人工心脏经皮能量传输阻抗适应性研究

发布时间：2018-11-25 07:10

【摘要】：心脏移植是治疗终末期心衰患者最有效的救治手段,因缺乏心脏供体,人工心脏应运而生,成为自然心脏合适的替代品。人工心脏正常的工作需要电能从体外传输到体内进行供给,利用导线穿透皮肤的方式不仅增加了患者感染的可能,也为患者的生活带来不便。经皮能量传输,将电能以无线的方式传输到体内,为人工心脏供能,能有效降低感染,同时提升病人的生活品质。在实际使用中,经皮变压器线圈的相对位置通常会跟随着患者的动作(如呼吸引起皮肤蠕动)而产生变化,此外,人工心脏所需的功率也受患者处于不同体征状态(如运动和休息等)而变化,从而引起系统负载的变化。负载和线圈相对位置的变化,即传输阻抗的变化,会对经皮能量传输系统的传输性能带来很大影响,如系统的传输效率和负载的输出稳定性。因此,本文围绕传输阻抗的变化,对人工心脏经皮能量传输系统进行相关的研究。论文首先通过对经皮能量传输机理研究,建立经皮能量传输系统数学模型,针对人工心脏经皮能量传输阻抗变化情况,设计阻抗压缩补偿电路拓扑结构,与传输线圈产生谐振的同时压缩传输阻抗等效变化范围,以满足E类放大电路理想阻抗范围要求,最终提高系统的传输能力和传输效率。针对经皮传输系统耦合性能通常受经皮变压器线圈之间错位影响情况,通过在体外线圈上布置传感线圈阵列,通过对传感线圈上的电压信号采集和处理,体内无需无任何附加装置植入情况下实现对体内线圈位置的检测,通过改变线圈之间的轴向和径向位置对该方法有效性进行实验验证。针对负载输出电压随着人工心脏工作功率变化和变压器线圈错位产生而发生变化情况,提出了在无需体内电压信号反馈的情况下在体外实现负载电压控制调节方法,利用变压器线圈位置和初级线圈电流检测结果对负载电压进行推算,再通过PI控制器通过调节输入电源电压实现对负载电压的控制,最后通过改变负载电阻和变压器线圈位置模拟经皮能量传输系统传输阻抗变化情况,进行负载电压控制的实验验证。论文的主要研究工作如下：1.E类逆变电路变阻抗自适应方法研究。通过对阻抗压缩和谐振补偿原理研究,设计了串并联电容结构,利用串联电容与传输线圈产生谐振提升系统的传输能量和效率,同时,结合并联电容对系统等效传输阻抗范围进行压缩,以满足E类放大电路理想阻抗变化范围。基于经皮能量传输系统理论模型,对阻抗压缩和谐振补偿结构进行数学建模分析,并针对人工心脏具体传输阻抗范围,给出系统电路参数的优化设计方法,最后通过改变负载输出功率(12-60W)和变压器线圈相对位置(纵向3-15mm,横向0-20mm)来模拟人工心脏在实际使用中可能产生的功率变化和线圈位置偏移情况,对设计的经皮能量系统效率进行测试,验证了阻抗压缩和补偿结构的有效性。2.体内线圈位置检测方法研究。针对经皮变压器线圈之间错位现象,提出了利用传感线圈阵列对体内线圈发射电磁场进行检测实现体内线圈位置检测的方法,通过在体外线圈侧布置相应的传感线圈阵列,对传感线圈上的电压进行检测,并根据感应电压信号特点,提出了相应的信号分离方法,将传感线圈上由体外线圈和体内线圈分别感应所形成的电压进行分离；根据传感线圈和体内线圈形状特征,建立了互感值关于体内线圈位置理论模型,提出了查表法和迭代法两种逆向计算方法实现体内线圈位置的计算；利用该体内线圈位置检测方法,能够指导用户对体外线圈位置进行调整,进而提升经皮能量传输系统的传输性能；最后,通过改变经皮变压器线圈之间的相对位置(纵向3-15mm,横向0-20mm)进行相关实验验证,说明该位置检测方法的有效性。3.变传输阻抗下负载输出电压稳定性研究。针对变传输阻抗下系统负载输出电压不稳定现象,提出了体内无需植入任何传感装置下载体外实现对体内负载电压测量控制方法,基于体内线圈位置检测结果,结合体外线圈电流检测信息,通过对经皮电能传输系统的电压传输比建模分析,实现对体内负载电压的推算,根据系统特性设计PI控制器,通过调节系统电源输入电压,实现体内负载电压输出稳定；通过改变经皮变压器线圈之间的相对位置和负载电阻进行相关实验验证,说明该电压控制方法的有效性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH789

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本文编号：2355236