的方法改善失调和无线电力传输到生物医学植入物使用迂回地穿戴的环形天线

文摘

的方法来提高无线电力传输(WPT)植入式医疗设备使用环形天线。天线展品强磁场和密度通量线分布沿两个正交轴插入天线区域内的港口。这个设计对偏差显示了优良的性能y方向和更高的WPT比传统的方形环天线。两个天线进行了优化基于这种方法,一个可穿戴的和其他植入。天线工作在ISM(工业、科学和医疗)的433 MHz WPT和MedRadio(医疗设备无线电通讯服务)401 - 406 MHz频带通信。测试WPT植入式医疗设备,小型整流器与一个大小为10毫米×5毫米旨在整合形成一个植入式微波天线。的力量传递给负载4.7 kΩ可以高达1150μW 230 mW电力传输时仍在安全极限。这个设计可以直接用于电力起搏器、神经刺激器或葡萄糖测量系统需要70年μW, 100μW, 48μ分别W直流电源。

1。介绍

无线电力传输(WPT)植入式设备在过去的十年里吸引了大量关注。这是一种很有前途的选择提供电力的植入可能避免手术需要更换电池(1]。这种权力转移发生在接收器感应电压时由于电场和磁场产生的外部发射机(2]。

传统上,无线传递能量的两个主要技术的植入物存在。第一个是使用天线远场传输(3- - - - - -9]。一个外部天线放置远离身体力量和通过植入式天线与植入物。这种方法限制了病人的流动,使整个身体辐射功率。第二个方法是两个线圈之间的电感耦合(10- - - - - -19]。这些线圈应该保持一致;否则,强烈的电磁耦合将丢失。

电感耦合并不局限于线圈。天线可用于电力传输基于这种技术是否放置在近场区域内近距离。这些天线可穿戴在身体和用于无线充电以及与植入物。环形天线被广泛用于此目的的文学,因为高磁场在近场区域。一双方形环天线是用来描述人类头上的效果在MedRadio射频信号的传输带(20.]。另一个循环回路和三角形贴片天线是用来改善通信与植入物(21]。在[22),建立了近场无线电力链接之间的大脑植入领结天线和一个off-body外环形天线。metasurface-based WPT链接包括传输补丁,和接收植入式环形天线提出了(23]。双环形天线宽带开发与植入式天线(WPT和通信24]。一双方形环天线用于WPT (25]。寄生贴片植入式天线是用来改善WPT发射阵列天线(26]。提出了一种多波段天线与地面t型槽WPT和遥测(27]。一个圆环形天线和一个植入立方环形天线用于驱动脑机接口(28]。在这些应用中,很难准确知道植入物的位置和方向。因此,预计将出现偏差问题。

偏差是WPT的最具挑战性的问题之一。以前的工作进行调查和解决该问题。多个圆形线圈被用作视网膜植入系统解决方案提高WPT和减少偏差效应(29日]。典型接收机定位和位置更好的WPT基于磁场分布进行了研究使用螺旋线圈容忍偏差(15]。在[30.),多个发射和接收线圈之间的中继器线圈被用来减少偏差效应和提高WPT通过改变中继器的方向。在[31日在传输端),一个自适应阻抗匹配是用来改善轴向偏差。其他研究人员提出了一个解决方案来解决偏差通过使用并行和正交二次线圈的绕组32,33]。在[14),圆形螺旋,螺旋线圈在碗的形状作为发射机和矩形螺旋,螺旋线圈铁氧体磁芯作为接收器被用来补偿失调问题。介绍了另一种解决方案使用方形环天线(34)通过使用一个分布式阵列的传输循环改善WPT的横向错位。大多数的建议的解决方案是复杂和笨重的尤其是对生物医学应用。本文介绍了紧凑的解决方案使用环形天线。这个解决方案是平面和小。不需要匹配解决方案或额外的数组元素提高WPT的效率和错位问题。此外,这种设计可以工作在两个乐队MedRadio (401 - 406 MHz)和ISM (433 MHz)。这些使提出的设计非常适合生物医学应用。

本文组织如下。节2,并给出了天线设计和性能分析。部分3关注的是可穿戴和植入式天线之间的偏差分析。部分4论述了WPT测量。结论最后的部分5。

2。天线设计和性能分析

环形天线最常用的天线类型的身体因为高磁场在近场区域。与生物材料相互作用的磁场可以忽略不计(2),然后,天线由高介电常数对解谐更健壮的身体。

环形天线可以被视为一个线圈。中给出的两个循环之间的电感耦合可以简化电路模型如图1,在那里l,R,C是自身电感、电阻和电容的天线,分别。用两个循环之间的相互耦合 。下标的p和年代分别指的是初级和二级循环。

WPT来自更好的耦合系数的提高由于高根据

传统方法提高WPT是增加磁场通过增加通过添加更多的转向自身电感线圈或增加天线导体的长度。这将导致更高的感应电压的接收器根据以下方程[法拉第定律2]: 在哪里在接收机的感应电压,是工作频率,是自由空间的渗透性,是产生的磁场源区域的接收机年代。然而,任何偏差可能导致的损失在WPT磁链,然后减少。

WPT不对称天线之间建立了植入物因为二级植入式天线远小于主可穿戴传感器由于高介电常数的身体组织。辅助天线的精确位置对主在植入一个是无担保的,因此,偏差,然后减少WPT效率可能发生。

重要的是要找到一个适当的设计,可以提供更好的耦合当接收方遇到不重合的位置。通量线分布的理解可以帮助修改这个分布得到较大的磁链与接收者然后更高的耦合系数 。

循环波动天线提出了本文如图2。周长约一个环形天线λ(波长)表现得像一个折叠偶极子天线有两个λ/ 2偶极子。电流的方向沿两部分都是一样的,如图3(一个)。表面电流沿每个减半将最大的中心,成为较弱的末端。这些电流产生的磁场在导线的方向遵循右手法则。结果,生成的字段将在相反的方向在中心区域的常规环形天线,将相互抵消。这将导致弱磁场在中部地区和更强的边缘会出现在部分2和3。

周围的磁场分布在封闭的线源导体。可以生成更大的感应电压的接收器当这些线的有效部分接收机天线在一个合适的方向。这意味着z组件的磁线水平导体沿x设在如图3 (c)分布在垂直封闭的线。它可以引起电压水平导体的接收机虽然不太有效的垂直的导体。相同的场景适用于水平关闭行字段从垂直指挥。重塑为生成的磁场分布在目标接收机设计一个高效的WPT系统是很重要的。

2.1。可穿戴迂回地环形天线的配置

当日,环形天线技术,帮助减少天线的大小(35]。内部的磁场区域的循环可以通过蜿蜒的天线合并在一个特定的方式来创建一个建设性的组合。重定向的表面电流提出了这项工作,如图3 (b)。一个强大的磁场和再分配可以生成磁通量的几乎整个地区的天线。这可以通过拖动激动人心的港口到内部区域。天线已经在双方得到波动较小的天线在同一工作频率大小。新设计取得了两个优点:第一个是生成结合磁场建设性地在大多数天线区和第二个是生成的磁场强沿着两个不同的轴xy飞机的天线。沿着两个轴电流产生磁线垂直和水平分布在封闭的线,和生成的字段是在几乎所有天线区域如图3 (c)。密集的正交线提供更好的耦合与接收机在不同的位置,然后改善WPT。此外,它将改善失调问题将节中讨论3。

该天线覆盖MedRadio乐队和ISM群433 MHz。这个天线是通过减少铜表制作的形状。铜皮的厚度是0.1毫米。这个厚度不显著影响天线的性能。模拟辐射效率和增益的天线在一个人体模型,由4层如图4分别是1.13%和−16.5 dB。这些层的属性被定义为中科体素的biotissue家庭宽带属性从0.1到3 GHz如表所示1。这些层的厚度是2毫米,1毫米,2毫米和95毫米的衣服,皮肤,脂肪和肌肉。这些值将低由于高能源组织的吸收速率。天线适用于机身沟通MedRadio乐队植入式天线或off-body通信之间的中继器植入式天线和外部远读者基于链路预算(36]。广场循环优化覆盖所需的乐队使用CST软件。它的尺寸90毫米×90毫米和条宽5.4毫米和8.6毫米喂养的差距。

标准的模拟反射系数平方循环,该曲线可穿戴天线对人体模型如图5。这些天线优化匹配50Ω使用CST。提出循环有一个窄带宽由于蜿蜒的技术比传统的循环,但仍有足够的带宽65 MHz覆盖所需的乐队。

2.2。磁场强度

拟议的扑鼻环形天线的目的是被附加到身体组织可穿戴天线。平方循环,该循环天线进行评估使用CST微波工作室古斯塔夫身体体素模型和简化的人体模型如图4。结果在两个身体模型是在良好的协议,使用简化的人体模型在大多数模拟。简化的人体模型的大小是选择符合容器,用于测量将部分所示4。

