磁耦合谐振无线能量传输系统头部植入线圈对人体头部电磁辐射影响的研究

赵 军 徐桂芝* 张 超 李 烜 李少充

1(河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130)

2(中国科学院电工研究所前沿探索研究部，北京 100190)

引言

随着科学技术的发展，各种功能的植入电子医疗产品不断进入人们的生活中，它们在疾病的诊断、治疗、肢体矫正、康复等方面发挥着巨大的作用，为患者带去生活上的方便甚至延续着患者的生命。

电源技术是植入电子器件的诸多技术中最关键的技术之一。尽管植入电子器件存在着多种可能的供电方式，目前各类生物体内装置普遍采用电池供电的电源模式，虽然电池容量在不断增大，但由于其没有实时能量补给功能始终存在电量耗尽的窘境。电能无线传输一直是人类的梦想，多年来国内外一些科学家执着地开展着这项研究，但进展甚微。2007年MIT的科学家在电能无线传输原理上有了突破性进展，他们利用电磁耦合谐振原理实现了中距离的电能无线传输，在2 m多距离内将一个60 W的灯泡点亮，且传输效率达到40%左右，这种方法被称作Witricity技术[1-2]。该技术与其他技术相比具有以下优点：

(1)可以定向的传输能量，只有当谐振线圈存在时才能接收能量。由于生物组织的固有谐振频率一般非常低，对能量的传输几乎没有影响，所以该技术对于人体来说是安全的。

(2)可以进行中距离的无线能量传输，而传统的方法一旦传输距离有所增大，传输效率便会急剧下降。

(3)具有很强的适应性，在能量传输的过程中不受中间障碍的影响，即在视线达不到的地方依然能够有效地传输能量。

由以上可知Witricity技术在给植入性电子医学器件进行无线能量传输方面具有很大的优越性。近年来，随着微电子技术的飞速发展，植入式医疗器械正朝着小型化和集成化方向发展。传统的植入式医疗器械经皮能量传输的磁耦合电感线圈多采用机器或人工缠绕，重复性差，电感量控制困难，而且带磁芯的线圈体积较大，不利于系统的微型化。本研究采用印制板直接制作一种适用于植入器件的小尺寸平面螺旋谐振线圈，该线圈正反两面覆铜，很好的与系统谐振频率匹配，此外应用时域有限差分方法，将该植入线圈对人体头部电磁辐射的影响进行分析，验证该方法应用于体内植入器件的安全性。

1 实验系统设计

磁耦合谐振无线能量传输系统的结构如图1所示，整个无线能量传输系统由四个主要部分组成：高频正弦信号发生和功率放大电路、激励线圈和谐振初级线圈(线圈1)、谐振次级线圈(线圈2)和能量汲取线圈以及整流滤波充电电路。如果将谐振初次级线圈直接与电路连接，则Witricity系统的谐振频率会受到很大干扰，因此加入激励线圈和能量汲取线圈，其中激励线圈与功率放大电路相连接，能量汲取线圈与负载相连。激励线圈和能量汲取线圈由线径1 mm的铜线缠绕成3匝直径为5 cm的螺旋线圈，与谐振初次级线圈通过感应耦合传能。整个系统的核心还是两个谐振线圈，谐振初级线圈和谐振次级线圈组成了一个完整的谐振器，从而实现两个线圈之间的能量传输。当两个线圈产生强烈的磁耦合谐振时，才能在较远的距离下有效地传递能量，在系统仿真时将激励线圈和能量汲取线圈忽略。

图1 磁耦合谐振无线能量传输系统结构图Fig.1 Structure of magnetic coupling resonance wireless energy transmission system

系统采用方形平面螺旋谐振线圈(图2)，谐振线圈由三层组成，正面导体层由方形螺旋铜片组成，介质层为聚乙烯板，反面导体层由长方形铜片组成。正面导体层形成的电感与正反面导体层重叠部分形成的电容，通过复杂的串并联电路构成系统所需要的谐振器，进行能量传递。谐振线圈具体参数如表1所示，线圈边长5 cm，厚度0.054 cm，线圈体积为1.35 cm3，自谐振频率为11 MHz。功率放大电路产生的信号输出电压范围为0～25 V，频率范围为1～28 MHz，输出端接一个3 W 灯泡[3-5]。

图2 小尺寸谐振器(左)及实验装置(右)Fig.2 Small size resonator(left)and experiment(right)

