植入醫(yī)學(xué)電器的體導(dǎo)電能量供給技術(shù).pdf

1、當(dāng)前，各類植入式醫(yī)學(xué)電子器件的公共技術(shù)問題之一是如何有效地向其提供足夠的電能，維持其長期、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的功能。盡管植入式醫(yī)學(xué)電子器件存在多種可能的供電方案，但目前只有電池供電和磁感應(yīng)供電技術(shù)得到廣泛的臨床應(yīng)用。電池供電的植入式醫(yī)學(xué)電子器件，由于電池容量受限，導(dǎo)致其使用壽命較短。磁感應(yīng)耦合技術(shù)卻因?yàn)樯矬w中存在著大量的離子型體液，其傳導(dǎo)作用使磁感應(yīng)耦合效率低，且還會(huì)對(duì)周圍的設(shè)備產(chǎn)生射頻干擾。為了克服磁感應(yīng)技術(shù)的缺點(diǎn)和延長植

2、入式醫(yī)學(xué)電子器件的使用壽命，國內(nèi)外學(xué)者提出了利用生物組織的體導(dǎo)電特性將體外電能跨皮膚地傳遞到植入醫(yī)學(xué)電子器件或者其可充電電池的體導(dǎo)電能量傳遞技術(shù)。該技術(shù)是通過緊貼體外皮膚的電極對(duì)，利用生物組織的離子型體液作為傳導(dǎo)電流的載體，將體外激勵(lì)電源的能量傳遞到體內(nèi)電極對(duì)上，進(jìn)而為體內(nèi)植入醫(yī)學(xué)電子器件直接供能或者對(duì)其可充電電池進(jìn)行充電。電極皮膚單元的電極設(shè)計(jì)和電極皮膚的阻抗分配是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)，目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)該技術(shù)使用了電路理論和電磁場(chǎng)分

3、析方法對(duì)系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型，并有學(xué)者使用鮮豬皮作為實(shí)驗(yàn)材料對(duì)其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，但對(duì)該能量傳遞技術(shù)還未能有一套有效的電極設(shè)計(jì)和優(yōu)化電極皮膚阻抗分配的方法。
　　 本文在國內(nèi)外體導(dǎo)電能量傳遞技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)以上體導(dǎo)電能量傳遞技術(shù)的問題，在對(duì)系統(tǒng)建立了等效電路模型的基礎(chǔ)上，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，全面地分析影響植入醫(yī)學(xué)電子器件能量傳遞性能的因素，為電磁場(chǎng)計(jì)算及仿真起指導(dǎo)作用。文章在電磁場(chǎng)有限元軟件COMSOL Multiphysic

4、s上構(gòu)建體導(dǎo)電能量傳遞系統(tǒng)模型，運(yùn)用電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確的計(jì)算求解，驗(yàn)證電路理論分析的結(jié)論。通過對(duì)電極的形狀與布局和電極皮膚單元的阻抗分配進(jìn)行優(yōu)化研究，建立起系統(tǒng)的優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)利用生物組織的體導(dǎo)電特性，通過電能耦合跨皮膚地將體外電能傳遞到體內(nèi)植入醫(yī)學(xué)電子器件的可充電電池之上。考慮到電極的極化效應(yīng)和離子型傳導(dǎo)電流的特點(diǎn)，體導(dǎo)電能量傳遞系統(tǒng)的激勵(lì)電源采用交流方波電源。
　　 本文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究：⑴分析體導(dǎo)

5、電能量傳遞系統(tǒng)皮膚單元及其電池、電極單元的導(dǎo)電特性。分析人體安全充電電流條件，保證人體的安全；⑵根據(jù)生物組織體導(dǎo)電的特性，將體導(dǎo)電能量傳遞系統(tǒng)等效成集中參數(shù)的等效電路。運(yùn)用電路理論的方法建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)的傳遞性能進(jìn)行分析。并在有限元軟件COMSOL Multiphysics上建立系統(tǒng)的三維有限元電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行精確的計(jì)算求解，驗(yàn)證理論分析的結(jié)論；⑶研究體導(dǎo)電能量傳遞系統(tǒng)的激勵(lì)電源技術(shù)。由于生物組織的導(dǎo)電特性與激勵(lì)電源的頻

6、率有緊密的聯(lián)系，在模型外電極對(duì)上施加不同的電源頻率和幅值，計(jì)算系統(tǒng)的傳遞電流、電流傳遞效率和能量傳遞效率，選取合適的激勵(lì)電源，改善系統(tǒng)的能量傳遞特性；⑷設(shè)計(jì)不同的電極形狀，研究不同電極形狀對(duì)系統(tǒng)能量傳遞特性的影響。本文針對(duì)對(duì)稱電極，設(shè)計(jì)了三種不同形狀的電極，即圓形電極、矩形電極和扇形電極；⑸優(yōu)化電極皮膚單元的阻抗分配。通過變化模型電極的橫截面積和電極之間的水平距離，對(duì)電極皮膚單元的阻抗進(jìn)行分配，計(jì)算體導(dǎo)電能量傳遞系統(tǒng)皮膚單元內(nèi)外的傳遞電

7、流、電流傳遞效率和能量傳遞效率。分析總結(jié)系統(tǒng)電極皮膚單元阻抗分配的優(yōu)化方法；⑹建立系統(tǒng)的優(yōu)化方案，并根據(jù)優(yōu)化方案重新建立系統(tǒng)的有限元模型，驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性。根據(jù)仿真結(jié)果得知：在保證人體安全電流的情況下，重新優(yōu)化的模型的電流傳遞效率可達(dá)67.7％，能量傳遞效率可達(dá)7.3％（遠(yuǎn)大于無鐵芯電磁感應(yīng)能量傳遞效率）。其中工作頻率為5kHz，體外和體內(nèi)傳遞電流I1、I2分別為2.3mA和1.5mA，均未超過人體5kHz時(shí)的感知閥電流。通過理論和