[发明专利]人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法

权利要求书

1.人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法，其特征在于所述方法步骤如下:

步骤1：模型向导设置

首先在仿真软件COMSOL Multiphysics的文件菜单中选择“新建”，在新建窗口中，单击“模型向导”，在模型向导窗口，单击“二维轴对称”；其次选择物理场，在“选择物理场”树中选择“AC/DC”“电路(cir)”、“AC/DC”“磁场(mf)”以及“传热”“生物传热(ht)”，依次完成“添加”；再确定研究方式，单击“研究”，并在“选择研究”树中选择“所选物理场接口的预设研究”“瞬态”，单击“完成”；

步骤2：建立系统电路模型

在电路模块下对人工心脏无线供能系统进行电路建模：选择电路所需器件，包括直流电压源(1)、第一逆变器功率开关(2)、第二逆变器功率开关(3)、第三逆变器功率开关(4)、第四逆变器功率开关(5)、发射回路补偿电容(6)、发射回路电阻(7)、接收回路补偿电容(13)、接收回路电阻(14)、第一整流二极管(15)、第二整流二极管(16)、第三整流二极管(17)、第四整流二极管(18)、第一滤波稳压电容(19)、人工心脏负载(20)，设置各电路元器件节点，完成系统逆变电路、补偿电路和整流滤波电路的搭建；

步骤3：建立系统几何模型

根据发射、接收线圈的实际尺寸在2维轴对称模型下建立几何模型，模拟线圈透过生物组织传输能量的耦合过程，发射线圈(8)和接收线圈(12)为结构尺寸一致的平面螺旋形线圈，在模型中用矩形表示，人体组织用三层简化模型模拟，分别为皮肤层(9)、脂肪层(10)和肌肉层(11)，也用矩形表示；

步骤4：电路元器件参数设置

对逆变开关(2)～(5)进行设置，选定方波脉冲作为逆变开关(2)～(5)的激励源，当系统工作在谐振状态时，根据谐振频率f确定脉冲周期T，接着在COMSOL中测量发射线圈(8)和接收线圈(12)的电感，根据C＝1/(ω²L)，求出补偿电容(6)和(13)的值，再确定直流电压源(1)、发射回路电阻(7)、接收回路电阻(14)、稳压电容(19)以及人工心脏负载(20)的大小；

步骤5：材料属性设置

设置材料属性时，将线圈(8)和(12)设置为铜，生物组织层，即皮肤层(9)、脂肪层(10)和肌肉层(11)，通过建立空材料并设置相关参数完成，几何模型中的其它区域设置为空气；由于模型涉及到的物理场有磁场和生物传热，在设置生物组织参数时应该考虑到其电特性和热物性，电特性由电导率σ和相对介电常数ε表示，二者是频率函数，可通过查表获得各生物组织层在谐振频率下的电特性及热物性参数；

步骤6：边界条件设置

磁场模块：所有域都满足安培定律；二维轴对称线设为轴对称；除轴对称的外边界均为磁绝缘；选择发射、接收线圈对应区域，确定发射线圈和接收线圈的激励、导线的类型、线圈匝数和线圈截面半径；生物传热模块：选择生物组织对应区域；设置生物热的相应参数；二维轴对称线设为轴对称；除轴对称的外边界均满足热绝缘；设定生物组织、线圈和环境初始温度；发射线圈和接收线圈设为固体，空气设为流体；

步骤7：几何模型网格剖分

对几何模型进行网格剖分时，首先选择用户控制网格；其次选定剖分区域，可划分为线圈和除线圈之外的部分；再设置网格类型和大小，类型均为自由三角形网格，网格大小设置时，线圈部分应相对细化，其它区域可适当粗化；

步骤8：求解器设置并求解

选中研究下的求解器配置，并对其进行设置：设定瞬态求解器的相对容差为0.01，绝对容差为0.1，时间步进方法为向后差分公式以及求解器类型为PARDISO，最后计算；

步骤9：模型再新设置并求解

调整方波脉冲的周期，使系统处于非谐振状态；根据非谐振状态的频率，确定系统在该状态下各生物组织层的电特性参数及热物性参数，重新设置材料属性，对系统进行新的求解计算；

步骤10：仿真结果及分析

经仿真可获得系统工作在不同状态时系统电流、电压波形以及生物组织中任意点在任意时刻的场强和温度的值，并且由SAR＝σE²/ρ，可计算出各生物组织层比吸收率的值，通过对上述波形与值的分析，可研究人工心脏无线供能系统工作状态对电磁场的影响，将比吸收率、场强、温度的值与国际规定的限值比较，进而分析和验证人工心脏无线供能系统的生物安全性。