辽宁工程技术大学研究者提出一种新型心脏起搏器无线供能系统

摘要：目前超材料在植入式心脏起搏器的无线电能传输(WPT)系统中得到了广泛研究，但由于系统频率变化发生共振失调导致传输效率低等问题，该文提出一种基于多频磁负超材料(MB-MNG)的心脏起搏器无线供能系统，实现在6.78MHz、8.94MHz和13.56MHz多频率下

目前超材料在植入式心脏起搏器的无线电能传输(WPT)系统中得到了广泛研究，但由于系统频率变化发生共振失调导致传输效率低等问题，该文提出一种基于多频磁负超材料(MB-MNG)的心脏起搏器无线供能系统，实现在6.78MHz、8.94MHz和13.56MHz多频率下传输性能的改善，为MB-MNG在植入式心脏起搏器无线供能领域的应用提供了新的思路。

研究背景

由于植入式医疗设备的内部环境复杂，植入位置不固定，导致线圈位置不对中等动态变化，互感系数减小导致共振失谐，降低了传输效率、延长充电时间，超材料可以改变电磁波的传播特性，有效地控制电磁场的分布，通过设计合适的超材料结构，可以实现电磁场的聚焦操作，从而提高传输效率。然而传统超材料存在体积庞大、厚度较高的缺点，且通常工作在固定单一频率下，无法适应系统频率变化的需求，当系统工作频率发生变化时，易发生共振失调和电磁泄漏，降低传输效率。

论文所解决的问题及意义

本文针对植入式心脏起搏器无线供能系统频率变化发生共振失调导致传输效率低等问题，设计了一种基于多频磁负超材料(MB-MNG)的心脏起搏器无线供能系统，实现了在6.78MHz、8.94MHz和13.56MHz多频率下传输性能的改善，为MB-MNG在植入式心脏起搏器无线供能领域的应用提供了新的思路。

论文方法及创新点

本文设计了一种新型多频磁负超材料(Multi-band negative permeability, MB-MNG)，并将其应用于磁耦合谐振无线传能系统。首先，计了可在6.78MHz、8.94MHz和13.56MHz三个频率下实现负磁导率的多频超材料，推导了正八边形磁负超材料设计的基本公式。超材料基元如图1所示。通过S参数反演出超材料基元的等效磁导率，针对不同频率设定外接电容值，进行基元参数设计。Floquet端口法计算的等效磁导率如图2所示。

图1 MB-MNG基元结构图

图2 Floquet端口法计算的等效磁导率

其次，为研究MB-MNG阵列对MCR-WPT系统传输效率的影响，本文利用多物理场仿真软件COMSOL 搭建了系统的模型，并在中心对齐和系统发生不同水平偏移的条件下进行仿真，得到系统的磁场分布及传输效率。同时进行了人体安全评估，得到了工作60min条件下的SAR值和温升。

仿真结果表明，在6.78MHz、8.94MHz和13.56MHz多工作频率下超材料阵列的加入可以使穿过接收线圈的磁力线增加，优化磁场分布，提高系统的传输效率及抗偏移能力。人体组织中SAR最大值和最高温升符合IEEE标准和人体安全标准，不会对人体造成损伤。

图3 中心对齐系统磁场分布

图4 不同水平偏移条件下MCR-WPT系统磁场分布对比图

图5 人体电磁安全评估

最后，搭建了植入式心脏起搏器无线供能实验系统，对比了传统、、加入铁氧体薄板、及加入MB-MNG阵列的MCR-WPT系统在不同传输距离和发生偏移时的传输效率。同时为了检验本文MCR-WPT系统应用于植入式心脏起搏器的安全性，还进行了模拟温升实验。

实验结果表明，传输距离为20mm时，加入MB-MNG阵列的三种频率下的MCR-WPT系统的传输效率相较于加入铁氧体薄板及传统MCR-WPT系统提高了24.6%-36.5%；在接收线圈发生水平偏移的情况下，加入MB-MNG阵列的MCR-WPT系统相较于传统系统传输效率增加了14.68%-26.27%，系统最大温升为3.3℃，不会对人体安全产生威胁。

图6 传输距离为20mm下实验波形对比图

图7 传输距离16-26mm下的传输效率

图8 系统水平偏移20mm时波形对比图

图9 三组实验温升变化图

结论

本文针对MCR-WPT系统工作频率单一、共振失调、传输效率低、超材料体积庞大等问题，设计了一种应用于植入式心脏起搏器无线供能系统的MB-MNG阵列，实现在6.78MHz、8.94MHz和13.56MHz多频率下谐振，通过仿真和实验验证了该阵列能够实现在三个频率下对系统传输性能的改善。

团队介绍

研究人员辽宁工程技术大学的陈伟华、黄雨琦等人所在团队是辽宁省高等学校创新团队（LT2019007），团队引进和培养了一批学术骨干，形成了完整合理的高水平学术梯队，团队成员目前包括教授15人，副教授16人，讲师6人，40岁以下青年教师8人，近5年来，本团队主要成员先后承担国家自然科学基金项目、辽宁省创新团队项目、辽宁省优秀人才项目、辽宁省自然科学基金项目、辽宁省科技计划项目等纵向课题37项，承担企业委托项目54项；获得省部级以上科技奖励14项；获得发明专利授予权37项；科技成果转化15项；发表学术论文325篇；出版专著5部；围绕着研究方向，已培养博士10人，硕士290余人。