A novel artificial anal sphincter system based on transcutaneous energy transmission

For controlling anal incontinence,a new artificial anal sphincter system (AASS) with sensor feed-back based on transcutaneous energy transmission is developed.The device mainly comprises an artificialanal sphincter (AAS),a wireless power supply subsystem,and a communication subsystem.The artifi-cial anal sphincter comprises a front cuff and a sensor cuff placed around the rectum,a reservoir sited inabdominal cavity and a micropump controlling inflation and deflation of the front cuff.There are two pres-sure sensors in the artificial anal sphincter.One can measure the pressure in the front cuff to clamp therectum,the other in the sensor cuff can measure the pressure of the rectum.Wireless power supply sub-system includes a resonance transmit coil to transmit an alternating magnetic field and a secondary coil toreceive the power.Wireless communication subsystem can transmit the pressure information of the artifi-cial anal sphincter to the monitor,or send the control commands to the artificial anal sphincter.A proto-type is designed and the basic function of the artificial anal sphincter system has been tested through ex-periments.The results demonstrate that the artificial anal sphincter system can control anal incontinenceeffectively.

Targeted energy transfer of a parallel nonlinear energy sink

A parallel nonlinear energy sink(NES) is proposed and analyzed. The parallel NES is composed of a vibro-impact(VI) NES and a cubic NES. The dynamical equation is given, and the essential analytical investigation is carried out to deal with the cubic nonlinearity and impact nonlinearity. Multiple time-scale expansion is introduced, and the zeroth order is derived to give a rough outline of the system. The underlying Hamilton dynamic equation is given, and then the optimal stiffness is expressed. The clearance is regarded as a critical factor for the VI. Based on the periodical impact treatment by analytical investigation, the relationships of the cubic stiffness, the clearance, and the zeroth-order attenuation amplitude of the linear primary oscillator(LPO) are obtained.A cubic NES under the optimal condition is compared with the parallel NES. Harmonic signals, harmonic signals with noises, and the excitation generated by a second-order?lter are considered as the potential excitation forces on the system. The targeted energy transfer(TET) in the designed parallel NES is shown to be more e?cient.

Fractional nonlinear energy sinks

The cubic or third-power(TP)nonlinear energy sink(NES)has been proven to be an effective method for vibration suppression,owing to the occurrence of targeted energy transfer(TET).However,TET is unable to be triggered by the low initial energy input,and thus the TP NES would get failed under low-amplitude vibration.To resolve this issue,a new type of NES with fractional nonlinearity,e.g.,one-third-power(OTP)nonlinearity,is proposed.The dynamic behaviors of a linear oscillator(LO)with an OTP NES are investigated numerically,and then both the TET feature and the vibration attenuation performance are evaluated.Moreover,an analogy circuit is established,and the circuit simulations are carried out to verify the design concept of the OTP NES.It is found that the threshold for TET of the OTP NES is two orders of magnitude smaller than that of the TP NES.The parametric analysis shows that a heavier mass or a lower stiffness coefficient of the NES is beneficial to the occurrence of TET in the OTP NES system.Additionally,significant energy transfer is usually accompanied with efficient energy dissipation.Consequently,the OTP NES can realize TET under low initial input energy,which should be a promising approach for micro-vibration suppression.

抗线圈偏移与倾斜的人工肛门括约肌经皮能量传输系统

传统的经皮能量传输系统大多采用开环系统,充电过程中患者要尽量保持不动,否则会导致线圈错位或翻转,影响接收功率导致不能正常充电。针对上述问题,本文首先采用LCC-S拓扑结构实现了接收端恒压特征,然后基于互感估计和原边功率补偿的方法实时调节发射端发射功率对接收端电压进行控制。仿真和体外实验结果显示,该系统可以使得接收端输出电压在锂电池整个充电过程中恒定不变;该系统可以允许接收线圈在轴向偏移25 mm内、横向偏移22 mm内、翻转角度80°内进行有限姿态变化,使得患者可以在充电过程中适量运动,大大提高了经皮能量传输系统的稳定性与可靠性,对人工肛门括约肌系统的进一步应用有重要意义。

