植入器件体导电信道分析与仿真

针对植入器件闭环通信系统设计和实现中面临的通信难题,提出了一种基于体导电的数据通信模型;分析了体导电信道的基本特征,即体导电信道工作频率在千赫兹级时,生物背景信号干扰微不足道,体导电信道可近似为加性高斯白噪声信道(additive white gaussion noise,AWGN);推导出了二维调制下的信道容量公式;并得出:在极低信噪比时采用两电平调制就能有效地利用信道容量,在高信噪比时,可采用多电平调制。利用SystemView对信道进行仿真,仿真结果表明体导电数据通信的可行性,证实了两电平调制在体导电通信系统中优越于多电平调制,得出了信道误码率与信噪比之间的关系。

大功率植入器件经皮传能系统的温度场

依据经皮能量传输理论,在罐状变压器的基础上利用有限元软件的磁路耦合功能进行仿真,从而计算经皮变压器铁芯和线圈的损耗和体积生热率。通过电磁场、流固场、温度场的多物理场耦合,对变压器进行温度场分析;提出通过监测次级线圈的温升值进而调整初级线圈的输入功率来实现稳定植入器件的吸收功率的方法,使植入器件功率稳定在32 W左右,大大提高了系统的稳定性和可靠性。

电动汽车无线充电系统对人体及体内植入器件电磁安全研究

无线电能传输技术被广泛应用于电动汽车无线充电领域。该文建立了无线电能传输系统、人体及体内植入器件的仿真模型,完成了电动汽车无线充电系统对人体及体内植入器件的电磁安全研究。研究表明,人体在位于电动汽车无线充电系统三种不同位置处的人体平均比吸收率分别为1.7×10-3W·kg-1、0.067×10-3W·kg-1和6.2×10-3W·kg-1,均满足国际非电离辐射防护委员会导则的安全指标。人体器官与植入器件由于电磁热效应所导致的温升均低于人体正常自我调节阈值,说明人体在电动汽车无线充电过程中是安全的。

与生物医学植入器件中的神经电刺激过程相关的电化学研究(英文)

生物医学工程、微电子加工技术和神经科学的进展推动了用于神经电刺激的新型和先进的生物医学器件的问世,使各类患者的某些感官功能得以恢复,并改善了患者的生活质量.在这些生物医学器件中,人工耳蜗植入器件、人工视觉植入器件、深层脑部刺激器件和脊髓刺激器件都取得了很大进展.刺激电极是生物医学植入器件中的关键部件之一.当刺激电极与活体组织相接触时,形成了电子器件和生物体组织间的接触界面.本文首先以耳蜗植入器件和视觉植入器件为例,简要介绍了生物医学植入器件的工作原理和现状.在此基础上,着重对神经电刺激器件所涉及的电化学概念、测试方法及其进展进行了评述.介绍了电刺激和电极/活体组织界面上电荷注入的基本原理和机制.也对常用的电极材料和微电极加工技术进行了评介.讨论了植入式器件研发过程中所遇到的与电化学相关的挑战,诸如电极反应、电极阻抗、电荷注入容量、微电极阵列、电极腐蚀以及生物兼容性等.此外,也讨论了微型传感器和微型生物传感器在植入式器件中的应用前景.刺激电极长期处于活体组织内的苛刻条件下会渐渐失效,腐蚀、氧化和脱壳等情况的出现都会降低器件的使用寿命,甚至危及机体.本文也对此进行了讨论.对设计和加工所面临挑战的清醒认识促使包括电化学家在内的多学科专家和工程技术人员共同努力,以推进神经刺激生物医学植入器件的长足进展和实际应用,使感官功能失效的患者得以受惠.

植入式医疗器件通信与充电场景的电磁辐射安全研究进展

植入式医疗器件常采用无线方式与外界通信或进行电源补给,一方面,它的存在将改变体外辐射源在人体组织内的电磁场分布,从而可能加剧电磁辐射水平;另一方面,它本身就是辐射源,将在人体组织内产生电磁辐射。许多国家和国际组织以比吸收率来衡量电磁辐射对人体的影响大小,并以此制定了电磁辐射的安全限值。本文就植入式医疗器件通信与充电场景的电磁辐射安全国内外研究进行了综述,重点讨论了电磁辐射比吸收率研究的电磁场计量学方法、相关模型和影响因素等。最后,对数值计算和实验测量方法进行了讨论和比较,分析影响比吸收率的重要因素,为含植入式医疗器件的人体组织电磁辐射比吸收率研究方法的选择及植入式医疗器件的最优工作频率、功率限值等参数的工程设计提供参考。

论心脏起搏工程技术和植入式医疗器件研究的学科发展战略

1概述如果从1958年第一个心脏起搏器植入人体算起,心脏起搏技术的发展已34年,它是工程技术和心脏电生理相结合,生物医学工程在临床应用中最成功,但又在进一步迅速发展中的技术。特别是近10多年来,从工程技术方面讲,由于微电子和微处理器技术的进一步应用、软件代替某些(?)传感某些生理参数并构成闭环电路,以及新能源、新材料、电极等方面应用于心脏起搏技术,使心脏起搏技术更合乎生理要求,心脏起搏的适应症更扩大,除治疗心脏传导系统障碍引起的心动过缓外,

