sĩ quan Thông tin, Binh chủng Thông tin liên lạc nơi nghiên cứu sinh công tác vì sự giúp đỡ, tạo mọi điều kiện cho quá trình học tập và nghiên cứu khoa học. Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các bạn nghiên cứu sinh, nhất là nhóm nghiên cứu về ăng-ten và siêu cao tần tại phòng thí nghiệm của Khoa Điện - điện tử, Đại học Phòng vệ Nhật Bản đã có nhiều góp ý, hỗ trợ đo kiểm để tác giả hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả muốn bày tỏ sự biết ơn đối với gia đình, những người yêu thương nhất đã luôn ủng hộ, động viên, sẻ chia những khó khăn trong suốt thời gian vừa qua. MỤC LỤC MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv DANH MỤC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii DANH MỤC KÝ HIỆU - Ý NGHĨA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN KÍCH THƯỚC NHỎ DÙNG CHO CẢM BIẾN VÔ TUYẾN TRONG Y TẾ . . . . . . . . 8 1.1. Tổng quan về thiết bị cảm biến vô tuyến dùng trong y tế. . . . . . . . . 8 1.2. Định nghĩa về ăng-ten kích thước nhỏ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3. Các công trình nghiên cứu, đề xuất sử dụng ăng-ten kích thước nhỏ trong thiết bị cảm biến vô tuyến cho y tế có liên quan. . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4. Tiêu chuẩn và khuyến nghị về sử dụng thiết bị cảm biến vô tuyến dùng trong y tế. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.5. Lựa chọn giá trị mô cơ dùng cho mô phỏng và thực nghiệm. . . . . . 26 1.6. Lựa chọn phần mềm, xác định phương pháp mô phỏng . . . . . . . . . . 28 1.7. Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Chương 2. ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG CÔNG THỨC CHO TÍNH TOÁN THAM SỐ ĐIỆN CỦA NMHA KHI LÀM VIỆC TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1. Các nội dung cơ bản về NMHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2. Tham số mô phỏng khi NMHA hoạt động trong không gian tự do 38 2.3. Đề xuất sử dụng các công thức để tính toán tham số điện NMHA 39 2.4. Khảo sát và kiểm nghiệm công thức đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.5. Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chương 48 3. XÂY DỰNG CÔNG THỨC CHO THIẾT KẾ CẤU TRÚC TỰ CỘNG HƯỞNG CỦA NMHA TRONG MÔI TRƯỜNG ĐIỆN MÔI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.1. Cơ sở thúc đẩy nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2. Mô hình ứng dụng và tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3. Ảnh hưởng của chất điện môi tới cấu trúc cộng hưởng NMHA . . 52 3.4. Đề xuất công thức thiết kế cấu trúc NMHA trong môi trường điện môi có độ điện thẩm thay đổi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.5. Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Chương 4. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN MÔI TỚI ĐẶC TÍNH ĐIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA NMHA VÀ QUY TRÌNH - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.1. Cơ sở nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của môi trường điện môi tới đặc tính điện của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.3. Chế tạo và đo kiểm NMHA trong chất điện môi . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.4. Kết luận chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 ĐÓNG GÓP VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN . . 92 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . . . 