植入電子器件的體導(dǎo)電能量傳遞原理及方法研究.pdf

1、各類植入電子器件的公共技術(shù)問題之一是如何有效地向植入電子器件提供足夠的電能，維持其長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的功能。盡管植入電子器件存在多種可能的供電方案，但目前只有電池供電和磁感應(yīng)供電技術(shù)得到廣泛的臨床應(yīng)用。對(duì)電池供電的植入電子器件，由于電池容量受限，導(dǎo)致植入電子器件的使用壽命較短，例如心臟起搏器的實(shí)際壽命是2-5年。當(dāng)然，磁感應(yīng)耦合技術(shù)可將豐富的體外電能傳遞到體內(nèi)植入電子器件，但由于生物體中存在著大量的離子型體液，其傳導(dǎo)作用

2、使磁感應(yīng)耦合效率低；同時(shí)，為了向植入電子器件提供足夠的能量，磁感應(yīng)耦合的發(fā)射線圈必須發(fā)射較強(qiáng)的射頻功率，它又將對(duì)附近的醫(yī)學(xué)設(shè)備等形成較強(qiáng)的射頻干擾。 為了克服磁感應(yīng)技術(shù)的缺點(diǎn)和延長(zhǎng)植入電子器件的使用壽命，本文提出利用生物組織的體導(dǎo)電特性將體外電能跨皮膚地傳遞到植入電子器件的可充電電池來維持植入電子器件長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。本文重點(diǎn)研究了體導(dǎo)電能量傳遞的原理，即采用緊貼皮膚的電極組(稱為電極皮膚單元)，利用生物組織的離子型傳導(dǎo)電

3、流將激勵(lì)到體外電極組的電能耦合到體內(nèi)電極組，并傳遞到植入電池和電子器件?？紤]到電極的極化效應(yīng)和離子型傳導(dǎo)電流的特點(diǎn)，體導(dǎo)電能量傳遞系統(tǒng)的電流應(yīng)為交流電流，從而形成了體導(dǎo)電能量傳遞的技術(shù)方案。 為了有效地分析體導(dǎo)電能量傳遞系統(tǒng)的特性，建立了具有明確物理意義的電極皮膚單元的x型等效電路模型，導(dǎo)出了X型等效電路參數(shù)與電極開路阻抗關(guān)系的計(jì)算公式；以電極皮膚單元的X型等效電路模型為基礎(chǔ)，提出了分析體導(dǎo)電能量傳遞系統(tǒng)特性的電路分析方法。與數(shù)

4、值計(jì)算電極皮膚單元的泊松方程或拉普拉斯方程比較，電路分析方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、概念明確的特點(diǎn)，能分析體導(dǎo)電能量傳遞系統(tǒng)的整體特性。用電路分析方法系統(tǒng)地分析了體導(dǎo)電能量傳遞電路的特性：交流電流傳遞效率、植入電池的充電條件、充電電流傳遞效率、能量傳遞效率。通過電路分析，發(fā)現(xiàn)了決定體導(dǎo)電能量傳遞系統(tǒng)特性的主要參數(shù)：輸入回路阻抗比(ILIR)、輸出回路阻抗比(OLIR)和電壓比(V<,1>/V<,2>)，這些參數(shù)確定了體導(dǎo)電能量傳遞的效率。由此，提

5、出了提高體導(dǎo)電能量傳遞效率的方法：阻抗法和電壓法。通過電路分析，還發(fā)現(xiàn)了體導(dǎo)電能量傳遞系統(tǒng)的另一些重要特性：植入電池的充電條件和充電電流傳遞效率極限。根據(jù)植入電池的充電條件和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，作用在體外電極組的最佳信號(hào)波形是交變方波。 根據(jù)體導(dǎo)電能量傳遞技術(shù)方案和電路分析結(jié)果，設(shè)計(jì)和制作了體導(dǎo)電能量傳遞原型電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：在工作頻率為 5 kHz 時(shí)，通過新鮮的豬皮傳遞到電池的充電電流是 2.8 mA，相應(yīng)的充電電流傳遞效率達(dá)到 27