植入式医疗设备外部体导充电效能仿真分析*

徐 晶，聂思兵，陈阵，张 镘，杨济宁

(1.内江师范学院计算机科学学院(人工智能学院)，四川 内江 641100; 2.内江职业技术学院，四川 内江 641111)

0 引言

植入式医疗电子是一种埋藏在生物体肌体组织内部，用来监测生命体内生理变化或者促进(抑制)生命体正常工作的重要电子设备[1]。由于设备是埋入在机体内部，而电子设备的正常工作离不开电能的供应，设备的供电通常是通过锂电池放电来实现；由于锂电池的电池容量是有限的，为了保证设备能够长期、稳定的在体内正常工作，电池充电是系统长期稳定运行的关键部分。

电池充电主要有以下几种方式[2-5]。1)导线连接充电：在埋入设备时，预留外部充电导线，通过连接外部导线充电。好处是高效稳定，操作简单；不足是易引发细菌感染。2)手术更换：通过手术更换电池。好处是稳定；不足是操作复杂、手术费用昂贵、易感染。3)磁耦合充电：通过线圈耦合实现充电。好处是无需手术、不会引发二次感染；不足是效率低、易发热、造成组织二次伤害。

为了解决上述问题，提出体导能量传输方式[6,7]，用来实现对植入式医疗设备的无损充电。在该能量供应系统中，我们使用人体组织作为通信介质，信号直接与人体耦合从而实现电能从外向内传输。为了研究该系统的充电效能，利用多物理场耦合软件(COMSOL)构建了该有限元仿真模型，通过模型我们可以直观的观察能量供应效果以及分析系统的供电效能。

1 系统建模

1.1 几何建模

常规电池充电中，注入的通常是电流信号。考虑到电流信号是由外部向内部注入，假定生物体是一个准静态场，则拉普拉斯方程为该系统的控制方程。为了保证充电系统的充电效率，我们应保证外部设备尽量在植入式设备周围。因此我们选择了20cm×10cm的表面来研究。

由于设备通常埋藏在肌肉组织内部，因此建模过程中，我们需要考虑肌肉层、脂肪层、皮肤层三层组织对充电系统的影响。因而在系统建模中，我们构建了三个厚度不同，长与宽都相同的立方体来代表不同组织；通过文献查阅[8]，还可以得到各种组织的电参数以及安全充电的电压指数等参数(详细见表1)。通过几何实体化后，可以得到仿真系统的几何架构如图1所示。

表1 模型仿真参数

图1 几何模型构建

1.2 网格剖分

合格的网格剖分是实现高效准确的解的前提，在网格剖分中，过粗会造成解的误差过大，过细虽然可以提高系统解的准确性但会增加系统的计算量，加重设备的计算复合。并且在满足基本测量时，较细的划分并不能让结果有较显著的提高，为此选用了四面体常规方式来划分单元格，划分后详细的参数如表2所示，其划分后的视图如图2所示。

1.3 模型计算

为了分析体导充电效能，在稳态模式下，假定注入的电信号频率为1kHz，通过计算我们可以获得信号发送端与接收端的效果，如图3所示。

为了获取正对电极处信号的充电效能，我们选择发送端与接收端电极正中心电势作为分析样本电，考虑到我们使用的是恒定电流充电，充电效能可以简化为发送端与接收端电势比。经过数值提取，我们得到发送端电势大小为5V，接收端电势大小为1.03V,则充电效率为20.6%。

图3 仿真视图

2 结论

为了分析体导供能系统供能效率，使用计算机技术结合生物建模方法构建了低频环境下能量传输模型。通过模型分析得出该系统供电效率达20.6%，完全满足植入式设备供电需求，是完全可行的。