无线能量传输技术在机械循环支持装置中的应用研究进展

机械循环支持(MCS)装置已广泛用于心力衰竭(HF)患者的治疗,但能量传输经皮电缆导致的感染问题严重降低了患者长期生存率。将无线能量传输(WPT)技术应用于MCS装置,实现装置的无线供电和完全植入是降低感染的有效手段。WPT技术无需借助经皮电缆传输能量,避免经皮电缆导致的感染,提高患者生活质量,是MCS装置更为理想的能量传输方式。综述经皮能量传输(TET)、自由范围谐振电能传输(FREE-D)、共面能量传输(CET)和超声经皮能量传输(UTET)4种WPT技术的研究进展及其在18种MCS装置中的应用情况,讨论现有WPT技术的优劣和应用于MCS装置的瓶颈并展望未来发展方向,为后续MCS装置的WPT研究提供参考。

Coupling analysis of transcutaneous energy transfer coils with planar sandwich structure for a novel artificial anal sphincter

This paper presents a set of analytical expressions used to determine the coupling coefficient between primary and secondary Litz-wire planar coils used in a transcutaneous energy transfer(TET) system. A TET system has been designed to power a novel elastic scaling artificial anal sphincter system(ES-AASS) for treating severe fecal incontinence(FI), a condition that would benefit from an optimized TET. Expressions that describe the geometrical dimension dependence of self- and mutual inductances of planar coils on a ferrite substrate are provided. The effects of ferrite substrate conductivity, relative permeability, and geometrical dimensions are also considered. To verify these expressions, mutual coupling between planar coils is computed by 3D finite element analysis(FEA), and the proposed expressions show good agreement with numerical results. Different types of planar coils are fabricated with or without ferrite substrate. Measured results for each of the cases are compared with theoretical predictions and FEA solutions. The theoretical results and FEA results are in good agreement with the experimental data.

用于心脏起搏器的经皮能量传输系统

针对心脏起搏器传统供能方式带来的弊端,研制了基于无线方式的经皮能量传输系统。在利用计算机仿真确定该系统工作频率的基础上,提出了该系统核心部分(经皮变压器)的数学模型并用实验加以验证。采用电容补偿手段使系统二次侧电路的输出电压满足心脏起搏器充电芯片的电压要求,利用与人体磁介质参数接近的猪皮进行了完整充电实验并绘制了充电曲线,从而证实了该系统的可行性。

植入式医疗设备经皮能量充电系统设计与实验

基于电磁耦合原理设计了一套应用于植入式医疗设备经皮能量充电系统,解决了因拖缆供电或更换电池而多次手术的不便和隐患。建立了传输链路等效模型,分析了线圈品质因数和接收端等效负载对系统传输效率和接收电压的影响,优化线圈设计,设计了隔离式电池管理充电电路。实验结果表明,新式14股双层Litz线串联线圈性能满足实际应用要求,在有效充电距离10～38 mm内,最大接收功率和传输效率分别为2 400 mW(23 mm,54%)和81%(11 mm,870 mW)。此外,针对不同的充电过程中等效负载电阻的变化,系统无需复杂的控制电路,依靠自身的阻抗特性响应即可保证体内接收电压均在安全范围内变化。

无线经皮能量传输系统的试验研究和分析

对前期研制的无线经皮能量传输系统(TETS)原理性样机进行深入的试验研究和分析。为模拟TETS在真实诊疗设备负载下的充放电情况,利用小阻值负载开展多周期充放电试验研究并对结果进行了分析。在此基础之上,结合能量守恒定律推导了TETS的预期使用寿命,从而证实了该系统的可行性。此外,文章还结合国内外电磁辐射标准中SAR限值的规定对TETS样机进行了定量分析,在此基础上提出了展望。

