基于磁耦合谐振无线供能的全植入式微型可调电刺激系统设计
发布时间：2022-08-23 21:24
近年来,植入式微型医疗设备因在临床应用中具有良好的功效和巨大的科学价值而受到广泛关注,如人工耳蜗、视网膜假体、神经信号记录,深脑电刺激等。其中植入式电刺激器在恢复视觉、听觉、运动、触觉和本体感觉等生物功能的医学治疗和研究中越来越受欢迎。现有的商用植入器件通常采用一次性电池供电,其不足在于体积较大引起的元件易失效、需换电池、患者难受且经济压力大。随着无线能量传输技术的发展,无线电刺激器也成为了当下植入式医疗设备的研究热点。目前大多数全植入式电刺激设备都是针对神经实施电刺激、再观测肌肉的响应,若能直接对肌肉实施无线电刺激则效果将更为理想,但因对肌肉刺激所需电信号的幅值要求较高,且控制较为复杂,现仍处于早期研究阶段,本论文针对这一研究趋势,提出了一种基于磁共振的植入式微型可调无线电刺激系统,实现了体内肌肉电刺激器的小型化和无源无线。该无线电刺激系统包括体外控制电路和植入刺激器两部分,体外控制电路主要由CC2541蓝牙低功耗单片机作为主控芯片,控制无线能量和可调电刺激信号的传输。能量耦合共振频率为160 kHz,发送线圈尺寸可随应用场景调整;植入刺激器整体尺寸3.5×3.5×20 mm,可实现...
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
1.2 植入式电刺激系统研究现状
1.2.1 神经电刺激系统研究现状
1.2.2 肌肉电刺激器的研究现状
1.2.3 植入电刺激系统的现状分析
1.3 无线能量传输在医学上的应用现状
1.4 论文主要研究内容和章节安排
1.4.1 论文的研究内容
1.4.2 论文的章节安排
第二章 磁耦合谐振无线能量传输理论
2.1 磁耦合谐振无线能量传输原理
2.1.1 耦合模理论
2.1.2 电路理论
2.2 耦合模型分析
2.2.1 多负载耦合模型
2.2.2 中继线圈耦合模型
2.3 无线能量传输效率分析
2.3.1 线圈互感对能量传输性能的影响
2.3.2 负载电阻值对能量传输性能的影响
2.3.3 共振频率对能量传输性能的影响
2.3.4 耦合模型对能量传输性能的影响
2.4 本章小结
第三章 电刺激系统方案设计
3.1 系统总体设计与原理
3.2 系统设计指标与比较
3.3 无线能量传输方案
3.3.1 逆变驱动方案
3.3.2 耦合线圈LC拓扑方案
3.4 谐振耦合传输线圈设计方案
3.4.1 发送线圈
3.4.2 接收线圈
3.5 本章小结
第四章 系统硬件设计
4.1 体外无线发送电路设计
4.1.1 电源模块
4.1.2 控制模块
4.1.3 驱动模块
4.1.4 V/I反馈模块
4.2 体内刺激器电路设计
4.2.1 整流模块
4.2.2 稳压模块
4.2.3 刺激电极
4.3 无线收发线圈设计
4.3.1 发送线圈
4.3.2 接收线圈
4.4 本章小结
第五章 系统软件设计
5.1 H桥逆变PWM控制程序设计
5.2 电刺激脉冲控制设计
5.3 蓝牙手机控制系统设计
5.4 本章小结
第六章 验证实验
6.1 体外系统验证
6.1.1 线圈位置验证
6.1.2 负载验证
6.1.3 功能验证
6.2 动物实验
6.2.1 肌电信号介绍
6.2.2 动物实验设计
6.2.3 动物实验结果验证
6.3 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 论文研究成果
7.2 论文不足及进一步工作
参考文献
作者简历及在学期间取得的科研成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]神经调控技术的发展与展望[J]. 袁媛,姜长青,陈玥,加福民,李路明. 生命科学仪器. 2018(Z1)
[2]功能性电刺激结合减重平板训练对脑瘫痉挛型双瘫患儿下肢运动功能的疗效[J]. 范艳萍,赵彦博,栾天明,潘玮,王文新. 黑龙江医药科学. 2018(03)
