植入器件体导电集总参数计算方法和系统设计

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植入医学电子器件因其突出的作用,而具有光明、广泛的临床应用前景。当前植入器件已经得到广泛应用,但仍然存在一些关键技术问题亟需解决,其中最突出的问题是如何有效、稳定、长期、可靠地给体内植入器件提供充足的能量。目前投入使用的植入器件大多数采用非充电电池和磁感应耦合供电。因电池本身容量有限,其使用寿命一般在5-10年左右,电能耗尽时需更换电池,由此给患者带来二次手术痛苦及经济负担;而磁感应技术由于皮肤组织存在大量离子型体液,其传导作用使磁感应耦合效率低,且对周围医疗设备有较强的射频干扰。为了克服磁感应技术的缺点和延长植入电子器件的使用寿命,本文利用生物组织离子型体液的传导特性,将体外丰富的电能跨皮肤地传递到体内,给可充电电池或其他储能元件充电。  本文辨证地探讨了体导电皮肤电极单元X型等效电路模型的优缺点以及适用范围。针对X等效电路模型不能实时、方便地分析研究各物理因素对体导电能量传递的影响,结合―场‖和―路‖的各自优点,在皮肤内部用场的方法分析,在电极处用路的方法处理,建立体导电能量传递系统场路耦合模型。然后针对体导电的电场和电路耦合问题,依据电路和电磁场理论,应用标量电位j法,建立准静态电场的定解问题必须满足的控制方程和边界条件,并结合电极处电压与电流关系满足的电路约束方程,推导出了体导电直接场路耦合的数学模型。进而采用伽辽金加权余量法,导出了体导电场路耦合模型的有限元方程组。介绍了在有限元软件COMSOL Multiphysics3.5a环境下,仿真计算的基本步骤和实现方法。通过基于场路耦合模型仿真,探讨了各物理因素对传递效率的影响,并给出了系统电源、电极的建议性参数设计。  针对目前尚无确定体导电皮肤电极单元集总参数的理论计算方法,提出了多种计算方法。根据各计算方法求解体导电集总参数的优缺点,确定基于场路耦合的变载法作为最终的计算方法。通过建立皮肤电极单元的场路耦合模型计算电极端口处电压与电流,并运用全相位 FFT谱分析提取电量信号的幅值和相位,在此基础之上,应用变载法求出了各种条件下皮肤电极单元等效电路的阻抗参数并仿真验证了该方法的正确性。  体导电能量传递系统包括体外电源激励、皮肤电极单元、体内整流电路、植入电子器件及存储电能元件。本文通过运算放大器构成RC振荡器,设计出了体外交流电源(电压幅值为10V,频率为10kHz);设计了体内四倍压信克尔倍压整流电路,以及能量传递系统充电过程的充电管理电路。然后将通过计算得到的集总参数用分立元件替代,组成 X型等效电路模型来等效表示皮肤电极单元;将设计好的体内外电路以及 X型等效电路统一起来,完成了整体的体导电能量传递系统设计。  采用新鲜猪皮建立了皮肤电极单元实验模型,通过改变负载的实验方法测量输入输出电量,采用变载法计算出皮肤电极单元 X等效电路模型的阻抗参数。实验结果验证了变载法求解皮肤电极单元集总参数的正确性,同时也间接说明了 X型等效电路模型的正确性。最后通过实验方法验证了所设计的能量传递系统的正确性。  理论和实验表明:采用变载法计算体导电集总参数是可行的,且设计的能量传递系统是正确的。体导电能量传递技术可为体内植入电子器件储能元件充电,是一种行之有效的方法。
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