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| 当前,各类植入式医学电子器件的公共技术问题之一是如何有效地向其提供足够的电能,维持其长期、稳定、可靠地运行,实现其预期的功能。尽管植入式医学电子器件存在多种可能的供电方案,但目前只有电池供电和磁感应供电技术得到广泛的临床应用。电池供电的植入式医学电子器件,由于电池容量受限,导致其使用寿命较短。磁感应耦合技术却因为生物体中存在着大量的离子型体液,其传导作用使磁感应耦合效率低,且还会对周围的设备产生射频干扰。为了克服磁感应技术的缺点和延长植入式医学电子器件的使用寿命,国内外学者提出了利用生物组织的体导电特性将体外电能跨皮肤地传递到植入医学电子器件或者其可充电电池的体导电能量传递技术。该技术是通过紧贴体外皮肤的电极对,利用生物组织的离子型体液作为传导电流的载体,将体外激励电源的能量传递到体内电极对上,进而为体内植入医学电子器件直接供能或者对其可充电电池进行充电。电极皮肤单元的电极设计和电极皮肤的阻抗分配是影响系统性能的关键技术,目前国内外学者对该技术使用了电路理论和电磁场分析方法对系统建立了数学模型,并有学者使用鲜猪皮作为实验材料对其可行性进行了验证,但对该能量传递技术还未能有一套有效的电极设计和优化电极皮肤阻抗分配的方法。本文在国内外体导电能量传递技术的基础上,针对以上体导电能量传递技术的问题,在对系统建立了等效电路模型的基础上,建立了系统的数学模型,全面地分析影响植入医学电子器件能量传递性能的因素,为电磁场计算及仿真起指导作用。文章在电磁场有限元软件COMSOL Multiphysics上构建体导电能量传递系统模型,运用电磁场数值计算方法对系统进行精确的计算求解,验证电路理论分析的结论。通过对电极的形状与布局和电极皮肤单元的阻抗分配进行优化研究,建立起系统的优化方案,实现利用生物组织的体导电特性,通过电能耦合跨皮肤地将体外电能传递到体内植入医学电子器件的可充电电池之上。考虑到电极的极化效应和离子型传导电流的特点,体导电能量传递系统的激励电源采用交流方波电源。本课题主要进行了以下几个方面的研究:①分析体导电能量传递系统皮肤单元及其电池、电极单元的导电特性。分析人体安全充电电流条件,保证人体的安全。②根据生物组织体导电的特性,将体导电能量传递系统等效成集中参数的等效电路。运用电路理论的方法建立系统的数学模型,对系统的传递性能进行分析。并在有限元软件COMSOL Multiphysics上建立系统的三维有限元电磁场数值计算模型进行精确的计算求解,验证理论分析的结论。③研究体导电能量传递系统的激励电源技术。由于生物组织的导电特性与激励电源的频率有紧密的联系,在模型外电极对上施加不同的电源频率和幅值,计算系统的传递电流、电流传递效率和能量传递效率,选取合适的激励电源,改善系统的能量传递特性。④设计不同的电极形状,研究不同电极形状对系统能量传递特性的影响。本文针对对称电极,设计了三种不同形状的电极,即圆形电极、矩形电极和扇形电极。⑤优化电极皮肤单元的阻抗分配。通过变化模型电极的横截面积和电极之间的水平距离,对电极皮肤单元的阻抗进行分配,计算体导电能量传递系统皮肤单元内外的传递电流、电流传递效率和能量传递效率。分析总结系统电极皮肤单元阻抗分配的优化方法。⑥建立系统的优化方案,并根据优化方案重新建立系统的有限元模型,验证优化方案的有效性。根据仿真结果得知:在保证人体安全电流的情况下,重新优化的模型的电流传递效率可达67.7%,能量传递效率可达7.3%(远大于无铁芯电磁感应能量传递效率)。其中工作频率为5kHz,体外和体内传递电流I1、I2分别为2.3mA和1.5mA,均未超过人体5kHz时的感知阀电流。通过理论和仿真分析验证了利用本文提出的对系统的优化方案可以有效地提高系统的能量传递效率。 |
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