95 PHỤ LỤC A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 PHỤ LỤC B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh ASGE Nghĩa Tiếng Việt American Society for Gas- Hiệp hội nội soi tiêu hóa Mỹ trointestinal Endoscopy AR Axial Ratio Tỉ lệ trục bức xạ BW BandWidth Băng thông ESAs Electrically Small Antennas Ăng-ten về điện kích thước nhỏ ERP Equivalent Radiated Power Công suất bức xạ tương đương EIRP Equivalent Istropic Radiated Công suất bức xạ đẳng Power ETSI FEM European hướng tương đương Telecommunica- Viện Tiêu chuẩn Viễn thông tions Standards Institute Châu Âu Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FDTD FDA Finite Difference Time Do- Sai phân hữu hạn miền thời main gian Folded Dipole Antenna Mẫu ăng-ten lưỡng cực gấp khúc GO Geometrical Optics Quang hình học IDM Implantable Medical Devices Thiết bị y tế cấy ghép ISM Industry System Medical ITU-R International Telecommuni- Liên minh viễn thông quốc tế Hệ thống y tế công nghiệp cation Union – Radiocom- - Thông tin vô tuyến munication ii METAIDS Meteorological Aids Service Dịch vụ hỗ trợ thông tin khí tượng MICS Medical Implant Communi- Hệ thống truyền thông y tế cation System MLFMM cấy ghép Multi-Level Fast Multi-Pole Phương pháp đa tốc độ, đa Method mức MoM Method of Moment Phương pháp mô-men NMHA Normal-Mode Helical An- Ăng-ten xoắn chế độ thường tenna PO Physical Optics Quang lý học PIFA Planar Inverted F Antenna Ăng-ten phẳng dạng chữ F ngược RFID Radio Frequency Indentifica- Hệ thống nhận dạng vô tion tuyến RWS Radio Wireless Sensor Cảm biến không dây SAR Specific Absorption Rate Tỷ lệ hấp thụ riêng SDA Straight Dipole Antenna Ăng-ten lưỡng cực phẳng SEP Surface Equivalence Princi- Nguyên lý bề mặt tương ple TPMS Tire đương Pressure Monitoring Hệ thống giám sát áp suất System lốp xe ô tô UWB Ultra Wide Band Băng thông siêu rộng VSWR Voltage Standing Wave Ra- Hệ số sóng đứng điện áp tio UTD Uniform Theory of Diffrac- Lý thuyết đồng bộ nhiễu xạ tion VNA Vector Network Analyzer Phân tích mạng véc-tơ WCE Wireless Capsule Endoscopy Viên nhộng nội soi không dây iii DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Chức năng các loại thiết bị cảm biến trong cơ thể người. . . . . . 9 1.2 Ứng dụng của thiết bị điện tử trong y tế đặt trong cơ thể người. . 10 1.3 Thiết bị cảm biến y tế. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4 Phân bố trường bức xạ quanh ăng-ten. . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5 Đặc tính bức xạ của ăng-ten nhỏ. . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.6 Cấu tạo các lớp mô cơ cánh tay. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1 Cấu trúc của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2 Cấu trúc tương đương của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.3 So sánh kết quả tính theo công thức, mô phỏng và đo kiểm cấu trúc tự cộng hưởng của NMHA trong không gian tự do. . . . 37 2.4 So sánh kết quả trở kháng phát xạ của NMHA. . . . . . . . . . . 41 2.5 So sánh kết quả tính toán trở tổn hao của NMHA trong không gian tự do. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.6 So sánh kết quả trở vào của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.7 So sánh kết quả hiệu suất của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . 44 2.8 Mối quan hệ giữa hiệu suất bức xạ với kích thước của NMHA. . . 45 2.9 So sánh kết quả tỉ lệ bức xạ trục của NMHA. . . . . . . . . . . . 