心脏起搏器用无线充电系统设计

　　0 引言

　　自从 1932 年第一台心脏起搏器问世以来， 人类不断在心脏起搏理论与实践基础上开拓创新， 历经几代人的努力， 心脏起搏器已经成为了一项成熟可靠的医疗技术， 自 1960 年起， 全世界已有约 200 万人接受了心脏起搏器植入手术。 目前， 心脏起搏器主要采用内置电池作为动力源， 这种电池通常有 5~10 年的工作寿命， 可是一旦能量接近耗尽， 就需要动用手术更换电池， 然而患者对起搏器何时电量耗尽并没有把握， 甚至需要在使用年限的前 1~2 年内定期赴医院接受检查， 这无疑会造成一些年老病人的不便。 随着近 20 年来科技突飞猛进的发展， 许多新技术被应用于解决起搏器的动力源， 例如， 核动力起搏器和 “生物热电池” 相继问世。 最近几年， 无线充电技术成为热门的发展方向之一， 如将其运用于起搏器则无需手术取出旧电池， 即可为体内心脏起搏器充电， 一旦起搏器内的电池电力耗尽， 可在身体外用一台特制充电器为其充电， 从而极大地节约了患者的费用， 减少了痛苦。

　　1 功能需求分析

　　目前为止， 将无线充电技术应用于心脏起搏器还处于方案设计和样机试制阶段， 根据相关的医疗仪器标准， 本文介绍的应用于心脏起搏器的无线充电设备应具备以下功能需求：

　　(1) 植入体内的接收端部分的体积力求尽可能小，以避免造成病人的不便。因此，最好采用贴片元器件和集成电路芯片，部分元器件的使用也需要考虑到相关医疗标准。

　　(2) 工作电压采用12~15V 直流电，减小病人由于设备漏电而可能受到高电压伤害的可能。

　　(3) 设备工作温度尽量低以防造成病人的不适，因此在组建放大电路时，要考虑三极管等元器件的工作温度，或者采用集成电路来代替散热大的元器件。

　　(4) 设备可以在5cm 以内稳定供电，以发射端工作时可以不接触到皮肤为最佳。

　　(5) 为了确保病人的安全，在可能的情况下设计了电压和电流保护电路，确保万无一失。

　　(6) 电路中采用漏电保护和抗干扰设计措施。

　　2 实现方案

　　实现无线充电主要通过三种方式， 即电磁感应、 无线电波以及共振作用。 本文采用的是电磁感应方式， 整个设备的工作原理是通过初级和次级线圈感应产生电流， 将能量从传输端转移到接收端。 这样选择技术方案的优点是制造成本较低， 结构简单， 技术可靠。 电磁感应的能量传输原理并不复杂， 本质上就是电能和磁能随着电场与磁场的周期性变化， 以电磁波的形式向空间传播。 如果需要产生电磁波， 首先要有电磁振荡， 电磁波的频率越高其向空间辐射能量就越大， 在通常情况下电磁振荡的频率至少要高于 100kHz， 才会有足够的电磁辐射且使传输效率至少可以达到 50%。因此，如图1 所示。