微连接技术在植入式医疗器件中的应用及研究进展

植入式医疗器件是医疗保健业的关键器件,由于该器件在人体内工作,要求采用细小并且具有生物相容性的材料及高可靠性的连接工艺。新型材料的应用、构件的微细化和复杂化以及连接的高可靠性都要求加强微连接技术的研究。除电子封装外,微连接技术主要体现在微激光焊和微电阻焊上。文中对医用材料的应用状况进行了简述,从工艺研究及连接机理两个方面分别介绍了微激光焊和微电阻焊的研究进展,以心脏起搏器为例介绍了微连接技术在植入式医疗器件中应用,并综合分析了微连接技术所面临的挑战。

植入电子器件体导电能量传递模型

各类植入电子器件的关键技术问题之一就是如何有效地向植入电子器件提供足够的电能,维持其长期、稳定、可靠地运行。利用生物组织的体导电特性将体外电能跨皮肤传递到植入电子器件的可充电电池,使用软件ANSYS V10建立体导电能量传递模型,并根据仿真结果分析体导电能量传递效率,为进一步研究体导电能量传递模型提供参考。

用于植入式器件的电源技术研究进展

随着科技的进步,植入式电子设备在智能穿戴、医疗及军事上得到广泛应用。目前,植入式电子设备的发展主要面临的瓶颈问题是能源供给技术,对用于植入式电子设备的几种主要电源技术,如锂电池、燃料电池和无线供电等相关技术的发展现状和研究进展进行了综述,对植入式电源技术的实际应用存在的问题进行了分析,并对其应用前景做出展望。

自驱动植入式能源收集器件的研究进展

植入式医疗电子器件对于人体健康监测及治疗至关重要,其正常运转需要外界电池供能,而电池电能耗尽后需要二次手术更换,该过程会对病人身心造成二次伤害并带来沉重的经济负担。人体运动的机械能和体内的化学能,如心跳、呼吸、血液循环和葡萄糖的氧化还原等,都具有转化为电能的潜力。近年来,自驱动能源收集技术的不断发展使得体内能量被有效收集后,可为植入式医疗电子器件供能。自驱动植入式能源收集器件主要包括压电纳米发电机、摩擦纳米发电机、光伏电池、热释电发电机、自驱动腕表、生物燃料电池和耳蜗内电位收集器等。该文讨论了植入式能源收集器件的种类、代表性应用及现存的挑战,并对其未来的应用进行了展望。

基于植入电子器件体导电能量传递模型的研究

各类植入电子器件的关键技术问题之一就是如何有效地向植入电子器件提供足够的电能,维持其长期、稳定、可靠地运行。目前,只有电池供电和磁感应供电技术得到广泛的临床应用,但是对电池供电的植入电子器件,由于电池容量受限,导致植入电子器件的使用寿命较短,而电磁感应供电能量传递效率很低。生物组织(包括人体)的体导电特性能将体外电能跨皮肤传递到植入电子器件的可充电电池,软件ANSYS V10建立的体导电能量传递模型可以很好地仿真能量传递过程,并根据仿真结果分析出体导电能量传递效率的最优化条件。为进一步研究体导电能量传递模型提供参考。

植入性带孔弧形圆盘经皮器件生物密封的初步动物实验研究

目的:验证植入性带孔弧形圆盘经皮器件的合理性。方法自2011年10月~2012年10月,作者将带孔弧形圆盘经皮器件通过标准动物(狗)实验进行生物学研究10例,对生物密封的效果进行评价。结果初步动物实验显示:经皮器件固定牢固,无感染、脱落迹象。结论初步动物实验证明了带孔弧形圆盘经皮器件设计的合理性。

植入式医疗器件供电方式研究现状及展望

本文介绍了植入式医疗器件的分类及基本供电方式,分析了各种供电方式的优缺点,重点讨论了各种供电方式的工作原理和适用范围,总结了植入式医疗器件的电池容量、供能方式、能量转换效率以及充电的能量来源等现状,并对这些供电方式的发展方向做了展望。

磁耦合谐振无线能量传输系统头部植入线圈对人体头部电磁辐射影响的研究

磁耦合谐振无线能量传输(Witricity)是一种新的无线能量传输技术,利用电磁耦合谐振原理实现中距离的电能无线传输,可定向传输能量,并且不受中间障碍物的影响,在体内植入器件领域具有很好的应用前景。本研究设计制作了一种适用于植入器件的小尺寸无线能量传输系统,通过MIMICS及HFSS软件分别建立人体头部三维数值模型以及体内植入线圈模型,应用时域有限差分(FDTD)方法,通过XFDTD软件计算头部比吸收率(SAR)及电场磁场强度。结果表明,应用Witricity技术对头部植入器件进行能量传输,人体头部10 gSAR平均值为9.262 7×10-6W/kg,电场磁场强度均方根最大值分别为4.64 V/m和0.057 A/m,均低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的安全限值标准。

