Dual View Capsule Endoscope Optics with Metallic Mirrors that Can Serve as Loop Antennas for Wireless Power Transfer
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2023-03-20
Department
Major/Subject
Microwave Engineering
Mcode
ELEC3051
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
71
Series
Abstract
For approximately twenty years, Wireless Capsule Endoscopy has been used as a standard technique for small intestine imaging. Because of the small size of the entirely wireless capsule, it has alleviated various problems related to conventional endoscopy. Despite this success, the capsule still suffers from various problems such as restricted field of view and low resolution. These problems can be seen as consequences of a limited capsule battery. Since the capsule real estate is constrained, it is difficult to increase the battery capacity. Recently, wireless power transfer from outside of the body into the capsule has been considered to alleviate the problem of a limited battery. This approach is potential. However, the limited real estate of a wireless capsule endoscope poses a challenge for introducing of a power transfer antenna into the capsule. The aim of this thesis is to develop a novel dual view optical system for wireless capsule endoscope and evaluate the feasibility of integrating a power transfer antenna into it. Integration in this context means designing an optical mirror in such a manner that its impedance as an antenna would be reasonable for dual-use as a wireless power transfer antenna. To accomplish the aim, a literature review is performed and a suitable optical system template is chosen based on the review. This template design is subsequently modified and optimized appropriately in order to facilitate an antenna. Furthermore, the length of the template design is reduced and its field of views are widened. Reasonable sized mirrors and their impedances as antennas are simulated in an electromagnetic simulator to verify the integration feasibility. The developed dual view optical system achieves an MTF value of 0.38 for the side, and 0.44 for the forward viewing optics at 100 lp/mm spatial frequency. At the nominal focus, the RMS spot radii are 3.6 micrometers for the side, and 3.3 micrometers for the forward view, respectively. The achieved F-numbers of 2.8 and 3 assure sufficient light collection in the dark small intestine. Simulated in a realistic environment, the integrated antennas' resistances lie in the range of 0.2 Ohms -- 2 Ohms for reasonable sized loops at 1 GHz. Correspondingly, the reactances are between 20 Ohms -- 40 Ohms, at the same frequency.Langatonta kapseliendoskopiaa on käytetty ohutsuolen kuvantamisen standardimenetelmänä noin kahdenkymmenen vuoden ajan. Koska endoskopiakapseli on pienikokoinen ja täysin langaton, se on helpottanut monia tavalliseen endoskopiaan liittyviä haasteita. Tästä huolimatta kapselin tekniikassa, kuten näkökentässä ja kuvan resoluutiossa on puutteita. Nämä puutteet johtuvat kapselin pariston liian vähäisestä kapasiteetista. Kapseliin on vaikea asentaa isompaa paristoa johtuen sen pienestä tilavuudesta. Viime aikoina pariston kulumisen ongelmaa on ratkaistu langattomalla tehonsiirrolla kehon ulkopuolelta kapseliin. Tämä menetelmä on potentiaalinen. Kapselin pieni koko kuitenkin aiheuttaa uuden haasteen siitä mihin kapselin tehonsiirtoantenni sijoitetaan. Tämän työn tavoitteena on kehittää uudenlainen kaksoisnäkökentän optiikka kapseliendoskooppiin ja tutkia tehonsiirtoantennin integroimista optiikkaan. Integroimisella tarkoitetaan tässä tapauksessa rengasmaisen optisen peilin suunnittelua siten, että sen impedanssi antennina on oikeaa suuruusluokkaa tehonsiirtotarkoitusta varten. Tavoitteen saavuttamiseksi suoritetaan kirjallisuuskatsaus, jonka perusteella valitaan sopiva optiikan malli suunnittelun lähtökohdaksi. Tätä mallia muokataan ja optimoidaan siten, että antennin integroiminen on mahdollista. Lisäksi mallia lyhennetään, ja sen näkökenttiä kasvatetaan. Jotta antennin integroimisen mahdollisuus saadaan selvitettyä, järkevän kokoisia peilejä ja niiden impedanssia antenneina simuloidaan sähkömagneettisilla simulaatioilla. Suunnitellun kahden näkökentän kapselioptiikan modulaatiosiirtofunktion arvo 100 viivaparia/mm taajuudella on 0.38 sivulle ja 0.44 eteenpäin. RMS arvot pistekuvan säteelle ovat 3.6 $\mu$m sivulle ja 3.3 $\mu$m eteenpäin. Vastaavat aukkoluvut ovat 2.8 ja 3, minkä ansiosta kapseli pystyy keräämään riittävästi valoa hämärässä ohutsuolessa. Realistisessa ympäristössä simuloitujen järkevän kokoisten integroitujen antennien resistanssit ovat välillä 0.2 Ohmia -- 2 Ohmia 1 GHz taajuudella. Vastaavasti samalla taajuudella reaktanssit asettuvat välille 20 Ohmia -- 40 Ohmia.Description
Supervisor
Taylor, ZacharyThesis advisor
Ha-Van, NamKeywords
wireless capsule endoscopy, wireless power transfer, catadioptric, lens, mirror, antenna
