[發明專利]人工心臟無線供能系統的多物理場分析方法

有效

• 申請號: 201911128712.0
• 申請日: 2019-11-18
• 公開（公告）號: CN110991014B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發明（設計）人: 謝岳;蔣曉麗
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/33
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.人工心臟無線供能系統的多物理場分析方法，其特征在于所述方法步驟如下:

步驟1：模型向導設置

首先在仿真軟件COMSOL?Multiphysics的文件菜單中選擇“新建”，在新建窗口中，單擊“模型向導”，在模型向導窗口，單擊“二維軸對稱”；其次選擇物理場，在“選擇物理場”樹中選擇“AC/DC”“電路(cir)”、“AC/DC”“磁場(mf)”以及“傳熱”“生物傳熱(ht)”，依次完成“添加”；再確定研究方式，單擊“研究”，并在“選擇研究”樹中選擇“所選物理場接口的預設研究”“瞬態”，單擊“完成”；

步驟2：建立系統電路模型

在電路模塊下對人工心臟無線供能系統進行電路建模：選擇電路所需器件，包括直流電壓源(1)、第一逆變器功率開關(2)、第二逆變器功率開關(3)、第三逆變器功率開關(4)、第四逆變器功率開關(5)、發射回路補償電容(6)、發射回路電阻(7)、接收回路補償電容(13)、接收回路電阻(14)、第一整流二極管(15)、第二整流二極管(16)、第三整流二極管(17)、第四整流二極管(18)、第一濾波穩壓電容(19)、人工心臟負載(20)，設置各電路元器件節點，完成系統逆變電路、補償電路和整流濾波電路的搭建；

步驟3：建立系統幾何模型

根據發射、接收線圈的實際尺寸在2維軸對稱模型下建立幾何模型，模擬線圈透過生物組織傳輸能量的耦合過程，發射線圈(8)和接收線圈(12)為結構尺寸一致的平面螺旋形線圈，在模型中用矩形表示，人體組織用三層簡化模型模擬，分別為皮膚層(9)、脂肪層(10)和肌肉層(11)，也用矩形表示；

步驟4：電路元器件參數設置

對逆變開關(2)～(5)進行設置，選定方波脈沖作為逆變開關(2)～(5)的激勵源，當系統工作在諧振狀態時，根據諧振頻率f確定脈沖周期T，接著在COMSOL中測量發射線圈(8)和接收線圈(12)的電感，根據C＝1/(ω²L)，求出補償電容(6)和(13)的值，再確定直流電壓源(1)、發射回路電阻(7)、接收回路電阻(14)、穩壓電容(19)以及人工心臟負載(20)的大小；

步驟5：材料屬性設置

設置材料屬性時，將線圈(8)和(12)設置為銅，生物組織層，即皮膚層(9)、脂肪層(10)和肌肉層(11)，通過建立空材料并設置相關參數完成，幾何模型中的其它區域設置為空氣；由于模型涉及到的物理場有磁場和生物傳熱，在設置生物組織參數時應該考慮到其電特性和熱物性，電特性由電導率σ和相對介電常數ε表示，二者是頻率函數，可通過查表獲得各生物組織層在諧振頻率下的電特性及熱物性參數；

步驟6：邊界條件設置

磁場模塊：所有域都滿足安培定律；二維軸對稱線設為軸對稱；除軸對稱的外邊界均為磁絕緣；選擇發射、接收線圈對應區域，確定發射線圈和接收線圈的激勵、導線的類型、線圈匝數和線圈截面半徑；生物傳熱模塊：選擇生物組織對應區域；設置生物熱的相應參數；二維軸對稱線設為軸對稱；除軸對稱的外邊界均滿足熱絕緣；設定生物組織、線圈和環境初始溫度；發射線圈和接收線圈設為固體，空氣設為流體；

步驟7：幾何模型網格剖分

對幾何模型進行網格剖分時，首先選擇用戶控制網格；其次選定剖分區域，可劃分為線圈和除線圈之外的部分；再設置網格類型和大小，類型均為自由三角形網格，網格大小設置時，線圈部分應相對細化，其它區域可適當粗化；

步驟8：求解器設置并求解

選中研究下的求解器配置，并對其進行設置：設定瞬態求解器的相對容差為0.01，絕對容差為0.1，時間步進方法為向后差分公式以及求解器類型為PARDISO，最后計算；

步驟9：模型再新設置并求解

調整方波脈沖的周期，使系統處于非諧振狀態；根據非諧振狀態的頻率，確定系統在該狀態下各生物組織層的電特性參數及熱物性參數，重新設置材料屬性，對系統進行新的求解計算；

步驟10：仿真結果及分析

經仿真可獲得系統工作在不同狀態時系統電流、電壓波形以及生物組織中任意點在任意時刻的場強和溫度的值，并且由SAR＝σE²/ρ，可計算出各生物組織層比吸收率的值，通過對上述波形與值的分析，可研究人工心臟無線供能系統工作狀態對電磁場的影響，將比吸收率、場強、溫度的值與國際規定的限值比較，進而分析和驗證人工心臟無線供能系統的生物安全性。