用于神经信号采集的高PSRR及CMRR植入式模拟前端

针对人体内神经电信号非常微弱、噪声大、环境干扰大等特点,研究与设计了一款应用于神经信号采集的高电源抑制比(PSRR)和共模抑制比(CMRR)的低噪声植入式模拟前端.该模拟前端采用全差分结构来实现模拟前端中的前置放大器、开关电容滤波器及可变增益放大器,使得电路具有较好的电源抑制比和共模抑制比;采用斩波调制技术来抑制电路的低频噪声,并通过带电流数模转换器(DAC)的纹波抑制环路来抑制前置放大器的输出纹波,从而使该模拟前端在具有高PSRR和CMRR的同时能保持低噪声性能.文中采用0.18μm CMOS工艺设计该模拟前端芯片,版图后仿真结果表明,该模拟前端在0.1 Hz^10 k Hz内的等效输入噪声为2.59μV,实现了46.35、52.18、60.02、65.95 d B可调增益,CMRR和PSRR分别可达146及108d B,很好地满足了植入式神经信号采集的要求.

植入性大腿假肢经皮密封部位的动态应力分析

目的验证带孔弧形圆盘经皮器件设计的合理性。方法通过对不同结构形态的经皮器件在人体生理活动情况下,经皮器件-软组织界面与附近软组织应力分布进行理论计算和分析,并对经皮器件结构参数进行分析和优化。结果带孔弧形圆盘状经皮器件生物力学性能良好,利于生物密封;网孔圆盘孔径为20mm、孔间距为20mm的设计力学特性较好。结论初步证明了带孔弧形圆盘经皮器件设计的合理性。

植入式中枢神经恢复系统激励模块及其核心电路设计

介绍了植入式中枢神经恢复系统的激励模块,提出一种可以用来进行功能电刺激(FES)的电路,该电路同时为Cuff电极和Shaft电极提供了接口.该电路带宽大于10kHz,增益在(20～60)dB可调,可以为10kΩ的负载提供超过1mA的电流.该电路可以适用于Cuff电极和Shaft电极,可以对中枢神经和周围神经实施不同相位的刺激.对该电路进行扩展,可以实现对多通道电极的刺激,并可对不同电极上信号的相位和幅度进行调节.

用于能量传输的生物体植入式MEMS电感线圈的设计

为了能得到植入在生物体内,用于体内微型电子系统与体外设备信号和能量传输的高品质因数Q值和高电感量L值的MEMS电感线圈,本文首先对MEMS电感模型做了理论分析,然后在充分考虑功率传输要求、植入器件体积的限制以及制作工艺的可实现性的情况下,用高精度的3D电磁仿真软件HFSS,对电感的主要参数如圈数N、线宽W、导线间隙S、导线厚度H、导线材料M和衬底电导率σ作了优化设计。最终确定N=10、W=25μm、S=50μm、H=48μm、M为Cu、σ=0.1S/m。数值仿真的结果显示Q=17.6,L=55nH,=240MHz,=1.2GHz,它们能很好地符合能量传输的功率要求和信号传输的带宽要求。

纳米发电机与自驱动植入式电子医疗系统的研究进展

植入式电子医疗器件(IEMDs)能够有效地提高患者的生活质量并延长患者的寿命,现已成为医疗器械领域研发的热点。目前,植入式电子医疗器件(IEMDs)的发展主要面临两大难题,即器件的小型化和工作寿命的延长。研究人员已经证实从动物体内获取热能、化学能和机械能等多种能量并转化为电能的可行性。通过收集生理环境或身体活动产生的能量可以实现植入式电子医疗器件的自驱动化与小型化。生物体内各种运动产生的机械能简称生物机械能,因分布广泛,蕴含的能量高等优点而备受关注,为了有效地收集生物机械能,一系列材料及结构设计巧妙的压电和摩擦电能量收集器被研发成功。肢体运动、肌肉收缩/舒展、心/肺运动和血液循环所产生的机械能都可以被这些装置收集并为植入式电子医疗器件供电。另外,压电纳米发电机(PENG)和摩擦电纳米发电机(TENG)可以作为生物压力/应变传感器来认知复杂的生理过程以及直接作为电刺激源来治疗各种疾病。在过去的十年里,植入式自驱动电子医疗系统的研究取得了巨大的进展,未来,集成智能、柔性、可拉伸和全可降解等多种特性的自驱动医疗系统将会是该领域主要的研究方向。

Witricity系统对作用于人体胸腔电磁环境的研究(英文)

磁耦合谐振无线能量传输(Witricity)是2007年美国麻省理工学院(MIT)提出的一种新的无线能量传输技术。该技术利用电磁耦合谐振原理实现了中距离的电能无线传输,由于其可以定向传输能量,并且不受中间障碍物的影响,所以在体内植入器件领域具有很好的应用前景。本文设计制作出一种适用于植入器件的小尺寸无线能量传输系统,应用时域有限差分(FDTD)方法计算头部比吸收率(SAR)。结果表明,应用Witricity技术对胸腔植入器件进行能量传输,人体胸腔1g及10g SAR最大值分别为0.454 3W/kg和1.072 9W/kg,均低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的安全限值标准。