高效率醫療植入式刺激裝置無(wú)線(xiàn)充電系統

醫療植入式刺激裝置在疾病治療中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。醫療植入式刺激裝置包括植入式心臟起搏器、腦起搏器、胃腸電刺激器、迷走神經(jīng)刺激器、脊髓刺激器等。
腦起搏器在醫學(xué)術(shù)語(yǔ)上稱(chēng)“腦深部刺激系統(DBS)”。DBS用于治療帕金森病、震顫和肌張力障礙等。DBS的脈沖發(fā)生器持續發(fā)出高頻脈沖電刺激，抑制不正常的腦核團放電，消除帕金森病癥狀。但脈沖發(fā)生器電池容量是一定的，一般可供使用3~7年。如電池耗完，則需要更換脈沖發(fā)生器。
膠囊內窺鏡、植入式醫用膠囊可以窺探人體消化道或腸道的健康狀況，幫助醫生對病人進(jìn)行診斷。內窺鏡攜帶的攝像頭可提供一些影響腸道或消化道的潰瘍、異常的增長(cháng)以及出血等癥狀。膠囊內窺鏡靠膠囊內的電池供電，但電池容量是一定的[1]。
參考文獻[2]針對人工心臟起搏器無(wú)線(xiàn)能量供電而設計的松耦合變壓器，其罐狀鐵芯式結構的二維面積為72 mm×13 mm，最佳工作頻率為100 kHz，氣隙間距為5 mm，對于植入式醫療裝置來(lái)說(shuō)，這樣結構的松耦合變壓器體積有些偏大，氣隙間距偏小。
參考文獻[3]提出RF無(wú)線(xiàn)遙控型能量植入式設備。該設備基于生物學(xué)組織中的無(wú)線(xiàn)能量傳輸的電流研究，但由于組織吸收損耗趨向于工作在10 MHz以下，如此大的頻率導致需要更大的接收天線(xiàn)。該文獻評估和公式推導出接收能量和組織吸收之間折衷頻率大概在1 GHz。值入深度從1 cm增大到6 cm，傳輸效率從10-1數量級減小到10-4數量級。對于其他一些植入式刺激醫療設備來(lái)說(shuō)，這樣的傳輸效率太低，很難滿(mǎn)足需要。
針對小型植入式醫療裝置(如無(wú)線(xiàn)膠囊內窺鏡)的電池使用時(shí)間的限制，參考文獻[4]提出一種計算經(jīng)皮耦合無(wú)線(xiàn)能量傳輸效率的方法。通過(guò)該方法計算得出變壓器的串聯(lián)諧振電路，在頻率500 kHz，次級線(xiàn)圈的尺寸是5 mm×20 mm。氣隙間距為100 mm時(shí)，能夠達到的最高傳輸效率為33.1%。這樣的傳輸效率對于某些植入式醫療裝置來(lái)說(shuō)偏低。
針對醫療植入式刺激裝置的松耦合變壓器，通過(guò)ANSYS對其在各種電路情況下的傳輸效率進(jìn)行仿真分析，得到一種較為優(yōu)秀的松耦合變壓器結構并制作了相應的電路，對其傳輸效率進(jìn)行測試并對比分析。
1 系統模型和工作原理
醫療植入式刺激裝置無(wú)線(xiàn)充電系統的模型主要由體外和體內兩部分組成。系統的模型如圖1所示。

