Antenna Design and Characterization for Biomedical Applications

Abstract

The use of radiofrequency in biomedical devices is taking on increasing significance due to its contributions to the prevention, diagnosis and treatment of diseases, either for minimally invasive remote monitoring of physiological data or for other applications such as medical imaging and thermal treatments. The advantages provided by radiofrequency fit perfectly inside the new paradigm of predictive, preventive, personalized and participatory medicine (P4 medicine) in which the individual patient is the central focus of the healthcare system. Although the development of biomedical devices with radiofrequency has been studied in depth in recent years, several challenges still remain. In this context, this thesis deals with one of the most important issues: the design and characterization of antennas in the presence of the human body. The main goal of this thesis is to develop new antenna designs that overcome some of the current limitations, such as miniaturization, efficiency, frequency detuning and integration. This thesis also aims to provide tools and new insights for the development of antenna designs in the presence of the human body by analyzing the interaction between the antennas and the surrounding biological medium. The research carried out has two main focuses: the wireless transmission of physiological data (biotelemetry) and microwave hyperthermia for cancer treatments. For the first, the study presents a theoretical framework review of in- body antennas followed by an exhaustive study of their miniaturization process, the manufacturing and the experimental characterization, as well as the phantom influence. Based on these studies, a novel multilayered broadband antenna and a miniaturized RFID tag are presented. And with regard to thermal treatment of breast cancer, an on-body, compact and configurable applicator with a phased antenna array has been developed. In conclusion, the outcomes of this thesis make contributions in two main areas: (1) the antenna design and characterization for use in the presence of human body and (2) the research of new solutions for in-body biomedical devices with biotelemetry and for the treatment of breast cancer through microwave hyperthermia.

L’ús de la radiofreqüència en dispositius biomèdics és cada vegada més extens degut a la seva contribució a la prevenció, diagnòstic i tractament de malalties, ja sigui pel control remot de dades fisiològiques amb mínima invasivitat o per altres aplicacions. Els avantatges de la radiofreqüència encaixen perfectament dins el nou paradigma de medicina basat en la predicció, prevenció, personalització i participació, i on el pacient es situa en el focus central del sistema sanitari. El desenvolupament de dispositius biomèdics amb radiofreqüència ha estat àmpliament estudiat durant els últims anys, però encara queden molts reptes per assolir. En aquest context, aquesta tesi tracta d’abordar un dels punts més rellevants: el disseny i la caracterització d’antenes en presència del cos humà. L’objectiu principal de la tesi és el desenvolupament de nous dissenys d’antenes que superin algunes de les limitacions actuals, com ara la miniaturització, l’eficiència, la desintonització freqüencial o la integració amb el dispositiu. Aquesta tesi també pretén proporcionar eines pel desenvolupament de dissenys d’antenes en presència del cos humà mitjançant l’anàlisi de la interacció entre les pròpies antenes i el medi biològic que les envolta. La recerca presentada es centra en dos enfocaments diferents: la transmissió sense fils de dades fisiològiques (biotelemetria) i la hipertèrmia de microones per a tractaments de càncer. Per al primer, s’exposa una revisió del marc teòric actual de les antenes implantables seguit d’un estudi exhaustiu del seu procés de miniaturització, fabricació i caracterització experimental, així com també de la influència de l’ús de diferents phantoms. En base a aquests estudis, es presenten una antena de banda ampla multicapa i una etiqueta RFID miniaturitzada basades en la tecnologia LTCC. Per altra banda, es presenta un aplicador de microones compacte format per una matriu d’antenes configurables en fase per ser utilitzat en el tractament tèrmic del càncer de mama. En conclusió, els resultats d’aquesta tesi contribueixen principalment als següents punts: (1) el disseny i caracterització d’antenes en presència del cos humà i (2) la recerca de noves solucions per a dispositius biomèdics amb biotelemetria i per al tractament del càncer de mama mitjançant la hipertèrmia de microones.