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目前，國內(nèi)外針對(duì)有源植入式醫(yī)療設(shè)備無線電能傳輸技術(shù)開展了廣泛的研究，以降低二次手術(shù)更換電池可能導(dǎo)致的感染風(fēng)險(xiǎn)；然而若要實(shí)現(xiàn)其成功應(yīng)用，必須著重考慮效率、植入和安全等問題，因此供能效率、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及安全性成為近年來的研究熱點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)高效率傳輸能量，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者已提出許多性能優(yōu)越的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，T. Campi等對(duì)四種基礎(chǔ)拓?fù)浯?lián)-串聯(lián)（Series-Series, SS）、串聯(lián)-并聯(lián)（Series Parallel, SP）、并聯(lián)-并聯(lián)（Parallel-Parallel, PP）和并聯(lián)-串聯(lián)（Parallel- Series, PS）做了簡(jiǎn)要分析。相較于這四種低階補(bǔ)償拓?fù)洌p端LCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于具有輸出電流恒定以及傳輸性能高的優(yōu)點(diǎn)，因此就傳輸性能而言較適合應(yīng)用于植入式醫(yī)療。

然而對(duì)于雙端LCL補(bǔ)償拓?fù)洌踩雮?cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，諧振電感的存在將導(dǎo)致植入體積較大，不利于植入，因此需要采取措施將植入側(cè)電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化以減小植入體積。對(duì)于高階補(bǔ)償拓?fù)洌姸鄬＜覍W(xué)者針對(duì)其結(jié)構(gòu)提出了許多優(yōu)化方法。但是相關(guān)研究存在系統(tǒng)的傳輸效率下降、應(yīng)用較為困難等問題。

由于該系統(tǒng)應(yīng)用于人體，因此必須保證其安全性，目前針對(duì)植入式心臟起搏器的安全性研究，T. Campi等建立了二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行安全評(píng)估，但只是簡(jiǎn)單地將人體簡(jiǎn)化為三層組織結(jié)構(gòu)，并未細(xì)化到三維模型。Xiao Chunyan等雖然建立了三維人體模型，但只是在發(fā)射線圈上直接施加電流激勵(lì)，并未考慮到場(chǎng)路耦合這一因素，未加場(chǎng)路耦合而直接給定施加激勵(lì)源等同于給定一個(gè)均勻場(chǎng)，由于電路拓?fù)鋸?fù)雜，而引入電路可以與實(shí)際的模型結(jié)合起來，更加準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況。

為減小植入式心臟起搏器無線充電系統(tǒng)的體積以及電磁干擾，遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院的研究人員，設(shè)計(jì)了一種工作頻率為150kHz的雙端LCL集成式磁耦合諧振式無線供能系統(tǒng)。

圖1 雙端LCL補(bǔ)償電路

研究人員采用了一種集成式的雙端LCL補(bǔ)償電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，推導(dǎo)其諧振阻抗匹配參數(shù)。為了將二次側(cè)補(bǔ)償電感集成于接收線圈之上，還設(shè)計(jì)了一種集成線圈解耦結(jié)構(gòu)，主線圈為圓角方形，諧振線圈為DD形，通過對(duì)匝數(shù)和匝間距進(jìn)行參數(shù)化掃描來優(yōu)化磁耦合機(jī)構(gòu)，成功地實(shí)現(xiàn)了集成，有效地減小了植入體積。

圖2 集成式磁耦合機(jī)構(gòu)模型

他們建立了三維人體模型對(duì)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行評(píng)估，并考慮場(chǎng)路耦合。結(jié)果表明，充電30min過程中，比吸收率峰值為0.007W/kg；溫升峰值為1.13℃；電場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度峰值分別為6.2V/m和2.28μT，同時(shí)溫升實(shí)驗(yàn)表明，局部組織的溫升峰值為1.2℃，皆符合安全標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的安全性。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

此外，研究人員搭建了集成結(jié)構(gòu)與非集成結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了傳輸性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在頻率為150kHz時(shí)，非集成結(jié)構(gòu)在供電功率為2.19W時(shí)接收到了1.27W功率，傳輸效率為58%，而集成結(jié)構(gòu)在供電功率為2.11W時(shí)接收到了1.54W功率，傳輸效率可達(dá)73%，相較于非集成結(jié)構(gòu)效率提高了15%，有效地提升了系統(tǒng)的傳輸性能。

他們表示，本次設(shè)計(jì)還未實(shí)現(xiàn)活體植入，進(jìn)一步的研究還需要在活體動(dòng)物身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后進(jìn)行臨床試驗(yàn)，以便于將其引入到實(shí)際應(yīng)用中。

本文編自2022年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“心臟起搏器諧振式無線供能LCL-LCL的集成”。本課題得到了2020年遼寧省教育廳科學(xué)研究青年科技人才“育苗”項(xiàng)目和2019年遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的支持。