Исследование системных связей при резонансной индуктивной передаче энергии к активным имплантируемым приборам Миндубаев Эдуард Адипович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Разработка и

совершенствование активных имплантируемых приборов (АИП)
является одним из приоритетных направлений развития медицинской
техники. Прогресс в области электроники сделал возможным переход от
экстракорпоральных устройств к миниатюризованным АИП. Особое
место в таких приборах занимает система их энергообеспечения.
Однако подходы к энергообеспечению таких приборов, практикуемые в
настоящее время, обладают рядом недостатков. Использование
чрескожных проводов для соединения внешней части системы с
имплантируемым прибором сопряжено с риском возникновения
инфекций. Имплантируемые батареи зачастую не могут обеспечить
необходимый срок службы АИП, что приводит к необходимости
замены прибора при малом остаточном заряде батареи. Таким образом,
актуальным является развитие методов беспроводного

энергообеспечения. В настоящее время одним из наиболее

перспективных методов является применение индуктивной связи.

В основе системы резонансной индуктивной передачи энергии
(РИПЭ) находятся индуктивно связанные передатчик и приёмник (чаще
всего реализуемые как пара катушек, которые представляют собой
трансформатор с воздушным сердечником). Переменный ток,

протекающий через передатчик, расположенный на поверхности кожи,
создаёт переменное электромагнитное поле. Это поле, в свою очередь,
генерирует переменный ток в приёмнике, который находится в теле
пациента. Для повышения эффективности передачи энергии в системе
РИПЭ совместно с катушками устанавливаются конденсаторы, которые
образуют колебательные LC-контуры в передающей и принимающей
частях системы. Частота резонанса этих контуров совпадает с рабочей
частотой системы. Задача конструирования системы РИПЭ для питания
АИП обладает высокой сложностью из-за жёстких требований к
эксплуатационным характеристикам системы, обусловленных наличием
относительных смещений передающей и принимающей катушек,
работой в агрессивной биологической среде и ограничениями на нагрев
системы. Упомянутые особенности существенно осложняют

достижение необходимых показателей стабильности и эффективности работы системы РИПЭ.

Основное внимание в данной работе посвящено проблеме смещения катушек. Смещения могут быть вызваны двигательной

активностью пациента, а также послеоперационным отёком тканей,
наблюдаемым в первое время после имплантации АИП. Существует
множество подходов к решению обозначенной проблемы: механическая
фиксация относительного положения катушек, оптимизация

геометрических параметров катушек, использование алгоритмов управления рабочей частотой системы и т.д.

Различные подходы к достижению стабильности выходных
характеристик системы, а также широкий спектр возможных
применений беспроводного энергообеспечения (системы

вспомогательного кровообращения, кохлеарные имплантаты,

стимуляторы спинного мозга и т.д.), приводят к тому, что универсальный подход к проектированию и исследованию системы РИПЭ не может быть выделен. Таким образом, актуальным становится исследование системных связей и закономерностей функционирования систем РИПЭ к АИП.

Объектом исследования являются системные связи и

закономерности функционирования систем резонансной индуктивной передачи энергии.

Предмет исследования – методы и средства анализа и оптимизации систем резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам.

Проблемная ситуация, сложившаяся в области объекта исследований, определяется тем, что оценка влияния взаимного положения передатчика и приёмника на характеристики передачи энергии в системе резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам является сложной научно-технической задачей. При этом возникает необходимость разработки методов и средств анализа и оптимизации таких систем.

Цель работы. Разработка методов и средств анализа и оптимизации систем резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам на основе теоретических и прикладных исследований системных связей и закономерностей функционирования таких систем.

В соответствии с целью диссертационной работы поставлены следующие задачи:

1. разработка математической модели, описывающей основные закономерности функционирования системы резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам с учётом

произвольной относительной ориентации передающей и принимающей катушек индуктивности;

1. анализ влияния геометрических параметров передатчика и приёмника на коэффициент связи между ними, а также исследование зависимости выходных характеристик системы резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам от коэффициента связи;

2. анализ основных режимов работы системы резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам;

3. разработка экспериментальной установки для верификации результатов численного моделирования системы резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам;

4. разработка метода оптимизации параметров системы резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам для обеспечения заданных выходных характеристик системы.

Научная новизна работы

1. Установлено, что в геометрии передатчика и приёмника, характерной для систем резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам зависимость величины взаимной индуктивности от угловых смещений имеет немонотонный характер, и положение локального максимума взаимной индуктивности зависит от величины конструктивных геометрических параметров передатчика и приёмника.

2. Получены универсальные выходные характеристики системы резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам. Введён параметр , позволяющий оценить стабильность выходных характеристик системы, работающей в области критической связи. Введён параметр , позволяющий связать значение целевых функций в области сверхкритической связи с параметрами колебательных контуров.

3. Предложены процедуры оптимизации конструктивных геометрических параметров систем резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам для достижения заданных значений целевых функций для определенного диапазона эксплуатационных геометрических параметров системы.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Разработана многофункциональная проблемно-

ориентированная экспериментальная установка, позволяющая получать

значения целевых функций, при помощи которых можно выполнять
экспериментальную верификацию результатов численного

моделирования систем резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам.