[3]神经调控技术的研究与应用现状以及未来发展前景[J]. 郭艳苏,曹河圻. 中华神经医学杂志. 2018 (02)
[4]磁谐振耦合式无线能量传输系统的特性分析[J]. 刘珍珍,谢阳,徐琦. 机电工程技术. 2017(09)
[5]WPT中高效E类功率放大器的研究[J]. 蒋鹏,杨平. 电子元件与材料. 2017(08)
[6]植入式医疗设备电磁共振无线能量传输系统天线对人体电磁辐射安全影响的研究[J]. 宫飞翔,魏志强,丛艳平,迟浩坤,孙民贵,殷波. 中国生物医学工程学报. 2016(04)
[7]两圆线圈间互感及耦合系数讨论[J]. 皇甫国庆. 渭南师范学院学报. 2015(14)
[8]世界植入式神经刺激器现状及发展趋势展望[J]. 戴春喜. 生物技术世界. 2015(03)
[9]E类功率放大器负载变化对工作特性的影响分析[J]. 邓思建,谭坚文,廖瑞金,叶方伟,曾德平,刘青松. 电工技术学报. 2015(04)
[10]无接触电能传输系统的高效E类射频功放设计[J]. 储江龙,李玉玲,杨仕友. 电工电能新技术. 2014(04)
博士论文
[1]用于行走功能恢复的硬膜外脊髓电刺激系统研究[D]. 周慧.华中科技大学 2012
[2]基于电机辅助功能性电刺激脚踏车康复训练系统的研究[D]. 马长波.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]抑制上肢病理性震颤的功能性电刺激系统研究[D]. 辛未.哈尔滨工业大学 2016
[2]无线脑深部电刺激器关键技术的研究与设计[D]. 谭烨.合肥工业大学 2016
[3]基于磁耦合谐振的无线传能系统设计与实现[D]. 王茂.重庆大学 2016
[4]病理性震颤的机制与辅助式抑震技术研究[D]. 张伟.上海交通大学 2014
[5]具有EMG反馈的植入式脊髓电刺激系统的设计与实现[D]. 鞠明明.华中科技大学 2013
[6]利用功能性电刺激技术抑制腕部震颤的研究[D]. 姚鹏.上海交通大学 2013
[7]基于无线充电技术的植入式胃肠电刺激系统的研究[D]. 李宝伟.上海交通大学 2013
[8]基于无线能量传输技术的植入式动物生理参数遥测系统研究[D]. 郭子平.上海交通大学 2012
[9]采用表面阵列电极的功能性电刺激系统研究[D]. 黄涛.华中科技大学 2012
[10]无线控制脑深部电刺激器（DBS）技术研究[D]. 王晨光.中北大学 2009
本文编号：3678509
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
1.2 植入式电刺激系统研究现状
1.2.1 神经电刺激系统研究现状
1.2.2 肌肉电刺激器的研究现状
1.2.3 植入电刺激系统的现状分析
1.3 无线能量传输在医学上的应用现状
1.4 论文主要研究内容和章节安排
1.4.1 论文的研究内容
1.4.2 论文的章节安排
第二章 磁耦合谐振无线能量传输理论
2.1 磁耦合谐振无线能量传输原理
2.1.1 耦合模理论
2.1.2 电路理论
2.2 耦合模型分析
2.2.1 多负载耦合模型
2.2.2 中继线圈耦合模型
2.3 无线能量传输效率分析
2.3.1 线圈互感对能量传输性能的影响
2.3.2 负载电阻值对能量传输性能的影响
2.3.3 共振频率对能量传输性能的影响
2.3.4 耦合模型对能量传输性能的影响
2.4 本章小结
第三章 电刺激系统方案设计
3.1 系统总体设计与原理
3.2 系统设计指标与比较
3.3 无线能量传输方案
3.3.1 逆变驱动方案
3.3.2 耦合线圈LC拓扑方案
3.4 谐振耦合传输线圈设计方案
3.4.1 发送线圈
3.4.2 接收线圈
3.5 本章小结
第四章 系统硬件设计
4.1 体外无线发送电路设计
4.1.1 电源模块
4.1.2 控制模块
4.1.3 驱动模块
