面向植入式医疗设备的超声无线能量传输系统的设计

论文摘要

随着现代化医疗技术的不断发展,有源植入式医疗设备（AIMDs）在各种疾病的监测与治疗中扮演着越来越重要的角色。然而,这些医疗植入物的研制和发展很大程度上却取决于支持它们在体内持续工作的能量供给方法。早期通过体外拖缆的供电方式,因其在术后具有较高的感染率和并发症已经被淘汰;对于采用电池供电方式的设备,也因体积大、寿命短等原因而无法得到广泛应用。因此,能量的长期、稳定和可靠供给成为了植入式医疗设备应用领域亟待解决的问题。超声经皮能量传输（UTET）是一种很有前景的无线能量传输技术,其可为有源植入式医疗设备提供能量,以延长设备的使用寿命。本文主要完成了以下几个方面的工作:针对UTET系统中存在的不可预测的组织分离变化对功率传输效率（PTE）的影响,研究了一种基于阻抗相位测量的频率补偿方案;利用压电复合材料具有的体积密度低、易与组织声阻抗匹配的特点,制备了一种带匹配层的1-3型PMN-PT复合材料压电超声换能器;以STM32单片机为控制核心设计了一款E类功率放大器,用于驱动发射端压电换能器;设计阻抗变换网络对接收端换能器进行阻抗匹配,并优化设计由整流滤波、DC-DC转换器和电源充电管理等模块组成的超声能量收集器,实现对植入侧超声能量的转换和存储。本文搭建了系统整体实验平台,分别在水浴和猪肉组织两种能量传输场景中对系统的性能进行了测试和评估。实验结果表明,所设计的E类功率放大器和超声能量收集器在频率调谐范围内均能够较高效率地工作。在组织分离随机变化时,基于频率补偿的方案在调节PTE方面也显得较为有效。总体而言,所设计的系统结构简单、性能稳定,基本能够满足AIMDs小型化、轻量化及高效率的要求,但依然有可提升的空间。

论文目录

摘要

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专用术语注释表

第一章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 植入式医疗设备不同供能方式比较

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要工作及行文安排

1.4.1 论文主要工作

1.4.2 论文行文安排

第二章基于频率补偿的UTET系统的基本理论

2.1 超声经皮能量传输系统结构

2.2 声波在介质中传播特性分析

2.2.1 声场中的能量关系

2.2.2 介质的特性声阻抗

2.2.3 介质中声衰减规律

2.2.4 远近声场特性

2.3 压电超声换能器相关原理简介

2.3.1 换能器的等效电路模型分析

2.3.2 换能器的电学匹配基本原理

2.3.3 换能器的声学匹配基本原理

2.4 最大效率传输的频率补偿分析

2.4.1 全局最佳频率及频率调谐范围确定

2.4.2 阻抗相位跟踪最高效率的频率方法

2.5 本章小结

第三章超声无线能量传输系统实现

3.1 超声链路中压电换能器制备

3.1.1 压电材料对比与选择

3.1.2 PMN-PT复合材料换能器制备

3.2 超声链路中功率放大器设计

3.2.1 功率放大器设计要求

3.2.2 功率放大器对比与选择

3.2.3 E类功率放大器工作原理

3.2.4 E类功率放大器参数设计

3.3 超声链路中能量收集器设计

3.3.1 能量收集器整体结构

3.3.2 阻抗变换网络设计

3.3.3 整流滤波电路设计

3.3.4 DC-DC转换器设计

3.3.5 充电接口电路设计

3.4 系统软件设计

3.5 本章小结

第四章系统测试与结果分析

4.1 压电换能器模块测试

4.2 功率放大器模块测试

4.3 能量收集器模块测试

4.4 系统整体性能测试与分析

4.4.1 水浴中不同分离距离实验

4.4.2 猪组织介质频率补偿实验

4.5 本章小结

第五章总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 未来工作展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间申请的专利

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周波

导师: 曹自平

关键词: 无线能量传输,超声波,植入式医疗设备,换能器,功率传输效率

来源: 南京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,工业通用技术及设备,仪器仪表工业

单位: 南京邮电大学

分类号: TH789;TB559

DOI: 10.27251/d.cnki.gnjdc.2019.000213

总页数: 77

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