论文摘要
随着生物工程和微机电技术的不断发展,以及人们对医疗水平要求的不断提高,体内微创、无创诊疗微系统的已成为生物医学工程领域、机电领域的研究重点之一,而能量供给技术作为体内微创、无创诊疗微系统的关键技术,制约了该系统的发展。针对体内微创、无创诊疗微系统面临的能量瓶颈问题,本文以国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(项目编号:2006AA04Z368)和国家自然科学基金资助项目(项目编号:30570485)为依托,基于电磁感应原理,开展了“体内微创、无创诊疗微系统”的无线能量传输技术研究,设计成无线能量传输系统。该系统能够从体外为体内微系统传输能量,并能够根据体内微系统的位置姿态变化调节发射功率,保持接收能量的稳定。本文的研究主要集中在以下几个方面:(1)分析串联谐振和并联谐振两种拓扑结构下系统的能量传输效率及效率最大化的条件,并针对本系统中采用的串联谐振电路结构,进一步分析了影响其能量传输效率的各个因素,得出能量传输效率与系统工作频率、互感系数和负载电阻成正比,而与发射线圈内阻和接收线圈内阻成反比的结论。(2)建立了发射和接收线圈的互感模型,实验分析了作为影响能量传输效率主要因素的两线圈的互感系数与两线圈的半径、轴向偏移、径向偏移和角度偏移的关系。(3)比较了E类功率放大器和全桥逆变器两种常用的发射电路,并将锁相环技术应用于全桥逆变器中,设计出基于锁相环的自动频率跟踪发射电路,保证了发射线圈始终工作在谐振状态;分析了全桥逆变发射电路调节功率的方法,利用数字电位器控制的可调开关电源实现了发射电路的调功控制,为反馈控制提供了可能。(4)设计出体内微系统的能量接收电路,并通过通信模块将接收能量反馈回发射端,实现了闭环控制保证接收能量的稳定;将PID控制算法用于发射端的调功控制电路中,并根据PID控制算法中不同参数下系统的响应曲线,选定了系统的合适参数。(5)实验验证了所设计的双闭环无线能量传输系统在接收线圈位于发射线圈中心与发射线圈轴向平行时,最大能量传输效率可达1.31%,并给出了无线能量传输系统在医用微型多节蠕动机器人和体内微型电子胶囊内窥镜中的具体应用。作为体内微创、无创诊疗微系统中的关键问题,无线能量传输技术的研究越来越受到关注。然而其研究并非一朝一夕可以完成的,特别是走向真正的实用化,要做的工作还很多,后续研究应集中在提供能量传输效率和采用三维发射或接收线圈解决体内微系统的位置姿态不确定问题上。相信在不远的将来,带有高效率的无线能量传输系统的无创诊疗微型电子胶囊和微型机器人会真正应用于临床研究。