医疗器械领域中距离电能传输的应用

湖南长沙南雅中学 黄渝昂

医疗器械领域中距离电能传输的应用

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由于具有许多传统输电技术所没有的优势，无线电能传输技术日益受到人们的关注。因为在一些特殊的场合，无线电能传输可以降低输电过程中一些安全问题的发生，也能更加方便的为设备供电，并解决一些传统输电技术无法解决的问题。本文在论述无线电发展背景的基础上，分析现实中MCR-WPT在植入式医疗器械应用方面出现的传输效率低下和传输距离近的弊端。并且本文针对这一弊端提出改进方法，尝试将“中场无线传输”运用于这一方面，可以增大传输距离和提高工作效率。

无线电能；传输；植入式医疗器械；中场无线传输；MCR-WPT

1.无线电能传输在现实应用中的情况

当前环境污染严重，能源问题也日趋明显。合理利用能源能更好的解决能源问题，而超级电容，飞轮电池和无线电能传输（WPT）等这些新兴技术是我们实现高效合理利用能源的有效途径。WPT在医疗仪器、新能源发电、航空航天、电力系统、电动汽车、便携式通讯设备 、照明等领域都已经有了广泛的应用。但在植入式医疗器械这一方面，MCR-WPT却面临着传输距离短，传输效率低下的问题。如果对这个问题不找出一个合理的解决措施，那么许多植入式医疗器械如心脏起搏器，助听器，神经刺激器等的应用在使用过程中都会有着极大的不便。

2.MCR-WPT

2.1 MCR-WPT的基本组成

利用两个谐振线圈进行电能传输的结构，称为MCR-WPT的第一种基本拓扑结构，也称两线圈结构。

为了更加有效的传输电能，将发射线圈和接收线圈即谐振线圈的自谐振频率设置成同一频率，这也就是系统的谐振频率。四线圈结构在两线圈结构基础上的进步是它能够进行电源和负载的匹配，这也因此减小了电源和负载对于谐振线圈的影响。

2.2 MCR-WPT的工作原理

分析MCR-WPT两线圈结构的电能传输工作原理，可以从能量流动这一角度入手。首先，电源以系统谐振频率给发射线圈供电。这时让发射线圈产生谐振。因为产生了谐振，所以即使有些地方电压不是很高，也可以产生较大的电流，也从而建起比较强的电磁场。发射线圈中的电容的电能因为谐振与感应线圈中的磁能不断交换，并且发射端的感应线圈中的磁场有一部分铰链到了接收端的感应线圈。在接收端中，同样的，电容中的电能和感应线圈中的磁能也在不停地进行这能量交换，负载因此接收到了能量。

针对MCR-WPT的定量的分析，目前主要有电路理论和耦合模理论。目前仅针对电路理论做出阐述。电路理论：通过基尔霍夫定律，得到两线圈结构回路方程如下：

其中下标1表示发射线圈的电量，下标2表示接收线圈的电量。通过化简，可得：

令电源频率等于系统自谐振频率，发生谐振，此时有：

将方程(4)进一步化简，可以求出相应的电流，从而得到整个系统的解。

3.植入式医疗器械

3.1 中场电磁波的提出

美国电子工程师朴恩及其小组将远场电磁波的长距离和近场电磁波的安全性优点结合起来，这一成果成为“中场电磁波”。

3.2 中场电磁波原理

因为波在不同的介质中传播速度是不同的，比如声音在水中和在空气中的传播速度是不同的，正是通过这一思路，“中场电能传输”就是由一种特殊的电源产生一种特殊的进近电磁波。而这一电磁波从空气传向皮肤时，可以改变自身的状态，以让其更有利于传播。

3.3 电能传输的效率

因为电能传输之间的能量是通过耦合实现的，所以我们有方程组：

在公式(5)(6)中V1，V2是电感线圈的输出端和接收端，I1，I2分别是其中的电流，Z为电阻。由于存在互感，所以有。通过计算可得：

3.4 中场电磁波对植入式医疗器械领域的优点

（1）供电过程中没有物理连接，避免了导线与皮肤直接接触，防止感染引发的并发症。

在传统技术中植入式电池能量耗尽后必须更换，而中场电能传输很好地解决了这一问题，并提高了手术后病人的生活质量。

（3）与人体皮肤没有直接电气连接，不存在裸露的导线，消除了意外电击的可能性，提高了设备的安全性。

（4）不存在直接的摩擦，消除机械上的磨损以及电气腐蚀，具有很高的可靠性和免维护性。

（5）由于非接触式变压器一、二次非紧密耦合，所以在变压器一、二次产生一定程度错位时，系统仍可正常工作，提高了供电时的灵活性和病人的舒适性。

（6）增长了传输距离，提高了传输效率。

4.植入式医疗器械应用的展望

随着技术的不断发展，随着“中场电能传输”应用的深入，植入式医疗器械的弊端将会被克服，可以预计，在植入式医疗器械大需求的现状下，这一领域将会不断有着新的突破，并且将会带动无线电能传输技术更加长远的应用与发展。

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下滑信标的天线安装在跑道入口的一侧。下滑信标天线的等效辐射场是在沿着陆方向上发射两个与跑道平面成一定的仰角，并且有一边相重叠的相同形状的波束。两个波束的中心在最大值处以相同向量向下或向上偏离下滑道，这两个波束信号是以相同频率发射的。只是下波束用150Hz进行调幅，上波束用90Hz进行调幅的，并且调幅度均为40%。

在下滑信标发射机中，下滑信标发射信号提供的引导范围应为下滑道中心线两边各8度的的范围内，引导的距离不能小于10 mile，也是在从地面往上的0.45θ到1.75θ的扇区范围内，同时为了接收机能够正常工作，在整个覆盖区域内，最低信号场强度为。同时，θ在仪表着陆系统的下滑角，应该在2°至 4°之间进行调整，而最佳下滑角应在2.5°至3°之间选择。而且在仰角所覆盖的范围内，在最靠近下滑道的DDM等于0.175的各点轨迹所限定的扇区叫下滑道扇区，约±0.7°。

在下滑扇区内，下滑指针偏离指示和飞行器的偏离下滑道的角度大小成正比。当飞行器向上偏离或向下偏离下滑道0.35°时，指针向下偏指或向上偏指一点；但当飞行器的偏离下滑道向上或向下等于0.7°时，指针就会满刻度偏转。

通过下滑信标的建模与仿真，我们可以初步的了解盲降设备在飞行器降落过程中的工作原理，这将对每一位盲降设备的维护人员，特别是新员工建立全面的盲降原理起到重要作用。