[發(fā)明專利]醫(yī)療植入器件無線能量傳輸系統(tǒng)中互感系數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 202010975640.X | 申請日： | 2020-09-16 |
| 公開（公告）號： | CN112290689B | 公開（公告）日： | 2022-06-21 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 胡光喜;鮑佳睿;胡淑彥;鄭立榮 | 申請（專利權(quán)）人： | 復(fù)旦大學(xué) |
| 主分類號： | H02J50/10 | 分類號： | H02J50/10;H02J50/90;H01F38/14;G06F30/10;G06F30/20 |
| 代理公司： | 上海正旦專利代理有限公司 31200 | 代理人： | 陸飛;陸尤 |
| 地址： | 200433 *** | 國省代碼： | 上海;31 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 醫(yī)療 植入 器件 無線 能量 傳輸 系統(tǒng) 互感 系數(shù) 優(yōu)化 設(shè)計 方法 | ||
本發(fā)明屬于醫(yī)療植入器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種醫(yī)療植入器件無線能量傳輸系統(tǒng)中互感系數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法。本發(fā)明通過理論分析和基于三維仿真軟件HFSS仿真，得到提高互感系數(shù)M的優(yōu)化設(shè)計方法，包括利用HFSS仿真和/或理論計算，找到發(fā)射和接收線圈正對準情況下WPT系統(tǒng)的各個參數(shù)，如線圈間距、發(fā)射線圈的線圈匝數(shù)、內(nèi)外半徑、匝間距等對M的影響，通過實驗對仿真結(jié)果進行驗證；并對接收線圈接收角度翻轉(zhuǎn)或因為接收線圈和發(fā)射線圈中心水平距離偏移導(dǎo)致的M減小進行優(yōu)化改善，為這類醫(yī)療植入器件無線能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。利用本發(fā)明方法，可以方便、快捷得到發(fā)送和接收線圈的關(guān)鍵參數(shù)值，使互感系數(shù)最大化。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于醫(yī)療植入器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電磁感應(yīng)無線能量傳輸系統(tǒng)中互感系數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法。
背景技術(shù)
近年來，無線能量傳輸(以下簡稱WPT)技術(shù)一直為國內(nèi)外學(xué)者研究關(guān)注的一個熱點，其研究成果能夠廣泛應(yīng)用于家用電器、電動汽車以及人體植入器件，特別是在人體植入器件應(yīng)用上。目前，植入式醫(yī)療器件(以下簡稱IMD)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，如腦起搏器、心臟起搏器、耳蝸植入物和脊髓刺激器在臨床中有廣泛的應(yīng)用，視網(wǎng)膜植入物和腦機接口在實驗室中也得到了廣泛的研究。而在IMD的應(yīng)用中，無線電源為此類設(shè)備的無創(chuàng)或微創(chuàng)診斷和長期植入提供了可能。
由于醫(yī)療植入器件的尺度越來越小，當進入毫米量級時，對器件進行無線能量傳輸方式，一般使用電磁感應(yīng)方式進行。無線能量傳輸系統(tǒng)由發(fā)射線圈和接收線圈組成。發(fā)射線圈被放置在身體外面以產(chǎn)生電磁場，電磁場的一部分被一個植入式接收線圈獲取，實現(xiàn)能量傳輸。在這個能量傳輸系統(tǒng)中，互感系數(shù)(以下簡稱M)作為感應(yīng)環(huán)節(jié)中的一個重要參數(shù)，如何增大WPT系統(tǒng)中M是一個普遍關(guān)注的問題。由于器件本身是毫米量級，集成在器件內(nèi)部的能量接收線圈(以下簡稱RX)大小受到嚴重限制。如此小的線圈，如何提高能量傳輸效率，電磁感應(yīng)中互感系數(shù)的優(yōu)化是關(guān)鍵。而影響M大小的因素主要有發(fā)射和接收線圈的相對位置、線圈周圍的介質(zhì)、線圈的匝數(shù)、匝間距以及平均線圈半徑，等等。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對醫(yī)療植入器件提供一種醫(yī)療植入器件無線能量傳輸系統(tǒng)中互感系數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法。
本發(fā)明的WPT系統(tǒng)在HFSS中的鳥瞰圖和側(cè)視圖如圖1、圖2所示。其中，TX為發(fā)射線圈，RX為接收線圈。Rin和Rout分別是發(fā)射線圈的內(nèi)徑和外徑；R2為接收線圈的半徑，n2為接收線圈匝數(shù)；Rav為發(fā)射線圈的平均半徑，Rav＝0.5(Rin+Rout)，b為發(fā)射線圈的外徑和內(nèi)徑之差，b＝Rout-Rin)；n1為發(fā)射線圈匝數(shù)；h為接收間距和發(fā)射線圈之間的間距；d0為接收線圈和發(fā)射線圈的水平偏離；θ為接收線圈在豎直方向上的角度偏轉(zhuǎn)。
電磁感應(yīng)無線能量傳輸系統(tǒng)中互感系數(shù)(M)的計算公式為：
其中，μ0為真空中磁導(dǎo)率，K和J分別為第一和第二類橢圓積分，km為橢圓積分模：
其中，n為量化系數(shù)，可取0,1,2,3,…,n越大，M的計算結(jié)果越精確。
由于醫(yī)療植入器件的尺度越來越小，器件本身是毫米量級，集成在器件內(nèi)部的能量接收線圈(RX)大小受到嚴重限制。如此小的線圈，如何提高能量傳輸效率和負載獲得功率，是普遍關(guān)心的問題。解決這個問題的關(guān)鍵，是提高電磁感應(yīng)中互感系數(shù)。
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