因为整个系统最终要应用于人体内部，所以模拟人体体液环境很重要。由文献[6]的研究结果可知：能量在模拟人体体液环境中的衰减因子均小于空气中的衰减因子，也就是说，能量在模拟人体体液中的衰减小于空气中，但传输变化规律基本一致。为了简化实验，通过改变空气中初次级谐振器之间的距离(1～10 cm)，测量输入输出端电压和电流，对谐振次级线圈的输出功率及效率进行计算。从图3(a)可知，在两谐振器相距1 cm时最大输出效率达到76%，当两谐振器距离为10 cm也就是谐振器边长的2倍时，效率降至1.1%，输出功率为98 mW，这也可以为头部植入器件提供足够的能量。当激励线圈的输入电压继续增大时，输出电压也会相应的增加。当两谐振器存在一定水平位移或旋转角度时，磁耦合谐振无线能量传输系统也能很好地工作，相应的输出功率和效率如图3中(b)和(c)所示(两线圈垂直距离为2cm)。这一结果表明，该系统可以很好地应用于小尺寸电设备，特别是体内植入器件，这也为下一步仿真模型的建立提供了可靠依据。

表1 谐振器参数Tab.1 Resonator parameters

图3 输出功率与效率图。(a)输出功率与效率随距离变化图;(b)输出功率与效率随水平位移变化图;(c)输出功率与效率随旋转角度变化图Fig.3 Output power and efficiency.(a)Output power and efficiency versus distance;(b)Output power and efficiency versus horizontal displacement;(c)Output power and efficiency versus rotation angle

2 仿真分析方法

2.1 比吸收率(SAR)

在外电磁场作用下，人体内将产生感应电磁场。人体内的电磁场将产生电流，导致人体吸收和耗散电磁能量，使人体局部组织温度升高。人们在研究电磁辐射的生物效应时，确定进入人体组织区域内的电磁的大小和分布情况是非常重要的，通常使用比吸收率(specific absorption rate，SAR)来表征人体组织吸收电磁能的大小[7]。

比吸收率的定义为单位质量的生物组织吸收的电磁功率，单位是 W/kg。本研究重点计算人体主要组织平均比吸收率SARa。SARa的定义为生物系统吸收的电磁总功率Pat与生物系统的总质量mt之比，表达式为

这里所说的生物系统可以是生物体(比如人或实验小鼠)，也可以是生物组织(比如肝脏)、生物样本(比如培养皿中的细胞样品)或研究者关注的生物体的某一区域(比如人体的某一横截面)，本研究主要对人头部进行计算(下文中仍用SAR表示)。

比吸收率无法通过目测或感官得知，但是却真实存在，仿真分析成为研究比吸收率的重要手段。通过对比吸收率的仿真研究，使得无形的电磁辐射逐渐数值化。

国际非电离性辐射防护委员会制定的《限制时变电场、磁场和电磁场暴露导则》[8]中指出不同频率范围的参考基本照射限值不同，100 kHz～10 GHz频率范围内，基本限值主要是SAR值，以防止全身发热和局部组织过热。在10 MHz～10 GHz频率范围内局部暴露 SAR(头部和躯干)限值为2 W/kg。在这一标准中局部暴露SAR平均值是利用任意10 g相邻组织内的平均量来进行计算的。此外，导出限值是通过基本限值用数学模型以及在特定频率下通过实验室研究结果进行推导出来的，导出限值表示场与暴露个体的最大耦合状态，因此可提供最有效的防护。10～400 MHz频率范围内时变电场和磁场暴露下适用于一般公众的导出限值(均方根值)包括电场强度E的大小限值为28 V/m，磁场强度H的大小限值为0.073 A/m。

2.2 仿真方法

利用MIMICS 11.0软件(Materialise公司，比利时)，借助二维头颅MRI医学图像数据，经过图像预处理，组织分割，重构真实头部和大脑组织的三维面模型。然后将面模型以通用格式输出至Geomagic Studio 11软件(Geomagic公司，美国)，通过创建曲面，曲面拟合等操作，生成头部三维实体模型。应用HFSS 12软件(Ansoft公司，美国)建立谐振线圈模型，进而将头模型和谐振线圈模型同时导入数值分析软件 XFDTD 6.0(Remcom公司，美国)中，对各组织材料电磁特性进行设置并做网格剖分，最终得到一个可以用于数值计算的三维头部数值模型(见图4)。

时域有限差分方法(finite difference time domain，FDTD)是一种微分算法，时间步长和空间步长要遵守一定的规则，否则会发生稳定性问题。为了保证离散后的解是收敛并且稳定的，同时考虑计算的复杂度问题，一般情况下，稳定性需要满足表2的稳定条件即可，表中Δt为时间间隔，T为周期，δ=Δx=Δy=Δz为单元网格的长度，c为光速，λ为波长。

