人體消化道微型診查裝置無線供能技術(shù)研究.pdf

1、能量供給是人體消化道微型診查裝置(以下簡稱:微診查裝置)首要的和最基本的問題。要使目前的膠囊內(nèi)窺鏡具備主動(dòng)運(yùn)動(dòng)功能,并且能以較高幀率、較清晰地獲取消化道圖像信息,對(duì)能量的需求非常大,以紐扣電池供電的方式己無法滿足需要。
　　 基于電磁感應(yīng)的無線供能技術(shù)已經(jīng)在經(jīng)皮能量傳輸中得到廣泛應(yīng)用,可采用此技術(shù)為微診查裝置無線供能。采用電磁感應(yīng)方式供能時(shí),體外發(fā)射線圈產(chǎn)生交變磁場,體內(nèi)接收線圈感應(yīng)產(chǎn)生能量,兩線圈通過電磁耦合實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸

2、。與經(jīng)皮能量傳輸不同的是:在微診查裝置的無線供能中,體內(nèi)、外線圈之間的距離較遠(yuǎn)；體內(nèi)接收線圈的空間尺寸有限,且在人體消化道內(nèi)的位置、姿態(tài)均不確定。這些因素導(dǎo)致了能量傳輸效率較低、且不穩(wěn)定。要傳輸足夠的能量,發(fā)射線圈產(chǎn)生的電磁場必須足夠強(qiáng),而這勢必對(duì)人體組織產(chǎn)生不利影響。所以,微診查裝置無線供能研究要解決的核心問題是能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性、效率和人體安全性。
　　 微診查裝置被吞服后,在人體消化道內(nèi)的位置和姿態(tài)均不確定。為了使微診查裝置

3、在姿態(tài)改變時(shí)仍能獲得較穩(wěn)定能量,研究了姿態(tài)任意變換情況下獲得較穩(wěn)定能量的方法,設(shè)計(jì)了三維正交接收線圈和整流后再并聯(lián)的接收電路,在微診查裝置的姿態(tài)改變時(shí),可合成輸出較穩(wěn)定能量。為了使微診查裝置在位置改變時(shí)仍能獲得較穩(wěn)定能量,研制了亥姆霍茲結(jié)構(gòu)的發(fā)射線圈。研究表明,采用亥姆霍茲發(fā)射線圈,可在人體消化道區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較為均勻的電磁場,解決能量傳輸?shù)奈恢梅€(wěn)定性問題。為了解決因發(fā)射線圈失諧而導(dǎo)致的傳輸效率下降問題,研究了改變逆變頻率使發(fā)射線圈在新的頻

4、率下諧振和通過補(bǔ)償電路維持發(fā)射線圈在原有頻率下諧振兩種方法的特點(diǎn),得到了高品質(zhì)因數(shù)耦合電路應(yīng)通過維持發(fā)射回路和接收回路同頻諧振來提高傳輸效率這一關(guān)鍵性結(jié)論,并對(duì)由開關(guān)電容組成的補(bǔ)償電路進(jìn)行了深入研究,以解決能量傳輸?shù)念l率穩(wěn)定性問題。
　　 限于人體生理特征,微診查裝置的空間尺寸嚴(yán)格限定,要為微診查裝置提供足夠能量,提高傳輸效率是關(guān)鍵。本文從決定傳輸效率的耦合、發(fā)射、接收三個(gè)方面入手,研究了提高傳輸效率的措施和方法。針對(duì)發(fā)射、接收

5、線圈之間距離較遠(yuǎn),接收線圈的尺寸較小而導(dǎo)致的兩線圈之間耦合度弱的特點(diǎn),研究了發(fā)射、接收線圈與匹配電容組成的并.并、并.串、串.并、串一串四種鏈路的傳輸效率,得到了能量傳輸效率最大化的條件,指出了串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路的不同適用條件,并從根本上揭示了影響能量傳輸效率的因素:耦合系數(shù)和線圈品質(zhì)因數(shù)。通過優(yōu)化耦合電路的諧振頻率,選擇合適的線圈參數(shù)、磁芯材料、負(fù)載因子,使傳輸效率有了一定的提高。為了提高發(fā)射效率,設(shè)計(jì)了全橋逆變電路,并配置了

6、阻尼吸收網(wǎng)絡(luò),使發(fā)射電路能可靠、高效地工作。為了提高接收效率,研究了幾種常用整流電路的整流效率和接收功率,并綜合考慮空間利用,為能量接收部分確定了合適的整流合成電路。為了給微診查裝置提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓,設(shè)計(jì)了整流后兩級(jí)轉(zhuǎn)換電路。
　　 采用電磁感應(yīng)方式為體內(nèi)的微診查裝置無線供能時(shí),體外發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場勢必對(duì)人體組織產(chǎn)生不利影響,必須對(duì)電磁場與人體組織的相互作用進(jìn)行研究,并對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)估,這是無線供能技術(shù)應(yīng)用于人體的安全

7、性前提。當(dāng)前,國際上公認(rèn)的電磁安全性標(biāo)準(zhǔn)主要有國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)的導(dǎo)則和IEEE C95.1-2005標(biāo)準(zhǔn),人體電磁安全性衡量的主要指標(biāo)為感應(yīng)電流密度和比吸收率(SAR)。由于目前還不能通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)這兩個(gè)電磁劑量學(xué)量進(jìn)行直接測量,數(shù)值計(jì)算方法是當(dāng)前學(xué)術(shù)界普遍采用的方法。本文通過有限積分法,在高精度人體電磁計(jì)算模型上求解了人體組織中的電流密度、SAR等電磁劑量。高精度人體電磁計(jì)算模型以美國可視人體項(xiàng)目的數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ),應(yīng)用半自動(dòng)圖像

8、分割技術(shù),重建了包含56種人體組織的高精度三維真實(shí)人體結(jié)構(gòu)模型,其分辨率達(dá)0.33mm×0.33mm×2mm:通過對(duì)人體結(jié)構(gòu)模型中每種組織電特性的指定,建立了人體電磁計(jì)算模型。在求解了電磁劑量學(xué)量,并對(duì)體外發(fā)射線圈產(chǎn)生的電磁場進(jìn)行安全性評(píng)估的同時(shí),本文還分析了發(fā)射電流、電磁場頻率等因素對(duì)電磁劑量的影響,并根據(jù)傳輸效率,為無線供能選擇了最優(yōu)工作頻率,使其在傳輸足夠能量的同時(shí),對(duì)人體的不利影響最小。
　　 為了從整體上對(duì)以上的研究成