生成的磁场强度z提出了天线的方向图所示5检查的两个主要的轴吗xy飞机,相比之下,传统的方形环天线,如图6。在这个图中,循环显示在网格领域传统的广场是占主导地位的主要沿x设在。弱场,因为电场线的内部区域结合狼狈地如前所述。然而,该领域仍然存在虽然弱因为包含进料口的导体表面电流和最高贡献更高的领域。这个弱点的影响将会非常明显的耦合接收器沿着y设在。在环形天线波动的情况下,结合在磁场存在x -和y相互重合,比传统的案例如单杠如图所示6。它可以注意到中部地区最强的领域,因为它包含激励端口。字段中可以观察到整个地区的天线与传统相比生成领域主要沿边缘。这给了更大的灵活性和更好的耦合的接收机在不同方向的偏差将会出现在部分3。

2.3。特定的吸收速率

特定吸收率(SAR)是一个重要的因素来衡量组织的吸收功率(1,37]。它主要是由电场如图所示 在哪里(公斤/米³)是质量密度,(S / m)的电导率是组织,和(V / m)是电场强度。

内的最大传输功率使用安全规则可以根据这个值计算。FCC SAR的监管1.6 W / kg / 1 g平均被认为是确定的可用性提出了可穿戴天线的限制。发现通过计算特区使用CST工作室,该设计可以用于传动功率274兆瓦。这种力量限制将被认为是评价WPT的天线的性能。

3所示。可穿戴和植入式天线之间的偏差分析

失调问题打破了WPT系统的最佳操作条件,和WPT效率可以显著减少。由于磁场分布,提出设计显示了强劲的性能对失调问题。

展示设计的可行性,植入式天线进行了优化基于相同的方法可穿戴天线。这个植入式天线将用作接收器使用可穿戴天线测量透射系数S21沿着不同的抵消场景。植入式天线的大小远小于的可穿戴天线的尺寸比1:18.3。

3.1。植入式天线

植入一个环形天线的结构设计类似于拟议的可穿戴天线,如图7。平可穿戴天线的结构修改,可以弯曲圆柱形植入与最小尺寸11毫米的长度和半径3.5毫米,很少的空间将会占据的天线。这个植入式天线显示宽带响应在这两种情况下,平坦的和弯曲,如图8。

这两个结构覆盖所需的乐队的402 - 405 MHz和433 MHz。植入式天线的辐射效率,并获得0.056%和−28.5 dB,分别。这些值预计由于身体组织的高损耗和体积小的天线。

植入式天线是由薄铜皮厚度为0.04毫米。防止直接接触天线材料的组织,植入式天线周围是0.04毫米的薄聚丙烯胶带。这个薄层对天线性能的影响可以忽略不计。

3.2。偏差分析

一对可穿戴和植入式天线之间的偏差调查S21。植入式天线插入体内30毫米深度模型。然后转移x,y和(x,y在方位角)偏移和旋转θ显示在图9。结果是与一对标准矩形磁滞回线测试在同一场景。

偏差的调查显示在图10。表明,当植入式天线有抵消的x设在,该天线具有相似的响应与循环因为对磁场沿相对强劲x设在如图10 ()。但S21的大小大约是4 dB更好的结果产生的强磁场提出曲线移动天线。沿着y设在,新轴的影响非常明显。提出对抵消大约有一个稳定的反应和更好的S21 5 dB平均比广场循环如图10 (b)。

图10 (c)表示斜抵消。提出对广场有一个更稳定的响应与循环的优势2 dB多达7 dB。这种优势来自沿着两个磁场的强度x- - -y相互重合,这样弱耦合从一个方向可以补偿另一方向。激动人心的港口内部区域的位置增加了更多的优势使反应平稳而反应在广场上循环的情况下更偏向一边兴奋的港口。另一个抵消了周围的植入式天线方位角旋转。两双的反应是相似的,但提出的设计仍有S21如图4 dB更好10 (d)。

3.3。透射系数测量提出了设计

拟议的可穿戴和植入式天线制造和测试在切碎的猪肉,模仿人体组织(9,37]。测量的透射系数S21评价WPT如图11。

同样的程序检查S21中提到的部分3.2是重复的。的偏移量x设在和y设在方向,斜(x,y在方位角)偏移和旋转θ被检查。S21的测量结果是在良好的协议与模拟一个如图12。这些结果验证该设计的优点。