47 2.10 Mối liên hệ giữa tỉ lệ trục bức xạ với kích thước của NMHA. . . 47 3.1 Ứng dụng và mô hình mô phỏng. . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2 Sự phụ thuộc của cấu trúc NMHA vào độ điện dẫn. . . . . . . . 53 3.3 Sự phụ thuộc của cấu trúc NMHA vào độ điện thẩm. 3.4 Phân bố từ trường của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.5 Phân bố dòng điện của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.6 Điện cảm của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 iv . . . . . . 54 3.7 Phân bố điện trường của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.8 Mối quan hệ giữa các giá trị của điện trường bề mặt NMHA . . . 61 3.9 Phân bố và mật độ năng lượng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.10 Kết quả tính dung kháng và cảm kháng. . . . . . . . . . . . . . 65 3.11 So sánh cấu trúc cộng hưởng của công thức và mô phỏng. . . . . 66 3.12 Kết quả cấu trúc cộng hưởng của NMHA khi H/λg ≤ 0,10. . . . 67 4.1 Rant và Rl của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.2 Hiệu suất của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.3 Băng thông của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.4 Phẩm chất của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.5 Đồ thị bức xạ của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.6 Trở vào của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.7 Hiệu suất của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.8 Băng thông của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.9 Hệ số phẩm chất Q của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.10 Đồ thị bức xạ của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.11 Trở kháng vào của NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.12 Phân bố trường điện từ vùng gần của NMHA. . . . . . . . . . . 78 4.13 Rin của NMHA thay đổi theo σ và εr . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.14 Chế tạo NMHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.15 NMHA đặt trong chất điện môi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.16 Thực nghiệm đo trở kháng vào của NMHA trên VNA. . . . . . . 86 4.17 Trở kháng vào của NMHA khi trong môi trường điện môi. . . . . 86 4.18 Kết quả độ rộng băng thông của NMHA. . . . . . . . . . . . . . 87 4.19 Đo kiểm trường bức xạ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.20 Bức xạ trên mặt phẳng xy của mẫu 1 (σ = 0,15). . . . . . . . . 89 4.21 Bức xạ trên mặt phẳng yz của mẫu 1 (σ = 0,15). . . . . . . . . 89 4.22 Bức xạ trên mặt phẳng xy của mẫu 2 (σ = 0,89). . . . . . . . . 90 4.23 Bức xạ trên mặt phẳng yz của mẫu 2 (σ = 0,89). . . . . . . . . 90 B.1 Kết quả thu được trở kháng vào . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 v B.2 Kết quả tính toán phân bố dòng điện trên ăng-ten. . . . . . . . . 100 B.3 Kết quả so sánh cấu trúc tự cộng hưởng của ăng-ten. B.4 So sánh trở kháng vào của cấu trúc A và B. . . . . . . 100 . . . . . . . . . . . 101 B.5 Phân bố từ trường vùng gần. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 B.6 Phân bố điện trường vùng gần. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 B.7 Trở kháng vào. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 B.8 Đồ thị bức xạ 3D (Gϕ ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 B.9 Đồ thị bức xạ 2D (Gϕ ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 B.10 Đồ thị bức xạ 3D (Gθ ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 B.11 Đồ thị bức xạ 2D (Gθ ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 vi DANH MỤC BẢNG 1.1 Thống kê kết quả nghiên cứu về các loại ăng-ten đề xuất dùng trong cấy ghép y tế. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2 Tham số điện môi của mô cơ thể ở tần số 402 MHz. . . . . . . . 26 1.3 Tham số điện môi của mô cơ thể theo [78]. . . . . . . . . . . . . 27 1.4 Tham số điện môi của mô cơ nhân tạo ở tần số 402 MHz sử dụng trong luận án. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.5 Tổng hợp đặc điểm chính của MoM và FEM . . . . . . . . . . . 31 2.1 Tổng hợp chế độ làm việc, các tham số ăng-ten. . . . . . . . . . 34 2.2 Phương pháp dùng cho thiết kế NMHA. 2.3 Tham số mô phỏng NMHA trong không gian tự do. . . . . . . . 39 2.4 Kết quả khảo sát hiệu quả sử dụng công thức. . . . . . . . . . . 48 3.1 Tham số mô phỏng NMHA trong chất điện môi. . . . . . . . . . 52 3.2 Định lượng giá trị liên quan giữa các tham số. . . . . . . . . . . 62 4.1 Giá trị của trở vào và hiệu suất thay đổi theo σ . . . . . . . . . 78 4.2 Thành phần vật liệu dùng để chế tạo chất điện môi. . . . . . . . 81 4.3 Thứ tự các bước chế tạo chất điện môi . . . . . . . . . . . . . . 82 4.4 Kết quả đo kiểm chất điện môi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.5 Thứ tự các bước chế tạo NMHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 . . . . . . . . . . . . . 38 B.1 Tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 vii DANH MỤC KÝ HIỆU - Ý NGHĨA Ký hiệu Ý nghĩa Ví dụ Chữ thường, in nghiêng Biến số x Chữ hoa, in nghiêng Hằng số Y Chữ hoa, in đậm Véc tơ E ε Độ điện thẩm ε0 Độ điện thẩm tuyệt đối εr Độ điện thẩm riêng σ Độ điện dẫn µ Độ từ thẩm µr Độ từ thẩm riêng β Hệ số phân bố dòng trên dây ăng-ten α Hệ số chiều cao vùng điện tích Q γ Mối quan hệ giữa tổng năng lượng điện và năng lượng dự trữ k Số sóng r Khoảng cách từ ăng-ten tới điểm khảo sát trường viii MỞ ĐẦU 1. Động lực nghiên cứu. Ngày nay, vấn đề sức khoẻ và chăm sóc sức khỏe con người đang là mối quan tâm hàng đầu của nhân loại. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị phục vụ trong lĩnh vực y tế cũng trở nên rất hiện đại và đem lại hiệu quả thiết thực. Nhiều nghiên cứu được ứng dụng và phát triển đã tạo nên các giải pháp hữu ích phục vụ cho lĩnh vực y tế như trong xét nghiệm, giám sát sức khỏe, điều trị bệnh, v.v. Thiết bị cảm biến không dây dùng trong cơ thể con người phục vụ trong y tế thực sự là phát minh quan trọng của ngành điện tử. Các chính phủ, tổ chức viễn thông quốc tế, các nhà khoa học cũng đã xây dựng các khuyến nghị, tiêu chuẩn khi sử dụng băng tần, công suất cho ứng dụng này [6]-[14]. Thiết bị cảm biến y tế không dây đã khắc phục được một số tồn tại của thiết bị truyền thống cùng chức năng như giảm được hệ thống dây dẫn, tăng độ linh hoạt khi sử dụng, tạo nhiều thuận lợi cho bệnh nhân khi được tiến hành xét nghiệm, điều trị. Thiết bị cảm biến dùng trong cơ thể người bằng cách như uống đưa vào, cấy, ghép trong mô, cơ, bắp thịt hoặc các bộ phận cơ thể. Vì thế, yêu cầu thiết bị phải có cấu trúc rất nhỏ và hiệu suất truyền dẫn cao để nâng cao chất lượng truyền nhận dữ liệu thời gian thực giúp cho việc thăm khám, chẩn đoán bệnh được hiệu quả. Ăng-ten là một thành phần quan trọng trong khối 1 truyền thông của thiết bị cảm biến cho nên cần phải đạt được các yêu cầu nghiêm ngặt của thiết bị y tế như: kích thước nhỏ; hiệu suất bức xạ cao; tiêu tốn ít năng lượng; tuân thủ về tỷ lệ hấp thụ riêng (SAR: specific absorption ratio) trong môi trường sinh học có sự suy hao phức tạp. Hiện nay, qui trình của việc chế tạo ăng-ten thường được thực hiện như sau: thiết kế cấu trúc, tính toán tham số của ăng-ten thông qua phần mềm mô phỏng - đây là bước thực hiện đầu tiên, chủ yếu và phổ biến. Đối với một số ăng-ten cơ bản thì việc thiết kế - tính toán này có thể thực hiện bằng công thức. Bước cuối cùng là thực nghiệm chế tạo, đo kiểm, so sánh kết quả thu được. Qui trình này thường phải kết hợp, lặp lại để điều chỉnh nhằm thu được ăng-ten như thiết kế, cho kết quả làm việc tốt nhất. Vì vậy, luận án sẽ đề xuất sử dụng ăng-ten xoắn (NMHA: Normal-Mode Helical Antenna) cho thiết bị cảm biến ứng dụng trong y tế. Trong đó, nội dung nghiên cứu tập trung vào một số vấn đề sau: hoàn thiện giải pháp thiết kế, tính toán NMHA trong thiết bị khi làm việc ở không gian tự do bằng cách đề xuất sử dụng các công thức của ăng-ten cơ bản có kiểm nghiệm hiệu quả sử dụng; đề xuất giải pháp thiết kế NMHA đạt tự cộng hưởng trong môi trường điện môi bằng công thức được xây dựng mới; đánh giá sự ảnh hưởng của môi trường điện môi tới hoạt động của ăng-ten. Do đó, tác giả lựa chọn và thực hiện đề tài "Nghiên cứu ăng-ten xoắn kích thước nhỏ dùng cho các cảm biến vô tuyến đặt trong cơ thể người". Kết quả của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện giải pháp thiết kế, tính toán NMHA thông qua hệ thống công thức, đánh giá ảnh hưởng của môi trường tới hoạt động của ăng-ten nhằm mở ra nhiều nội dung tiếp theo có thể phát triển đưa NMHA làm việc trong thực tế. 2 2. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu. • Mục tiêu nghiên cứu. Giải pháp thiết kế, tính toán NMHA bằng cách sử dụng công thức được tổng hợp trong bảng dưới đây. Tham số Cấu trúc cộng hưởng Tính toán tham số điện Không gian tự do Mô phỏng Công thức [43] [36] [43] Chưa được đề xuất Môi trường điện môi Mô phỏng Công thức [43] Chưa có [43] Chưa có Hiện tại, sử dụng công thức cho thiết kế NMHA mới chỉ có cho cấu trúc tự cộng hưởng trong không gian tự do được công bố trong tài liệu [36]. Vì vậy, mục tiêu của đề tài sẽ là: - Đề xuất giải pháp thiết kế, tính toán cho NMHA bằng công thức: + Đề xuất được công thức tính toán tham số điện khi ăng-ten làm việc trong không gian tự do. + Đề xuất và phát triển mới công thức thiết kế cấu trúc tự cộng hưởng cho ăng-ten sử dụng trong môi trường điện môi1 . - Đánh giá được ảnh hưởng của môi trường điện môi tới hoạt động của NMHA, thực nghiệm và đo kiểm, so sánh kết quả để có kết luận chính xác, độ tin cậy của nội dung luận án đã trình bày. • Đối tượng nghiên cứu. - NMHA làm việc trong các môi trường khác nhau gồm: không gian tự do và môi trường điện môi. - Các công cụ dùng cho thiết kế, tính toán NMHA ứng dụng trong thực tiễn. Các tiêu chuẩn, khuyến nghị về chuyên ngành chung cũng như riêng cho lĩnh vực mà ứng dụng hướng tới. 1 Môi trường điện môi là tên gọi dùng trong luận án có tham số, tính chất tương đương mô cơ thể người và sẽ được tác giả trình bày xuyên suốt, thống nhất trong luận án 3 • Phạm vi nghiên cứu. - NMHA làm việc trong không gian tự do và môi trường điện môi, dải tần công tác mà khuyến nghị quốc tế đặt ra: 402-405 MHz (MICS: Medical Implant Communication System) và 2,4 GHz (ISM: Industry System Medical). 