能量和多路生物信号的经皮传输及其在生物医学工程中的应用

摘要

随着植入式人工器官（如人工心脏，人工关节，人工耳蜗等）越来越多的被应用于临床，这些人工器官的供能问题也正日益受到人们的关注。传统的电源植入方法由于电池寿命有限且需要反复进行手术进行更换而面临着越来越大的挑战。因此，为了永久的解决植入式人工器官的供能问题，必须研究一种能够通过电磁场进行无线能量传输的办法，使植入式器官感应外界磁场获取感生电流，为其提供工作能量。 同时有些人工器官还需要利用生物信号来控制其工作，例如人工假肢目前主要通过检测间接反映人脑意识的肌电信号作为控制信号源。由于肌电信号易受到皮下综合电场耦合、皮肤滑移以及其本身固有的间接性等因素的影响，因此无法满足多自由度假肢临床应用的要求。早在80年代就有学者提出利用神经信号控制多自由度假肢的设想，其原理为利用植入的神经信号电极检测各种与控制手部动作的主导肌肉群相关的神经信号，经过放大及处理，将代表控制意识的信号发往体外，体外电路接收该信号后识别出对应动作，进行控制假肢。从以上讨论可以看出，能量和控制信号的经皮传输是植入式人工器官能否广泛应用于临床的关键。 针对上述植入式人工器官在医学上的实际应用要求，我们在能量和控制信号的经皮传输中着重研究了微弱生物电信号的放大处理，能量的高效经皮传输，多路生物电信号的时分调制、发射、接收和解调识别等方面的问题。我们设计并研制出了神经信号假肢系统，该系统植入体内的电路部分是无源的，它通过一对分别埋入皮下和置于体外的线圈经过射频磁场耦合产生电流进行工作，通过耦合进行能量传输的效率达到70％以上。体内的放大处理电路可以实现将±5μ V的模拟神经信号放大到±5V，放大过程排除了50Hz工频和10KHz以上的高频干扰，并能通过对生物电信号幅值包络线的检测，判别是否带有动作信息。该系统利用上述这对线圈可以在能量传递的同时以9．6Kbit/s的速率传递多路控制信号，体外电路接收这些信号后，采用约定的时分解调规则识别出对应的控制动作，从而实现对假肢的控制。 我们对这套电路系统进行了模拟神经生物电控制的多自由度假肢实验，经测试，掌指的动作响应时间、多自由度协调性、控制精度以及系统可靠性等方面均能满足实际应用的要求。 本课题的研究解决了植入式装置应用中的能量供应和信息传输两个关键问题，同时课题研制的多自由度神经信号假肢模型也为神经信号假肢的发展和临床应用提供了重要的技术条件。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章研究背景及系统概述

1.1经皮能量、信息传输技术

1.2人工前臂假肢研究现状

1.3神经信号假肢系统介绍

第二章神经信号的提取及处理

2.1神经信号获取途径及特征

2.2神经信号放大及处理方案设计

2.3前置放大设计方案

2.4信号辅助放大及处理电路设计

第三章经皮能量传输

3.1经皮能量传输中的功率放大器研究

3.1.1 E类功率放大器原理

3.1.2 E类功率放大器理论分析方法

3.1.3负载网络QL值的选取

3.1.4仿真试验及分析

3.2基于E类功率放大器的经皮能量传输

3.2.1经皮能量传输系统设计

3.2.2经皮能量传输电路参数选择

3.2.3能量传输仿真试验

第四章经皮信息传输

4.1体内信号向体外传输

4.1.1传输原理

4.1.2调制解调电路设计

4.1.3调制深度对功率传输的影响

4.2多路信号传输

4.3双向信号传输讨论

第五章假肢控制试验

第六章小结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表录用的学术论文