磁耦合諧振無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)頭部植入線圈對(duì)人體頭部電磁輻射影響的研究

趙 軍 徐桂芝* 張 超 李 烜 李少充

1(河北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130)

2(中國(guó)科學(xué)院電工研究所前沿探索研究部，北京 100190)

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種功能的植入電子醫(yī)療產(chǎn)品不斷進(jìn)入人們的生活中，它們?cè)诩膊〉脑\斷、治療、肢體矯正、康復(fù)等方面發(fā)揮著巨大的作用，為患者帶去生活上的方便甚至延續(xù)著患者的生命。

電源技術(shù)是植入電子器件的諸多技術(shù)中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。盡管植入電子器件存在著多種可能的供電方式，目前各類生物體內(nèi)裝置普遍采用電池供電的電源模式，雖然電池容量在不斷增大，但由于其沒(méi)有實(shí)時(shí)能量補(bǔ)給功能始終存在電量耗盡的窘境。電能無(wú)線傳輸一直是人類的夢(mèng)想，多年來(lái)國(guó)內(nèi)外一些科學(xué)家執(zhí)著地開(kāi)展著這項(xiàng)研究，但進(jìn)展甚微。2007年MIT的科學(xué)家在電能無(wú)線傳輸原理上有了突破性進(jìn)展，他們利用電磁耦合諧振原理實(shí)現(xiàn)了中距離的電能無(wú)線傳輸，在2 m多距離內(nèi)將一個(gè)60 W的燈泡點(diǎn)亮，且傳輸效率達(dá)到40%左右，這種方法被稱作Witricity技術(shù)[1-2]。該技術(shù)與其他技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)可以定向的傳輸能量，只有當(dāng)諧振線圈存在時(shí)才能接收能量。由于生物組織的固有諧振頻率一般非常低，對(duì)能量的傳輸幾乎沒(méi)有影響，所以該技術(shù)對(duì)于人體來(lái)說(shuō)是安全的。

(2)可以進(jìn)行中距離的無(wú)線能量傳輸，而傳統(tǒng)的方法一旦傳輸距離有所增大，傳輸效率便會(huì)急劇下降。

(3)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，在能量傳輸?shù)倪^(guò)程中不受中間障礙的影響，即在視線達(dá)不到的地方依然能夠有效地傳輸能量。

由以上可知Witricity技術(shù)在給植入性電子醫(yī)學(xué)器件進(jìn)行無(wú)線能量傳輸方面具有很大的優(yōu)越性。近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，植入式醫(yī)療器械正朝著小型化和集成化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的植入式醫(yī)療器械經(jīng)皮能量傳輸?shù)拇篷詈想姼芯€圈多采用機(jī)器或人工纏繞，重復(fù)性差，電感量控制困難，而且?guī)Т判镜木€圈體積較大，不利于系統(tǒng)的微型化。本研究采用印制板直接制作一種適用于植入器件的小尺寸平面螺旋諧振線圈，該線圈正反兩面覆銅，很好的與系統(tǒng)諧振頻率匹配，此外應(yīng)用時(shí)域有限差分方法，將該植入線圈對(duì)人體頭部電磁輻射的影響進(jìn)行分析，驗(yàn)證該方法應(yīng)用于體內(nèi)植入器件的安全性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

磁耦合諧振無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)由四個(gè)主要部分組成：高頻正弦信號(hào)發(fā)生和功率放大電路、激勵(lì)線圈和諧振初級(jí)線圈(線圈1)、諧振次級(jí)線圈(線圈2)和能量汲取線圈以及整流濾波充電電路。如果將諧振初次級(jí)線圈直接與電路連接，則Witricity系統(tǒng)的諧振頻率會(huì)受到很大干擾，因此加入激勵(lì)線圈和能量汲取線圈，其中激勵(lì)線圈與功率放大電路相連接，能量汲取線圈與負(fù)載相連。激勵(lì)線圈和能量汲取線圈由線徑1 mm的銅線纏繞成3匝直徑為5 cm的螺旋線圈，與諧振初次級(jí)線圈通過(guò)感應(yīng)耦合傳能。整個(gè)系統(tǒng)的核心還是兩個(gè)諧振線圈，諧振初級(jí)線圈和諧振次級(jí)線圈組成了一個(gè)完整的諧振器，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)線圈之間的能量傳輸。當(dāng)兩個(gè)線圈產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁耦合諧振時(shí)，才能在較遠(yuǎn)的距離下有效地傳遞能量，在系統(tǒng)仿真時(shí)將激勵(lì)線圈和能量汲取線圈忽略。