3. Nhiệm vụ của nghiên cứu. Để đạt được mục tiêu với đối tượng nghiên cứu đã nêu ở trên, luận án tập trung vào một số vấn đề sau đây: - Nghiên cứu tổng quan về hệ thống cảm biến, cấu tạo, thành phần của thiết bị cảm biến dùng trong y tế. Đánh giá những ưu điểm đã đạt được, tìm ra những điểm còn tồn tại cần phải nghiên cứu cải tiến, khắc phục về ăng-ten kích thước nhỏ được ứng dụng trong thời gian gần đây để có cơ sở, động lực cho nghiên cứu đề xuất sử dụng NMHA. Lựa chọn mô hình, lựa chọn phần mềm mô phỏng, phương pháp, cách thức mô phỏng để thu được kết quả chính xác trong quá trình nghiên cứu của luận án. - Nghiên cứu và đề xuất công thức tính toán tham số điện của NMHA trong không gian tự do thông qua sử dụng các công thức của ăng-ten cơ bản phù hợp, khảo sát hiệu quả khi được sử dụng. Các công thức tính toán này cùng với việc sử dụng phần mềm mô phỏng sẽ làm tăng hiệu quả, tính chính xác trong thiết kế chế tạo. Các công thức được đề xuất sẽ góp phần hoàn thiện giải pháp thiết kế NMHA trong không gian tự do. - Nghiên cứu và xây dựng mới công thức thiết kế cấu trúc tự cộng hưởng của NMHA trong môi trường điện môi, đánh giá hiệu quả công thức khi thiết kế. Công thức này được sử dụng cho thiết kế, chế tạo cùng với sử dụng phần mềm mô phỏng sẽ làm tăng hiệu quả, tính chính xác trong thực tế sử dụng. 4 Đây cũng là công thức nền tảng cho sự phát triển ứng dụng NMHA làm việc trong chất điện môi. - Nghiên cứu ảnh hưởng của chất điện môi tới hoạt động của NMHA khi làm việc. Kết quả thu được sẽ đánh giá khả năng hoạt động của NMHA một cách chính xác nhất cho ứng dụng trong thiết bị cảm biến dùng trong y tế. Chế thử, đo kiểm, so sánh giữa các kết quả để tăng độ tin cậy, tính chính xác của nội dung nghiên cứu. 4. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu được tác giả thực hiện kết hợp giữa cơ sở lý thuyết với kết quả mô phỏng, từ đó đưa ra kết luận và kết quả nghiên cứu. Kết quả trình bày đều được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Tác giả tiến hành nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật ăng-ten và truyền sóng, lý thuyết về thiết kế ăng-ten. Đồng thời cũng nghiên cứu các nội dung liên quan tới tham số đặc tính của môi trường khi thiết bị cảm biến có ăng-ten kích thước nhỏ hoạt động. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, tác giả tiến hành xây dựng mô hình, lựa chọn tham số mô phỏng phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ nghiên cứu. Lựa chọn phần mềm mô phỏng, phương pháp mô phỏng phù hợp với mô hình bài toán cần giải quyết. Xây dựng mới, đề xuất sử dụng công thức trên nền lý thuyết truyền thống, gắn với mô hình, tham số, mức độ ảnh hưởng đã xác định. Để kiểm chứng tính chính xác, các kết quả công thức, mô phỏng và thực nghiệm được so sánh với nhau. Kết quả so sánh được hiển thị thông qua biểu đồ tại các giá trị thông số đặc trưng. Tổng hợp các bước nghiên cứu được tác giả trình bày trong phụ lục A. 5 5. Cấu trúc của luận án. Các kết quả và đóng góp mới của luận án được trình bày chi tiết trong 4 chương của luận án như sau: Chương 1: Tổng quan về ăng-ten kích thước nhỏ dùng cho cảm biến vô tuyến trong y tế Chương này trình bày tổng quan về cảm biến vô tuyến dùng trong y tế. Trình bày tổng quan về ăng-ten kích thước nhỏ đề xuất dùng cho cảm biến vô tuyến trong y tế. Ngoài ra, nội dung chương còn trình bày các tiêu chuẩn, khuyến nghị của quốc tế về lĩnh vực này. Các nội dung cơ bản cho nghiên cứu như: lựa chọn mô hình và tham số của điện môi cho