无线能量传输技术在体内微机电系统中的应用研究

摘要

随着微传感器技术、无线通讯、及生物电磁等技术的逐渐发展，承载这些技术的体内微机电系统和其他相关系统会越加完善，微创技术必将逐步取代传统的外科技术，成为医疗技术发展的新方向。体内微机电系统一般由微型电池供能，主要存在供能时间短和安全性等问题。而无线能量传输技术可以为体内微机电系统提供更好的能量供给方法。
　　 本文在综合分析国内外有关无线能量传输技术的研究成果的基础上，探讨了无线能量传输系统的结构，对该系统的工作原理和耦合特性进行了仿真计算，并采用自行搭建的实验系统，进行了试验研究。本论文主要完成了以下内容：
　　 1、基于无线能量传输系统的工作原理和耦合特性，利用有限元仿真软件ANSYS对整个无线能量传输系统进行了仿真和分析，研究了系统的耦合结构参数如气隙、铁芯对于初级线圈、次级线圈的电感和耦合性能的影响：研究了电路参数如工作频率、初级线圈和次级线圈的内阻和负载对于系统的输出功率的影响。
　　 2、在高频变压器理论分析和设计的基础上，进行体内微机电无线能量传输系统外围电路的设计和耦合结构的设计：次级采用两个正交方向的线圈，其尺寸Ф10×13mm。最后进行了系统的连接和测试。实验测试结果表明该系统可以成功驱动体内温度采集系统和无线视频采集系统的工作。
　　 3、在原理实验成功的基础上，利用Protel DXP对原理实验电路板重新设计与微型化，将原理实验板的尺寸降为直径为13mm，厚度为1．5mm的PCB，选择了现有的最小封装的贴片元件，进行电路板的焊接。并对微型化的无线能量传输系统进行实验的测试，测试结果表明微型化的系统可以为体内温度采集系统和无线胶囊内窥镜系统提供能量，使其正常工作。
　　 4、改善该系统的传输功率的稳定性为目的，设计了二、三维的无线能量传输系统，包括耦合结构和外围的微型化PCB。二维的外围的PCB充分利用了一维的PCB，将两块一维的PCB连接使用，并对二维的无线能量传输系统进行测试，测试结果表明能够较好地驱动胶囊内窥镜系统工作。设计的三维无线能量传输系统的外围PCB1为Ф15×1．5mm，设计的PCB2为Х13×1．5mm。然后探讨了无线供能的无线内窥镜系统的布局优化，设计了外壳的结构，进行了二维无线供能式内窥镜系统的组装和测试。
　　 本文在无线能量传输技术在体内微机电系统应用研究方面做了一些工作，但也存在一些不足之处，如稳定性和实际应用等，这些有待以后进一步研究和完善。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.1.1 微创医学的研究发展

1.1.2 无线能量传输技术在体内诊疗微机电系统中的应用意义

1.2. 基于感应电力传输的无线能量传输技术的发展

1.2.1 无线能量传输技术种类及对比选择

1.2.2 无线能量传输技术在体内微机电诊疗系统中的应用的发展现状

1.3 本论文的研究内容及结构

第二章 体内微机电无线能量传输系统的结构的建立和分析

2.1 引言

2.2 基于感应电力传输的无线能量传输系统结构及工作原理

2.3 耦合结构

2.4 外围的电路结构简介

2.5 本章小结

第三章 无线能量传输系统的耦合结构参数与电路参数的数值分析

3.1 引言

3.2 耦合性能影响因素的有限元分析

3.2.1 仿真的物理模型的描述

3.2.2 气隙对耦合性能的影响

3.2.3 铁芯对于耦合性能的影响

3.3 电路参数对于系统传输功率的影响的有限元分析

3.3.1 仿真的物理模型的描述

3.3.2 工作频率对于系统传输功率的影响

3.3.3 初级线圈和次级线圈的内阻对于系统传输功率的影响

3.3.4 负载对于系统传输功率的影响

3.4 本章小结

第四章 体内微机电无线能量传输系统的设计与原理实验研究

4.1 引言

4.2 体内微机电无线能量传输系统结构

4.3 耦合结构的设计

4.3.1 可分离高频变压器的影响因素

4.3.2 高频变压器的设计

4.4 外围电路的设计

4.4.1 初级能量产生系统的外围电路的设计

4.4.2 次级能量接收系统外围电路的设计

4.5 系统测试与实验验证

4.5.1 体内无线温度采集系统

4.5.2 无线视频采集系统

4.6 本章小结

第五章 体内微机电无线能量传输系统的微型化与实验测试

5.1 引言

5.2 系统微型化

5.2.1 次级绕组与电池组的比较

5.2.2 线路板微型化

5.2.3 元件的选择

5.3 系统测试

5.3.1 体内无线温度采集系统

5.3.2 无线胶囊内窥镜系统

5.4 本章小结

第六章 体内微机电多维无线能量传输系统的研究与集成初步

6.1 引言

6.2 多维无线能量传输系统

6.2.1 多维接收线圈的整流和连接模式

6.2.2 二维无线能量传输系统的外围电路板的设计与系统测试

6.2.3 三维无线能量传输系统的设计

6.3 无线供能式胶囊内窥镜系统集成初步

6.3.1 结构布局的确定

6.3.2 外壳结构设计、系统组装与测试

6.4 本章小结

结论与展望

主要工作和结论

本文特色与创新点

展望与设想

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