高效率医疗植入式刺激装置无线充电系统

    医疗植入式刺激装置在疾病治疗中发挥着越来越重要的作用。医疗植入式刺激装置包括植入式心脏起搏器、脑起搏器、胃肠电刺激器、迷走神经刺激器、脊髓刺激器等。
    脑起搏器在医学术语上称“脑深部刺激系统(DBS)”。DBS用于治疗帕金森病、震颤和肌张力障碍等。DBS的脉冲发生器持续发出高频脉冲电刺激，抑制不正常的脑核团放电，消除帕金森病症状。但脉冲发生器电池容量是一定的，一般可供使用3~7年。如电池耗完，则需要更换脉冲发生器。
    胶囊内窥镜、植入式医用胶囊可以窥探人体消化道或肠道的健康状况，帮助医生对病人进行诊断。内窥镜携带的摄像头可提供一些影响肠道或消化道的溃疡、异常的增长以及出血等症状。胶囊内窥镜靠胶囊内的电池供电，但电池容量是一定的[1]。
    参考文献[2]针对人工心脏起搏器无线能量供电而设计的松耦合变压器，其罐状铁芯式结构的二维面积为72 mm×13 mm，最佳工作频率为100 kHz，气隙间距为5 mm，对于植入式医疗装置来说，这样结构的松耦合变压器体积有些偏大，气隙间距偏小。
    参考文献[3]提出RF无线遥控型能量植入式设备。该设备基于生物学组织中的无线能量传输的电流研究，但由于组织吸收损耗趋向于工作在10 MHz以下，如此大的频率导致需要更大的接收天线。该文献评估和公式推导出接收能量和组织吸收之间折衷频率大概在1 GHz。值入深度从1 cm增大到6 cm，传输效率从10-1数量级减小到10-4数量级。对于其他一些植入式刺激医疗设备来说，这样的传输效率太低，很难满足需要。
    针对小型植入式医疗装置(如无线胶囊内窥镜)的电池使用时间的限制，参考文献[4]提出一种计算经皮耦合无线能量传输效率的方法。通过该方法计算得出变压器的串联谐振电路，在频率500 kHz，次级线圈的尺寸是5 mm×20 mm。气隙间距为100 mm时，能够达到的最高传输效率为33.1%。这样的传输效率对于某些植入式医疗装置来说偏低。
    针对医疗植入式刺激装置的松耦合变压器，通过ANSYS对其在各种电路情况下的传输效率进行仿真分析，得到一种较为优秀的松耦合变压器结构并制作了相应的电路，对其传输效率进行测试并对比分析。
1 系统模型和工作原理
    医疗植入式刺激装置无线充电系统的模型主要由体外和体内两部分组成。系统的模型如图1所示。

    体外部分包括电源模块、高频逆变驱动模块和松耦合变压器的初级线圈；体内部分包括次级线圈、整流滤波模块、稳压电源模块、电源管理模块和可充电电池。
    医疗植入式刺激装置无线充电系统的工作原理为：直流电源模块经过高频逆变驱动模块把直流电逆变为高频的交流电供给松耦合变压器初级线圈，体内的次级线圈感应出高频的交流电经过整流模块，从而把交流电整流成直流电，整流出的直流电经过稳压电源模块稳压供给电源管理芯片，对体内的电池进行充电。松耦合变压器由于气隙的存在，其耦合系数变低，磁动势主要降落到气隙的磁阻上，导致松耦合变压器的效率很低。所以，如何提高能量传输效率是无线能量传输系统研究的关键[5]。
2 高效率松耦合变压器磁路仿真与实测
    无线充电系统中，松耦合变压器负责能量的直接传输，所以它是影响该系统中供电效率的关键因素。本文以松耦合变压器作为研究对象，通过ANSYS软件分析松耦合变压器影响传输效率的因素和无功补偿电路仿真以及实验分析[6-7]。
2.1 松耦合变压器磁路结构仿真对比
    松耦合变压器中将其原边和副边分开一定的距离进行无限能量传输，由于气隙的存在，其耦合系数变低，磁动势主要降落到气隙的磁阻上，导致松耦合变压器的效率很低。为了提高松耦合变压器系统的耦合系数减小线圈的体积,一般采用铁芯式线圈。由于本文中采用的工作频率很高，为了减小铁芯损耗,一般铁芯采用MnZn 铁氧体材料，而线圈则采用铜绞线以减小集肤效应的影响。本设计选取了几种结构的松耦合变压器进行对比分析选取。有平板式铁芯、罐状铁芯等。

