0 引言 近年来，随着生物医学电子学与智能检测技术的发展，体内植入式医疗设备正成为全球医疗器械的研发热点[1]。与传统便携式医疗设备相比，植入式医疗设备体积更加小巧，使用更为灵活方便，能够实时监测体内健康信息，对有可能发生的病变做出准确的预判，对已有疾病进行精准治疗。体内植入式医疗设备的发展主要得益于电子技术的进步，传感器的体积不断缩小、可靠性大大提高，电子芯片的集成度越来越高以及软件技术的优化，这些都为体内植入式医疗设备的临床应用奠定了坚实的基础。但是，如何让植入式医疗设备更加安全、稳定地造福患者仍然面临一些问题，电能损耗即是其中需要解决的关键技术。目前，各类体内植入式医疗设备普遍采用电池供电的方式，此种方式的弊端在于，需定期检测剩余电量，对于患者来说，烦琐且具有一定风险（比如疏忽检测而造成不可弥补的后果）；其次，更换电池进行二次手术不仅给患者带来肉体上的痛苦和巨大的精神压力，还会造成不菲的经济负担[2]；另外，电池的存在也会使体内植入部分的体积增加，给植入设备的放置带来困难。因此，国内外的研究人员在不断地寻求新的、有效的供电模式[3]。 无线电能传输系统因其安全可靠、维修维护成本低、环境亲和性强等特点，受到国内外很多学者和企业的关注，得到了快速发展[4]。2007年7月《Science》刊登了来自美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Techonology，MIT）的Kurs等发表的论文[5]，介绍了他们发现的一种全新的无线供电技术——磁耦合谐振技术[6]，该技术与其他无线电能传输技术相比，可以定向地传输能量（只有当谐振线圈存在时才能接收能量）；能进行中距离的无线能量传输；具有很强的穿透性，即在能量传输的过程中不受非磁性物体的影响，这一优点可以保证能量透过人体的生物组织（包括细胞、体液、自由基等）进行稳定高效的传输[7]。采用磁耦合谐振技术给体内植入式医疗设备进行无线电能传输具有很大的优越性，但是国内外对该技术的研究和应用主要集中在电网、电动汽车以及小家电等领域[8-11]，将该技术应用于体内植入式医疗设备方面的研究报道较少[12]。鉴于此，本文拟基于磁耦合谐振技术，设计一种用于体内植入式医疗设备的无线电能传输装置，有利于后续开展相关研究工作，推动体内植入式医疗设备的临床应用发展。现报道如下。 1 设计 基于磁耦合谐振技术的体内植入式医疗设备的无线电能传输装置由体内和体外2个部分组成，即电能发射端和接收端。电能发射端由高频正弦交流电源和LC谐振发射线圈组成，接收端由LC谐振接收线圈、整流滤波电路、DC-DC稳压电路和负载组成。无线电能传输装置框架图如图1所示。 图1 无线电能传输装置框架图 1.1 高频正弦交流电源的设计 高频正弦交流电源是整个无线电能传输装置的核心部分。谐振频率的失谐是磁耦合谐振无线电能传输实际应用中遇到的瓶颈问题[13]，发射线圈的电感变化是影响电能无线传输效率的主要因素之一。根据实验计算，当发射频率不变而发射线圈自感变化1%时，能量传输效率会减少30%以上。此外，在日常活动中，人体处于不断运动状态，使得接收线圈的位置和姿态也随之变动，因此能量传输效率不能确保不变。如果始终保持发射功率不变，则接收到的能量是不稳定的。基于上述问题，本文设计的高频正弦交流电源通过正常工频市电（220 V/50 Hz）供电，经过不可控二极管整流成直流电压，直流斩波电路根据输出负载功率要求控制全桥逆变器输入端的直流电压，经全桥逆变电路变换成高频方波电压输送给电磁耦合无线电能传输发射端。控制部分分为直流电压控制和频率跟踪逆变控制2个部分。