人体消化道微型诊查装置无线供能技术研究

题名:人体消化道微型诊查装置无线供能技术研究
作者:辛文辉
学位授予单位:上海交通大学
关键词:胶囊内窥镜;;无线能量传输;;传输效率;;亥姆霍兹线圈;;人体安全性;;比吸收率;;电流密度;;有限积分法;;离体实验
摘要:
 能量供给是人体消化道微型诊查装置(以下简称:微诊查装置)首要的和最基本的问题。要使目前的胶囊内窥镜具备主动运动功能,并且能以较高帧率、较清晰地获取消化道图像信息,对能量的需求非常大,以纽扣电池供电的方式已无法满足需要。
 基于电磁感应的无线供能技术已Magnetic lifter经在经皮能量传输中得到广泛应用,可采用此技术为微诊查装置无线供能。采用电磁感应方式供能时,体外发射线圈产生交变磁场,体内接收线圈感应产生能量,两线圈通过电磁耦合实现能量的无线传输。与经皮能量传输不同的是:在微诊查装置的无线供能中,体内、外线圈之间的距离较远;体内接收线圈的空间尺寸有限,且在人体消化道内的位置、姿态均不确定。这些因素导致了能量传输效率较低、且不稳定。要传输足够的能量,发射线圈产生的电磁场必须足够强,而这势必对人体组织产生不利影响。所以,微诊查装置无线供能研究要解决的核心问题是能量传输的稳定性、效率和人体安全性。
 微诊查装置被吞服后,在人体消化道内的位置和姿态均不确定。为了使微诊查装置在姿态改变时仍能获得较稳定能量,研究了姿态任意变换情况下获得较稳定能量的方法,设计了三维正交接收线圈和整流后再并联的接收电路,在微诊查装置的姿态改变时,可合成输出较稳定能量。为了使微诊查装置在位置改变时仍能获得较稳定能量,研制了亥姆霍兹结构的发射线圈。研究表明,采用亥姆霍兹发射线圈,可在人体消化道区域内产生较为均匀的电磁场,解决能量传输的位置稳定性问题。为了解决因发射线圈失谐而导致的传输效率下降问题,研究了改变逆变频率使发射线圈在新的频率下谐振和通过补偿电路维持发射线圈在原有频率下谐振两种方法的特点,得到了高品质因数耦合电路应通过维持发射回路和接收回路同频谐振来提高传输效率这一关键性结论,并对由开关电容组成的补偿电路进行了深入研究,以解决能量传输的频率稳定性问题。
 限于人体生理特征,微诊查装置的空间尺寸严格限定,要为微诊查装置提供足够能量,提高传输效率是关键。本文从决定传输效率的耦合、发射、接收三个方面入手,研究了提高传输效率的措施和方法。针对发射、接收线圈之间距离较远,接收线圈的尺寸较小而导致的两线圈之间耦合度弱的特点,研究了发射、接收线圈与匹配电容组成的并-并、并-串、串-并、串-串四种链路的传输效率,得到了能量传输效率最大化的条件,指出了串联谐振电路和并联谐振电路的不同适用条件,并从根本上揭示了影响能量传输效率的因素:耦合系数和线圈品质因数。通过优化耦合电路的谐振频率,选择合适的线圈参数、磁芯材料、负载因子,使传输效率有了一定的提高。为了提高发射效率,设计了全桥逆变电路,并配置了阻尼吸收网络,使发射电路能可靠、高效地工作。为了提高接收效率,研究了几种常http://www.999magnet.com/用整流电路的整流效率和接收功率,并综合考虑空间利用,为能量接收部分确定了合适的整流合成电路。为了给微诊查装置提供一个稳定的电压,设计了整流后两级转换电路。
 采用电磁感应方式为体内的微诊查装置无线供能时,体外发射线圈产生的交变磁场势必对人体组织产生不利影响,必须对电磁场与人体组织的相互作用进行研究,并对其安全性进行评估,这是无线供能技术应用于人体的安全性前提。当前,国际上公认的电磁安全性标准主要有国际非电离辐射防护委员会的导则和IEEE C95.1-2005标准,人体电磁安全性衡量的主要指标为感应电流密度和比吸收率(SAR)。由于目前还不能通过实验方法对这两个电磁剂量学量进行直接测量,数值计算方法是当前学术界普遍采用的方法。本文通过有限积分法,在高精度人体电磁计算模型上求解了人体组织中的电流密度、SAR等电磁剂量。高精度人体电磁计算模型以美国可视人体项目的数据集为基础,应用半自动图像分割技术,重建了包含56种人体组织的高精度三维真实人体结构模型,其分辨率达0.33mm×0.33mm×2mm;通过对人体结构模型中每种组织电特性的指定,建立了人体电磁计算模型。在求解了电磁剂量学量,并对体外发射线圈产生的电磁场进行安全性评估的同时,本文还分析了发射电流、电磁场频率等因素对电磁剂量的影响,并根据传输效率,为无线供能选择了最优工作频率,使其在传输足够能量的同时,对人体的不利影响最小。
 为了从整体上对以上的研究成果进行验证,本文还研制了一款功耗为90mW视频胶囊内窥镜,并进行了无线供能离体实验。实验结果表明,当发射功率为12.5W,在视频胶囊内窥镜的姿态、位置任意变化的情况下,均能传输出较清晰的视频图像,证明了本研究的有效性。
学位年度:2010