植入電子器件體導電能量傳遞的場路耦合模擬研究.pdf

1、一切植入醫(yī)學電子器件都需要電能，電源技術(shù)則為其可靠運行提供能量保障，并且是影響其功能、小型化、壽命的關(guān)鍵性技術(shù)之一。因此研究跨皮膚組織高效率地向植入醫(yī)學電子器件傳遞能量具有重要的學術(shù)和醫(yī)學意義。雖然電池供能和磁感應供能技術(shù)得到了廣泛的臨床應用，但由于電池容量有限，導致電池供電的植入器件的工作壽命較短；而皮膚組織的傳導作用使磁感應耦合的能量傳遞效率低，并且存在較強的射頻干擾。利用生物組織的體導電特性將體外電能跨皮膚傳遞給體內(nèi)植入電子器件是

2、能夠克服前述供能技術(shù)不足的一種新興的能量供給方法。
　　 為了真實、動態(tài)、整體地模擬仿真體導電能量傳遞系統(tǒng)，建立了體導電的場路耦合物理模型。針對復雜邊界條件下準靜態(tài)電場和電路的耦合問題，應用標量電位()法描述體導電準靜態(tài)電場定解問題必須滿足的控制方程和邊界條件式，并結(jié)合外電路約束下電極處電壓和電流所滿足的電路方程，得到了電場電路直接耦合的數(shù)學模型。并采用數(shù)值方法求解，由伽遼金加權(quán)余量法導出了體導電場路耦合的有限元方程組。給出了利

3、用有限元軟件(COMSOL3.5a)仿真計算的具體步驟和實現(xiàn)方法，并詳細說明了其中一些關(guān)鍵性問題。
　　 基于體導電的場路耦合模型深入探討各物理因素對能量傳遞效率的影響。搭建圓形柱體電極所對應的場路耦合有限元模型，仿真分析了電極尺寸和邊距對能量傳遞效率的影響，結(jié)果表明電極橫截面積和間距的大小改變系統(tǒng)阻抗分配，電流傳遞效率隨它們的增大而增大；仿真分析了電源參數(shù)對能量傳遞效率的影響，結(jié)果表明激勵電源的頻率改變系統(tǒng)阻抗值大小，激勵電壓

4、幅值改變流經(jīng)皮膚組織電流的大小，二者均不影響系統(tǒng)阻抗分配及能量傳遞效率；仿真分析了電路參數(shù)對能量傳遞效率的影響，結(jié)果表明當皮膚電極單元一定時，設(shè)計者可通過調(diào)節(jié)體外電路等效阻抗大小改變系統(tǒng)電壓傳遞效率，調(diào)節(jié)體內(nèi)電路等效阻抗大小改變系統(tǒng)電流傳遞效率，并且當體內(nèi)外為純電感電路時，傳遞效率達到理論最大值。
　　 皮膚電極單元集總參數(shù)計算方面，本文提出了基于場路耦合的變載法，并仿真計算了不同電極邊距、橫截面積以及不同激勵電源頻率下皮膚電極

5、單元的網(wǎng)絡(luò)阻抗參數(shù)。首先考慮到體導電的場路耦合模型不需涉及皮膚電極單元內(nèi)部任何復雜的電路計算，將皮膚電極單元等效為二端口網(wǎng)絡(luò)，建立端口處電壓與電流的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)關(guān)系。然后，運用全相位FFT譜分析提取電量信號的幅值和相位，在此基礎(chǔ)之上，應用變載法直接計算出皮膚電極單元的端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。最后，通過電路仿真以及同相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進行比較驗證了數(shù)值結(jié)果的準確性，表明所提出的方法確實可行。
　　 根據(jù)皮膚電極單元集總參數(shù)的計算結(jié)果，并結(jié)合皮膚電極單