[发明专利]医疗植入器件无线能量传输系统中互感系数的优化设计方法

说明书

本发明属于医疗植入器件技术领域，具体为一种医疗植入器件无线能量传输系统中互感系数的优化设计方法。本发明通过理论分析和基于三维仿真软件HFSS仿真，得到提高互感系数M的优化设计方法，包括利用HFSS仿真和/或理论计算，找到发射和接收线圈正对准情况下WPT系统的各个参数，如线圈间距、发射线圈的线圈匝数、内外半径、匝间距等对M的影响，通过实验对仿真结果进行验证；并对接收线圈接收角度翻转或因为接收线圈和发射线圈中心水平距离偏移导致的M减小进行优化改善，为这类医疗植入器件无线能量传输系统的设计提供参考。利用本发明方法，可以方便、快捷得到发送和接收线圈的关键参数值，使互感系数最大化。

技术领域

本发明属于医疗植入器件技术领域，具体涉及一种电磁感应无线能量传输系统中互感系数的优化设计方法。

背景技术

近年来，无线能量传输(以下简称WPT)技术一直为国内外学者研究关注的一个热点，其研究成果能够广泛应用于家用电器、电动汽车以及人体植入器件，特别是在人体植入器件应用上。目前，植入式医疗器件(以下简称IMD)在现代医学中的应用越来越广泛，如脑起搏器、心脏起搏器、耳蜗植入物和脊髓刺激器在临床中有广泛的应用，视网膜植入物和脑机接口在实验室中也得到了广泛的研究。而在IMD的应用中，无线电源为此类设备的无创或微创诊断和长期植入提供了可能。

由于医疗植入器件的尺度越来越小，当进入毫米量级时，对器件进行无线能量传输方式，一般使用电磁感应方式进行。无线能量传输系统由发射线圈和接收线圈组成。发射线圈被放置在身体外面以产生电磁场，电磁场的一部分被一个植入式接收线圈获取，实现能量传输。在这个能量传输系统中，互感系数(以下简称M)作为感应环节中的一个重要参数，如何增大WPT系统中M是一个普遍关注的问题。由于器件本身是毫米量级，集成在器件内部的能量接收线圈(以下简称R_X)大小受到严重限制。如此小的线圈，如何提高能量传输效率，电磁感应中互感系数的优化是关键。而影响M大小的因素主要有发射和接收线圈的相对位置、线圈周围的介质、线圈的匝数、匝间距以及平均线圈半径，等等。

发明内容

本发明的目的在于针对医疗植入器件提供一种医疗植入器件无线能量传输系统中互感系数的优化设计方法。

本发明的WPT系统在HFSS中的鸟瞰图和侧视图如图1、图2所示。其中，T_X为发射线圈，R_X为接收线圈。R_in和R_out分别是发射线圈的内径和外径；R₂为接收线圈的半径，n₂为接收线圈匝数；R_av为发射线圈的平均半径，R_av＝0.5(R_in+R_out)，b为发射线圈的外径和内径之差，b＝R_out-R_in)；n₁为发射线圈匝数；h为接收间距和发射线圈之间的间距；d₀为接收线圈和发射线圈的水平偏离；θ为接收线圈在竖直方向上的角度偏转。

电磁感应无线能量传输系统中互感系数(M)的计算公式为：

其中，μ₀为真空中磁导率，K和J分别为第一和第二类椭圆积分，k_m为椭圆积分模：

其中，n为量化系数，可取0,1,2,3,…,n越大，M的计算结果越精确。

由于医疗植入器件的尺度越来越小，器件本身是毫米量级，集成在器件内部的能量接收线圈(R_X)大小受到严重限制。如此小的线圈，如何提高能量传输效率和负载获得功率，是普遍关心的问题。解决这个问题的关键，是提高电磁感应中互感系数。