胃腸道微型介入式診療裝置無線供能技術的優(yōu)化與應用研究.pdf

1、能量供給是胃腸道微型介入式診療裝置（以下簡稱：微診療裝置）在發(fā)展和完善過程中所面臨的至關重要的問題，微診療裝置的發(fā)展如工作時間的延長、圖像幀數(shù)和分辨率的提高、自主運動乃至活檢和定點施藥的實現(xiàn)都有賴于能量供給問題的解決。無線供能技術因被視為解決這一問題的可行途徑而受到越來越多的關注。基于此，本研究在國家和省部級多項科研計劃項目的資助下，開展了用于微診療裝置供能的無線供能技術的優(yōu)化與應用研究。
　　在對人體胃腸道生理特征進行介紹的基礎

2、上，分析了基于電磁感應的無線供能技術在實現(xiàn)過程中遇到的問題和可能的解決方案，推導了在疏耦合情形下的能量傳輸效率以及對應約束條件，建立了最優(yōu)化模型來描述整個無線供能模塊的設計，并提出了可行的算法對該最優(yōu)化模型進行求解。微診療裝置對無線供能模塊的要求主要體現(xiàn)在兩個方面：能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性和對人體的安全性。穩(wěn)定性主要包括位置穩(wěn)定性、姿態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性三個方面，而安全性包括電磁生物安全性和接收裝置溫升安全性。分析了這些系統(tǒng)要求與發(fā)射線圈和接收

3、裝置設計之間的關系，再結合人體胃腸道生理特征所帶來的限制，一起構成了最優(yōu)化模型的約束條件。
　　提出了多層螺線管對的發(fā)射線圈結構，從解決位置穩(wěn)定性問題、頻率穩(wěn)定性問題磁場和電磁生物安全性問題的角度出發(fā)，對不同結構發(fā)射線圈進行了測量和評估。采用勻強磁場方案來解決位置穩(wěn)定性問題，推導和模擬了不同結構發(fā)射線圈的磁場分布，搭建磁場強度測試平臺對理論模型進行了驗證，提出了磁場均勻度的概念來衡量位置穩(wěn)定性問題的解決程度。設計并搭建了固有頻率檢

4、測平臺測量發(fā)射線圈的固有頻率漂移情況，定義了頻率穩(wěn)定度來衡量固有頻率漂移帶來的影響，將此參數(shù)作為發(fā)射線圈設計的重要指標，使頻率穩(wěn)定性在發(fā)射線圈的優(yōu)化設計中得到體現(xiàn)。考慮了發(fā)射線圈磁場的人體安全性問題，應用電磁仿真軟件CST在高精度人體電磁計算模型上對人體組織中的電流密度、SAR等電磁劑量進行求解。并將磁場安全性指標轉化為對發(fā)射線圈上驅動電流的約束，為磁場安全性問題在發(fā)射線圈優(yōu)化設計中的體現(xiàn)提供了條件。
　　考慮了無線供能模塊接收裝

5、置受到的尺寸和形狀的約束，從解決姿態(tài)穩(wěn)定性問題和溫升安全性問題角度出發(fā)，對接收裝置設計進行了優(yōu)化。對三維線圈的姿態(tài)穩(wěn)定度進行了定義和三維空間建模，通過推導和仿真計算確定了姿態(tài)穩(wěn)定度在衡量姿態(tài)穩(wěn)定性上的可行性，并設計和搭建旋轉平臺實際測試證實了其有效性。在此基礎上，對接收線圈三個維度之間的連接關系進行了比較和分析，得到了串聯(lián)連接和并聯(lián)連接各自的適應范圍。為提高空間利用率，重點考察了高磁導磁芯的引入，分析和實際測量了不同形狀磁芯的實際相對磁

6、導率，發(fā)現(xiàn)八邊形截面柱體磁芯優(yōu)于正方形截面柱體。另外，在三維對稱的要求下通過分析各維度的空間幾何關系，建立并求解了多階方程來確定不同維度線圈的匝數(shù)，并得到了接收線圈在規(guī)定外形尺寸條件下磁芯的最優(yōu)尺寸。將能量接收線圈內阻引發(fā)的體內溫升安全性問題轉化為對能量接收線圈繞組導線的股數(shù)的約束，并通過溫升測試平臺實驗驗證了這種處理的有效性，為溫升安全性問題的解決提供了理論依據(jù)和切實可行的方法。
　　為了驗證上述最優(yōu)化模型的可行性，應用最優(yōu)化模