Modelização de antenas de comunicações sem fio na área do corpo e desenvolvimento de uma aplicação para engenharia de reabilitação
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Data
2017-07-05
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Resumo
O avanço tecnológico e a miniaturização dos circuitos eletrónicos integrados tornaram possível pensar uma geração de sensores e atuadores que podem ser “vestíveis”(wearable) ou implantáveis. As aplicações fabricadas com estes componentes podem ganhar relevância e eficácia se ligados a redes de comunicação sem fios. As redes de dispositivos com comunicação sem fios implantáveis, “vestíveis” ou usados na proximidade do corpo humano são conhecidos por redes sem fios na área do corpo (WBAN – Wireless Body Area Network).
Para não limitarem ou condicionarem a mobilidade do indivíduo estes dispositivos têm de ser necessariamente pequenos e leves, pelo que o espaço para a antena, componente responsável por comunicar (receber e emitir sinais), é limitado.
Nas redes WBAN a comunicação da antena é condicionada pelo corpo humano, que se caracteriza por ser um meio capaz de atenuar o sinal eletromagnético. Entre os cenários de comunicação das redes WBAN aqueles que transmitem (i) através do corpo; e (ii) sobre o corpo, são os que impõem mais restrições e exigências à conceção da antena. Sendo que a construção da ligação sem fios para dispositivos WBAN apenas será fiável conhecendo as perdas de sinal e a antena mais adequada. Por isso o cálculo e teste das antenas é crucial.
Normalmente, não é possível testar estes dispositivos diretamente com humanos, por razões de ética e de segurança. A alternativa é utilizar fantomas, um modelo computacional do corpo humano ou uma mímica física dos tecidos.
O desenvolvimento de desenhos e materiais para a implementação de antenas de comunicação implantáveis são talvez o fator decisivo para que se concretize uma nova geração de dispositivos para a monitorização, controlo e reabilitação das ações e função do corpo humano, sem perturbar ou condicionar o movimento do corpo.
Dado o potencial destas aplicações na área da reabilitação humana este trabalho visou o estudo do seu estado de arte e aplicabilidade, destacando as principais dificuldades da sua implementação. Como a antena é das principais componentes constituintes dos dispositivos WBAN, este trabalho teve como foco a análise e avaliação da mesma. Tomando-se como exemplo o caso mais extremo destas aplicações, ou seja, aquele que necessita da utilização de dispositivos médicos implantáveis (IMD). Pois, estes dispositivos além de requererem as mesmas exigências impostas aos restantes dispositivos WBAN, exigem ainda uma (i) fonte de energia externa; e (ii) materiais biocompatíveis.
Na prática realizou-se a simulação numérica de antenas destinadas à comunicação com IMD, de modo a analisar (i) a influência do design no seu desempenho; (ii) os efeitos do corpo humano na transmissão do sinal; (iii) e avaliar os efeitos térmicos induzidos nos tecidos biológico, utilizando fantomas numéricos da cabeça humana. Na prática foi ainda feita a demonstração de conceitos da construção de fantomas físicos da cabeça humana.
E, para finalizar, foi demonstrado o potencial destas redes na área da reabilitação motora, através da análise do caminhar de uma criança com paralisia cerebral utilizando sensores inerciais. Com o qual se pretendeu demonstrar a importância destes sensores para a avaliação, por exemplo, do progresso terapêutico.