图4 三维头模型(左)及分辨率为2.03 mm的三维头部数值模型(右)Fig.4 3D head model(left)and 3D numerical model of head with the resolution ratio of 2.03 mm(right)

表2 稳定条件Fig.2 Conditions for stability

采用正方体网格对头部进行剖分，根据上述条件并综合考虑计算复杂度，最终设定单元网格长度2.03 mm，并设置计算空间为PML吸收边界条件，层数为5层，空间计算网格数为148×134×134。此外对于不同的建模会有不同的周期条件，由计算经验总结可知一般取时间步数大于3个周期，取N=100000。

计算两种情况的SAR值，第一种是体外设置谐振初级线圈，体内植入谐振次级线圈且两线圈距离为1 cm时人头部SAR值，第二种是体外设置谐振初级线圈，体内未植入谐振次级线圈时人头部SAR值。在应用HFSS软件进行谐振线圈建模时，设置了波端口作为能量进出的唯一端口。在第1种情况中激励源设置在谐振初次级线圈波端口处，分别为点(133，85，76)和点(123，85，76)，频率为 11 MHz，电压分别为25 V和14.8 V(实验测得)。在第2种情况中只设定谐振初级线圈，激励源设置在点(133，85，76)，电压为 25 V。

3 实验结果

通过XFDTD软件在YZ平面上进行分析，分别取 X=20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130得出人头部不同平面上的10 g组织SAR值分布，具体数值如表 3所示，SAR分布如图 5和图6所示。

表3 头模型中YZ平面SAR值分布情况Tab.3 The distribution of SAR in the head model at YZ plane

图5 YZ平面10 gSAR分布Fig.5 The 10 g SAR at YZ plane

第1种情况10 g组织SAR最大值为9.2627×10-6W/kg，位于(127，83，74)点。第 2 种情况 10 g组织 SAR最大值为3.7924×10-5W/kg，位于(122，83，75)点。此外，在第 1种情况下，头部电场磁场强度(均方根)最大值位于(133，85，76)，分别为4.64 V/m和0.057 A/m。第2种情况下头部电场磁场强度(均方根)最大值也位于(133，85，76)，分别为1.73 V/m和0.035 A/m，均低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的安全限值标准。

4 讨论

图6 两种情况下SAR值在X方向分布Fig.6 The SAR distribution of two kinds conditions in X-axis direction

本研究基于小尺寸Witricity系统展开，目的在于验证这一方法应用于体内植入器件的传能时对人体的电磁辐射伤害程度。分析以上的计算结果可以发现：应用Witricity方法对头外部放置谐振线圈时，在分别考虑头内部植入谐振线圈和头内部不植入谐振线圈两种情况下，头部SAR值以及电磁场强度在Y=83附近，即波端口附近达到最大值，且分析的两种情况下最大值均低于国际限值标准。在SAR值分布情况分析中可以发现，第1种情况的值均低于第2种情况，这一现象是由于在谐振次级线圈存在的情况下，两线圈实现谐振耦合，更多的能量被谐振次级线圈吸收而没有被人体吸收。这一结果再一次证明了Witricity方法非常适用于体内传能系统。本研究中，为了简化实验，所有试验均是在空气中进行的，与人体的实际环境还存在着很大的差异，这也是下一步实验着重需要改进的地方。

5 结论

现阶段Witricity无线传能技术还处于起步阶段，相关理论和实验研究还比较欠缺，尤其是针对体内植入器件的Witricity无线传能，几乎没有相关文献。本研究基于磁耦合谐振无线传能原理设计了适用于体内植入器件的小型磁耦合谐振系统，谐振器尺寸仅为1.35 cm3。通过实验证明，该系统在中距离传输范围内即使两谐振器存在一定水平位移或旋转角度时，Witricity系统仍能很好的工作。此外，根据硬件实验系统尺寸建立了较为准确的电磁场头部及谐振器仿真计算模型，计算了应用Witricity方法，对头部植入器件进行能量传输时人体头部的SAR值分布及电磁场强度，结果表明，应用Witricity技术对头部植入器件进行能量传输，人体头部10 gSAR平均值为9.2627×10-6W/kg，电场磁场强度均方根最大值分别为4.64 V/m和0.057 A/m，均低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的安全限值标准。

本工作为基础性的研究，为Witricity技术应用于体内无线传能研究提供了重要依据。

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