人工心臟經(jīng)皮能量傳輸阻抗適應(yīng)性研究.pdf

1、心臟移植是治療終末期心衰患者最有效的救治手段，因缺乏心臟供體，人工心臟應(yīng)運(yùn)而生，成為自然心臟合適的替代品。人工心臟正常的工作需要電能從體外傳輸?shù)襟w內(nèi)進(jìn)行供給，利用導(dǎo)線穿透皮膚的方式不僅增加了患者感染的可能，也為患者的生活帶來不便。經(jīng)皮能量傳輸，將電能以無線的方式傳輸?shù)襟w內(nèi)，為人工心臟供能，能有效降低感染，同時提升病人的生活品質(zhì)。在實(shí)際使用中，經(jīng)皮變壓器線圈的相對位置通常會跟隨著患者的動作（如呼吸引起皮膚蠕動）而產(chǎn)生變化，此外，人工心臟所

2、需的功率也受患者處于不同體征狀態(tài)（如運(yùn)動和休息等）而變化，從而引起系統(tǒng)負(fù)載的變化。負(fù)載和線圈相對位置的變化，即傳輸阻抗的變化，會對經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的傳輸性能帶來很大影響，如系統(tǒng)的傳輸效率和負(fù)載的輸出穩(wěn)定性。因此，本文圍繞傳輸阻抗的變化，對人工心臟經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的研究。
　　論文首先通過對經(jīng)皮能量傳輸機(jī)理研究，建立經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，針對人工心臟經(jīng)皮能量傳輸阻抗變化情況，設(shè)計阻抗壓縮補(bǔ)償電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與傳輸線圈產(chǎn)生諧

3、振的同時壓縮傳輸阻抗等效變化范圍，以滿足E類放大電路理想阻抗范圍要求，最終提高系統(tǒng)的傳輸能力和傳輸效率。針對經(jīng)皮傳輸系統(tǒng)耦合性能通常受經(jīng)皮變壓器線圈之間錯位影響情況，通過在體外線圈上布置傳感線圈陣列，通過對傳感線圈上的電壓信號采集和處理，體內(nèi)無需無任何附加裝置植入情況下實(shí)現(xiàn)對體內(nèi)線圈位置的檢測，通過改變線圈之間的軸向和徑向位置對該方法有效性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對負(fù)載輸出電壓隨著人工心臟工作功率變化和變壓器線圈錯位產(chǎn)生而發(fā)生變化情況，提出了在

4、無需體內(nèi)電壓信號反饋的情況下在體外實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓控制調(diào)節(jié)方法，利用變壓器線圈位置和初級線圈電流檢測結(jié)果對負(fù)載電壓進(jìn)行推算，再通過PI控制器通過調(diào)節(jié)輸入電源電壓實(shí)現(xiàn)對負(fù)載電壓的控制，最后通過改變負(fù)載電阻和變壓器線圈位置模擬經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)傳輸阻抗變化情況，進(jìn)行負(fù)載電壓控制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　論文的主要研究工作如下：
　　1.E類逆變電路變阻抗自適應(yīng)方法研究。通過對阻抗壓縮和諧振補(bǔ)償原理研究，設(shè)計了串并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)，利用串聯(lián)電容與傳輸

5、線圈產(chǎn)生諧振提升系統(tǒng)的傳輸能量和效率，同時，結(jié)合并聯(lián)電容對系統(tǒng)等效傳輸阻抗范圍進(jìn)行壓縮，以滿足E類放大電路理想阻抗變化范圍?；诮?jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)理論模型，對阻抗壓縮和諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，并針對人工心臟具體傳輸阻抗范圍，給出系統(tǒng)電路參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，最后通過改變負(fù)載輸出功率(12-60W)和變壓器線圈相對位置（縱向3-15mm，橫向0-20mm）來模擬人工心臟在實(shí)際使用中可能產(chǎn)生的功率變化和線圈位置偏移情況，對設(shè)計的經(jīng)皮能量系

6、統(tǒng)效率進(jìn)行測試，驗(yàn)證了阻抗壓縮和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的有效性。
　　2.體內(nèi)線圈位置檢測方法研究。針對經(jīng)皮變壓器線圈之間錯位現(xiàn)象，提出了利用傳感線圈陣列對體內(nèi)線圈發(fā)射電磁場進(jìn)行檢測實(shí)現(xiàn)體內(nèi)線圈位置檢測的方法，通過在體外線圈側(cè)布置相應(yīng)的傳感線圈陣列，對傳感線圈上的電壓進(jìn)行檢測，并根據(jù)感應(yīng)電壓信號特點(diǎn)，提出了相應(yīng)的信號分離方法，將傳感線圈上由體外線圈和體內(nèi)線圈分別感應(yīng)所形成的電壓進(jìn)行分離;根據(jù)傳感線圈和體內(nèi)線圈形狀特征，建立了互感值關(guān)于體內(nèi)線圈位

7、置理論模型，提出了查表法和迭代法兩種逆向計算方法實(shí)現(xiàn)體內(nèi)線圈位置的計算;利用該體內(nèi)線圈位置檢測方法，能夠指導(dǎo)用戶對體外線圈位置進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而提升經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的傳輸性能;最后，通過改變經(jīng)皮變壓器線圈之間的相對位置（縱向3-15mm，橫向0-20mm）進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，說明該位置檢測方法的有效性。
　　3.變傳輸阻抗下負(fù)載輸出電壓穩(wěn)定性研究。針對變傳輸阻抗下系統(tǒng)負(fù)載輸出電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象，提出了體內(nèi)無需植入任何傳感裝置下載體外實(shí)現(xiàn)對體