2. Выполнено исследование влияния набора конструктивных геометрических параметров передатчика и приёмника на зависимость коэффициента связи между ними от эксплуатационных геометрических параметров передатчика и приёмника. Результаты исследования могут быть использованы для подбора оптимальных значений конструктивных геометрических параметров передатчика и приёмника в системе резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам для достижения заданных значений целевых функций.

3. Результаты исследования влияния угловых смещений передатчика и приёмника на их взаимную индуктивность могут быть использованы при проектировании систем резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам. Так как увеличение взаимной индуктивности по причине угловых смещений передатчика и приёмника может приводить к передаче в нагрузку избыточной мощности и нарушению функционирования активного имплантируемого прибора.

Работа выполнена в рамках прикладных научных исследований в
соответствии с федеральной целевой программой «Исследования и
разработки по приоритетным направлениям развития научно-

технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (Соглашение о
предоставлении субсидии от «22» сентября 2015 № 14.581.21.0014,
уникальный идентификатор соглашения RFMEFI58115X0014), а также в
рамках выполнения проекта государственного задания по теме
«Разработка методов и средств построения адаптивных систем
беспроводного энергообеспечения персонифицированных

имплантируемых медицинских приборов» (Задание № 12.2339.2017/ПЧ, идентификатор № 12.2339.2017/4.6). Результаты работы внедрены в учебном процессе Национального исследовательского университета «МИЭТ» в рамках учебной дисциплины «Беспроводная передача энергии и информации в биологических средах» (7-й и 8-й семестры подготовки бакалавров по направлению 201000 «Биотехнические системы и технологии», профиль подготовки «Биомедицинская радиоэлектроника»).

Методология и методы исследования.

В диссертационной работе был проведён анализ выходных
характеристик в зависимости от рабочей частоты системы и параметров,
описывающих относительное положение передающей и принимающей
катушек. Для решения поставленных в работе задач применялись
методы системного анализа, численного интегрирования, анализа
электрических цепей и математического моделирования. Для

подтверждения результатов численного моделирования была проведена серия экспериментов. В качестве инструментария использовалась среда Matlab.

Личный вклад автора.

Автор принимал активное и непосредственное участие в выполнении всех работ, которые легли в основу диссертации.

Положения, выносимые на защиту.

1. Разработанная модель системы резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам позволяет моделировать выходные характеристики системы для произвольных значений эксплуатационных и конструктивных параметров передатчика и приёмника.

2. Относительные смещения передатчика и приёмника в системе резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам могут приводить к возникновению локальных максимумов взаимной индуктивности, положение которых зависит от конструктивных геометрических параметров передатчика и приёмника.

3. Полученные универсальные выходные характеристики системы резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам, а также введённые параметры и могут быть использованы для создания процедур оптимизации таких систем.

4. Разработанный метод оптимизации геометрических параметров системы резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам позволяет минимизировать размеры системы для заданных значений целевых функций путем подстройки конструктивных геометрических параметров системы.

5. Разработанная экспериментальная установка позволяет исследовать основные закономерности функционирования системы резонансной индуктивной передачи энергии к активным имплантируемым приборам.

Степень достоверности и апробация результатов работы.

Достоверность и обоснованность результатов работы

подтверждена комплексным характером проведенных исследований и
сопоставлением результатов работы с данными опубликованных
научных статей, а также содержанием патентного фонда Российской
Федерации и ведущих зарубежных стран. Разработанные теоретические
основы и модели хорошо согласуются с полученными

экспериментальными результатами. Все экспериментальные

исследования проведены на сертифицированном оборудовании.

Основные теоретические положения и научные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на 17 Международных, Всероссийских и региональных конференциях:

6. 1st Russian-German Conference on Biomedical Engineering (г. Ганновер, Германия – 2013).

7. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2014» (г. Москва – 2014).

8. X Russian-German Conference on Biomedical Engineering (г. Санкт-Петербург – 2014).

9. XIII международная научно-практическая конференция "Инженерные приложения на базе технологий NI - NIDays 2014" (г. Москва – 2014).

10. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2015» (г. Москва – 2015).

11. 11th German-Russian Conference on Biomedical Engineering» (г. Аахен, Германия – 2015).

12. 37th annual international conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (г. Милан, Италия –2015).

13. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2016» (г. Москва – 2016).

14. 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (г. Москва – 2016).

10. XII Russian-German Conference on Biomedical Engineering (г. Суздаль – 2016).

11. XLIII Annual Congress of the European Society for Artificial Organs (г. Варшава, Польша – 2016).

12. 2017 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus) (г. Москва – 2016).

13. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2017 (г. Москва – 2017).

14. Progress In Electromagnetics Research Symposium 2017 (г. Санкт-Петербург – 2017).

15. Joint Conference of the European Medical and Biological Engineering Conference (EMBEC) and the Nordic-Baltic Conference on Biomedical Engineering and Medical Physics (NBC) (г. Тампере, Финляндия – 2017).

16. ESAO-IFAO Congress (г. Вена, Австрия – 2017).

17. Progress In Electromagnetics Research Symposium 2017 (г. Сингапур, Сингапур – 2017).

Публикации.

По материалам диссертации имеется 7 публикаций в журналах из перечня ВАК, из них 6 статей в журналах, включённых в систему цитирования Scopus, 1 патент на изобретение РФ, 19 тезисов и докладов в сборниках трудов конференций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 110 наименований. Объём диссертации составляет 135 страниц, включая 56 рисунков и 3 таблицы.