mô phỏng; lựa chọn phần mềm mô phỏng; phương pháp mô phỏng để thu được kết quả chính xác; Đây là các vấn đề cơ bản làm nền tảng cho quá trình nghiên cứu, để từ đó khẳng định tính chính xác của nội dung nghiên cứu phục vụ cho luận án. Chương 2: Đề xuất sử dụng công thức cho tính toán tham số điện của NMHA khi làm việc trong không gian tự do Chương này đề xuất sử dụng, khảo sát tính hiệu quả của một số công thức dùng cho tính toán tham số điện của NMHA khi làm việc trong không gian tự do (đây là các công thức của ăng-ten cơ bản đã được công bố). Các công thức này được so sánh với kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm để ước lượng sai số tính toán khi sử dụng. Chương 3: Xây dựng công thức cho thiết kế cấu trúc tự cộng hưởng của NMHA trong môi trường điện môi Chương này trình bày nội dung xây dụng mới công thức cho giải pháp thiết kế cấu trúc NMHA đạt được tự cộng hưởng khi làm việc trong môi trường 6 điện môi (tính chất môi trường giả lập tương đương mô, cơ thể người). Công thức này được so sánh với kết quả mô phỏng và khảo sát kết quả sử dụng cho các cấu trúc NMHA rất nhỏ để khẳng định tính chính xác khi thiết kế. Chương 4: Ảnh hưởng của điện môi tới đặc tính điện hoạt động của NMHA và quy trình - kết quả thực nghiệm Chương này trình bày kết quả đánh giá ảnh hưởng của môi trường điện môi tới hoạt động của NMHA. Trình bày qui trình chế thử NMHA, chế thử chất điện môi để dùng đo kiểm và so sánh kết quả. Thực nghiệm, đo kiểm vừa khẳng định sự chính xác của các kết quả đã trình bày đồng thời cũng là cơ sở để tiếp tục phát triển, nghiên cứu về NMHA trong tương lai. Trong phần kết luận, tác giả tóm tắt các nội dung đã trình bày, các kết quả đã đạt được, những đóng góp của luận án, các nội dung tiếp tục hoàn thiện và hướng phát triển tiếp theo. Phần phụ lục A trình bày thứ tự các bước nghiên cứu của luận án. Phần phụ lục B trình bày nội dung về so sánh kết quả của hai phương pháp mô phỏng MoM và FEM, thông qua so sánh luận án lựa chọn được giá trị cho tham số mô phỏng, phương pháp mô phỏng để kết quả thu được từ là chính xác, phù hợp nhất. 7 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN KÍCH THƯỚC NHỎ DÙNG CHO CẢM BIẾN VÔ TUYẾN TRONG Y TẾ 1.1. Tổng quan về thiết bị cảm biến vô tuyến dùng trong y tế. Hiện nay, ứng dụng công nghệ tiên tiến của ngành điện tử - viễn thông cho y tế đang phát triển rất mạnh mẽ. Một số thiết bị cảm biến vô tuyến đã được phát triển để thay thế cho các thiết bị khám, chữa bệnh truyền thống, các ứng dụng mới này không những thuận lợi cho bác sĩ khi sử dụng mà còn giúp cho các bệnh nhân có thêm sự thoải mái trong suốt quá trình xét nghiệm, lấy mẫu thăm khám, điều trị bệnh. Tóm tắt chức năng cơ bản của thiết bị cảm biến hoạt động trong lĩnh vực y tế đặt trong cơ thể người hiện đã và sẽ phát triển được trình bày như trong Hình 1.1. Thiết bị cảm biến không dây (RWS: Radio Wireless Sensor) điển hình dùng trong cơ thể người đó là viên nhộng nội soi không dây (WCE: Wireless Capsule Endoscopy) đã được sản xuất, sử dụng thương mại trong khoảng 10 năm trở lại đây. WCE có cấu tạo rất nhỏ, có dạng viên nhộng với cấu trúc tiêu chuẩn (đường kính × dài) là 11 mm × 26 mm. WCE có một thành phần là camera nhỏ hoặc thiết bị cảm biến thu nhận hình ảnh trong khi viên thuốc di chuyển trong đường tiêu hóa con người như ruột non, đại tràng hoặc dạ dày để phát hiện bệnh lý. Bác sĩ hoàn toàn có thể nhìn được hình ảnh cơ 8