直流电压采用脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）技术，逆变器频率跟踪采用锁相环电压电流相位控制技术。当发射端和接收端谐振回路参数发生变化时，即使改变逆变频率，通过保持逆变器输出电压和电流的相位稳定在逆变电路允许的最小相位角，从而保证能量传输始终处于最佳状态。控制电路由电压电流检测电路、斩波驱动电路、逆变电流检测电路、频率跟踪逆变控制电路、逆变驱动电路、功率调节电路和过流过热检测电路等组成。本文设计的高频正弦交流电源为电流可调型恒流源，设计框图如图2所示。 图2 无线电能传输装置高频正弦交流电源设计框图 1.2 LC谐振回路的设计 线圈和电容是能量传输的核心部件。为了保证植入式医疗设备的微型化，接收线圈的直径不能超过50 mm，使用细铜线缠绕叠加而成；为了获得更多的电磁能量，发射线圈的尺寸不宜过小，一般由利兹线绕制而成；薄膜电容具有频率特性好、损耗因数小、稳定性好以及可以承受较大的电流等优点，所以非常适合作为谐振电容。磁耦合谐振无线电能传输的首要条件是LC谐振发射线圈和接收线圈工作在同一个谐振频率。当高频正弦交流电源的输出频率和线圈的固有谐振频率一致时，发射端和接收端的阻抗最低，流经负载的电流最大，此时在一定的传输距离内，大部分的能量能传输到负载，从而得到较大的传输效率。LC谐振线圈的级联形式有串联谐振和并联谐振，本文设计的发射线圈采用LC串联谐振，接收线圈采用LC并联谐振。这是因为发射端通过串联电容上的电压降与发射线圈的感抗压降相抵消，能量高度集中于以系统的谐振频率和负载电阻为中心的区域内，当工作频率为谐振频率时，能降低对电源的电压要求，从而降低对供电系统的电流要求；接收端采用并联谐振，流入接收端电容中的电流与接收端导纳中的电流的无功分量相抵消，并联谐振的接收端端口近似等效于电流源，端口输出电流不受负载电阻值影响，因此，负载端的输出功率将得到大大提高[14]。体外发射与体内接收端谐振电路如图3所示。 图3 体外发射与体内接收端谐振电路示意图 1.3 无线电能传输装置实物设计 本文设计的基于磁耦合谐振技术的无线电能传输装置实物图如图4所示。发射端线圈采用线径为2 mm的利兹线绕制成内四方边长为200 mm、外四方边长为250 mm的正方形平面结构，线圈匝数为11，电感量为67.5 μH，LC谐振补偿电容值为150 nF；接收端线圈采用线径为0.2 mm的漆包铜线3层叠加缠绕成内径为5 mm、外径为21 mm的圆形结构，线圈每层匝数为40，电感量为61.5 μH，LC谐振补偿电容值为165 nF。高频正弦交流电源输入220 V/ 50 Hz工频交流电，经整流滤波变换成直流电压，直流电压通过逆变电路变换成高频交流电压，其逆变频率由发射LC共振回路和接收LC共振回路参数决定。本设计中LC谐振频率为50 kHz，电源最大安全发射功率为50 W。接收LC共振回路接收到的高频电压通过高频整流电路变换成直流电压，对负载3 W红光发光二极管（light emitting diode，LED）进行供电，发射功率可以通过发射端功率调节旋钮进行调节。 图4 无线电能传输装置展示效果图 2 性能测试 对于体内植入式医疗设备的无线电能接收端而言，在一定的发射功率下接收端实际接收到的功率大小是重要的性能考核指标。为了评价无线电能传输装置的性能，通过调节功率旋钮使发射功率达到50 W，接收线圈与发射线圈平行放置，采用功率测试仪对接收端的功率进行测量，结果如图5所示。