人工肛门括约肌性能与生物相容性的动物实验

设计动物实验,验证优化设计后人工肛门括约肌系统功能性和生物相容性.实验分别在术前和术后第1、4d,第1、2、4、5周,从2条Beagle犬颈静脉抽取血样进行血清化学分析.分析参数包括:总蛋白,白蛋白,总胆红素,天冬氨酸转氨酶,尿素氮,肌酐酸和高敏C反应蛋白.实验结果表明:系统各模块功能正常,肝功能指标总胆红素含量正常,天冬氨酸转氨酶术后略高于正常范围,术后2周恢复正常;肾功能指标尿素氮正常,肌酐酸含量在正常范围内波动;总蛋白和白蛋白含量术后虽有波动,但均恢复至正常范围;炎性因子高敏C反应蛋白含量未发生变化,表明体内无感染炎症现象;各血样指标显示人工肛门括约肌对Beagle犬生理功能并未造成不良影响.

植入式人工心脏无线电能传输研究进展

人工心脏近年来发展迅速,在发达国家已逐渐成为末期心衰竭通用治疗手段。随着人工心脏性能不断提升,其经皮电缆感染问题已成为临床长期植入的瓶颈。无线电能传输是人工心脏理想的能量供给方式,但现有的磁感应经皮变压器和磁耦合谐振两种无线电能传输方案在传输距离、方位敏感性、可植入性和长期可靠性等方面还存在许多问题。回顾了人工心脏能量供给技术的变革,从临床需求出发总结了现有无线电能传输方案的优缺点,探讨了未来的发展方向。

基于经皮能量传输的人工肛门括约肌生物电磁相容性研究

针对人工肛门括约肌的生物电磁相容性问题,通过对人体断层照片进行图像分割实现了组织的划分和识别,建立了包含40种生物组织的人体电磁模型.运用时域有限差分法,计算了经皮能量传输系统对生物组织产生的辐射剂量,获得了人体不同组织在该电磁场中的比吸收率分布情况,并根据国际人体电磁安全标准对其进行了深入分析.仿真结果表明,经皮能量传输系统在发射功率为1.5W,谐振频率为358kHz的实验环境下对人体组织具有良好的生物相容性.

植入式神经电刺激器的螺旋电感设计

针对植入式神经电刺激器的经皮能量传输对电感线圈小型化、集成化的要求,介绍了一种在PROTEL99SE中设计印制板无芯平面圆形螺旋电感的方法,并对该电感的电气特性参数作了计算与实际测量。结果证明其电感量理论计算值与实测值具有很好的一致性。

特定输出功率下表皮能量传输系统优化设计

经表皮能量传输系统通过空气间隙中的耦合磁场,将能量由体外一次能量源耦合传输到体内植入的能量二次能量接收端。针对不同的应用情况,提出了指定输出功率下,对系统进行优化的方法。优化理论以传输效率为目标函数,一次二次能量线圈为设计变量,以频率分叉现象和元器件的最大峰值电流和电压作为约束条件。最后使用MATLAB/Simulink对分析结果进行验证。

基于非线性能量阱的桥梁振动能量采集装置的适用性研究

非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)作为一种经典的振动控制技术,近几年在一些研究中被创新性地与振动能量采集技术相结合,取得了一系列的进展。对于桥梁结构健康监测系统而言,传感器的供能问题一直有待改善,探究基于NES的振动能量采集装置在桥梁结构上的适用性,对于桥梁结构振动能量采集的相关应用具有重要的理论意义和实用价值;以铁路简支梁桥为例,进行了针对基于NES的桥梁振动能量采集装置的适用性的讨论:(1)测试与表征了NES装置的力学特性和系统参数;(2)运用车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学理论和有限元法,评估不同初始激励条件下NES装置的动态响应及其能量采集效果。结果表明,安装于桥梁结构上的NES装置具有弱线性刚度和强非线性刚度特性,对初始能量大小较敏感,只有当初始位移达到一定阈值时,NES-桥梁系统中的靶向能量传递(targeted energy transfer,TET)才会被激发。初始能量低于阈值时,TET无法被激发,NES装置能量采集效率不佳。基于数值分析的结果可知,该NES装置能够在合适的桥梁振动激励下发挥出非线性特性的优势,从而获得良好的能量采集效率。

