胶囊微机电无线能量传输系统设计与试验研究

　　用于人体的胶囊微机电系统是一类特殊的微机电系统,其概念于20世纪末提出,并很快推出了首先用于体内消化道图像取样的胶囊内窥镜[1].在随后几年,多个国家陆续开始了该领域的研究,包括以色列、日本、韩国、美国以及中国等.从目前来看,体内诊疗微机电系统的主要研究可以归纳成以下几个方向:

　　1)胶囊内窥镜微机电系统的图像采样、处理技术[2-3].

　　2)胶囊内窥镜微机电系统扩展功能的增加[4-5].

　　3)胶囊内窥镜微机电系统在人体内主动运动控制和定位.

　　4)诊疗微机电系统的能量供应.在医疗体内微机电系统如胃肠道胶囊内窥镜系统,有缆能量传输方法无法对其进行能源供给,显然不适合体内诊疗微机电系统,因此只有采用微型电池作为体内微机电系统的能源,供给电能,但微型电池寿命有限,供电时间短,一般为6~8 h,限制了可以摄取的图像质量和数量,难以完全满足要求,同时,采用含有危险化学物质的微型电池作为能源供给方式也不能达到人类的安全要求[6-8].

　　体内诊疗微机电系统图像采样质量提高、功能的扩展、主动运动控制和增加有效工作时间,这些都需要消耗更多的能量,因此无线能量传输技术有着广阔的应用前景[9-12].

　　1　胶囊微机电无线能量传输系统

　　胶囊微机电无线能量传输系统主要利用耦合式电磁感应原理,电磁耦合结构相当于一个分离变压器,其构成如图1所示,工频交流电经整流且逆变成高频交流电提供给初级回路,高频电流通过初级线圈,根据电磁感应定律,次级线圈两端产生感应电动势,为用电负载供应电能,实现电能无线传输.初级回路在体外,次级回路在体内,初、次级回路之间没有直接连接,经人体皮肤通过电磁场耦合相联系,从而以无线方式传输能量.该耦合是松耦合,漏感较大,不能忽略.

　　根据负载的要求,输入高频电源采用恒压源,初级绕组采用串联电容补偿,次级绕组采用串联电容补偿.供电电源采用山东新风光科技发展有限公司生产的WL3866大功率信号源.胶囊微机电无线能量传输系统主要由两部分组成,如图1所示.体外部分由WL3866提供高频正弦交流电,供给初级发射线圈,产生高频电磁波,经人体皮肤,体内微机电系统的次级线圈接收电磁波能量,然后经过整流、滤波、稳压等环节之后给体内微机电系统供能.

　　2　胶囊微机电无线能量传输系统的设计

　　2.1　松耦合变压器的设计

　　初级绕组在体外,绕在腹部,所以一般采用空芯线圈,初级绕组实物照片如图2(a)所示.初级绕组铁芯采用塑料制成,如图2(b)所示,该圆柱体内径为240 mm,厚度为3 mm,窗口宽72 mm,采用0·10mm×100股里兹线,绕在塑料圆柱体上,电感为0·394 5 mH,匝数为35匝.