圖1 磁耦合諧振無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of magnetic coupling resonance wireless energy transmission system

系統(tǒng)采用方形平面螺旋諧振線圈(圖2)，諧振線圈由三層組成，正面導(dǎo)體層由方形螺旋銅片組成，介質(zhì)層為聚乙烯板，反面導(dǎo)體層由長(zhǎng)方形銅片組成。正面導(dǎo)體層形成的電感與正反面導(dǎo)體層重疊部分形成的電容，通過(guò)復(fù)雜的串并聯(lián)電路構(gòu)成系統(tǒng)所需要的諧振器，進(jìn)行能量傳遞。諧振線圈具體參數(shù)如表1所示，線圈邊長(zhǎng)5 cm，厚度0.054 cm，線圈體積為1.35 cm3，自諧振頻率為11 MHz。功率放大電路產(chǎn)生的信號(hào)輸出電壓范圍為0～25 V，頻率范圍為1～28 MHz，輸出端接一個(gè)3 W 燈泡[3-5]。

圖2 小尺寸諧振器(左)及實(shí)驗(yàn)裝置(右)Fig.2 Small size resonator(left)and experiment(right)

因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)最終要應(yīng)用于人體內(nèi)部，所以模擬人體體液環(huán)境很重要。由文獻(xiàn)[6]的研究結(jié)果可知：能量在模擬人體體液環(huán)境中的衰減因子均小于空氣中的衰減因子，也就是說(shuō)，能量在模擬人體體液中的衰減小于空氣中，但傳輸變化規(guī)律基本一致。為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變空氣中初次級(jí)諧振器之間的距離(1～10 cm)，測(cè)量輸入輸出端電壓和電流，對(duì)諧振次級(jí)線圈的輸出功率及效率進(jìn)行計(jì)算。從圖3(a)可知，在兩諧振器相距1 cm時(shí)最大輸出效率達(dá)到76%，當(dāng)兩諧振器距離為10 cm也就是諧振器邊長(zhǎng)的2倍時(shí)，效率降至1.1%，輸出功率為98 mW，這也可以為頭部植入器件提供足夠的能量。當(dāng)激勵(lì)線圈的輸入電壓繼續(xù)增大時(shí)，輸出電壓也會(huì)相應(yīng)的增加。當(dāng)兩諧振器存在一定水平位移或旋轉(zhuǎn)角度時(shí)，磁耦合諧振無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)也能很好地工作，相應(yīng)的輸出功率和效率如圖3中(b)和(c)所示(兩線圈垂直距離為2cm)。這一結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以很好地應(yīng)用于小尺寸電設(shè)備，特別是體內(nèi)植入器件，這也為下一步仿真模型的建立提供了可靠依據(jù)。

表1 諧振器參數(shù)Tab.1 Resonator parameters

圖3 輸出功率與效率圖。(a)輸出功率與效率隨距離變化圖;(b)輸出功率與效率隨水平位移變化圖;(c)輸出功率與效率隨旋轉(zhuǎn)角度變化圖Fig.3 Output power and efficiency.(a)Output power and efficiency versus distance;(b)Output power and efficiency versus horizontal displacement;(c)Output power and efficiency versus rotation angle

2 仿真分析方法

2.1 比吸收率(SAR)

在外電磁場(chǎng)作用下，人體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電磁場(chǎng)。人體內(nèi)的電磁場(chǎng)將產(chǎn)生電流，導(dǎo)致人體吸收和耗散電磁能量，使人體局部組織溫度升高。人們?cè)谘芯侩姶泡椛涞纳镄?yīng)時(shí)，確定進(jìn)入人體組織區(qū)域內(nèi)的電磁的大小和分布情況是非常重要的，通常使用比吸收率(specific absorption rate，SAR)來(lái)表征人體組織吸收電磁能的大小[7]。

比吸收率的定義為單位質(zhì)量的生物組織吸收的電磁功率，單位是 W/kg。本研究重點(diǎn)計(jì)算人體主要組織平均比吸收率SARa。SARa的定義為生物系統(tǒng)吸收的電磁總功率Pat與生物系統(tǒng)的總質(zhì)量mt之比，表達(dá)式為

這里所說(shuō)的生物系統(tǒng)可以是生物體(比如人或?qū)嶒?yàn)小鼠)，也可以是生物組織(比如肝臟)、生物樣本(比如培養(yǎng)皿中的細(xì)胞樣品)或研究者關(guān)注的生物體的某一區(qū)域(比如人體的某一橫截面)，本研究主要對(duì)人頭部進(jìn)行計(jì)算(下文中仍用SAR表示)。

