如何降低心脏起搏器无线供能系统漏磁场对人体的伤害？辽宁工程技术大学科研团队提出新方法

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由于植入式无线供能（Wireless Power Transmission, WPT）心脏起搏器技术能够克服传统式心脏起搏器更换植入单元引发的感染、排斥等诸多风险，国内外学者对无线供能植入式器件展开了广泛的研究。众多研究表明，磁耦合谐振式供能是植入式器件较为理想供能方式之一。

为减弱WPT系统充电过程中漏磁场对人体组织的电磁辐射，广大学者对磁场屏蔽展开了大量研究，主要涉及材料屏蔽和线圈屏蔽两方面。材料屏蔽的使用会在一定程度上减弱WPT漏磁场，但存在涡流损耗、发热严重、成本高等问题，故不适用于植入式器件。

线圈屏蔽分为主动屏蔽与被动屏蔽。T. Campi对主动屏蔽开展进一步研究，但屏蔽线圈外界激励源要时刻产生精确幅值、相位、方向的磁场以起到对准抵消的效果，从而产生屏蔽作用，因此主动屏蔽难实现且成本较高。

被动屏蔽包括谐振式屏蔽与非谐振式屏蔽。非谐振式屏蔽虽然可减弱漏磁场但明显降低了系统传输效率。杨庆新团队展开了邻近多系统间单线圈谐振式屏蔽研究，其研究表明谐振式屏蔽线圈能够减弱两个WPT系统电磁干扰，但不适用于植入式器件单个WPT系统。韩国学者在电子数码领域也开展了单线圈谐振式屏蔽研究，但效率下降幅度较明显。因此，可以开展多线圈谐振式电磁屏蔽研究，并将其应用在医学植入式器件中，减弱漏磁对人体的影响，同时保证良好的传输效率。

为最大限度降低心脏起搏器无线供能系统的漏磁场对人体的伤害，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、刘宗旺、李政兴、闫孝姮、钱坤，在2022年第11期《电工技术学报》上撰文，提出了一种适用于心脏起搏器无线供能的多线圈谐振式无功屏蔽结构。该多线圈谐振式无功屏蔽结构是对以往的主动屏蔽和非谐振屏蔽做出的进一步改进，能有效降低无线电能传输系统的漏磁，为植入式器件无线供能系统设计提供了一种新思路。

图1 三线圈谐振式屏蔽结构

在研究中，他们建立了LCC-C的补偿电路模型，通过研究谐振无功屏蔽线圈原理，仿真研究三种屏蔽线圈环路、匝数的磁场分布和传输效率，以及人体半身模型的电磁-温度场分布，确定了屏蔽线圈的最优环路和匝数。

图2 实验系统平台

科研人员指出，多个屏蔽线圈以传输线圈的磁场作为激励源，在屏蔽线圈中产生抵消磁场，屏蔽环内侧产生与传输线圈同向磁场，屏蔽环外侧产生与内侧相反的磁场，进而抵消漏磁场且保证了良好的传输效率。与有源主动屏蔽相比，该多线圈谐振无功屏蔽在磁场屏蔽及功率传输效率等方面具有更好的性能、更便捷的应用。与非谐振屏蔽相比，该谐振无功屏蔽可调节匹配电容来调控屏蔽线圈的电流与相位，进而优化屏蔽磁场效果。

实验结果表明，采用多线圈谐振式无功屏蔽结构能在保证传输效率的同时显著降低WPT系统附近的磁场强度，以降低漏磁场对人体组织的影响。3环-5匝线圈为最优屏蔽结构，其屏蔽效果优于其他屏蔽线圈，在距离中心点35mm处，磁通密度降低了20.22%，传输效率可达76.03%。通过实验与数值模拟对该系统进行了人体模型温度评估，在充电30min过程中，电场强度、磁通密度、温升均符合国际安全标准。

研究人员最后表示，本课题所验证实验，仅为部分线圈环路与固定线圈尺寸，下一步可以考虑研究传输线圈与屏蔽线圈间参数、尺寸最佳关系，使磁场屏蔽效果得到进一步优化。

本文编自2022年第11期《电工技术学报》，论文标题为“谐振式无线供能心脏起搏器多线圈无功屏蔽研究”。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”资助项目的支持。

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