4所示。无线电力传输

WPT是调查的真正力量,可以交付到目标设备使用提出的天线。整流电路是开发和集成的植入式天线微波。微波的作用是捕获发射机的射频信号并将其转换为直流电源用于驱动植入式设备直接或充电电池。整流器的设计和测试在这一节中解释和分析最大功率交付在安全范围内。

4.1。的整流器

整流电路的尺寸10毫米×5毫米与植入式天线设计集成。整流器的几何细节与组件值如图13。这个设计是基于电压倍压器电路的原则使用双零偏压肖特基二极管hsm - 2822从安华高科技38]。先进的设计系统软件2011.01被用于开发电路。优化过程使小型化这整流器是基于减少输电线路的大小,然后,可以补偿整流器的整体性能调优集中元素的值。

然后集中组件近似真实值,和输电线路的大小略有改变检索整流器的最佳性能。这个过程重复多次获得较小的整流器,直到达到最大小型化。LC匹配电路是用于转换整流器的输入阻抗为50Ω,这样就可以直接连接到天线。

整流器显示最好的响应在一个负载值4.7 KΩ。它有一个射频直流转换效率28%的10−dBm输入功率超过10 dBm输入功率的70%。这种整流器可以提供超过50%的效率,当输入功率大于−4 dBm。效率的差异的主要原因是因为二极管的阻抗与输入功率变化,因此,整流器的效率是一个函数的输入功率。电路是捏造的特耐用5880衬底相对介电常数为2.2和1.57毫米的厚度。

测量设置如图14。它由一个信号发生器来养活整流器和万用表测量负载上的电压。一系列输入大国在433 MHz已经应用于电路。它与输入功率整流效率50%−4 dBm和效率是增加输入功率的增加,直到价值10 dBm饱和效率在76%左右。模拟和测量效率很好的协议如图15。

4.2。最大的功率输出

限制使用可穿戴天线和植入式微波测试。首先,提出设计测试的低输入功率下10兆瓦来演示系统的能力提供足够的电力负载。实验设置包含一个信号发生器,一立方容器尺寸9厘米×10厘米×17厘米满免治猪肉模仿人体组织,和一个电压表测量电压,如图(16日)。50Ω同轴电缆用于连接整流器植入式天线。值得一提的是,同轴电缆的耦合强度没有影响,珠被添加在连接器上。测量没有明显改变了这些努力。10 mW可用输入功率可穿戴天线,接收功率的负载是13μW。

功率放大器用于提高传输功率的水平达到274兆瓦,如图16 (b)。输出直流电压和功率测量对一系列的输入功率不超过安全限制根据SAR如图17。总功率传输效率被定义为 在哪里是总无线电力传输效率包括RF射频和射频直流转换效率。和是权力交付给传输和电源的负载可穿戴天线,分别。

这些结果表明总功率传输效率为0.1%时,可用功率可穿戴天线是10 mW。效率相对较低主要是因为低RF射频传输效率由于高组织损失。效率可以增加0.5%时,可用功率超过50兆瓦。

超过1000的直流电源μW可以收获一个输入功率下的安全限制。接收功率足够力量许多常见植入式医疗设备如起搏器、神经刺激器和葡萄糖测量系统,需要70年μW (39),100年μW (40),和48μW (41]权力,分别。

5。结论

本文提出一种新颖的方法设计一个环形天线产生强磁场波动在两个正交轴。新的设计显示了显著的优势提高WPT和健壮性失调问题。

两个循环波动天线设计是基于同样的方法形成一对兼容的可穿戴和植入式天线。提出对与一对传统的方形环天线。新设计的耐受性很好对不同方向的偏差和更好的电力传输。然后整流电路的10毫米×5毫米大小的设计和优化是使用植入式天线微波。依使用可穿戴天线作为WPT系统。该整流器执行射频直流转换效率50%至70%的输入功率−4 dBm 10 dBm。

测量结果验证了模拟。总体结果提出设计显示了显著的优势。输出直流电压和功率对不同的输入在安全范围内测量。超过1000的直流电源μW可以收获条件下可穿戴天线的发射功率下的安全限制。这个数量的力量足以直接权力许多常见植入式医疗设备包括起搏器,神经刺激器,葡萄糖测量系统。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以根据客户要求提供。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的跨学科网络基金拨款,英国,和高等教育发展委员会(hc)、伊拉克、赞助D-10/66之下。

引用

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