比吸收率無(wú)法通過(guò)目測(cè)或感官得知，但是卻真實(shí)存在，仿真分析成為研究比吸收率的重要手段。通過(guò)對(duì)比吸收率的仿真研究，使得無(wú)形的電磁輻射逐漸數(shù)值化。

國(guó)際非電離性輻射防護(hù)委員會(huì)制定的《限制時(shí)變電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)暴露導(dǎo)則》[8]中指出不同頻率范圍的參考基本照射限值不同，100 kHz～10 GHz頻率范圍內(nèi)，基本限值主要是SAR值，以防止全身發(fā)熱和局部組織過(guò)熱。在10 MHz～10 GHz頻率范圍內(nèi)局部暴露 SAR(頭部和軀干)限值為2 W/kg。在這一標(biāo)準(zhǔn)中局部暴露SAR平均值是利用任意10 g相鄰組織內(nèi)的平均量來(lái)進(jìn)行計(jì)算的。此外，導(dǎo)出限值是通過(guò)基本限值用數(shù)學(xué)模型以及在特定頻率下通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果進(jìn)行推導(dǎo)出來(lái)的，導(dǎo)出限值表示場(chǎng)與暴露個(gè)體的最大耦合狀態(tài)，因此可提供最有效的防護(hù)。10～400 MHz頻率范圍內(nèi)時(shí)變電場(chǎng)和磁場(chǎng)暴露下適用于一般公眾的導(dǎo)出限值(均方根值)包括電場(chǎng)強(qiáng)度E的大小限值為28 V/m，磁場(chǎng)強(qiáng)度H的大小限值為0.073 A/m。

2.2 仿真方法

利用MIMICS 11.0軟件(Materialise公司，比利時(shí))，借助二維頭顱MRI醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理，組織分割，重構(gòu)真實(shí)頭部和大腦組織的三維面模型。然后將面模型以通用格式輸出至Geomagic Studio 11軟件(Geomagic公司，美國(guó))，通過(guò)創(chuàng)建曲面，曲面擬合等操作，生成頭部三維實(shí)體模型。應(yīng)用HFSS 12軟件(Ansoft公司，美國(guó))建立諧振線圈模型，進(jìn)而將頭模型和諧振線圈模型同時(shí)導(dǎo)入數(shù)值分析軟件 XFDTD 6.0(Remcom公司，美國(guó))中，對(duì)各組織材料電磁特性進(jìn)行設(shè)置并做網(wǎng)格剖分，最終得到一個(gè)可以用于數(shù)值計(jì)算的三維頭部數(shù)值模型(見(jiàn)圖4)。

時(shí)域有限差分方法(finite difference time domain，F(xiàn)DTD)是一種微分算法，時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng)要遵守一定的規(guī)則，否則會(huì)發(fā)生穩(wěn)定性問(wèn)題。為了保證離散后的解是收斂并且穩(wěn)定的，同時(shí)考慮計(jì)算的復(fù)雜度問(wèn)題，一般情況下，穩(wěn)定性需要滿足表2的穩(wěn)定條件即可，表中Δt為時(shí)間間隔，T為周期，δ=Δx=Δy=Δz為單元網(wǎng)格的長(zhǎng)度，c為光速，λ為波長(zhǎng)。

圖4 三維頭模型(左)及分辨率為2.03 mm的三維頭部數(shù)值模型(右)Fig.4 3D head model(left)and 3D numerical model of head with the resolution ratio of 2.03 mm(right)

表2 穩(wěn)定條件Fig.2 Conditions for stability

采用正方體網(wǎng)格對(duì)頭部進(jìn)行剖分，根據(jù)上述條件并綜合考慮計(jì)算復(fù)雜度，最終設(shè)定單元網(wǎng)格長(zhǎng)度2.03 mm，并設(shè)置計(jì)算空間為PML吸收邊界條件，層數(shù)為5層，空間計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為148×134×134。此外對(duì)于不同的建模會(huì)有不同的周期條件，由計(jì)算經(jīng)驗(yàn)總結(jié)可知一般取時(shí)間步數(shù)大于3個(gè)周期，取N=100000。