    通过比较图3所示的结果可以发现,随着气隙的增大,两种结构的变压器耦合系数k均逐渐减小。但当气隙距离相等时，罐状结构的变压器耦合系数相对较高，那么传输效率就相对偏高。因为生物体的特殊要求，除了变压器耦合系数满足要求之外，植入体内的器件要求体积尽量小，结构尽量简单。本文研究的松耦合变压器针对的是医疗植入式刺激装置的特殊场合，因此体外部分选择罐状结构，体内部分选择平板式结构。
2.2 高效率磁路的仿真与实测对比
    磁芯设为线性导磁材料,相对磁导率定为2 500；不考虑涡流损耗；气隙间距GAP=7 mm；初级电压加幅值为6 V的正弦波，频率为100 kHz~2 MHz；负载为100 Ω，初级、次级匝数比为1：1。根据上面的的分析，本文松耦合变压器三种电路进行仿真和实验。
    第一种电路结构是初级、次级都不加谐振时进行仿真和实验，最高传输效率是14.5%，最低传输效率是1.2%。
    第二种电路结构是仅初级线圈加串联谐振时进行仿真和实验,频率在100 kHz~2 MHz范围内时，最高传输效率是35.0%，最低传输效率是15.1%。
    第三种电路结构是初级、次级均加串联谐振时进行仿真和实验。如图4所示为第三种电路结构的仿真传输效率和实际测量传输效率对比图。

    从图4可以分析得出，频率为1.5 MHz时的最大效率为61.13%。频率在1.5 MHz~2 MHz之间，变压器传输效率趋于稳定在60%左右。
    针对医疗植入式刺激装置在临床中的供电和供电效率的关键问题，本文以无线能量传输系统中的松耦合变压器作为研究对象。通过对各种磁路结构的对比，选择医疗植入式刺激装置最适合的变压器磁路结构。在实际应用条件下，对松耦合变压器的传输效率进行仿真和实验，仿真实验中，气隙距离为7 mm，频率在100 kHz~2 MHz范围内，初次级均加串联谐振线圈的最大传输效率为61.13%，仿真实验证明可以满足高效率医疗植入式刺激装置的供电需求。
参考文献
[1] PANESCU D.An imaging pill for gastrointestinal endoscopy[J].IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. 2005，24(4)：12-14.
[2] Ma Jimei，Yang Qingxin，Chen Haiyan.Transcutaneous energy  and information transmission system with optimized transformer parameters for the artificial heart[J].IEEE Trans.Applied Superconductivity 2010，20(3)：798-801.
[3] POON A S Y，DRISCOLL SO，MENG T H.Optimal frequency for wireless power transmission into dispersive tissue[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2010，58(5)：1739-1750.
[4] SHIBA K，MORIMASA A，HIRANO H.Design and development of low-loss transformer for powering small implantable medical devices[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2010，4(2)：77-85.
[5] JOAQUIN J.Casanova，et al.A loosely coupled planar wireless power system for multiple receivers[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56(8)：3060-3068.
[6] YU X J，CHENG J M.Leakage inductance compensation for loosely coupled transformer considering parasitic resistance[J].Electronics Letters，2010，46(10)：717-719.
[7] YOUSSEF M Z，JAIN P K.Series-Parallel resonant converter in self-sustained oscillation mode with the high-frequency  transformer-leakage-inductance effect：analysis，modeling，and design[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54(3)：1329-1340.