体内微机电无线能量传输系统的设计与试验

　　微创或无创诊疗已成为当前国际生物医学领域追求的热点,微机电系统(MEMS)技术在医学领域的应用越来越广泛,如胶囊内窥镜就是其应用之一。通常体内微机电系统采用微型电池作为能源,供给电能。但微型电池寿命有限,同时含有化学物质对人体安全有潜在威胁[1, 2]。另外,随着体内诊疗微机电系统图像采样质量的提高、功能扩展、主动运动控制和增加有效工作时间都要消耗更多的能量,因此迫切需要一种新的电能提供方法,无线能量传输技术应运而生[3-7]。目前无线电能传输方式主要分为三类: 1)微波能量传输技术功率一般在100mW以下。对于植入式体内微机电系统,功率太大可能会损害人体,不适用于较大功率的体内微机电系统。2)超声波能量传输[9]。超声波是一种机械波,具有很强的方向性,超声作用于人体会产生一系列生物效应,其主要表现为空化效应、机械效应、热效应、触变效应以及弥散效应等。生物效应不仅与生物组织受辐照的总剂量有关,更重要的是与照射剂量在空间与时间的分配有关,时间过长,剂量过大可能对人体有害,因此一般作为医学治疗,不宜作为长时间能量传输方式[11, 12]。3)感应电力传输技术。它是利用现代电力电子控制技术和磁技术,通过气隙电感的磁感应耦合来传递能量,其应用场合很广,可以传输较大功率,而对人体无伤害。故本文选择感应电力传输的无线能量传输方式。笔者将给出无线能量传输系统的工作原理,介绍无线能量传输系统的初级能量产生系统和次级能量接收系统,利用体内温度采集胶囊和体外的无线温度接收系统进行测试与试验研究。试验结果表明该系统能够很好地为体内的微机电系统进行无线供能。

　　1　基于感应电力传输的无线能量传输系统

　　IPT(Inductive PowerTransfer)技术主要是利用电磁感应的原理来进行无线能量的传输。体内微机电无线能量传输系统则基于这种能源传输技术,并结合电力电子技术,进行电能的无线传输,从而对体内的诊疗微机电系统供电。如图1所示,系统工作时,工频交流电经过高频转化电路,转化为高频交流电。再经过初级线圈,在次级线圈上产生感应电动势,经整流等为负载提供所需的能量。在初级线圈和次级线圈之间可以没有接触,电磁场通过气隙耦合联系,使无线能量传输成为可能。

　　1.1　初级能量的产生

　　在设计中,高频交流电主要是由信号源发生器产生,如图2所示。WL3866宽带大功率信号源发生器可以产生8kHz~1MHz、0~240V、0~160W的高频正弦交流电,并通过初级线圈来提供能量。电流、电压和输入功率均可由WL258功耗仪测量。为了降低初级系统的功率要求,在初级能量产生系统中加入补偿电容。补偿电容与初级线圈的连接方式为串联。