消化道定点释药微系统的无线供能效率研究

论文摘要

消化道定点施药微系统是消化道微诊疗系统的一个重要分支。近年来,随着微电子机械系统(Micro Electromechanical Systems,MEMS)技术和医学的进步,消化道微诊疗系统越来越受到人们的关注。微电子技术的相对高速发展,使得能量供给成为胶囊式微系统发展的瓶颈问题。传统的电池供电模式占用空间大,具有一定安全隐患,且无实时能量补给,始终存在电量耗尽的窘境。无线能量传输技术基于电磁感应技术和现代电子电力能量变化技术,实现了电能从电源到微系统安全、可靠的无线供能。本文所提出的无线能量传输方案适用于消化道定点释药微系统,主要针对其传输效率进行深入研究,分析了不同拓扑结构的补偿电路对无线供能系统的作用,总结出影响传输效率的因素。论文对任意位置发射线圈和接收线圈之间的互感计算公式的推导,得出两线圈的轴向偏移量、径向偏移量及角度偏移量与互感的关系。本课题着重讨论了无线能量传输方案中发射线圈和接收线圈的设计。论文详细介绍了发射线圈的选型,分别对螺旋平面圆线圈、螺旋平面方形线圈和类亥姆赫兹线圈三种线圈内部磁场进行分析,利用计算机辅助绘制出各类线圈磁场分布图。同时,完整地阐述了系统阻抗匹配的过程和结果,不同线圈解决耦合盲区问题的方法,以及人体介入后线圈参数变化的原因。通过线圈对比实验,选用了磁场均匀性好、范围大、受人体影响小的类亥姆赫兹线圈作为装置的发射线圈。在接收线圈的设计上,对比基于硅片的螺旋平面线圈和长直螺旋线圈的优缺点,选择了结构简单、耦合效率更好的长直螺旋线圈作为接收线圈,并采用双层绕制方法以提高线圈耦合能量的能力。为了验证设计的无线能量传输方案的可行性,制作了无线能量传输样机,并进行多次模拟实验。在实验中使用屏蔽箱抑制电磁干扰,确保了测量的准确性。实验结果表明,样机能为负载提供毫瓦级的能量,且传输效率与理论值较好的吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 无线电能传输技术的发展情况
• 1.2.1 微波传输
• 1.2.2 电磁感应传输
• 1.3 课题研究目的、意义和主要研究内容
• 1.3.1 研究目的和意义
• 1.3.2 论文主要研究内容
• 2 无线能量传输原理及系统概述
• 2.1 系统原理
• 2.2 当前无线能量传输技术在生物医学领域使用情况
• 2.2.1 用于植入式电子系统的无线能量传输技术
• 2.2.2 胶囊式诊疗微系统的无线能量传输技术
• 2.3 小结
• 3 无线能量传输效率分析
• 3.1 补偿电路分析
• 3.1.1 原边补偿
• 3.1.2 副边补偿
• 3.1.3 反射阻抗分析
• 3.2 传输功率分析
• 3.2.1 发射线圈获得能量情况
• 3.2.2 发射线圈和接收线圈之间的能量传输情况
• 3.3 互感系数分析
• 3.3.1 互感
• 3.3.2 影响因素分析
• 3.4 小结
• 4 无线能量传输装置的设计
• 4.1 体外无线能量发射装置的设计
• 4.1.1 线圈绕制类型
• 4.1.2 工作频率的确定
• 4.1.3 阻抗匹配设计
• 4.1.4 方向随机性导致的耦合盲区分析
• 4.1.5 人体介入后对系统的影响
• 4.1.6 发射线圈的选择
• 4.2 体内电磁场能量耦合单元的设计
• 4.2.1 接收线圈的选择
• 4.2.2 接收线圈绕制
• 4.3 小结
• 5 实验和结果分析
• 5.1 测量设备屏蔽措施
• 5.1.1 屏蔽方法设计
• 5.1.2 屏蔽效果测试
• 5.2 实验研究
• 5.2.1 实验样机
• 5.2.2 实验结果和分析
• 5.3 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 攻读硕士学位期间发表的论文
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录
• C. 实验具体测量数据