醫療植入式刺激裝置在疾病治療中發揮著越來越重要的作用。醫療植入式刺激裝置包括植入式心臟起搏器、腦起搏器、胃腸電刺激器、迷走神經刺激器、脊髓刺激器等。

    腦起搏器在醫學術語上稱“腦深部刺激系統(DBS)”。DBS用于治療帕金森病、震顫和肌張力障礙等。DBS的脈沖發生器持續發出高頻脈沖電刺激，抑制不正常的腦核團放電，消除帕金森病癥狀。但脈沖發生器電池容量是一定的，一般可供使用3~7年。如電池耗完，則需要更換脈沖發生器。
    膠囊內窺鏡、植入式醫用膠囊可以窺探人體消化道或腸道的健康狀況，幫助醫生對病人進行診斷。內窺鏡攜帶的攝像頭可提供一些影響腸道或消化道的潰瘍、異常的增長以及出血等癥狀。膠囊內窺鏡靠膠囊內的電池供電，但電池容量是一定的[1]。
    參考文獻[2]針對人工心臟起搏器無線能量供電而設計的松耦合變壓器，其罐狀鐵芯式結構的二維面積為72 mm×13 mm，最佳工作頻率為100 kHz，氣隙間距為5 mm，對于植入式醫療裝置來說，這樣結構的松耦合變壓器體積有些偏大，氣隙間距偏小。
    參考文獻[3]提出RF無線遙控型能量植入式設備。該設備基于生物學組織中的無線能量傳輸的電流研究，但由于組織吸收損耗趨向于工作在10 MHz以下，如此大的頻率導致需要更大的接收天線。該文獻評估和公式推導出接收能量和組織吸收之間折衷頻率大概在1 GHz。值入深度從1 cm增大到6 cm，傳輸效率從10-1數量級減小到10-4數量級。對于其他一些植入式刺激醫療設備來說，這樣的傳輸效率太低，很難滿足需要。
    針對小型植入式醫療裝置(如無線膠囊內窺鏡)的電池使用時間的限制，參考文獻[4]提出一種計算經皮耦合無線能量傳輸效率的方法。通過該方法計算得出變壓器的串聯諧振電路，在頻率500 kHz，次級線圈的尺寸是5 mm×20 mm。氣隙間距為100 mm時，能夠達到的最高傳輸效率為33.1%。這樣的傳輸效率對于某些植入式醫療裝置來說偏低。
    針對醫療植入式刺激裝置的松耦合變壓器，通過ANSYS對其在各種電路情況下的傳輸效率進行仿真分析，得到一種較為優秀的松耦合變壓器結構并制作了相應的電路，對其傳輸效率進行測試并對比分析。
1 系統模型和工作原理
    醫療植入式刺激裝置無線充電系統的模型主要由體外和體內兩部分組成。系統的模型如圖1所示。

    體外部分包括電源模塊、高頻逆變驅動模塊和松耦合變壓器的初級線圈；體內部分包括次級線圈、整流濾波模塊、穩壓電源模塊、電源管理模塊和可充電電池。
    醫療植入式刺激裝置無線充電系統的工作原理為：直流電源模塊經過高頻逆變驅動模塊把直流電逆變為高頻的交流電供給松耦合變壓器初級線圈，體內的次級線圈感應出高頻的交流電經過整流模塊，從而把交流電整流成直流電，整流出的直流電經過穩壓電源模塊穩壓供給電源管理芯片，對體內的電池進行充電。松耦合變壓器由于氣隙的存在，其耦合系數變低，磁動勢主要降落到氣隙的磁阻上，導致松耦合變壓器的效率很低。所以，如何提高能量傳輸效率是無線能量傳輸系統研究的關鍵[5]。
2 高效率松耦合變壓器磁路仿真與實測
    無線充電系統中，松耦合變壓器負責能量的直接傳輸，所以它是影響該系統中供電效率的關鍵因素。本文以松耦合變壓器作為研究對象，通過ANSYS軟件分析松耦合變壓器影響傳輸效率的因素和無功補償電路仿真以及實驗分析[6-7]。
2.1 松耦合變壓器磁路結構仿真對比
    松耦合變壓器中將其原邊和副邊分開一定的距離進行無限能量傳輸，由于氣隙的存在，其耦合系數變低，磁動勢主要降落到氣隙的磁阻上，導致松耦合變壓器的效率很低。為了提高松耦合變壓器系統的耦合系數減小線圈的體積,一般采用鐵芯式線圈。由于本文中采用的工作頻率很高，為了減小鐵芯損耗,一般鐵芯采用MnZn 鐵氧體材料，而線圈則采用銅絞線以減小集膚效應的影響。本設計選取了幾種結構的松耦合變壓器進行對比分析選取。有平板式鐵芯、罐狀鐵芯等。

    通過比較圖3所示的結果可以發現,隨著氣隙的增大,兩種結構的變壓器耦合系數k均逐漸減小。但當氣隙距離相等時，罐狀結構的變壓器耦合系數相對較高，那么傳輸效率就相對偏高。因為生物體的特殊要求，除了變壓器耦合系數滿足要求之外，植入體內的器件要求體積盡量小，結構盡量簡單。本文研究的松耦合變壓器針對的是醫療植入式刺激裝置的特殊場合，因此體外部分選擇罐狀結構，體內部分選擇平板式結構。
2.2 高效率磁路的仿真與實測對比
    磁芯設為線性導磁材料,相對磁導率定為2 500；不考慮渦流損耗；氣隙間距GAP=7 mm；初級電壓加幅值為6 V的正弦波，頻率為100 kHz~2 MHz；負載為100 Ω，初級、次級匝數比為1：1。根據上面的的分析，本文松耦合變壓器三種電路進行仿真和實驗。
    第一種電路結構是初級、次級都不加諧振時進行仿真和實驗，最高傳輸效率是14.5%，最低傳輸效率是1.2%。
    第二種電路結構是僅初級線圈加串聯諧振時進行仿真和實驗,頻率在100 kHz~2 MHz范圍內時，最高傳輸效率是35.0%，最低傳輸效率是15.1%。
    第三種電路結構是初級、次級均加串聯諧振時進行仿真和實驗。如圖4所示為第三種電路結構的仿真傳輸效率和實際測量傳輸效率對比圖。

    從圖4可以分析得出，頻率為1.5 MHz時的最大效率為61.13%。頻率在1.5 MHz~2 MHz之間，變壓器傳輸效率趨于穩定在60%左右。
    針對醫療植入式刺激裝置在臨床中的供電和供電效率的關鍵問題，本文以無線能量傳輸系統中的松耦合變壓器作為研究對象。通過對各種磁路結構的對比，選擇醫療植入式刺激裝置最適合的變壓器磁路結構。在實際應用條件下，對松耦合變壓器的傳輸效率進行仿真和實驗，仿真實驗中，氣隙距離為7 mm，頻率在100 kHz~2 MHz范圍內，初次級均加串聯諧振線圈的最大傳輸效率為61.13%，仿真實驗證明可以滿足高效率醫療植入式刺激裝置的供電需求。
參考文獻
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