4.1.4 V/I反馈模块
4.2 体内刺激器电路设计
4.2.1 整流模块
4.2.2 稳压模块
4.2.3 刺激电极
4.3 无线收发线圈设计
4.3.1 发送线圈
4.3.2 接收线圈
4.4 本章小结
第五章 系统软件设计
5.1 H桥逆变PWM控制程序设计
5.2 电刺激脉冲控制设计
5.3 蓝牙手机控制系统设计
5.4 本章小结
第六章 验证实验
6.1 体外系统验证
6.1.1 线圈位置验证
6.1.2 负载验证
6.1.3 功能验证
6.2 动物实验
6.2.1 肌电信号介绍
6.2.2 动物实验设计
6.2.3 动物实验结果验证
6.3 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 论文研究成果
7.2 论文不足及进一步工作
参考文献
作者简历及在学期间取得的科研成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]神经调控技术的发展与展望[J]. 袁媛,姜长青,陈玥,加福民,李路明. 生命科学仪器. 2018(Z1)
[2]功能性电刺激结合减重平板训练对脑瘫痉挛型双瘫患儿下肢运动功能的疗效[J]. 范艳萍,赵彦博,栾天明,潘玮,王文新. 黑龙江医药科学. 2018(03)
[3]神经调控技术的研究与应用现状以及未来发展前景[J]. 郭艳苏,曹河圻. 中华神经医学杂志. 2018 (02)
[4]磁谐振耦合式无线能量传输系统的特性分析[J]. 刘珍珍,谢阳,徐琦. 机电工程技术. 2017(09)
[5]WPT中高效E类功率放大器的研究[J]. 蒋鹏,杨平. 电子元件与材料. 2017(08)
[6]植入式医疗设备电磁共振无线能量传输系统天线对人体电磁辐射安全影响的研究[J]. 宫飞翔,魏志强,丛艳平,迟浩坤,孙民贵,殷波. 中国生物医学工程学报. 2016(04)
[7]两圆线圈间互感及耦合系数讨论[J]. 皇甫国庆. 渭南师范学院学报. 2015(14)
[8]世界植入式神经刺激器现状及发展趋势展望[J]. 戴春喜. 生物技术世界. 2015(03)
[9]E类功率放大器负载变化对工作特性的影响分析[J]. 邓思建,谭坚文,廖瑞金,叶方伟,曾德平,刘青松. 电工技术学报. 2015(04)
[10]无接触电能传输系统的高效E类射频功放设计[J]. 储江龙,李玉玲,杨仕友. 电工电能新技术. 2014(04)
博士论文
[1]用于行走功能恢复的硬膜外脊髓电刺激系统研究[D]. 周慧.华中科技大学 2012
[2]基于电机辅助功能性电刺激脚踏车康复训练系统的研究[D]. 马长波.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]抑制上肢病理性震颤的功能性电刺激系统研究[D]. 辛未.哈尔滨工业大学 2016
[2]无线脑深部电刺激器关键技术的研究与设计[D]. 谭烨.合肥工业大学 2016
[3]基于磁耦合谐振的无线传能系统设计与实现[D]. 王茂.重庆大学 2016
[4]病理性震颤的机制与辅助式抑震技术研究[D]. 张伟.上海交通大学 2014
[5]具有EMG反馈的植入式脊髓电刺激系统的设计与实现[D]. 鞠明明.华中科技大学 2013
[6]利用功能性电刺激技术抑制腕部震颤的研究[D]. 姚鹏.上海交通大学 2013
[7]基于无线充电技术的植入式胃肠电刺激系统的研究[D]. 李宝伟.上海交通大学 2013
[8]基于无线能量传输技术的植入式动物生理参数遥测系统研究[D]. 郭子平.上海交通大学 2012
[9]采用表面阵列电极的功能性电刺激系统研究[D]. 黄涛.华中科技大学 2012
[10]无线控制脑深部电刺激器（DBS）技术研究[D]. 王晨光.中北大学 2009
本文编号：3678509
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