植入式醫(yī)療設(shè)備外部體導(dǎo)充電效能仿真分析*

徐 晶，聶思兵，陳陣，張 鏝，楊濟(jì)寧

(1.內(nèi)江師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院(人工智能學(xué)院)，四川 內(nèi)江 641100; 2.內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 內(nèi)江 641111)

0 引言

植入式醫(yī)療電子是一種埋藏在生物體肌體組織內(nèi)部，用來監(jiān)測(cè)生命體內(nèi)生理變化或者促進(jìn)(抑制)生命體正常工作的重要電子設(shè)備[1]。由于設(shè)備是埋入在機(jī)體內(nèi)部，而電子設(shè)備的正常工作離不開電能的供應(yīng)，設(shè)備的供電通常是通過鋰電池放電來實(shí)現(xiàn)；由于鋰電池的電池容量是有限的，為了保證設(shè)備能夠長(zhǎng)期、穩(wěn)定的在體內(nèi)正常工作，電池充電是系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵部分。

電池充電主要有以下幾種方式[2-5]。1)導(dǎo)線連接充電：在埋入設(shè)備時(shí)，預(yù)留外部充電導(dǎo)線，通過連接外部導(dǎo)線充電。好處是高效穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單；不足是易引發(fā)細(xì)菌感染。2)手術(shù)更換：通過手術(shù)更換電池。好處是穩(wěn)定；不足是操作復(fù)雜、手術(shù)費(fèi)用昂貴、易感染。3)磁耦合充電：通過線圈耦合實(shí)現(xiàn)充電。好處是無需手術(shù)、不會(huì)引發(fā)二次感染；不足是效率低、易發(fā)熱、造成組織二次傷害。

為了解決上述問題，提出體導(dǎo)能量傳輸方式[6,7]，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)植入式醫(yī)療設(shè)備的無損充電。在該能量供應(yīng)系統(tǒng)中，我們使用人體組織作為通信介質(zhì)，信號(hào)直接與人體耦合從而實(shí)現(xiàn)電能從外向內(nèi)傳輸。為了研究該系統(tǒng)的充電效能，利用多物理場(chǎng)耦合軟件(COMSOL)構(gòu)建了該有限元仿真模型，通過模型我們可以直觀的觀察能量供應(yīng)效果以及分析系統(tǒng)的供電效能。

1 系統(tǒng)建模

1.1 幾何建模

常規(guī)電池充電中，注入的通常是電流信號(hào)?？紤]到電流信號(hào)是由外部向內(nèi)部注入，假定生物體是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)，則拉普拉斯方程為該系統(tǒng)的控制方程。為了保證充電系統(tǒng)的充電效率，我們應(yīng)保證外部設(shè)備盡量在植入式設(shè)備周圍。因此我們選擇了20cm×10cm的表面來研究。

由于設(shè)備通常埋藏在肌肉組織內(nèi)部，因此建模過程中，我們需要考慮肌肉層、脂肪層、皮膚層三層組織對(duì)充電系統(tǒng)的影響。因而在系統(tǒng)建模中，我們構(gòu)建了三個(gè)厚度不同，長(zhǎng)與寬都相同的立方體來代表不同組織；通過文獻(xiàn)查閱[8]，還可以得到各種組織的電參數(shù)以及安全充電的電壓指數(shù)等參數(shù)(詳細(xì)見表1)。通過幾何實(shí)體化后，可以得到仿真系統(tǒng)的幾何架構(gòu)如圖1所示。

表1 模型仿真參數(shù)

圖1 幾何模型構(gòu)建

1.2 網(wǎng)格剖分

合格的網(wǎng)格剖分是實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的解的前提，在網(wǎng)格剖分中，過粗會(huì)造成解的誤差過大，過細(xì)雖然可以提高系統(tǒng)解的準(zhǔn)確性但會(huì)增加系統(tǒng)的計(jì)算量，加重設(shè)備的計(jì)算復(fù)合。并且在滿足基本測(cè)量時(shí)，較細(xì)的劃分并不能讓結(jié)果有較顯著的提高，為此選用了四面體常規(guī)方式來劃分單元格，劃分后詳細(xì)的參數(shù)如表2所示，其劃分后的視圖如圖2所示。

1.3 模型計(jì)算

為了分析體導(dǎo)充電效能，在穩(wěn)態(tài)模式下，假定注入的電信號(hào)頻率為1kHz，通過計(jì)算我們可以獲得信號(hào)發(fā)送端與接收端的效果，如圖3所示。

為了獲取正對(duì)電極處信號(hào)的充電效能，我們選擇發(fā)送端與接收端電極正中心電勢(shì)作為分析樣本電，考慮到我們使用的是恒定電流充電，充電效能可以簡(jiǎn)化為發(fā)送端與接收端電勢(shì)比。經(jīng)過數(shù)值提取，我們得到發(fā)送端電勢(shì)大小為5V，接收端電勢(shì)大小為1.03V,則充電效率為20.6%。

圖3 仿真視圖

2 結(jié)論

為了分析體導(dǎo)供能系統(tǒng)供能效率，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合生物建模方法構(gòu)建了低頻環(huán)境下能量傳輸模型。通過模型分析得出該系統(tǒng)供電效率達(dá)20.6%，完全滿足植入式設(shè)備供電需求，是完全可行的。