新人造肛门括约肌系统充电模块热分析与控制

仿耻骨式人造肛门括约肌系统(PAAS)采用经皮能量传输(TET)为集成在充电模块内部的锂电池进行充电,使系统可长期稳定地在活体内工作.很多体内实验表明,无线充电过程中产生的大量热量对PAAS植入后充电模块附近活体组织的生物安全性不利,故需对无线充电过程进行合理规划.本文通过分析充电模块内部各组件的热传导关系,建立充电模块内部热阻模型,并利用体外实验对该模型进行验证及修正,经修正后的模型可以可靠地描述充电过程中活体组织温度变化情况.基于修正后的模型,本文制定了体内实验过程中单次最大连续无线充电时间,从而提高体内实验中PAAS的生物安全性,进而延长PAAS植入时间.

双轴驱动式人造肛门括约肌系统经皮无线供能的优化

现有人工肛门括约肌系统均缺乏一种稳定、长期且安全的能量供给途径,大大降低了其在医疗中的实用价值,本文介绍的人工肛门括约肌系统采用了满足人体安全性要求的经皮无线供能来实现系统的能量供给。本文结合双轴驱动式人造肛门括约肌系统,主要针对现有经皮无线供能存在的传输距离较短、发热较严重等问题,对现有线圈的线径、匝数、铁芯形状、线圈结构以及发射线圈和接收线圈之间的传输距离等参数进行优化。实验结果表明,经优化后经皮无线供能系统在传输距离为20 mm时,传输效率可达到77.64%,传输距离为30 mm时,传输效率仍可达到52.59%。而优化后的发射线圈充电温度降低了55.6%。优化后的参数即满足双轴驱动式人造肛门括约肌系统性能要求,亦为以后研究工作的开展提供理论基础与数据支持。

人工肛门括约肌经皮能量传输系统研究

针对现有人工肛门括约肌系统无供能装置或供能装置更换可能引发感染等问题,本文提出了电磁谐振耦合的无线供能方法,对人工肛门括约肌系统进行非接触的经皮无线供能。本文在对能量传输电路、发送接收线圈参数研究基础上,提出通过选择SRC电路作为发射、接收端耦合电路以增大铁芯耦合面积,从而提高发射及接收线圈Q值,进而提高能量传输效率。实验结果表明,使用G25磁芯线圈进行电磁耦合,当两线圈轴向距离为10 mm时,能量传输效率可高于60%,可保证人工肛门括约肌系统的正常工作。

双轴驱动式人造肛门括约肌系统经皮无线供能

作为植入式医疗设备的一种,双轴驱动式人造肛门括约肌(BAAS)系统的经皮无线供能(TET)系统在植入活体后,受到增生包裹等体内环境的影响,面临耦合性能明显低于体外实验的问题,降低了其在医疗中的实用价值.结合现有BAAS的TET系统实验结果,针对受增生包裹导致的传输角度等问题,对现有TET系统的参数进行分析研究,得出了传输角度与传输效率的关系曲线.实验结果表明,在传输距离为30 mm时,传输效率仍可达到60%以上.在传输距离为30 mm条件下,传输角度为20°时,传输效率的均值可达到66.65%;传输角度为30°时,传输效率的均值可达到59.96%.发射线圈充电温度最大值为23℃,充电温度不会对人体造成低温烫伤的情况,满足BAAS系统性能要求,达到了在传输距离较远时仍可高效率传输能量的目的.

一种经皮无线供能系统

研究了一种经皮无线供能系统.首先通过电路分析得到系统电压增益和传输效率等特性函数,同时根据经皮无线供能典型技术参数进行特性分析,在此基础上设计了基于能量注入的变频恒压控制方案,使得无线供能系统在负载和传输距离变化时始终高效率运行.搭建了经皮无线供能的实验系统,实验结果验证了理论分析和设计方案的正确性,在固定传输距离的整个负载变化范围内整机效率基本保持恒定,典型传输距离内的整机效率达到83%以上.利用多物理场仿真软件进行人体组织安全性仿真实验,仿真结果表明最大电场强度、比吸收率和最高温度均低于限值.