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。

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。

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。

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.

温度与功率双闭环控制的经皮能量传输

经皮能量传输(TET)在近年临床实践中暴露出严重的热伤害风险,引发了多例病人烫伤及大规模的设备召回。针对该问题,该文将体外发射功率调整与体内充电功率调整相结合,提出外环温度控制、内环功率控制的双闭环能量传输方案。根据植入线圈的接收功率调整体外发射功率,确保植入设备接收的能量恰好满足后端电池充电所需,维持稳定能量传输并避免额外功耗及发热;根据植入设备温度调整体内电池充电功率,改变设备的功率需求及发热量,避免热伤害。通过离体、活体实验,验证控制方案的有效性。结果表明,双闭环系统在保障温度安全的同时实现了快速的能量传输,为相关植入式医疗设备提供了一套安全有效的能源解决方案。