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基于经皮能量传输的人工肛门括约肌生物电磁相容性研究

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上海交通大学学报 2018年第8期52卷 997-1002页

作者：昝鹏张春东刘颜凯高志远上海大学机电工程与自动化学院上海200072 上海市电站自动化技术重点实验室上海200072

针对人工肛门括约肌的生物电磁相容性问题,通过对人体断层照片进行图像分割实现了组织的划分和识别,建立了包含40种生物组织的人体电磁模型.运用时域有限差分法,计算了经皮能量传输系统对生物组织产生的辐射剂量,获得了人体不同组织在... 详细信息

针对人工肛门括约肌的生物电磁相容性问题,通过对人体断层照片进行图像分割实现了组织的划分和识别,建立了包含40种生物组织的人体电磁模型.运用时域有限差分法,计算了经皮能量传输系统对生物组织产生的辐射剂量,获得了人体不同组织在该电磁场中的比吸收率分布情况,并根据国际人体电磁安全标准对其进行了深入分析.仿真结果表明,经皮能量传输系统在发射功率为1.5W,谐振频率为358kHz的实验环境下对人体组织具有良好的生物相容性.

关键词：人工肛门括约肌经皮能量传输时域有限差分法生物电磁相容性

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适用于植入式医疗的三线圈经皮能量传输

电子学报 2014年第6期42卷 1090-1094页

作者：吴朝晖陈晓武黄穗彪李斌华南理工大学电子与信息学院广东广州510640

经皮能量传输方式是目前植入式医疗设备系统供电方式的研究热点,研究如何提高其传输效率和传输有效距离具有重大的应用价值.本文在分析互感耦合理论的基础上,结合互感耦合和强磁耦合的特点,提出了一种适用于经皮能量传输的三线圈耦合结... 详细信息

经皮能量传输方式是目前植入式医疗设备系统供电方式的研究热点,研究如何提高其传输效率和传输有效距离具有重大的应用价值.本文在分析互感耦合理论的基础上,结合互感耦合和强磁耦合的特点,提出了一种适用于经皮能量传输的三线圈耦合结构,并对其进行了相关的理论推导.结果表明:当耦合系数小于0.25时,三线圈耦合结构对耦合效率具有增强作用;在耦合系数为0.04时可提高将近一倍的效率.实验结果也很好地验证了理论分析结果.

关键词：三线圈耦合经皮能量传输植入式医疗设备

基于印制板无芯平面圆形螺旋电感线圈的经皮能量传输研究

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生物医学工程学杂志 2010年第4期27卷 749-752页

作者：吴宝明黄华冯正权第三军医大学大坪医院野战外科研究所五室创伤烧伤与复合伤国家重点实验室重庆400042

提出了一种用于植入式医疗电子设备的新的基于印制板无芯平面圆形螺旋电感线圈经皮能量传输方法。首先,通过建立经皮能量传输电路模型,确定了影响经皮能量传输效率的主要因素是发送与接收线圈之间的耦合系数k;然后采用等效圆环线方法对... 详细信息

提出了一种用于植入式医疗电子设备的新的基于印制板无芯平面圆形螺旋电感线圈经皮能量传输方法。首先,通过建立经皮能量传输电路模型,确定了影响经皮能量传输效率的主要因素是发送与接收线圈之间的耦合系数k;然后采用等效圆环线方法对其耦合系数作了分析与计算;最后通过实验验证了这种方法的可行性。

关键词：经皮能量传输印制板无芯平面圆形螺旋电感线圈植入式医疗系统

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人工耳蜗的经皮能量传输设计

人工耳蜗的经皮能量传输设计

作者：缪吉昌南方医科大学

学位级别：硕士

人工耳蜗是一种能为听觉神经细胞提供电刺激的听觉假体,是目前仿生学中科技含量较高的一种电子装置,又称电子耳蜗,是目前唯一能使全聋患者恢复听觉的有效手段。人工耳蜗将声波机械振动能量转换成植入体电极微弱的电流脉冲信号,以植入耳... 详细信息