計(jì)算兩種情況的SAR值，第一種是體外設(shè)置諧振初級(jí)線圈，體內(nèi)植入諧振次級(jí)線圈且兩線圈距離為1 cm時(shí)人頭部SAR值，第二種是體外設(shè)置諧振初級(jí)線圈，體內(nèi)未植入諧振次級(jí)線圈時(shí)人頭部SAR值。在應(yīng)用HFSS軟件進(jìn)行諧振線圈建模時(shí)，設(shè)置了波端口作為能量進(jìn)出的唯一端口。在第1種情況中激勵(lì)源設(shè)置在諧振初次級(jí)線圈波端口處，分別為點(diǎn)(133，85，76)和點(diǎn)(123，85，76)，頻率為 11 MHz，電壓分別為25 V和14.8 V(實(shí)驗(yàn)測(cè)得)。在第2種情況中只設(shè)定諧振初級(jí)線圈，激勵(lì)源設(shè)置在點(diǎn)(133，85，76)，電壓為 25 V。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)XFDTD軟件在YZ平面上進(jìn)行分析，分別取 X=20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130得出人頭部不同平面上的10 g組織SAR值分布，具體數(shù)值如表 3所示，SAR分布如圖 5和圖6所示。

表3 頭模型中YZ平面SAR值分布情況Tab.3 The distribution of SAR in the head model at YZ plane

圖5 YZ平面10 gSAR分布Fig.5 The 10 g SAR at YZ plane

第1種情況10 g組織SAR最大值為9.2627×10-6W/kg，位于(127，83，74)點(diǎn)。第 2 種情況 10 g組織 SAR最大值為3.7924×10-5W/kg，位于(122，83，75)點(diǎn)。此外，在第 1種情況下，頭部電場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度(均方根)最大值位于(133，85，76)，分別為4.64 V/m和0.057 A/m。第2種情況下頭部電場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度(均方根)最大值也位于(133，85，76)，分別為1.73 V/m和0.035 A/m，均低于國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(ICNIRP)制定的安全限值標(biāo)準(zhǔn)。

4 討論

圖6 兩種情況下SAR值在X方向分布Fig.6 The SAR distribution of two kinds conditions in X-axis direction

本研究基于小尺寸Witricity系統(tǒng)展開(kāi)，目的在于驗(yàn)證這一方法應(yīng)用于體內(nèi)植入器件的傳能時(shí)對(duì)人體的電磁輻射傷害程度。分析以上的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：應(yīng)用Witricity方法對(duì)頭外部放置諧振線圈時(shí)，在分別考慮頭內(nèi)部植入諧振線圈和頭內(nèi)部不植入諧振線圈兩種情況下，頭部SAR值以及電磁場(chǎng)強(qiáng)度在Y=83附近，即波端口附近達(dá)到最大值，且分析的兩種情況下最大值均低于國(guó)際限值標(biāo)準(zhǔn)。在SAR值分布情況分析中可以發(fā)現(xiàn)，第1種情況的值均低于第2種情況，這一現(xiàn)象是由于在諧振次級(jí)線圈存在的情況下，兩線圈實(shí)現(xiàn)諧振耦合，更多的能量被諧振次級(jí)線圈吸收而沒(méi)有被人體吸收。這一結(jié)果再一次證明了Witricity方法非常適用于體內(nèi)傳能系統(tǒng)。本研究中，為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，所有試驗(yàn)均是在空氣中進(jìn)行的，與人體的實(shí)際環(huán)境還存在著很大的差異，這也是下一步實(shí)驗(yàn)著重需要改進(jìn)的地方。

5 結(jié)論

現(xiàn)階段Witricity無(wú)線傳能技術(shù)還處于起步階段，相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究還比較欠缺，尤其是針對(duì)體內(nèi)植入器件的Witricity無(wú)線傳能，幾乎沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)。本研究基于磁耦合諧振無(wú)線傳能原理設(shè)計(jì)了適用于體內(nèi)植入器件的小型磁耦合諧振系統(tǒng)，諧振器尺寸僅為1.35 cm3。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)在中距離傳輸范圍內(nèi)即使兩諧振器存在一定水平位移或旋轉(zhuǎn)角度時(shí)，Witricity系統(tǒng)仍能很好的工作。此外，根據(jù)硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)尺寸建立了較為準(zhǔn)確的電磁場(chǎng)頭部及諧振器仿真計(jì)算模型，計(jì)算了應(yīng)用Witricity方法，對(duì)頭部植入器件進(jìn)行能量傳輸時(shí)人體頭部的SAR值分布及電磁場(chǎng)強(qiáng)度，結(jié)果表明，應(yīng)用Witricity技術(shù)對(duì)頭部植入器件進(jìn)行能量傳輸，人體頭部10 gSAR平均值為9.2627×10-6W/kg，電場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度均方根最大值分別為4.64 V/m和0.057 A/m，均低于國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(ICNIRP)制定的安全限值標(biāo)準(zhǔn)。

本工作為基礎(chǔ)性的研究，為Witricity技術(shù)應(yīng)用于體內(nèi)無(wú)線傳能研究提供了重要依據(jù)。

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