当接收线圈位于发射线圈中心点位置的时候，接收端的电功率为900.36 mW；距离发射线圈中心点垂直高度为5、10、15、20 cm时，接收端的电功率分别为674.4、364.8、179.28、94.92 mW。负载LED的亮度随传输距离的增加逐渐减弱。 图5 发射功率50 W时接收端接收功率随传输距离变化曲线图 3 讨论 采用磁耦合谐振技术给体内植入式医疗设备进行无线电能传输的方法研究已经成为国内外生物医学工程领域专家、学者以及企业研发人员关注的热点。因为体外能量发射端体积没有限制，可实现较大发送功率，因此只要有效地设计体内的能量接收端、提高传输效率就能获得足够的电能[15]，该方法被认为是解决体内植入式医疗设备电能供给问题的有效途径。本文设计的基于磁耦合谐振技术的无线电能传输装置在一定的空间距离范围内可以为体内植入式医疗设备的正常工作提供必要的电能量。 由于体内植入式医疗设备需要放置于体内环境，这就对电能传输系统接收端的尺寸、电路结构、封装材料的生物兼容性以及人体的电磁安全性等都提出了更高的要求[16]。本文设计的基于磁耦合谐振技术的无线电能传输装置相比于传统的电磁感应耦合技术，虽然在传输距离上有了很大的提高，但也存在着传输效率低、工作稳定性有待提高等问题。可通过对发射线圈和接收线圈的材料、结构等优化设计，使传能线圈获得高品质因数，减小损耗，满足更优的谐振条件：发射线圈由于没有空间、形状的限制，尺寸可以稍大一些，发射空间磁场应尽量分布均匀；接收线圈可以考虑多维模态，从多方向接收能量，彼此间可以有效补偿。本文设计的LC谐振频率是50 kHz，仍然有很大的提升空间。通过对本装置的不断优化，可以为体内植入式医疗设备的无线供电技术临床实验研究提供更加可靠的数据，虽然该研究仍处于起步阶段，但随着方法技术的不断完善，将会推动医疗领域无创、低危险治疗的进一步发展，在医疗领域有着重要的研究价值和广泛的应用前景。 0 引言 近年来，随着生物医学电子学与智能检测技术的发展，体内植入式医疗设备正成为全球医疗器械的研发热点[1]。与传统便携式医疗设备相比，植入式医疗设备体积更加小巧，使用更为灵活方便，能够实时监测体内健康信息，对有可能发生的病变做出准确的预判，对已有疾病进行精准治疗。体内植入式医疗设备的发展主要得益于电子技术的进步，传感器的体积不断缩小、可靠性大大提高，电子芯片的集成度越来越高以及软件技术的优化，这些都为体内植入式医疗设备的临床应用奠定了坚实的基础。但是，如何让植入式医疗设备更加安全、稳定地造福患者仍然面临一些问题，电能损耗即是其中需要解决的关键技术。目前，各类体内植入式医疗设备普遍采用电池供电的方式，此种方式的弊端在于，需定期检测剩余电量，对于患者来说，烦琐且具有一定风险（比如疏忽检测而造成不可弥补的后果）；其次，更换电池进行二次手术不仅给患者带来肉体上的痛苦和巨大的精神压力，还会造成不菲的经济负担[2]；另外，电池的存在也会使体内植入部分的体积增加，给植入设备的放置带来困难。因此，国内外的研究人员在不断地寻求新的、有效的供电模式[3]。 无线电能传输系统因其安全可靠、维修维护成本低、环境亲和性强等特点，受到国内外很多学者和企业的关注，得到了快速发展[4]。2007年7月《Science》刊登了来自美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Techonology，MIT）的Kurs等发表的论文[5]，介绍了他们发现的一种全新的无线供电技术——磁耦合谐振技术[6]，该技术与其他无线电能传输技术相比，可以定向地传输能量（只有当谐振线圈存在时才能接收能量）；能进行中距离的无线能量传输；具有很强的穿透性，即在能量传输的过程中不受非磁性物体的影响，这一优点可以保证能量透过人体的生物组织（包括细胞、体液、自由基等）进行稳定高效的传输[7]。