人工耳蜗是一种能为听觉神经细胞提供电刺激的听觉假体,是目前仿生学中科技含量较高的一种电子装置,又称电子耳蜗,是目前唯一能使全聋患者恢复听觉的有效手段。人工耳蜗将声波机械振动能量转换成植入体电极微弱的电流脉冲信号,以植入耳蜗的多通道电极为桥梁,刺激耳蜗内的听神经纤维从而产生神经冲动。该过程模拟听觉外周系统的功能,将神经冲动传到大脑,从而形成听觉。目前各国的医疗机构已把人工耳蜗作为治疗重度耳聋至全聋的常规方法,全世界佩戴人工耳蜗的病人数目已达10多万。对于具有正常听力的人来说,声波的振动被耳廓收集,通过外耳道到达鼓膜,经听小骨的杠杆作用传至内耳外淋巴,引起基底膜的振动。基底膜上毛细胞的纤毛产生摆动引起细胞膜的电位变化,从而释放出神经递质,进而使位于毛细胞底部的听神经末梢纤维产生电位变化,这种电位变化经螺旋神经节细胞传至中枢,产生听觉。感音性耳聋病人有不同程度的毛细胞病变或减少,但还是保留着一定数量的听神经纤维和螺旋神经节细胞,因此通过电刺激的方法可以恢复听觉。人工耳蜗是在深入了解人耳听觉系统的基础上开发出来的一种电子仿生装置,又称为“仿生耳”。它是利用电刺激的方法恢复全聋人听觉感知的电子装置,其功能是采用特殊手段模仿正常人的外耳、中耳、内耳耳蜗等人耳外周听觉系统的生理功能,代替病变的内耳毛细胞,直接刺激残存的听神经纤维而使聋人产生听觉。人工耳蜗设备由佩戴于体外的言语处理装置和体内的植入装置组成,二者之间以皮肤相隔,通过电磁耦合的无线方式联系在一起,没有直接的导线连接。体外的言语处理装置包括：麦克风电路、模数转换电路、编码电路、射频发送电路、能量传输电路。体内植入装置包括射频接收电路、能量接收电路、解码／刺激电路。依据人耳部位编码原理,体外部分先将语音信号经过编码、调制,通过射频发送到植入体,植入体接收信号后,解码芯片对语音信号进行解码,然后刺激植入多通道电极。人工耳蜗是现代高科技在医学领域应用最成功的典范。随着人工耳蜗在技术上和功能上的不断发展与稳定,人工耳蜗得到越来越多耳聋患者的青睐,使完全失聪者重新建立了人工耳蜗的听觉,造福于老中青等不同群体的高质量生活。世界上主流的人工耳蜗公司均出自于国外,他们是美国的Advanced Bionics Corporation,代表型号为HiRes90K;奥地利的MED-EL,代表型号为PulsarCI100;澳大利亚的Cochlear,代表型号为CI24RE,这三种产品在我国的临床中应用的最大问题是汉语识别率低且价格昂贵。我国的人工耳蜗研究开始较晚,近几年来,国内开始有个别研究者着手搭建人工耳蜗硬件开发平台。主要研究点集中在三个方面：一、搭建为语音算法提供采集与处理的人工耳蜗语音采集平台;二、设计一种能够进行经皮能量传输的能量供给源;三、设计植入体内的刺激电路。 2006年,曹玉珍等提出了一种感应式充电设计方案,利用电磁感应原理进行经皮能量传输。 2008年,孟丽等基于通用DSP芯片,设计了一款电子耳蜗体外语音处理器。该处理器能够有效的处理语音信号,但效率很低。 2009年,王志军等设计了一种专用于16通道、电流脉冲刺激方式的人工耳蜗体内刺激电路。该芯片可以产生16通道的双相刺激电流,无电流刺激时电极通过开关短接可以泄放电极上的不平衡电荷,提高了刺激的安全性。同年,上海交通大学的牛帅在他的硕士学位论文中,提出了一种适用于神经接口的基于SimpliciTI的无线微电流神经刺激系统设计。在他的设计中,采用的是一款专用的微电流神经刺激器。李颖等发表在国际生物医学工程杂志的文章-电刺激器的双极性输出及保护电路设计,以单向置数方式的DAC和运放电路结合,实现双极性输出,仿真效果较好。 2011年,上海交通大学的阳天亮在他的博士学位论文中,对经皮能量传输系统闭环控制方法进行了系统研究,通过仿真和实验表明所设计的E类放大器可以使经皮能量传输在一定的参数变化条件下次级输出电压恒定,但效率较低,容易受到干扰。 2013年,张树威等人设计了一种基于DSP的人工耳蜗语音处理器,采用双麦克风接受语音输入的自适应消噪技术,较好的消除了语音信号中的噪声。上述文献表明,近年来国内的听觉科学研究者开始在人工耳蜗硬件平台上开始大胆尝试。本论文在总结现有技术的基础上,对人工耳蜗硬件平台进行设计,展开了一系列研究：首先,本文对国际上主流的人工耳蜗编码策略CIS进行了MATLAB仿真。把经过预处理的声音通过8个带通滤波器滤波,再分别提取包络获得其振幅(4,4,…,4),最后采用经过非线性压缩的包络来刺激频率映射的听神经细胞。CIS策略采用双向脉冲相间调制,在同一时刻只有一个通道刺激被选中,这样可避免不同通道电极间的相互干扰。其次,本文对模拟前端的音频采集电路和无线通信电路进行了设计,实验结果表明电路的抗干扰能力较

关键词：人工耳蜗语音处理器经皮能量传输仿生设备语音编码

人工肛门括约肌系统及其经皮能量传输技术研究

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人工肛门括约肌系统及其经皮能量传输技术研究

作者：赵玉娟上海交通大学

学位级别：硕士

肛门失禁是肛门括约肌节制排便功能缺陷性疾病。严重肛门失禁由多种原因造成,对患者造成身体和精神上的双重痛苦,也给患者的家庭及社会带来很大负担。为了有效控制失禁,恢复肛门的正常功能,多年来国内外学者作了多方面的尝试,特别是试... 详细信息

