Location and Tracking for Ultra-WideBand In-Body Communications in Medical Applications

Abstract

[ES] La cápsula inalámbrica de endoscopia (WCE) es una tecnología notable y atractiva adoptada en el sector biomédico hace varios años. WCE proporciona una tecnología de imagen inalámbrica no invasiva que permite a los especialistas reconocer y diagnosticar enfermedades que afectan todo el tracto gastrointestinal. Aunque los médicos pueden recibir imágenes claras de anomalías en el tracto gastrointestinal, no tienen información sobre sus exacta ubicación. La localización precisa de los trastornos detectados es crucial para el posterior procedimiento de extracción mediante cirugía. Actualmente, la banda de frecuencia asignada para aplicaciones de cápsula endoscópica es la banda MICS (402-405 MHz) que ofrece una velocidad de datos de hasta 500 kbps, insuciente para transmitir imágenes de alta calidad. Recientemente, la tecnología de banda ultra ancha (UWB) ha estado atrayendo atención como posible candidato para la próxima generación de cápsula endoscópica. Las ventajas de UWB incluyen arquitecturas de transceptor simples que permiten bajo consumo de potencia, baja interferencia a otros sistemas y amplio ancho de banda que resulta en comunicaciones a una velocidad de datos más alta. En esta disertación, el rendimiento de las técnicas de localización de WCE basadas en radiofrecuencia (RF) se investiga a través de simulaciones software, medidas experimentales de laboratorio que involucran fantomas homogéneos y heterogéneos y a través de experimentos in vivo que constituyen el escenario de prueba más realista. La tecnología UWB (3.1-10.6 GHz) se considera como interfaz de comunicación para aplicaciones de cápsula endoscópica. En tal escenario, el transmisor inalámbrico está ubicado en el tracto gastrointestinal, mientras que uno o más receptores inalámbricos están ubicados sobre la supercie del cuerpo. El enfoque basado en la potencia recibida (RSS) se investiga principalmente debido a su simplicidad de implementación y menos sensibilidad a las limitaciones de ancho de banda. Se analiza el impacto de la posición y del número de receptores seleccionados en la precisión de la localización. Finalmente, se desarrolla una interfaz gráfica de usuario (GUI) para visualizar los resultados de la localización en tres dimensiones (3D) obtenidos mediante las medidas in vivo.

[CA] La càpsula sense fil d'endoscòpia (WCE) és una tecnologia notable i atractiva adoptada en el sector biomèdic fa diversos anys. La WCE proporciona una tecnologia d'imatge sense fil no invasiva que permet als especialistes reconéixer i diagnosticar malalties que afecten tot el tracte gastrointestinal. Encara que els metges poden rebre imatges clares d'anomalies en el tracte gastrointestinal, no tenen informació sobre les seues exacta ubicació. La localització precisa dels trastorns detectats és crucial per al posterior procediment d'extracció mitjançant cirurgia. Actualment, la banda de freqüència assignada per a aplicacions de càpsula endoscòpica és la banda MICS (402-405 MHz) que ofereix una velocitat de dades de fins a 500 kbps, insucient per a transmetre imatges d'alta qualitat. Recentment, la tecnologia de banda ultra ampla (UWB) ha estat atraient atenció com a possible candidata per a la pròxima generació de càpsula endoscòpica. Els avantatges d' UWB inclouen arquitectures de transceptor simples que permeten un baix consum de potència, baixa interferència amb altres sistemes i una gran amplada de banda que resulta en comunicacions a una velocitat de dades més alta. En aquesta dissertació, el rendiment de les tècniques de localització de WCE basades en radiofrequència (RF) s'investiga a través de simulacions amb programari, mesures experimentals de laboratori que involucren fantomes homogenis i heterogenis i a través d'experiments in vivo que constitueixen l'escenari de prova més realista. La tecnologia UWB (3.1-10.6 GHz) es considera com a interfície de comunicació per a aplicacions de càpsula endoscòpica. En tal escenari, el transmissor sense fil està situat en el tracte gastrointestinal, mentre que un o més receptors sense fils estan situats sobre la superfície del cos. L'enfocament basat en la potència rebuda (RSS) s'investiga principalment a causa de la seua simplicitat d'implementació i menys sensibilitat a les limitacions d'amplada de banda. S'analitza l'impacte de la posició i del numere de receptors seleccionats en la precisió de la localització. Finalment, es desenvolupa una interfície gràca d'usuari (GUI) per a visualitzar els resultats de la localització en tres dimensions (3D) obtinguts mitjançant les mesures in vivo.

[EN] Wireless Capsule Endoscopy (WCE) is a remarkable and attractive technology adopted in the biomedical sector several years ago. It provides a non-invasive wireless imaging technology for the entire gastrointestinal (GI) tract. WCE allows specialists to recognize and diagnose diseases affecting the whole GI tract. Although physicians can receive clear pictures of abnormalities in the GI tract, they have no information about their exact location. Precise localization of the detected disorders is crucial for the subsequent removal procedure by surgery. Currently, the frequency band allocated for capsule endoscopy applications is the MICS band (402-405 MHz). This band offers data rate up to 500 kbps, which is insufficient to transmit high quality images. Recently, Ultrawideband (UWB) technology has been attracting attention as potential candidate for next-generation WCE systems. The advantages of UWB include simple transceiver architectures enabling low power consumption, low interference to other systems and wide bandwidth resulting in communications at higher data rate. In this dissertation, performance of WCE localization techniques based on Radio Frequency (RF) information are investigated through software simulations, experimental laboratory measurements involving homogeneous and heterogeneous phantom models and in vivo experiments which constitute the most realistic testing scenario. Ultra-Wideband technology (3.1-10.6 GHz) is considered as communication interface in Wireless Capsule Endoscopy. In such scenario, the wireless transmitter is located in the gastrointestinal track while one or more wireless receivers are located over the surface of the body. Received Signal Strength (RSS)-based approach is mainly explored due to its implementation simplicity and less sensitivity to bandwidth limitations. Impact of the position and the number of selected receivers on the localization accuracy is analyzed. Finally, a graphical user interface (GUI) is developed to visualize the three-dimensional (3D) localization results obtained through in vivo measurements.