植入电子器件体导电能量传递的场路耦合模拟研究

摘要

一切植入医学电子器件都需要电能，电源技术则为其可靠运行提供能量保障，并且是影响其功能、小型化、寿命的关键性技术之一。因此研究跨皮肤组织高效率地向植入医学电子器件传递能量具有重要的学术和医学意义。虽然电池供能和磁感应供能技术得到了广泛的临床应用，但由于电池容量有限，导致电池供电的植入器件的工作寿命较短；而皮肤组织的传导作用使磁感应耦合的能量传递效率低，并且存在较强的射频干扰。利用生物组织的体导电特性将体外电能跨皮肤传递给体内植入电子器件是能够克服前述供能技术不足的一种新兴的能量供给方法。
　　 为了真实、动态、整体地模拟仿真体导电能量传递系统，建立了体导电的场路耦合物理模型。针对复杂边界条件下准静态电场和电路的耦合问题，应用标量电位()法描述体导电准静态电场定解问题必须满足的控制方程和边界条件式，并结合外电路约束下电极处电压和电流所满足的电路方程，得到了电场电路直接耦合的数学模型。并采用数值方法求解，由伽辽金加权余量法导出了体导电场路耦合的有限元方程组。给出了利用有限元软件(COMSOL3.5a)仿真计算的具体步骤和实现方法，并详细说明了其中一些关键性问题。
　　 基于体导电的场路耦合模型深入探讨各物理因素对能量传递效率的影响。搭建圆形柱体电极所对应的场路耦合有限元模型，仿真分析了电极尺寸和边距对能量传递效率的影响，结果表明电极横截面积和间距的大小改变系统阻抗分配，电流传递效率随它们的增大而增大；仿真分析了电源参数对能量传递效率的影响，结果表明激励电源的频率改变系统阻抗值大小，激励电压幅值改变流经皮肤组织电流的大小，二者均不影响系统阻抗分配及能量传递效率；仿真分析了电路参数对能量传递效率的影响，结果表明当皮肤电极单元一定时，设计者可通过调节体外电路等效阻抗大小改变系统电压传递效率，调节体内电路等效阻抗大小改变系统电流传递效率，并且当体内外为纯电感电路时，传递效率达到理论最大值。
　　 皮肤电极单元集总参数计算方面，本文提出了基于场路耦合的变载法，并仿真计算了不同电极边距、横截面积以及不同激励电源频率下皮肤电极单元的网络阻抗参数。首先考虑到体导电的场路耦合模型不需涉及皮肤电极单元内部任何复杂的电路计算，将皮肤电极单元等效为二端口网络，建立端口处电压与电流的网络参数关系。然后，运用全相位FFT谱分析提取电量信号的幅值和相位，在此基础之上，应用变载法直接计算出皮肤电极单元的端口网络参数。最后，通过电路仿真以及同相关实验数据进行比较验证了数值结果的准确性，表明所提出的方法确实可行。
　　 根据皮肤电极单元集总参数的计算结果，并结合皮肤电极单元的x等效电路模型，推导了体导电系统的电流和电压传递函数，并借助具体电路数据分析了体外电路等效阻抗对电压传递效率的影响，体内电路阻抗对电流传递效率的影响，以作为电路设计和评价系统性能的依据。
　　 理论和仿真证明：体导电能量传递技术可为植入电子器件的设计和制造提供有别于磁感应技术的另一个选择方案。