辽宁工程技术大学科研团队提出一种应用于植入式心脏起搏器的新型无线充电系统

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为减小植入式心脏起搏器无线充电系统的体积及电磁干扰，辽宁工程技术大学电气与控制工程学院的研究人员陈伟华、宋邑玮、闫孝姮，在2022年第12期《电工技术学报》上撰文，设计一种工作频率为150kHz的两端串并联（LCL-LCL）补偿集成式磁耦合谐振式无线供能系统。研究结果表明，在线圈中心对齐相距8mm的条件下，系统传输效率可达73%，比非集成式结构提升了15%，最大温升仅为1.2℃。

目前，国内外针对有源植入式医疗设备无线电能传输技术开展了广泛的研究，以降低二次手术更换电池可能导致的感染风险；然而若要实现其成功应用，必须着重考虑效率、植入和安全等问题，因此供能效率、拓扑结构及安全性成为近年来的研究热点。

为实现高效率传输能量，国内外众多专家学者已提出许多性能优越的拓扑结构，T. Campi等对四种基础拓扑串联-串联（Series-Series, SS）、串联-并联（Series Parallel, SP）、并联-并联（Parallel-Parallel, PP）和并联-串联（Parallel- Series, PS）做了简要分析。相较于这四种低阶补偿拓扑，双端LCL拓扑结构由于具有输出电流恒定以及传输性能高的优点，因此就传输性能而言较适合应用于植入式医疗。

然而对于双端LCL补偿拓扑，植入侧结构复杂，谐振电感的存在将导致植入体积较大，不利于植入，因此需要采取措施将植入侧电路结构优化以减小植入体积。对于高阶补偿拓扑，众多专家学者针对其结构提出了许多优化方法。但是相关研究存在系统的传输效率下降、应用较为困难等问题。

由于该系统应用于人体，因此必须保证其安全性，目前针对植入式心脏起搏器的安全性研究，T. Campi等建立了二维轴对称模型进行安全评估，但只是简单地将人体简化为三层组织结构，并未细化到三维模型。Xiao Chunyan等虽然建立了三维人体模型，但只是在发射线圈上直接施加电流激励，并未考虑到场路耦合这一因素，未加场路耦合而直接给定施加激励源等同于给定一个均匀场，由于电路拓扑复杂，而引入电路可以与实际的模型结合起来，更加准确地模拟实际情况。

为减小植入式心脏起搏器无线充电系统的体积以及电磁干扰，辽宁工程技术大学电气与控制工程学院的研究人员，设计了一种工作频率为150kHz的双端LCL集成式磁耦合谐振式无线供能系统。

图1  双端LCL补偿电路

研究人员采用了一种集成式的双端LCL补偿电路拓扑结构，推导其谐振阻抗匹配参数。为了将二次侧补偿电感集成于接收线圈之上，还设计了一种集成线圈解耦结构，主线圈为圆角方形，谐振线圈为DD形，通过对匝数和匝间距进行参数化扫描来优化磁耦合机构，成功的实现了集成，有效地减小了植入体积。

图2  集成式磁耦合机构模型

他们建立了三维人体模型对系统的安全性进行评估，并考虑场路耦合。结果表明，充电30min过程中，比吸收率峰值为0.007W/kg；温升峰值为1.13℃；电场强度和磁通密度峰值分别为6.2V/m和2.28μT，同时温升实验表明，局部组织的温升峰值为1.2℃，皆符合安全标准，验证了该系统的安全性。

图3 实验平台

此外，研究人员搭建了集成结构与非集成结构实验系统，进行了传输性能实验验证。实验结果表明：在频率为150kHz时，非集成结构在供电功率为2.19W时接收到了1.27W功率，传输效率为58%，而集成结构在供电功率为2.11W时接收到了1.54W功率，传输效率可达73%，相较于非集成结构效率提高了15%，有效的提升了系统的传输性能。

他们表示，本次设计还未实现活体植入，进一步的研究还需要在活体动物身上进行实验，最后进行临床试验，以便于将其引入到实际应用中。

本文编自2022年第12期《电工技术学报》，论文标题为“心脏起搏器谐振式无线供能LCL-LCL的集成”。本课题得到了2020年辽宁省教育厅科学研究青年科技人才“育苗”项目和2019年辽宁省教育厅科学技术研究创新团队项目的支持。

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