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由于植入式無線供能（Wireless Power Transmission, WPT）心臟起搏器技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)式心臟起搏器更換植入單元引發(fā)的感染、排斥等諸多風(fēng)險(xiǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對無線供能植入式器件展開了廣泛的研究。眾多研究表明，磁耦合諧振式供能是植入式器件較為理想的供能方式之一。

為減弱WPT系統(tǒng)充電過程中漏磁場對人體組織的電磁輻射，廣大學(xué)者對磁場屏蔽展開了大量研究，主要涉及材料屏蔽和線圈屏蔽兩方面。材料屏蔽的使用會在一定程度上減弱WPT漏磁場，但存在渦流損耗、發(fā)熱嚴(yán)重、成本高等問題，故不適用于植入式器件。

線圈屏蔽分為主動屏蔽與被動屏蔽。T. Campi對主動屏蔽開展進(jìn)一步研究，但屏蔽線圈外界激勵(lì)源要時(shí)刻產(chǎn)生精確幅值、相位、方向的磁場以起到對準(zhǔn)抵消的效果，從而產(chǎn)生屏蔽作用，因此主動屏蔽難實(shí)現(xiàn)且成本較高。

被動屏蔽包括諧振式屏蔽與非諧振式屏蔽。非諧振式屏蔽雖然可減弱漏磁場但明顯降低了系統(tǒng)傳輸效率。楊慶新團(tuán)隊(duì)展開了鄰近多系統(tǒng)間單線圈諧振式屏蔽研究，其研究表明諧振式屏蔽線圈能夠減弱兩個(gè)WPT系統(tǒng)電磁干擾，但不適用于植入式器件單個(gè)WPT系統(tǒng)。韓國學(xué)者在電子數(shù)碼領(lǐng)域也開展了單線圈諧振式屏蔽研究，但效率下降幅度較明顯。因此，可以開展多線圈諧振式電磁屏蔽研究，并將其應(yīng)用在醫(yī)學(xué)植入式器件中，減弱漏磁對人體的影響，同時(shí)保證良好的傳輸效率。

為最大限度降低心臟起搏器無線供能系統(tǒng)的漏磁場對人體的傷害，遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院的研究人員陳偉華、劉宗旺、李政興、閆孝姮、錢坤，在2022年第11期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出了一種適用于心臟起搏器無線供能的多線圈諧振式無功屏蔽結(jié)構(gòu)。該多線圈諧振式無功屏蔽結(jié)構(gòu)是對以往的主動屏蔽和非諧振屏蔽做出的進(jìn)一步改進(jìn)，能有效降低無線電能傳輸系統(tǒng)的漏磁，為植入式器件無線供能系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種新思路。

圖1 三線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)

在研究中，他們建立了LCC-C的補(bǔ)償電路模型，通過研究諧振無功屏蔽線圈原理，仿真研究三種屏蔽線圈環(huán)路、匝數(shù)的磁場分布和傳輸效率，以及人體半身模型的電磁-溫度場分布，確定了屏蔽線圈的最優(yōu)環(huán)路和匝數(shù)。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺

科研人員指出，多個(gè)屏蔽線圈以傳輸線圈的磁場作為激勵(lì)源，在屏蔽線圈中產(chǎn)生抵消磁場，屏蔽環(huán)內(nèi)側(cè)產(chǎn)生與傳輸線圈同向磁場，屏蔽環(huán)外側(cè)產(chǎn)生與內(nèi)側(cè)相反的磁場，進(jìn)而抵消漏磁場且保證了良好的傳輸效率。與有源主動屏蔽相比，該多線圈諧振無功屏蔽在磁場屏蔽及功率傳輸效率等方面具有更好的性能、更便捷的應(yīng)用。與非諧振屏蔽相比，該諧振無功屏蔽可調(diào)節(jié)匹配電容來調(diào)控屏蔽線圈的電流與相位，進(jìn)而優(yōu)化屏蔽磁場效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用多線圈諧振式無功屏蔽結(jié)構(gòu)能在保證傳輸效率的同時(shí)顯著降低WPT系統(tǒng)附近的磁場強(qiáng)度，以降低漏磁場對人體組織的影響。3環(huán)-5匝線圈為最優(yōu)屏蔽結(jié)構(gòu)，其屏蔽效果優(yōu)于其他屏蔽線圈，在距離中心點(diǎn)35mm處，磁通密度降低了20.22%，傳輸效率可達(dá)76.03%。通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對該系統(tǒng)進(jìn)行了人體模型溫度評估，在充電30min過程中，電場強(qiáng)度、磁通密度、溫升均符合國際安全標(biāo)準(zhǔn)。

研究人員最后表示，本課題所驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，僅為部分線圈環(huán)路與固定線圈尺寸，下一步可以考慮研究傳輸線圈與屏蔽線圈間參數(shù)、尺寸最佳關(guān)系，使磁場屏蔽效果得到進(jìn)一步優(yōu)化。

本文編自2022年第11期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“諧振式無線供能心臟起搏器多線圈無功屏蔽研究”。本課題得到了2020年遼寧省教育廳科學(xué)研究青年科技人才“育苗”資助項(xiàng)目的支持。