采用磁耦合谐振技术给体内植入式医疗设备进行无线电能传输具有很大的优越性，但是国内外对该技术的研究和应用主要集中在电网、电动汽车以及小家电等领域[8-11]，将该技术应用于体内植入式医疗设备方面的研究报道较少[12]。鉴于此，本文拟基于磁耦合谐振技术，设计一种用于体内植入式医疗设备的无线电能传输装置，有利于后续开展相关研究工作，推动体内植入式医疗设备的临床应用发展。现报道如下。 1 设计 基于磁耦合谐振技术的体内植入式医疗设备的无线电能传输装置由体内和体外2个部分组成，即电能发射端和接收端。电能发射端由高频正弦交流电源和LC谐振发射线圈组成，接收端由LC谐振接收线圈、整流滤波电路、DC-DC稳压电路和负载组成。无线电能传输装置框架图如图1所示。 图1 无线电能传输装置框架图 1.1 高频正弦交流电源的设计 高频正弦交流电源是整个无线电能传输装置的核心部分。谐振频率的失谐是磁耦合谐振无线电能传输实际应用中遇到的瓶颈问题[13]，发射线圈的电感变化是影响电能无线传输效率的主要因素之一。根据实验计算，当发射频率不变而发射线圈自感变化1%时，能量传输效率会减少30%以上。此外，在日常活动中，人体处于不断运动状态，使得接收线圈的位置和姿态也随之变动，因此能量传输效率不能确保不变。如果始终保持发射功率不变，则接收到的能量是不稳定的。基于上述问题，本文设计的高频正弦交流电源通过正常工频市电（220 V/50 Hz）供电，经过不可控二极管整流成直流电压，直流斩波电路根据输出负载功率要求控制全桥逆变器输入端的直流电压，经全桥逆变电路变换成高频方波电压输送给电磁耦合无线电能传输发射端。控制部分分为直流电压控制和频率跟踪逆变控制2个部分。直流电压采用脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）技术，逆变器频率跟踪采用锁相环电压电流相位控制技术。当发射端和接收端谐振回路参数发生变化时，即使改变逆变频率，通过保持逆变器输出电压和电流的相位稳定在逆变电路允许的最小相位角，从而保证能量传输始终处于最佳状态。控制电路由电压电流检测电路、斩波驱动电路、逆变电流检测电路、频率跟踪逆变控制电路、逆变驱动电路、功率调节电路和过流过热检测电路等组成。本文设计的高频正弦交流电源为电流可调型恒流源，设计框图如图2所示。 图2 无线电能传输装置高频正弦交流电源设计框图 1.2 LC谐振回路的设计 线圈和电容是能量传输的核心部件。为了保证植入式医疗设备的微型化，接收线圈的直径不能超过50 mm，使用细铜线缠绕叠加而成；为了获得更多的电磁能量，发射线圈的尺寸不宜过小，一般由利兹线绕制而成；薄膜电容具有频率特性好、损耗因数小、稳定性好以及可以承受较大的电流等优点，所以非常适合作为谐振电容。磁耦合谐振无线电能传输的首要条件是LC谐振发射线圈和接收线圈工作在同一个谐振频率。当高频正弦交流电源的输出频率和线圈的固有谐振频率一致时，发射端和接收端的阻抗最低，流经负载的电流最大，此时在一定的传输距离内，大部分的能量能传输到负载，从而得到较大的传输效率。LC谐振线圈的级联形式有串联谐振和并联谐振，本文设计的发射线圈采用LC串联谐振，接收线圈采用LC并联谐振。这是因为发射端通过串联电容上的电压降与发射线圈的感抗压降相抵消，能量高度集中于以系统的谐振频率和负载电阻为中心的区域内，当工作频率为谐振频率时，能降低对电源的电压要求，从而降低对供电系统的电流要求；接收端采用并联谐振，流入接收端电容中的电流与接收端导纳中的电流的无功分量相抵消，并联谐振的接收端端口近似等效于电流源，端口输出电流不受负载电阻值影响，因此，负载端的输出功率将得到大大提高[14]。