目前,國內(nèi)外針對有源植入式醫(yī)療設(shè)備無線電能傳輸技術(shù)開展了廣泛的研究,以降低二次手術(shù)更換電池可能導(dǎo)致的感染風(fēng)險;然而若要實現(xiàn)其成功應(yīng)用,必須著重考慮效率、植入和安全等問題,因此供能效率、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及安全性成為近年來的研究熱點。
為實現(xiàn)高效率傳輸能量,國內(nèi)外眾多專家學(xué)者已提出許多性能優(yōu)越的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),T. Campi等對四種基礎(chǔ)拓?fù)浯?lián)-串聯(lián)(Series-Series, SS)、串聯(lián)-并聯(lián)(Series Parallel, SP)、并聯(lián)-并聯(lián)(Parallel-Parallel, PP)和并聯(lián)-串聯(lián)(Parallel- Series, PS)做了簡要分析。相較于這四種低階補(bǔ)償拓?fù)洌p端LCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于具有輸出電流恒定以及傳輸性能高的優(yōu)點,因此就傳輸性能而言較適合應(yīng)用于植入式醫(yī)療。
然而對于雙端LCL補(bǔ)償拓?fù)?,植入?cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,諧振電感的存在將導(dǎo)致植入體積較大,不利于植入,因此需要采取措施將植入側(cè)電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化以減小植入體積。對于高階補(bǔ)償拓?fù)?,眾多專家學(xué)者針對其結(jié)構(gòu)提出了許多優(yōu)化方法。但是相關(guān)研究存在系統(tǒng)的傳輸效率下降、應(yīng)用較為困難等問題。
由于該系統(tǒng)應(yīng)用于人體,因此必須保證其安全性,目前針對植入式心臟起搏器的安全性研究,T. Campi等建立了二維軸對稱模型進(jìn)行安全評估,但只是簡單地將人體簡化為三層組織結(jié)構(gòu),并未細(xì)化到三維模型。Xiao Chunyan等雖然建立了三維人體模型,但只是在發(fā)射線圈上直接施加電流激勵,并未考慮到場路耦合這一因素,未加場路耦合而直接給定施加激勵源等同于給定一個均勻場,由于電路拓?fù)鋸?fù)雜,而引入電路可以與實際的模型結(jié)合起來,更加準(zhǔn)確地模擬實際情況。
為減小植入式心臟起搏器無線充電系統(tǒng)的體積以及電磁干擾,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,設(shè)計了一種工作頻率為150kHz的雙端LCL集成式磁耦合諧振式無線供能系統(tǒng)。
圖1 雙端LCL補(bǔ)償電路
研究人員采用了一種集成式的雙端LCL補(bǔ)償電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),推導(dǎo)其諧振阻抗匹配參數(shù)。為了將二次側(cè)補(bǔ)償電感集成于接收線圈之上,還設(shè)計了一種集成線圈解耦結(jié)構(gòu),主線圈為圓角方形,諧振線圈為DD形,通過對匝數(shù)和匝間距進(jìn)行參數(shù)化掃描來優(yōu)化磁耦合機(jī)構(gòu),成功地實現(xiàn)了集成,有效地減小了植入體積。
圖2 集成式磁耦合機(jī)構(gòu)模型
他們建立了三維人體模型對系統(tǒng)的安全性進(jìn)行評估,并考慮場路耦合。結(jié)果表明,充電30min過程中,比吸收率峰值為0.007W/kg;溫升峰值為1.13℃;電場強(qiáng)度和磁通密度峰值分別為6.2V/m和2.28μT,同時溫升實驗表明,局部組織的溫升峰值為1.2℃,皆符合安全標(biāo)準(zhǔn),驗證了該系統(tǒng)的安全性。
圖3 實驗平臺
此外,研究人員搭建了集成結(jié)構(gòu)與非集成結(jié)構(gòu)實驗系統(tǒng),進(jìn)行了傳輸性能實驗驗證。實驗結(jié)果表明:在頻率為150kHz時,非集成結(jié)構(gòu)在供電功率為2.19W時接收到了1.27W功率,傳輸效率為58%,而集成結(jié)構(gòu)在供電功率為2.11W時接收到了1.54W功率,傳輸效率可達(dá)73%,相較于非集成結(jié)構(gòu)效率提高了15%,有效地提升了系統(tǒng)的傳輸性能。
他們表示,本次設(shè)計還未實現(xiàn)活體植入,進(jìn)一步的研究還需要在活體動物身上進(jìn)行實驗,最后進(jìn)行臨床試驗,以便于將其引入到實際應(yīng)用中。
本文編自2022年第12期《電工技術(shù)學(xué)報》,論文標(biāo)題為“心臟起搏器諧振式無線供能LCL-LCL的集成”。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”項目和2019年遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究創(chuàng)新團(tuán)隊項目的支持。