高效率醫(yī)療植入式刺激裝置無線充電系統(tǒng)

醫(yī)療植入式刺激裝置在疾病治療中發(fā)揮著越來越重要的作用。醫(yī)療植入式刺激裝置包括植入式心臟起搏器、腦起搏器、胃腸電刺激器、迷走神經(jīng)刺激器、脊髓刺激器等。
腦起搏器在醫(yī)學(xué)術(shù)語上稱“腦深部刺激系統(tǒng)(DBS)”。DBS用于治療帕金森病、震顫和肌張力障礙等。DBS的脈沖發(fā)生器持續(xù)發(fā)出高頻脈沖電刺激，抑制不正常的腦核團放電，消除帕金森病癥狀。但脈沖發(fā)生器電池容量是一定的，一般可供使用3~7年。如電池耗完，則需要更換脈沖發(fā)生器。
膠囊內(nèi)窺鏡、植入式醫(yī)用膠囊可以窺探人體消化道或腸道的健康狀況，幫助醫(yī)生對病人進(jìn)行診斷。內(nèi)窺鏡攜帶的攝像頭可提供一些影響腸道或消化道的潰瘍、異常的增長以及出血等癥狀。膠囊內(nèi)窺鏡靠膠囊內(nèi)的電池供電，但電池容量是一定的[1]。
參考文獻(xiàn)[2]針對人工心臟起搏器無線能量供電而設(shè)計的松耦合變壓器，其罐狀鐵芯式結(jié)構(gòu)的二維面積為72 mm×13 mm，最佳工作頻率為100 kHz，氣隙間距為5 mm，對于植入式醫(yī)療裝置來說，這樣結(jié)構(gòu)的松耦合變壓器體積有些偏大，氣隙間距偏小。
參考文獻(xiàn)[3]提出RF無線遙控型能量植入式設(shè)備。該設(shè)備基于生物學(xué)組織中的無線能量傳輸?shù)碾娏餮芯?，但由于組織吸收損耗趨向于工作在10 MHz以下，如此大的頻率導(dǎo)致需要更大的接收天線。該文獻(xiàn)評估和公式推導(dǎo)出接收能量和組織吸收之間折衷頻率大概在1 GHz。值入深度從1 cm增大到6 cm，傳輸效率從10-1數(shù)量級減小到10-4數(shù)量級。對于其他一些植入式刺激醫(yī)療設(shè)備來說，這樣的傳輸效率太低，很難滿足需要。
針對小型植入式醫(yī)療裝置(如無線膠囊內(nèi)窺鏡)的電池使用時間的限制，參考文獻(xiàn)[4]提出一種計算經(jīng)皮耦合無線能量傳輸效率的方法。通過該方法計算得出變壓器的串聯(lián)諧振電路，在頻率500 kHz，次級線圈的尺寸是5 mm×20 mm。氣隙間距為100 mm時，能夠達(dá)到的最高傳輸效率為33.1%。這樣的傳輸效率對于某些植入式醫(yī)療裝置來說偏低。
針對醫(yī)療植入式刺激裝置的松耦合變壓器，通過ANSYS對其在各種電路情況下的傳輸效率進(jìn)行仿真分析，得到一種較為優(yōu)秀的松耦合變壓器結(jié)構(gòu)并制作了相應(yīng)的電路，對其傳輸效率進(jìn)行測試并對比分析。
1 系統(tǒng)模型和工作原理
醫(yī)療植入式刺激裝置無線充電系統(tǒng)的模型主要由體外和體內(nèi)兩部分組成。系統(tǒng)的模型如圖1所示。