体外发射与体内接收端谐振电路如图3所示。 图3 体外发射与体内接收端谐振电路示意图 1.3 无线电能传输装置实物设计 本文设计的基于磁耦合谐振技术的无线电能传输装置实物图如图4所示。发射端线圈采用线径为2 mm的利兹线绕制成内四方边长为200 mm、外四方边长为250 mm的正方形平面结构，线圈匝数为11，电感量为67.5 μH，LC谐振补偿电容值为150 nF；接收端线圈采用线径为0.2 mm的漆包铜线3层叠加缠绕成内径为5 mm、外径为21 mm的圆形结构，线圈每层匝数为40，电感量为61.5 μH，LC谐振补偿电容值为165 nF。高频正弦交流电源输入220 V/ 50 Hz工频交流电，经整流滤波变换成直流电压，直流电压通过逆变电路变换成高频交流电压，其逆变频率由发射LC共振回路和接收LC共振回路参数决定。本设计中LC谐振频率为50 kHz，电源最大安全发射功率为50 W。接收LC共振回路接收到的高频电压通过高频整流电路变换成直流电压，对负载3 W红光发光二极管（light emitting diode，LED）进行供电，发射功率可以通过发射端功率调节旋钮进行调节。 图4 无线电能传输装置展示效果图 2 性能测试 对于体内植入式医疗设备的无线电能接收端而言，在一定的发射功率下接收端实际接收到的功率大小是重要的性能考核指标。为了评价无线电能传输装置的性能，通过调节功率旋钮使发射功率达到50 W，接收线圈与发射线圈平行放置，采用功率测试仪对接收端的功率进行测量，结果如图5所示。当接收线圈位于发射线圈中心点位置的时候，接收端的电功率为900.36 mW；距离发射线圈中心点垂直高度为5、10、15、20 cm时，接收端的电功率分别为674.4、364.8、179.28、94.92 mW。负载LED的亮度随传输距离的增加逐渐减弱。 图5 发射功率50 W时接收端接收功率随传输距离变化曲线图 3 讨论 采用磁耦合谐振技术给体内植入式医疗设备进行无线电能传输的方法研究已经成为国内外生物医学工程领域专家、学者以及企业研发人员关注的热点。因为体外能量发射端体积没有限制，可实现较大发送功率，因此只要有效地设计体内的能量接收端、提高传输效率就能获得足够的电能[15]，该方法被认为是解决体内植入式医疗设备电能供给问题的有效途径。本文设计的基于磁耦合谐振技术的无线电能传输装置在一定的空间距离范围内可以为体内植入式医疗设备的正常工作提供必要的电能量。 由于体内植入式医疗设备需要放置于体内环境，这就对电能传输系统接收端的尺寸、电路结构、封装材料的生物兼容性以及人体的电磁安全性等都提出了更高的要求[16]。本文设计的基于磁耦合谐振技术的无线电能传输装置相比于传统的电磁感应耦合技术，虽然在传输距离上有了很大的提高，但也存在着传输效率低、工作稳定性有待提高等问题。可通过对发射线圈和接收线圈的材料、结构等优化设计，使传能线圈获得高品质因数，减小损耗，满足更优的谐振条件：发射线圈由于没有空间、形状的限制，尺寸可以稍大一些，发射空间磁场应尽量分布均匀；接收线圈可以考虑多维模态，从多方向接收能量，彼此间可以有效补偿。本文设计的LC谐振频率是50 kHz，仍然有很大的提升空间。通过对本装置的不断优化，可以为体内植入式医疗设备的无线供电技术临床实验研究提供更加可靠的数据，虽然该研究仍处于起步阶段，但随着方法技术的不断完善，将会推动医疗领域无创、低危险治疗的进一步发展，在医疗领域有着重要的研究价值和广泛的应用前景。