- 頭條遼工大學者提出一種應用于植入式心臟起搏器的新型無線充電系統2022-11-21 作者：陳偉華、宋邑瑋、閆孝姮 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為減小植入式心臟起搏器無線充電系統的體積及電磁干擾，遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院的研究人員陳偉華、宋邑瑋、閆孝姮，在2022年第12期《電工技術學報》上撰文，設計一種工作頻率為150kHz的兩端串并聯（LCL-LCL）補償集成式磁耦合諧振式無線供能系統。研究結果表明，在線圈中心對齊相距8mm的條件下，系統傳輸效率可達73%，比非集成式結構提升了15%，最大溫升僅為1.2℃。
目前，國內外針對有源植入式醫療設備無線電能傳輸技術開展了廣泛的研究，以降低二次手術更換電池可能導致的感染風險；然而若要實現其成功應用，必須著重考慮效率、植入和安全等問題，因此供能效率、拓撲結構及安全性成為近年來的研究熱點。
為實現高效率傳輸能量，國內外眾多專家學者已提出許多性能優越的拓撲結構，T. Campi等對四種基礎拓撲串聯-串聯（Series-Series, SS）、串聯-并聯（Series Parallel, SP）、并聯-并聯（Parallel-Parallel, PP）和并聯-串聯（Parallel- Series, PS）做了簡要分析。相較于這四種低階補償拓撲，雙端LCL拓撲結構由于具有輸出電流恒定以及傳輸性能高的優點，因此就傳輸性能而言較適合應用于植入式醫療。
然而對于雙端LCL補償拓撲，植入側結構復雜，諧振電感的存在將導致植入體積較大，不利于植入，因此需要采取措施將植入側電路結構優化以減小植入體積。對于高階補償拓撲，眾多專家學者針對其結構提出了許多優化方法。但是相關研究存在系統的傳輸效率下降、應用較為困難等問題。
由于該系統應用于人體，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行安全評估，但只是簡單地將人體簡化為三層組織結構，并未細化到三維模型。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，由于電路拓撲復雜，而引入電路可以與實際的模型結合起來，更加準確地模擬實際情況。
為減小植入式心臟起搏器無線充電系統的體積以及電磁干擾，遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院的研究人員，設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。
圖1 雙端LCL補償電路
研究人員采用了一種集成式的雙端LCL補償電路拓撲結構，推導其諧振阻抗匹配參數。為了將二次側補償電感集成于接收線圈之上，還設計了一種集成線圈解耦結構，主線圈為圓角方形，諧振線圈為DD形，通過對匝數和匝間距進行參數化掃描來優化磁耦合機構，成功地實現了集成，有效地減小了植入體積。
圖2 集成式磁耦合機構模型
他們建立了三維人體模型對系統的安全性進行評估，并考慮場路耦合。結果表明，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℃，皆符合安全標準，驗證了該系統的安全性。
圖3 實驗平臺
此外，研究人員搭建了集成結構與非集成結構實驗系統，進行了傳輸性能實驗驗證。實驗結果表明：在頻率為150kHz時，非集成結構在供電功率為2.19W時接收到了1.27W功率，傳輸效率為58%，而集成結構在供電功率為2.11W時接收到了1.54W功率，傳輸效率可達73%，相較于非集成結構效率提高了15%，有效地提升了系統的傳輸性能。
他們表示，本次設計還未實現活體植入，進一步的研究還需要在活體動物身上進行實驗，最后進行臨床試驗，以便于將其引入到實際應用中。
本文編自2022年第12期《電工技術學報》，論文標題為“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研究青年科技人才“育苗”項目和2019年遼寧省教育廳科學技術研究創新團隊項目的支持。