體外部分包括電源模塊、高頻逆變驅(qū)動模塊和松耦合變壓器的初級線圈；體內(nèi)部分包括次級線圈、整流濾波模塊、穩(wěn)壓電源模塊、電源管理模塊和可充電電池。
醫(yī)療植入式刺激裝置無線充電系統(tǒng)的工作原理為：直流電源模塊經(jīng)過高頻逆變驅(qū)動模塊把直流電逆變?yōu)楦哳l的交流電供給松耦合變壓器初級線圈，體內(nèi)的次級線圈感應(yīng)出高頻的交流電經(jīng)過整流模塊，從而把交流電整流成直流電，整流出的直流電經(jīng)過穩(wěn)壓電源模塊穩(wěn)壓供給電源管理芯片，對體內(nèi)的電池進(jìn)行充電。松耦合變壓器由于氣隙的存在，其耦合系數(shù)變低，磁動勢主要降落到氣隙的磁阻上，導(dǎo)致松耦合變壓器的效率很低。所以，如何提高能量傳輸效率是無線能量傳輸系統(tǒng)研究的關(guān)鍵[5]。
2 高效率松耦合變壓器磁路仿真與實測
無線充電系統(tǒng)中，松耦合變壓器負(fù)責(zé)能量的直接傳輸，所以它是影響該系統(tǒng)中供電效率的關(guān)鍵因素。本文以松耦合變壓器作為研究對象，通過ANSYS軟件分析松耦合變壓器影響傳輸效率的因素和無功補償電路仿真以及實驗分析[6-7]。
2.1 松耦合變壓器磁路結(jié)構(gòu)仿真對比
松耦合變壓器中將其原邊和副邊分開一定的距離進(jìn)行無限能量傳輸，由于氣隙的存在，其耦合系數(shù)變低，磁動勢主要降落到氣隙的磁阻上，導(dǎo)致松耦合變壓器的效率很低。為了提高松耦合變壓器系統(tǒng)的耦合系數(shù)減小線圈的體積,一般采用鐵芯式線圈。由于本文中采用的工作頻率很高，為了減小鐵芯損耗,一般鐵芯采用MnZn 鐵氧體材料，而線圈則采用銅絞線以減小集膚效應(yīng)的影響。本設(shè)計選取了幾種結(jié)構(gòu)的松耦合變壓器進(jìn)行對比分析選取。有平板式鐵芯、罐狀鐵芯等。

通過比較圖3所示的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),隨著氣隙的增大,兩種結(jié)構(gòu)的變壓器耦合系數(shù)k均逐漸減小。但當(dāng)氣隙距離相等時，罐狀結(jié)構(gòu)的變壓器耦合系數(shù)相對較高，那么傳輸效率就相對偏高。因為生物體的特殊要求，除了變壓器耦合系數(shù)滿足要求之外，植入體內(nèi)的器件要求體積盡量小，結(jié)構(gòu)盡量簡單。本文研究的松耦合變壓器針對的是醫(yī)療植入式刺激裝置的特殊場合，因此體外部分選擇罐狀結(jié)構(gòu)，體內(nèi)部分選擇平板式結(jié)構(gòu)。
2.2 高效率磁路的仿真與實測對比
磁芯設(shè)為線性導(dǎo)磁材料,相對磁導(dǎo)率定為2 500；不考慮渦流損耗；氣隙間距GAP=7 mm；初級電壓加幅值為6 V的正弦波，頻率為100 kHz~2 MHz；負(fù)載為100 Ω，初級、次級匝數(shù)比為1：1。根據(jù)上面的的分析，本文松耦合變壓器三種電路進(jìn)行仿真和實驗。
第一種電路結(jié)構(gòu)是初級、次級都不加諧振時進(jìn)行仿真和實驗，最高傳輸效率是14.5%，最低傳輸效率是1.2%。
第二種電路結(jié)構(gòu)是僅初級線圈加串聯(lián)諧振時進(jìn)行仿真和實驗,頻率在100 kHz~2 MHz范圍內(nèi)時，最高傳輸效率是35.0%，最低傳輸效率是15.1%。
第三種電路結(jié)構(gòu)是初級、次級均加串聯(lián)諧振時進(jìn)行仿真和實驗。如圖4所示為第三種電路結(jié)構(gòu)的仿真?zhèn)鬏斝屎蛯嶋H測量傳輸效率對比圖。

從圖4可以分析得出，頻率為1.5 MHz時的最大效率為61.13%。頻率在1.5 MHz~2 MHz之間，變壓器傳輸效率趨于穩(wěn)定在60%左右。
針對醫(yī)療植入式刺激裝置在臨床中的供電和供電效率的關(guān)鍵問題，本文以無線能量傳輸系統(tǒng)中的松耦合變壓器作為研究對象。通過對各種磁路結(jié)構(gòu)的對比，選擇醫(yī)療植入式刺激裝置最適合的變壓器磁路結(jié)構(gòu)。在實際應(yīng)用條件下，對松耦合變壓器的傳輸效率進(jìn)行仿真和實驗，仿真實驗中，氣隙距離為7 mm，頻率在100 kHz~2 MHz范圍內(nèi)，初次級均加串聯(lián)諧振線圈的最大傳輸效率為61.13%，仿真實驗證明可以滿足高效率醫(yī)療植入式刺激裝置的供電需求。
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