人工心臟經皮能量傳輸阻抗適應性研究.pdf

1、心臟移植是治療終末期心衰患者最有效的救治手段，因缺乏心臟供體，人工心臟應運而生，成為自然心臟合適的替代品。人工心臟正常的工作需要電能從體外傳輸到體內進行供給，利用導線穿透皮膚的方式不僅增加了患者感染的可能，也為患者的生活帶來不便。經皮能量傳輸，將電能以無線的方式傳輸到體內，為人工心臟供能，能有效降低感染，同時提升病人的生活品質。在實際使用中，經皮變壓器線圈的相對位置通常會跟隨著患者的動作（如呼吸引起皮膚蠕動）而產生變化，此外，人工心臟所

2、需的功率也受患者處于不同體征狀態(tài)（如運動和休息等）而變化，從而引起系統負載的變化。負載和線圈相對位置的變化，即傳輸阻抗的變化，會對經皮能量傳輸系統的傳輸性能帶來很大影響，如系統的傳輸效率和負載的輸出穩(wěn)定性。因此，本文圍繞傳輸阻抗的變化，對人工心臟經皮能量傳輸系統進行相關的研究。
　　論文首先通過對經皮能量傳輸機理研究，建立經皮能量傳輸系統數學模型，針對人工心臟經皮能量傳輸阻抗變化情況，設計阻抗壓縮補償電路拓撲結構，與傳輸線圈產生諧

3、振的同時壓縮傳輸阻抗等效變化范圍，以滿足E類放大電路理想阻抗范圍要求，最終提高系統的傳輸能力和傳輸效率。針對經皮傳輸系統耦合性能通常受經皮變壓器線圈之間錯位影響情況，通過在體外線圈上布置傳感線圈陣列，通過對傳感線圈上的電壓信號采集和處理，體內無需無任何附加裝置植入情況下實現對體內線圈位置的檢測，通過改變線圈之間的軸向和徑向位置對該方法有效性進行實驗驗證。針對負載輸出電壓隨著人工心臟工作功率變化和變壓器線圈錯位產生而發(fā)生變化情況，提出了在

4、無需體內電壓信號反饋的情況下在體外實現負載電壓控制調節(jié)方法，利用變壓器線圈位置和初級線圈電流檢測結果對負載電壓進行推算，再通過PI控制器通過調節(jié)輸入電源電壓實現對負載電壓的控制，最后通過改變負載電阻和變壓器線圈位置模擬經皮能量傳輸系統傳輸阻抗變化情況，進行負載電壓控制的實驗驗證。
　　論文的主要研究工作如下：
　　1.E類逆變電路變阻抗自適應方法研究。通過對阻抗壓縮和諧振補償原理研究，設計了串并聯電容結構，利用串聯電容與傳輸

5、線圈產生諧振提升系統的傳輸能量和效率，同時，結合并聯電容對系統等效傳輸阻抗范圍進行壓縮，以滿足E類放大電路理想阻抗變化范圍?；诮浧つ芰總鬏斚到y理論模型，對阻抗壓縮和諧振補償結構進行數學建模分析，并針對人工心臟具體傳輸阻抗范圍，給出系統電路參數的優(yōu)化設計方法，最后通過改變負載輸出功率(12-60W)和變壓器線圈相對位置（縱向3-15mm，橫向0-20mm）來模擬人工心臟在實際使用中可能產生的功率變化和線圈位置偏移情況，對設計的經皮能量系

6、統效率進行測試，驗證了阻抗壓縮和補償結構的有效性。
　　2.體內線圈位置檢測方法研究。針對經皮變壓器線圈之間錯位現象，提出了利用傳感線圈陣列對體內線圈發(fā)射電磁場進行檢測實現體內線圈位置檢測的方法，通過在體外線圈側布置相應的傳感線圈陣列，對傳感線圈上的電壓進行檢測，并根據感應電壓信號特點，提出了相應的信號分離方法，將傳感線圈上由體外線圈和體內線圈分別感應所形成的電壓進行分離;根據傳感線圈和體內線圈形狀特征，建立了互感值關于體內線圈位

7、置理論模型，提出了查表法和迭代法兩種逆向計算方法實現體內線圈位置的計算;利用該體內線圈位置檢測方法，能夠指導用戶對體外線圈位置進行調整，進而提升經皮能量傳輸系統的傳輸性能;最后，通過改變經皮變壓器線圈之間的相對位置（縱向3-15mm，橫向0-20mm）進行相關實驗驗證，說明該位置檢測方法的有效性。
　　3.變傳輸阻抗下負載輸出電壓穩(wěn)定性研究。針對變傳輸阻抗下系統負載輸出電壓不穩(wěn)定現象，提出了體內無需植入任何傳感裝置下載體外實現對體