人体可植入无线能量传输系统的研究及应用

发布时间：2020-03-20 10:26

【摘要】：伴随着电子科学时代的发展,医疗电子产品应运而生。体内植入技术可用于监测人体的信息,将获得的实时信息通过无线链路传输到外部天线,建立起生物遥测系统。但是植入式医疗设备的使用寿命问题也是医疗科技发展的一大难题,因此无线能量传输(WPT)系统的研究就为这些植入式医疗设备提供了新的可能。本文针对心脏起搏器设计了一款超宽带可植入天线,并基于磁耦合谐振无线能量传输的机理,设计了应用于人体可植入设备的WPT系统,并利用新型电磁超材料对初始WPT系统进行了优化改进。最后,为可植入WPT系统设计了一款整流电路。本文工作分为四个部分:第一部分:对可植入天线,WPT技术,电磁超材料,整流电路进行调研及理论分析,为后续可植入天线的设计及WPT系统的建立奠定了基础。第二部分:首先以PIFA天线为基础,利用PIFA天线尺寸小,增益高等优点设计了2.4GHz单频可植入天线以及小型化双频可植入天线。研究了天线的优化设计过程,并讨论了在工作频点处的天线电场分布特性,以及天线增益问题。其次,为了将磁谐振耦合无线能量传输技术应用到可植入系统中,本文利用线圈天线形式针对心脏起搏器提出了一种性能更优的超宽带可植入天线。该天线的设计过程是通过引入分离谐振环从而实现其超宽带特性。为了确定其工作机理,对天线进行了三种模型分析,得出了其工作频点激发的原理及过程。同时为了验证其是否适用于其他可植入设备,还对不同模拟环境下的天线进行了仿真分析,验证了其广泛的适用性。为了确保生物安全性,对天线所需生物膜材料以及工作时的SAR值均进行了考虑与分析。第三部分:首先设计了一款工作在430MHz的外部发射天线,与超宽带可植入天线组成了一个针对心脏起搏器的初始WPT系统。不仅分析了该系统合适的传输距离,传输效率,还针对可植入天线的两种位置偏移情况,分析了系统的稳定性。最后指出,由于人体组织的特殊环境,该初始系统存在能量传输距离较近以及传输效率较低的不足。第四部分:首先分析了左手材料及磁负超材料的电特性,设计了一款磁负超材料单元。然后,针对初始WPT系统存在的不足,利用磁负单元特性,将所设计的磁负单元组成了2×2的超表面阵列,加入到可植入WPT系统中。与原始系统进行对比,在收发天线相距50mm时,改进后的WPT系统比原始系统的传输系数S_(21)增大了11dB。最后,设计了一款针对可植入WPT系统用于低输入功率下的整流电路。该电路工作在430MHz,在低输入功率下,整流电路效率达到了70%。
【图文】：

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第一章绪论3图1.1 三频段可植入天线示意图使用寿命亦是可植入天线的一个巨大的挑战。因此，很多国内外学者开始研究多频段可植入天线设计，分别对应天线数据传输功能以及模式唤醒或者能量传输功能，从而减小设备电量损耗，增加电池的使用期限[22-29]。医疗植入通信服务（MICS，402-405MHz）频段，以及工业、科学和医疗（ISM，433-434.8MHz，902 928MHz

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第一章绪论等人在同年分析并实现了 13.56 MHz 无线功率传输（分组成：D 类功率放大器（D-PA），双谐振线圈，整利用谐振线圈的传递特性，导出最佳阻抗，以使功率器和 DC / DC 转换器来满足该阻抗要求。由阻抗不匹％。当负载是电阻器时，，系统效率可以达到 73％。当统效率可以达到 66％。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH77;TN827

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