體外部分包括電源模塊、高頻逆變驅動(dòng)模塊和松耦合變壓器的初級線(xiàn)圈；體內部分包括次級線(xiàn)圈、整流濾波模塊、穩壓電源模塊、電源管理模塊和可充電電池。
醫療植入式刺激裝置無(wú)線(xiàn)充電系統的工作原理為：直流電源模塊經(jīng)過(guò)高頻逆變驅動(dòng)模塊把直流電逆變?yōu)楦哳l的交流電供給松耦合變壓器初級線(xiàn)圈，體內的次級線(xiàn)圈感應出高頻的交流電經(jīng)過(guò)整流模塊，從而把交流電整流成直流電，整流出的直流電經(jīng)過(guò)穩壓電源模塊穩壓供給電源管理芯片，對體內的電池進(jìn)行充電。松耦合變壓器由于氣隙的存在，其耦合系數變低，磁動(dòng)勢主要降落到氣隙的磁阻上，導致松耦合變壓器的效率很低。所以，如何提高能量傳輸效率是無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統研究的關(guān)鍵[5]。
2 高效率松耦合變壓器磁路仿真與實(shí)測
無(wú)線(xiàn)充電系統中，松耦合變壓器負責能量的直接傳輸，所以它是影響該系統中供電效率的關(guān)鍵因素。本文以松耦合變壓器作為研究對象，通過(guò)ANSYS軟件分析松耦合變壓器影響傳輸效率的因素和無(wú)功補償電路仿真以及實(shí)驗分析[6-7]。
2.1 松耦合變壓器磁路結構仿真對比
松耦合變壓器中將其原邊和副邊分開(kāi)一定的距離進(jìn)行無(wú)限能量傳輸，由于氣隙的存在，其耦合系數變低，磁動(dòng)勢主要降落到氣隙的磁阻上，導致松耦合變壓器的效率很低。為了提高松耦合變壓器系統的耦合系數減小線(xiàn)圈的體積,一般采用鐵芯式線(xiàn)圈。由于本文中采用的工作頻率很高，為了減小鐵芯損耗,一般鐵芯采用MnZn 鐵氧體材料，而線(xiàn)圈則采用銅絞線(xiàn)以減小集膚效應的影響。本設計選取了幾種結構的松耦合變壓器進(jìn)行對比分析選取。有平板式鐵芯、罐狀鐵芯等。

通過(guò)比較圖3所示的結果可以發(fā)現,隨著(zhù)氣隙的增大,兩種結構的變壓器耦合系數k均逐漸減小。但當氣隙距離相等時(shí)，罐狀結構的變壓器耦合系數相對較高，那么傳輸效率就相對偏高。因為生物體的特殊要求，除了變壓器耦合系數滿(mǎn)足要求之外，植入體內的器件要求體積盡量小，結構盡量簡(jiǎn)單。本文研究的松耦合變壓器針對的是醫療植入式刺激裝置的特殊場(chǎng)合，因此體外部分選擇罐狀結構，體內部分選擇平板式結構。
2.2 高效率磁路的仿真與實(shí)測對比
磁芯設為線(xiàn)性導磁材料,相對磁導率定為2 500；不考慮渦流損耗；氣隙間距GAP=7 mm；初級電壓加幅值為6 V的正弦波，頻率為100 kHz~2 MHz；負載為100 Ω，初級、次級匝數比為1：1。根據上面的的分析，本文松耦合變壓器三種電路進(jìn)行仿真和實(shí)驗。
第一種電路結構是初級、次級都不加諧振時(shí)進(jìn)行仿真和實(shí)驗，最高傳輸效率是14.5%，最低傳輸效率是1.2%。
第二種電路結構是僅初級線(xiàn)圈加串聯(lián)諧振時(shí)進(jìn)行仿真和實(shí)驗,頻率在100 kHz~2 MHz范圍內時(shí)，最高傳輸效率是35.0%，最低傳輸效率是15.1%。
第三種電路結構是初級、次級均加串聯(lián)諧振時(shí)進(jìn)行仿真和實(shí)驗。如圖4所示為第三種電路結構的仿真傳輸效率和實(shí)際測量傳輸效率對比圖。

從圖4可以分析得出，頻率為1.5 MHz時(shí)的最大效率為61.13%。頻率在1.5 MHz~2 MHz之間，變壓器傳輸效率趨于穩定在60%左右。
針對醫療植入式刺激裝置在臨床中的供電和供電效率的關(guān)鍵問(wèn)題，本文以無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統中的松耦合變壓器作為研究對象。通過(guò)對各種磁路結構的對比，選擇醫療植入式刺激裝置最適合的變壓器磁路結構。在實(shí)際應用條件下，對松耦合變壓器的傳輸效率進(jìn)行仿真和實(shí)驗，仿真實(shí)驗中，氣隙距離為7 mm，頻率在100 kHz~2 MHz范圍內，初次級均加串聯(lián)諧振線(xiàn)圈的最大傳輸效率為61.13%，仿真實(shí)驗證明可以滿(mǎn)足高效率醫療植入式刺激裝置的供電需求。
參考文獻
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