植入器件體導(dǎo)電能量傳遞電磁場(chǎng)模型的分析與仿真.pdf

1、隨著微電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，植入電子裝置在臨床醫(yī)學(xué)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。這是一種埋置在生物體或人體內(nèi)的電子裝置，主要用來(lái)測(cè)量生命體內(nèi)生理、生化、物化參數(shù)的變化，以及診斷、治療某些疾病(特別是慢性疾病的監(jiān)測(cè)、給藥等)。由于是采用植入的方式，所以能量的供給單元就是系統(tǒng)的核心部分之一，它是確保系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的必要條件。目前，植入電子裝置通常采用電池和磁感應(yīng)耦合技術(shù)供電。電池只能一次性使用，一旦超過(guò)使用時(shí)限，其電能耗盡，只能通過(guò)

2、手術(shù)進(jìn)行更換，這一方面加重了患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，另一方面也增加其所受的痛苦。磁感應(yīng)耦合技術(shù)可將豐富的體外電能傳遞到體內(nèi)植入電子器件，但是由于人體組織的特性，其傳導(dǎo)作用使磁感應(yīng)耦合效率低，為了向植入電子器件提供足夠的能量，磁感應(yīng)耦合的發(fā)射線(xiàn)圈必須發(fā)射較強(qiáng)的射頻功率，它又會(huì)對(duì)附近的醫(yī)學(xué)設(shè)備等形成射頻干擾。
　　 基于以上能量供給方案缺陷的考慮，本文在體導(dǎo)電植入電子器件的數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)上，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

3、入電子器件的可充電電池作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。根據(jù)體導(dǎo)電能量傳遞的原理，即采用電極-皮膚單元模型，通過(guò)生物組織的傳導(dǎo)電流將體外電極(銀/氯化銀參比電極)的電能耦合到體內(nèi)電極，并傳遞到植入電子器件的電池。
　　 本課題主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究：
　　 ①闡述了生物組織的導(dǎo)電原理和等效電路，介紹了目前體導(dǎo)電的最前沿技術(shù)，即體導(dǎo)電數(shù)據(jù)通信的技術(shù)成果，并且給出了本文所涉及到的能量傳遞技術(shù)方案，最后分析了人體皮膚的結(jié)構(gòu)以及電特性。<

4、br>　　 ②為了使充電電流傳遞效率最佳，進(jìn)行了電極-皮膚單元的優(yōu)化研究。在頻率一定的條件下，減小電極-皮膚單元的阻抗比，以提高電流傳遞效率。減小電極皮膚單元的阻抗比的方法是：a.減小電極與皮膚的接觸阻抗；b.優(yōu)化電極的幾何形狀和電極布局。
　　 ③采用多物理場(chǎng)耦合有限元分析軟件COMSOL Multiphysics建立電極皮膚單元的電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，并用數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算皮膚內(nèi)部的電位和電流。
　　 ④根據(jù)模型在電極面積

5、、電極形狀、體夕電極中心之間的距離、頻率以及皮膚相關(guān)參數(shù)設(shè)定相同情況下，計(jì)算體導(dǎo)電電流和能量傳遞效率，并分析體不同形狀及布局的電極對(duì)能量傳遞效率的影響。
　　 仿真結(jié)果表明，在保證人體安全電流情況下，電流傳遞效率可達(dá)20％，能量傳遞效率在4％-9％之間，(遠(yuǎn)大于無(wú)鐵芯電磁感應(yīng)能量傳遞效率)。本課題涉及體導(dǎo)電充電系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。體導(dǎo)電充電系統(tǒng)具有無(wú)需手術(shù)更換電池、消除對(duì)附近的醫(yī)學(xué)設(shè)備形成射頻干擾等優(yōu)點(diǎn)，具有深遠(yuǎn)的意義和廣闊的應(yīng)用前