醫療器械領域中距離電能傳輸的應用

湖南長沙南雅中學 黃渝昂

醫療器械領域中距離電能傳輸的應用

湖南長沙南雅中學 黃渝昂

由于具有許多傳統輸電技術所沒有的優勢，無線電能傳輸技術日益受到人們的關注。因為在一些特殊的場合，無線電能傳輸可以降低輸電過程中一些安全問題的發生，也能更加方便的為設備供電，并解決一些傳統輸電技術無法解決的問題。本文在論述無線電發展背景的基礎上，分析現實中MCR-WPT在植入式醫療器械應用方面出現的傳輸效率低下和傳輸距離近的弊端。并且本文針對這一弊端提出改進方法，嘗試將“中場無線傳輸”運用于這一方面，可以增大傳輸距離和提高工作效率。

無線電能；傳輸；植入式醫療器械；中場無線傳輸；MCR-WPT

1.無線電能傳輸在現實應用中的情況

當前環境污染嚴重，能源問題也日趨明顯。合理利用能源能更好的解決能源問題，而超級電容，飛輪電池和無線電能傳輸（WPT）等這些新興技術是我們實現高效合理利用能源的有效途徑。WPT在醫療儀器、新能源發電、航空航天、電力系統、電動汽車、便攜式通訊設備 、照明等領域都已經有了廣泛的應用。但在植入式醫療器械這一方面，MCR-WPT卻面臨著傳輸距離短，傳輸效率低下的問題。如果對這個問題不找出一個合理的解決措施，那么許多植入式醫療器械如心臟起搏器，助聽器，神經刺激器等的應用在使用過程中都會有著極大的不便。

2.MCR-WPT

2.1 MCR-WPT的基本組成

利用兩個諧振線圈進行電能傳輸的結構，稱為MCR-WPT的第一種基本拓撲結構，也稱兩線圈結構。

為了更加有效的傳輸電能，將發射線圈和接收線圈即諧振線圈的自諧振頻率設置成同一頻率，這也就是系統的諧振頻率。四線圈結構在兩線圈結構基礎上的進步是它能夠進行電源和負載的匹配，這也因此減小了電源和負載對于諧振線圈的影響。

2.2 MCR-WPT的工作原理

分析MCR-WPT兩線圈結構的電能傳輸工作原理，可以從能量流動這一角度入手。首先，電源以系統諧振頻率給發射線圈供電。這時讓發射線圈產生諧振。因為產生了諧振，所以即使有些地方電壓不是很高，也可以產生較大的電流，也從而建起比較強的電磁場。發射線圈中的電容的電能因為諧振與感應線圈中的磁能不斷交換，并且發射端的感應線圈中的磁場有一部分鉸鏈到了接收端的感應線圈。在接收端中，同樣的，電容中的電能和感應線圈中的磁能也在不停地進行這能量交換，負載因此接收到了能量。

針對MCR-WPT的定量的分析，目前主要有電路理論和耦合模理論。目前僅針對電路理論做出闡述。電路理論：通過基爾霍夫定律，得到兩線圈結構回路方程如下：

其中下標1表示發射線圈的電量，下標2表示接收線圈的電量。通過化簡，可得：

令電源頻率等于系統自諧振頻率，發生諧振，此時有：

將方程(4)進一步化簡，可以求出相應的電流，從而得到整個系統的解。

3.植入式醫療器械

3.1 中場電磁波的提出

美國電子工程師樸恩及其小組將遠場電磁波的長距離和近場電磁波的安全性優點結合起來，這一成果成為“中場電磁波”。

3.2 中場電磁波原理

因為波在不同的介質中傳播速度是不同的，比如聲音在水中和在空氣中的傳播速度是不同的，正是通過這一思路，“中場電能傳輸”就是由一種特殊的電源產生一種特殊的進近電磁波。而這一電磁波從空氣傳向皮膚時，可以改變自身的狀態，以讓其更有利于傳播。

3.3 電能傳輸的效率

因為電能傳輸之間的能量是通過耦合實現的，所以我們有方程組：

在公式(5)(6)中V1，V2是電感線圈的輸出端和接收端，I1，I2分別是其中的電流，Z為電阻。由于存在互感，所以有。通過計算可得：

3.4 中場電磁波對植入式醫療器械領域的優點

（1）供電過程中沒有物理連接，避免了導線與皮膚直接接觸，防止感染引發的并發癥。

在傳統技術中植入式電池能量耗盡后必須更換，而中場電能傳輸很好地解決了這一問題，并提高了手術后病人的生活質量。

（3）與人體皮膚沒有直接電氣連接，不存在裸露的導線，消除了意外電擊的可能性，提高了設備的安全性。

（4）不存在直接的摩擦，消除機械上的磨損以及電氣腐蝕，具有很高的可靠性和免維護性。

（5）由于非接觸式變壓器一、二次非緊密耦合，所以在變壓器一、二次產生一定程度錯位時，系統仍可正常工作，提高了供電時的靈活性和病人的舒適性。

（6）增長了傳輸距離，提高了傳輸效率。

4.植入式醫療器械應用的展望

隨著技術的不斷發展，隨著“中場電能傳輸”應用的深入，植入式醫療器械的弊端將會被克服，可以預計，在植入式醫療器械大需求的現狀下，這一領域將會不斷有著新的突破，并且將會帶動無線電能傳輸技術更加長遠的應用與發展。

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下滑信標的天線安裝在跑道入口的一側。下滑信標天線的等效輻射場是在沿著陸方向上發射兩個與跑道平面成一定的仰角，并且有一邊相重疊的相同形狀的波束。兩個波束的中心在最大值處以相同向量向下或向上偏離下滑道，這兩個波束信號是以相同頻率發射的。只是下波束用150Hz進行調幅，上波束用90Hz進行調幅的，并且調幅度均為40%。

在下滑信標發射機中，下滑信標發射信號提供的引導范圍應為下滑道中心線兩邊各8度的的范圍內，引導的距離不能小于10 mile，也是在從地面往上的0.45θ到1.75θ的扇區范圍內，同時為了接收機能夠正常工作，在整個覆蓋區域內，最低信號場強度為。同時，θ在儀表著陸系統的下滑角，應該在2°至 4°之間進行調整，而最佳下滑角應在2.5°至3°之間選擇。而且在仰角所覆蓋的范圍內，在最靠近下滑道的DDM等于0.175的各點軌跡所限定的扇區叫下滑道扇區，約±0.7°。

在下滑扇區內，下滑指針偏離指示和飛行器的偏離下滑道的角度大小成正比。當飛行器向上偏離或向下偏離下滑道0.35°時，指針向下偏指或向上偏指一點；但當飛行器的偏離下滑道向上或向下等于0.7°時，指針就會滿刻度偏轉。

通過下滑信標的建模與仿真，我們可以初步的了解盲降設備在飛行器降落過程中的工作原理，這將對每一位盲降設備的維護人員，特別是新員工建立全面的盲降原理起到重要作用。