人体植入式无线传能及其智能充电管理系统的研究

摘要

医疗技术的不断进步，推动了人体植入式无线传能设备的广泛应用，在不久的将来人体植入式设备不仅是人类健康的重要保障，还是维持人类生命的重要设备。人体植入式设备在健康监护与临床应用方面具有非常广阔的应用前景。人体植入式设备旨在通过无创或微创手段实现对人类疾病的治疗与监护，从而可以避免二次手术给患者带来的各种风险。目前植入式人工耳蜗、老年人植入式监控设备等植入式医疗设备已经开始推广使用。本文首先对目前市场上应用的人体植入式设备进行了深入的研究，并分析了现有人体植入式设备的能量传输与控制方式，它们大都具有充电效率低、盲目充电以及数据传输困难等各方面的问题，因此我们在此基础上进行改进与创新，实现了一种更加高效与智能的人体植入式系统的设计方案。
　　本文首先对人体植入式无线传能的工作原理进行了介绍，目前无线电能传输主要通过电磁感应、电磁辐射和谐振耦合三种方式来实现。通过对这三种传输方式的工作原理与传输性能的比较，本文提出了基于谐振耦合的人体植入式无线传能方式，并在此基础上通过MATLAB以及HFSS对谐振耦合线圈的优化设计进行了仿真实验，并根据实验结果设计了与本系统相应的线圈模型。
　　在选择了适用于本系统的无线能量传输方式与线圈模型之后，本文对人体植入式无线传能系统的系统结构进行了介绍，并分门别类的对系统的各个模块的工作原理与硬件电路的实现进行了详细的介绍。本系统的硬件电路较传统的人体植入式无线传能设备的硬件电路而言，最大的创新点在于增加了调制解调电路。通过增加调制解调电路可以在高频电磁波的基础上实现载波通信，这种通信方式具有通信效率高、硬件实现简单等诸多优点。高效的通信方式可以实现体外设备对人体植入式设备控制的准确性与实时性，对于提高人体植入式设备的工作性能与寿命起到了至关重要的作用。最后在各个功能模块的基础上，本文提出了人体植入式无线传能系统的实现框图，并对该人体植入式无线传能系统的工作流程进行了详细的介绍。
　　在人体植入式无线传能系统的基础上，本文提出了与其相对应的智能充电管理系统。充电电池的性能是人体植入式设备工作的基础，本文首先对目前市场上较为常用的充电电池的性能进行了详细的介绍，并对它们的性能进行了综合比较，找到了适合于本系统设计的电池类型-聚合物锂离子电池。在此基础上本文还对各种电池性能的监测方法进行了比较，通过性能对比发现库仑法具有辅助电路简单、精确性高、受外界环境影响小等优点，因此本系统采用库仑法作为电池性能监测的方法，最后本文对与人体植入式无线传能系统相对应的智能充电管理系统的实现方式与工作流程进行了详细的介绍。
　　在系统的实现设计完成之后，本文还对人体植入式无线传能系统与智能充电管理系统的性能进行了实验。通过用高浓度盐水来模拟人体组织，对空气介质环境与高浓度盐水介质环境下的传输性能进行比较来验证本系统的可行性。最后通过改变充电设备ID记录的方式，对本系统的抗干扰能力以及充电过程的控制能力进行了实验，验证了本文所设计的智能充电管理系统的可靠性与实用性。
　　本文所设计的系统解决了传统人体植入式设备充电效率低、盲目充电以及通信困难所带来的各种问题，为人体植入式设备的应用和发展起到了积极的推动作用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 人体植入式无线传能设备的国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 智能充电管理系统及其研究现状

1．4 论文的研究内容与组织结构

2 人体植入式无线传能原理

2．1 无线电能传输方式

2．1．1 电磁感应无线电能传输方式

2．1．2 谐振耦合无线电能传输方式

2．1．3 电磁辐射无线电能传输方式

2．2 谐振耦合线圈的优化设计

2．3 基于HFSS的谐振耦合线圈模型的仿真实验

2．4 本章小结

3 人体植入式无线传能系统的设计

3．1 CPU主控单元

3．2 高频振荡电路

3．3 调制解调电路

3．3．1 调制解调的基本原理

3．3．2 锁相环的基本工作原理

3．3．3 调制解调电路的设计

3．4 高频功率放大电路

3．5 整流滤波电路

3．5．1 整流电路

3．5．2 滤波电路

3．6 充电电路与报警单元的实现

3．7 人体植入式无线传能系统的实现

3．8 本章小结

4 人体植入式无线传能设备的智能充电管理系统的实现

4．1 充电电池的选择

4．2 电池状态监测模块的实现

4．2．1 充电电池工作温度的监测

4．2．2 充电电池剩余电量的监测

4．3 智能充电管理系统的实现

4．2 本章小结

5 模拟与性能试验

5．1 人体植入式无线传能系统性能实验

5．1．1 空气介质实验

5．1．2 高浓度盐水介质实验

5．2 智能充电管理系统的性能测试实验

5．3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历

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