植入醫(yī)學電器的體導電能量供給技術(shù).pdf

1、當前，各類植入式醫(yī)學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、可靠地運行，實現(xiàn)其預期的功能。盡管植入式醫(yī)學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)學電子器件，由于電池容量受限，導致其使用壽命較短。磁感應(yīng)耦合技術(shù)卻因為生物體中存在著大量的離子型體液，其傳導作用使磁感應(yīng)耦合效率低，且還會對周圍的設(shè)備產(chǎn)生射頻干擾。為了克服磁感應(yīng)技術(shù)的缺點和延長植

2、入式醫(yī)學電子器件的使用壽命，國內(nèi)外學者提出了利用生物組織的體導電特性將體外電能跨皮膚地傳遞到植入醫(yī)學電子器件或者其可充電電池的體導電能量傳遞技術(shù)。該技術(shù)是通過緊貼體外皮膚的電極對，利用生物組織的離子型體液作為傳導電流的載體，將體外激勵電源的能量傳遞到體內(nèi)電極對上，進而為體內(nèi)植入醫(yī)學電子器件直接供能或者對其可充電電池進行充電。電極皮膚單元的電極設(shè)計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)外學者對該技術(shù)使用了電路理論和電磁場分

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

4、s上構(gòu)建體導電能量傳遞系統(tǒng)模型，運用電磁場數(shù)值計算方法對系統(tǒng)進行精確的計算求解，驗證電路理論分析的結(jié)論。通過對電極的形狀與布局和電極皮膚單元的阻抗分配進行優(yōu)化研究，建立起系統(tǒng)的優(yōu)化方案，實現(xiàn)利用生物組織的體導電特性，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)學電子器件的可充電電池之上?？紤]到電極的極化效應(yīng)和離子型傳導電流的特點，體導電能量傳遞系統(tǒng)的激勵電源采用交流方波電源。
　　 本文主要進行了以下幾個方面的研究：⑴分析體導

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

6、率有緊密的聯(lián)系，在模型外電極對上施加不同的電源頻率和幅值，計算系統(tǒng)的傳遞電流、電流傳遞效率和能量傳遞效率，選取合適的激勵電源，改善系統(tǒng)的能量傳遞特性；⑷設(shè)計不同的電極形狀，研究不同電極形狀對系統(tǒng)能量傳遞特性的影響。本文針對對稱電極，設(shè)計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，對電極皮膚單元的阻抗進行分配，計算體導電能量傳遞系統(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67.7％，能量傳遞效率可達7.3％（遠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時的感知閥電流。通過理論和