植入式人造器官的无线充电系统的设计与实现

发布时间：2020-06-13 04:44

【摘要】：如今全球依靠植入式医疗装置维持正常生活的人群比较庞大,而像心脏起搏器此类相对较大的植入式有源装置,大多采用一次性电池或者有线方式进行供电。针对这些方式面临电池电量耗尽及有线皮肤感染等问题出现的弊端,本文旨在设计一套透过人体组织进行能量耦合时传输效率良好、体内外信息交互、小型化且满足人体组织辐射安全性要求的无线充电系统。本文首先通过查阅各大品牌起搏器了解其供电需求,并选择符合起搏器充放电特性的锂电池用作系统充电对象。然后根据实际供电需求分别搭建体内外谐振耦合式无线供电模块、体内外CC1101无线通信模块、低电量自动报警模块等系统层面上的功能框图以完成其总体框架设计。其次,根据体外模块功能框图采用两级功放结构放大信号源28.2MHz正弦信号,输入到平面螺旋型体外电能发送线圈以搭建体外无线充电平台。并根据体外通信功能需求设计STM32主控制电路,显示电路及低电量报警电路等,并将可充电的体外通信模块集成到一块7.5cm×6.6cm的二层PCB板上。根据体内模块功能框图分别设计STM32主控制电路、体内Buck-Boost电压转换模块、以CW2015芯片为核心的电池信息采集电路,通过比较分析各滤波器直流电压输出,确定CLC型滤波器作为体内小型印刷螺旋接收线圈的整流电路滤波器。最后将平面螺旋线圈和各体内硬件模块集成到一块4cm×5cm的四层PCB板上。然后,在搭建好硬件平台基础上,以CC1101无线数据传输模块为核心,在保证体内外数据有效传输的前提下对体内通信模块进行低功耗软件设计,包括采用中断方式唤醒STM32,CC1101进行WOR(无线唤醒)功能配置等。起搏器电池低电量时,体外模块STM32中断产生并驱动声光报警。最后,选用环氧树脂作为本系统新型起搏器外壳材料制作出尺寸为68.83mm×65.53mm×21mm的两层起搏器外壳对系统进行安装。通过搭建系统测试平台,用猪肉模拟人体胸腔测得大对小平面螺旋线圈在90mm以内传输效率为7%以上,并结合无线通信模块,测试发射线圈距离猪肉表层50mm时的电池充电效果。利用HFSS软件建立皮肤层、脂肪层和肌肉层三层模型模拟人体胸腔结构,对通信天线和供电线圈进行电磁辐射安全性分析。结果表明在建议的供电距离内最大平均SAR值满足国际电磁辐射安全标准ANSI/IEEE规定或医用射频场安全标准,并且在测试距离内符合国际认证标准TCO99规定的人体电磁场照射限值。
【图文】：

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第一章绪论据。1968 年，Peter Glaser 首次提出了太空太阳能发电厂的概念[31]，总的想法个能够将太阳能收集到的发电卫星。通过利用微波或激光将能量传送到装置，然后将能量转化为标准电能供人类使用。自从 20 世纪 80 年代、美国等国家陆续研究太空中的空间太阳能电站[32-33]。如图 1-1 所示，，程度上促进了无线供电技术的发展。

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图 1-1 太空中的空间太阳能电站示意图J.T.Boys 领导的课题组开始展开对无线供电技术式无线供电的相关概念，并通过实验取得了许多技术国内外研究现状，MIT 以 Marin Soljacic 为首的研究团队演示了线供电技术，他们以无线的方式点亮了一米外功是电能传输效率会随着线圈之间距离的增大急剧电动牙刷就是利用这种原理来进行无线供电的。验宣布了磁耦合谐振无线供电技术的诞生，如图个 2 米外功率为 60W 的灯泡。与电磁感应方法相距离，此外，可以一对多地进行无线供电。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM910.6

【参考文献】