医用无线内镜供能系统研究与实现

摘要

能量问题是医用无线内镜（以下简称无线内镜）所面临的首要问题。常见的无线内镜只能在人体肠道内随肠胃蠕动而被动运动，要使其能够拍摄更高像素和帧率的图片，并且具有定向运动、布药甚至是手术功能，必须使其获得充足而稳定的能量供给。现今成熟的医用无线内镜成像技术为电荷耦合(Charge coupled Device，CCD)成像技术，CCD图像传感器对供电电压具有较高要求，传统电池供电方式很难满足新一代医用无线内镜的需要。经过大量研究，无线电力传输系统(Wireless Power Transmission，WPT)已经具备了完善的理论体系，积累了大量的实际工程经验，因此将WPT引入医用无线内镜系统已成为研究热点。
　　本文首先对无线供能系统的位置稳定性、姿态稳定性和频率稳定性进行了理论分析。由于接收线圈在人体内位置、姿态不断变化，且发射端LC回路容易发生失谐问题，本文提出了位置稳定性、姿态稳定性和频率稳定性三种稳定性研究。针对这三种稳定性问题，分别给出了赫姆霍兹(Helmholtz)发射线圈结构、三维接收线圈的结构和开关电容结构，用以减少稳定性问题所引起的系统效率降低。
　　其次将无线内镜供能系统的效率问题分解为发射、耦合和接收三部分的效率问题，对各个部分的效率情况进行了深入研究，针对无线内镜供能系统传输效率较低的问题，在各部分的方案选择中以效率为首要考虑因素，尽可能提升每个部分的传输效率，进而对大限度的提升系统整体效率。通过对线圈的高频特性进行分析与测试，给出了无线内镜供能系统的线圈优化方案，通过提升线圈的Q值达到提高系统接收效率的目的。并且在COMSOL环境下对无线供能整体系统进行了电磁仿真，仿真结果验证了系统方案的可行性。
　　最后给出了医用无线内镜无线供能系统的具体电路实现，包括体外能量发射模块、体内能量接收模块和发射与接收线圈结构。设计了以全桥逆变电路与赫姆霍兹线圈为主体的发射模块，DC-DC与LDO两级稳压电路的接收端，以及采用利兹线绕制的发射与接收线圈。最终研制了无线供电系统样机，实现了发射端30W的发射功率，接收端20mW的接收功率，系统样机运行结果表明所设计的系统具有实用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 课题相关技术研究现状

1．2．1 无线供电技术研究现状

1．2．2 无线内镜研究现状

1．2．3 无线内镜供能技术研究现状

1．3 本文主要工作

第2章 无线内镜供能系统稳定性分析

2．1 姿态稳定性

2．1．1 解决方案

2．1．2 三维接收线圈姿态稳定性

2．2 位置稳定性

2．2．1 解决方案

2．2．2 赫姆霍兹线圈磁场分布

2．3 频率稳定性

2．3．1 解决方案

2．3．2 开关电容补偿电路原理

2．4 本章小结

第3章 无线内镜供能系统效率研究

3．1 无线供能系统传输效率

3．2 谐振补偿网络

3．3 电路效率

3．3．1 发射电路效率

3．3．2 接收电路效率

3．4 本章小结

第4章 无线内镜供能系统线圈设计

4．1 高频电流效应

4．1．1 集肤效应

4．1．2 临近效应

4．2 利兹线设计

4．2．1 线圈电磁特性

4．2．2 铁芯对线圈特性影响

4．2．3 系统电磁仿真

4．3 本章小结

第5章 无线内镜供能系统实现

5．1 补偿电容设定

5．1．1 串联谐振电路

5．1．2 谐振电容

5．2 能量发射模块

5．2．1 逆变电路

5．2．2 MOSFET驱动电路

5．2．3 阻尼吸收网络

5．2．4 开关电容电路

5．3 能量接收模块

5．3．1 并联整流电路

5．3．2 稳压电路

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表过论文及参与项目