基于混合磁负超材料的心脏起搏器无线供能系统
Wireless energy supply system for cardiac pacemaker based on hybrid magnetic negative metamaterials
传统心脏起搏器依靠锂电池为设备供电，当体内电池电量耗尽，需要进行二次手术更换，不仅加重了患者的经济负担，同时存在二次感染等安全隐患，磁耦合谐振式无线电能传输技术（MCR-WPT）的出现，为解决心脏起搏器持续供电问题提供了新的方案，但由于MCR-WPT系统的二次侧部分植入体内，发射线圈和接收线圈难以实现同轴对准，导致系统传输效率低，充电时间长。
本文针对心脏起搏器无线供能系统传输效率低和抗偏移能力差的问题，设计了一种混合磁负超材料阵列，依靠磁负超材料周期性结构产生的LC谐振汇聚发射线圈与接收线圈之间的磁场，增强线圈间的耦合效果。相较于目前MCR-WPT系统传统的抗偏移方法，如闭环控制技术、改善补偿网络等，超材料在提升MCR-WPT系统抗偏移能力上具有独特的优势，利用超材料的倏逝波增强特性，无需增加繁琐的控制手段和复杂的磁耦合机构即可提升MCR-WPT系统的抗偏移能力，极大降低了系统复杂度以及制作成本，更适合应用于植入式医疗设备无线供能系统。
使用六边形FR-4基板作为基元底板，组成的MNG阵列结构稳定且面积利用率高，将双层反向金属螺旋分别印刷于FR-4基板两面，金属螺旋最外圈通过过孔串联得到更大的等效电感，最内圈通过过孔与集总电容串联，使用集总电容代替基元自身较低的匝间电容，通过调整集总电容参数可以得到不同谐振频率的MNG基元。
当MNG基元处于工作频率时，自身负磁导率越大，对磁场的汇聚作用越强，同时对系统造成的磁损耗也越高；因此本文根据MCR-WPT系统不同位置漏磁情况，使用两种负磁导率的基元构成混合MNG阵列，如图2所示，对于系统漏磁相对较小的中心位置使用磁损耗较低的MNG基元1，系统漏磁较大的外围使用聚磁能力较强的MNG基元2，增强MCR-WPT系统传输效率、抗偏移能力的同时，最大限度降低引入MNG阵列造成的磁损耗。使用有限元软件建立传统MCR-WPT系统与加入混合MNG阵列的MCR-WPT系统模型进行仿真分析，系统磁场分布如图3所示：
仿真结果表明，发射线圈与接收线圈间距20mm的情况下，传统MCR-WPT系统接收线圈附近磁场分布范围小，磁场强度低；加入混合MNG阵列后，超材料的磁场折射能力使得更多的磁力线穿过接收线圈，增强了线圈间的耦合效果，说明本文提出的混合MNG阵列可以有效降低MCR-WPT系统漏磁，提升系统传输效率。为了检验混合MNG阵列的聚磁性能，搭建了心脏起搏器无线供能系统实验平台，如图4所示，该系统由直流电源、逆变模块、发射模块、接收模块、整流模块、负载、混合MNG阵列及测温模块组成；同时为准确评估系统的安全性，加入模拟温升实验，使用1mm猪皮、2mm脂肪以及5mm猪肉模拟人体胸部组织，使用2mm亚克力板搭建了30cm×30cm×60cm的密闭空间减少外界环境的干扰。
实验结果表明，与传统MCR-WPT系统相比，在线圈间距16-28mm情况下，加入混合MNG阵列的MCR-WPT系统输出电压、电流明显增加，系统传输效率从8.53%-43.15%提升至40.78%-57.32%；同时对接收线圈不同偏移情况下的MCR-WPT系统进行传输性能测试，当系统接收线圈分别发生x轴偏移、y轴偏移以及x、y轴对角线偏移时，加入混合MNG阵列后，系统的传输效率分别提升15.05%、18.13%、20.57%提升了MCR-WPT系统的抗偏移能力；通过模拟温升实验可知，加入混合MNG阵列的MCR-WPT系统在30min内系统最大温升为3.49°C，不会对人体安全造成影响。本文设计了一种应用于300kHz心脏起搏器无线供能系统的混合MNG阵列，利用超材料的磁负特性增强MCR-WPT系统的传输性能，通过仿真及实验验证了混合MNG阵列强聚磁、低损耗的特点，同时建立人体上身三维模型进行了系统安全评估，仿真计算了人体各组织的电场强度和比吸收率峰值，最后通过温升实验进一步验证系统安全性、可行性。