The technological progress and the miniatuarization of the integrated electronic circuits made possible to think in a generation of sensors and actuators that can be wearable or implantable. Applications manufactured with these componentes may gain importance and efficacy if connected to wireless communications networks. Networks devices with implantable wireless, wearable or used on-body are known as WBANs – Wireless Body Area Networks. The WBAN can not limit or compromisse the mobility of the person they must be necessarily small and light, whereby the space for the antenna component responsible for communicating (receiving and sending signals) is limited. In the WBANs the antenna’s communication is condicioned by the human body, because it’s characterized bybeing an effective means to attenuate the electromagnet signal. The WBANs that transmit (i) on-body; and (ii) in-body, are the one that imposing more restrictions and requirements to the antenna. The construction of the wireless connection to WBANs devices will only be realible if we know the signal loss and the most appropriate antenna. Because of that, calculation and testing of the antennas is crucial. Normally, for ethical and security reasons is not possible to test these devices directly with humans. The alternative is to use phantoms, a computational modelo f the human body or a physical mimic tissue. The development of materials and designs for the implementation of implantable communication antennas is perhaps the decisive factor for the materialization of a new generation of devices for monitoring, control and rehabilitation of the actions of the human body, without disturbing or condition the body movement. Because oh potencial of these application in the area of human rehabilitation, this work rought at the study of its art and applicability, highlighting the main difficulties of implementation. Because the antenna is the main constituent componentes of WBANs devices, this work it’s based on the analysis and evaluation of the antenna. Taking as example the most extreme case of these applications,that is, one that requires the use of implantable medical devices (IMDs) , because, thesedevices as well as require the same requirements imposed na other devices WBANs, require also, (i) an external source of energy, and (ii) innocuous materials. In practice, it was held a numerical simulation of the antennas intented for communication with IMDs, to analyse; (i) the influence of design on their performance; (ii) the effects that the human body causes the signal transmission; (iii) and evaluating the termal effects induced in biological tissues, using numerical phantoms of the human head. And finally, it was demonstrated the potential of networks in the field of motor rehabilitation, by analyzing the walk of a child with a cerebral palsy, using inertial sensors. With which i tis intended to demonstrate the importance of these sensors to evaluate, for example, the therateitic progress.
The technological progress and the miniatuarization of the integrated electronic circuits made possible to think in a generation of sensors and actuators that can be wearable or implantable. Applications manufactured with these componentes may gain importance and efficacy if connected to wireless communications networks. Networks devices with implantable wireless, wearable or used on-body are known as WBANs – Wireless Body Area Networks. The WBAN can not limit or compromisse the mobility of the person they must be necessarily small and light, whereby the space for the antenna component responsible for communicating (receiving and sending signals) is limited. In the WBANs the antenna’s communication is condicioned by the human body, because it’s characterized bybeing an effective means to attenuate the electromagnet signal. The WBANs that transmit (i) on-body; and (ii) in-body, are the one that imposing more restrictions and requirements to the antenna. The construction of the wireless connection to WBANs devices will only be realible if we know the signal loss and the most appropriate antenna. Because of that, calculation and testing of the antennas is crucial. Normally, for ethical and security reasons is not possible to test these devices directly with humans. The alternative is to use phantoms, a computational modelo f the human body or a physical mimic tissue. The development of materials and designs for the implementation of implantable communication antennas is perhaps the decisive factor for the materialization of a new generation of devices for monitoring, control and rehabilitation of the actions of the human body, without disturbing or condition the body movement. Because oh potencial of these application in the area of human rehabilitation, this work rought at the study of its art and applicability, highlighting the main difficulties of implementation. Because the antenna is the main constituent componentes of WBANs devices, this work it’s based on the analysis and evaluation of the antenna. Taking as example the most extreme case of these applications,that is, one that requires the use of implantable medical devices (IMDs) , because, thesedevices as well as require the same requirements imposed na other devices WBANs, require also, (i) an external source of energy, and (ii) innocuous materials. In practice, it was held a numerical simulation of the antennas intented for communication with IMDs, to analyse; (i) the influence of design on their performance; (ii) the effects that the human body causes the signal transmission; (iii) and evaluating the termal effects induced in biological tissues, using numerical phantoms of the human head. And finally, it was demonstrated the potential of networks in the field of motor rehabilitation, by analyzing the walk of a child with a cerebral palsy, using inertial sensors. With which i tis intended to demonstrate the importance of these sensors to evaluate, for example, the therateitic progress.
Descrição
Dissertação de Mestrado em Engenharia de Reabilitação e Acessibilidade Humanas
Palavras-chave
Redes sem fios , Corpo , Antenas , Reabilitação , Taxa de absorção específica , Fantoma