肛门失禁是肛门括约肌节制排便功能缺陷性疾病。严重肛门失禁由多种原因造成,对患者造成身体和精神上的双重痛苦,也给患者的家庭及社会带来很大负担。为了有效控制失禁,恢复肛门的正常功能,多年来国内外学者作了多方面的尝试,特别是试图通过手术重建或肌肉移植代替肛门括约肌功能。虽然已不断改进各种手术方式,但肛门功能的恢复并不理想。用于治疗尿失禁的人造尿道括约肌方法的成功激发了学者们使用类似装置治疗肛门失禁的想法。但是对于肛门直肠周围神经肌性损伤者、顽固性肛门失禁患者,目前国内外所采用的治疗方法和人工肛门括约肌往往达不到满意的治疗效果。这是目前肛肠外科临床工作者面临的共同问题。为了从根本上解决因直肠癌及其他原因导致肛门失禁患者的排便控制问题,针对现有造口手术或人工肛门括约肌存在的不足和缺陷,本论文依托国家自然科学基金项目“原位植入式人工肛门括约肌重建理论及其关键技术研究”(编号:30800235)、教育部博士点基金新教师基金“基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌实验研究”(编号:20070248094)和上海交通大学青年教师基金“反馈式人工肛门括约肌系统预研”(编号:06DBX006),提出研制一种基于经皮供能的人工括约肌系统,模拟正常的人体肛门括约肌的工作机理,治疗临床上常见的肛门失禁病症。本论文基于正常生理括约肌反射生理原理,研究了基于经皮能量传输的反馈式人工肛门括约肌系统,介绍了人工肛门括约肌系统的总体构成和系统功能。人工肛门括约肌系统由体内装置和体外便携装置两部分组成,集成以下模块:基于经皮能量传输的电源模块、信息传感模块、控制单元、无线通信模块、微执行机构和提示模块。本论文重点研究了人工肛门括约肌的经皮能量传输技术的原理,深入地分析了耦合线圈模块串联谐振和并联谐振两种拓扑结构下系统的能量传输效率及效率最大化的条件;针对本系统,分析了影响其能量传输效率的各个因素;提出了经皮能量传输模块的体外发射模块和体内接收模块的设计方案;在满足系统能量要求的前提下,分析了各方案的优劣。论文对经皮能量传输模块和人工肛门括约肌系统进行实验研究,实验研究结果表明:经皮能量传输模块满足体内无线通信模块、信息传感模块和执行机构的供电需求,供电平稳,动物离体实验也证明人工肛门括约肌系统的控便能力能够达到令人满意的程度。

关键词：肛门失禁人工肛门括约肌经皮能量传输动物离体实验

E类放大器原理及其在经皮能量传输应用中的研究

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E类放大器原理及其在经皮能量传输应用中的研究

作者：梁俊睿上海交通大学

学位级别：硕士

E类功率放大器具有结构简单,转换效率高,高频性能出色等优点。自1975年被提出以来,被广泛应用于无线通信、开关电源、无线能量传输、高频加热等不同领域。虽然E类放大器在工程上的应用已经非常的成熟,但为了解决它在某些应用领域遇到的... 详细信息

E类功率放大器具有结构简单,转换效率高,高频性能出色等优点。自1975年被提出以来,被广泛应用于无线通信、开关电源、无线能量传输、高频加热等不同领域。虽然E类放大器在工程上的应用已经非常的成熟,但为了解决它在某些应用领域遇到的问题,其基础理论仍然在不断的发展。本文参考目前已提出的E类放大器理论,首先从稳态波形分析的角度逐步深入,提出了三种新的E类放大器理论分析方法。这三种分析方法统称为“E类放大器的三模型分析”。在“调谐状态描述模型”中,首先通过波形分析推导得到理想E类放大器实现最优调谐时驱动占空比与特征电流比之间的一个重要关系;在此基础上进一步研究特征电压、电流波形的描述公式和E类放大器的负载网络;由此得到一种基于稳态波形分析的理想E类放大器参数设计方法。 “非调谐状态描述模型”在“调谐状态描述模型”的基础上引入一个描述相移的变量,把调谐状态下驱动占空比与特征电流比之间的关系描述推广到更加普遍的非调谐状态;在波形分析中考虑开关导通电阻,结合非调谐状态的参数关系得出非调谐状态下的E类放大器特征波形描述方法。 “扩展阻抗描述模型”通过扩展传统的阻抗概念大大简化了E类放大器的波形分析。使用这种方法可以分析非理想的E类放大器各种状态（无论调谐或非调谐）的稳态波形与电路参数。这种通过阻抗矩阵分析E

关键词： E类放大器 ZVS ZDS 阻抗矩阵导纳矩阵经皮能量传输

应用于植入式经皮能量传输的集成电路研究与设计

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应用于植入式经皮能量传输的集成电路研究与设计

作者：郭文雄华南理工大学

学位级别：硕士

随着医疗技术水平的发展，对应用于植入式的医疗产品的研究越来越多，这些研究给患者带来了福音。在这些研究领域中，一个热点的课题就是经皮能量传输，它解决了给医疗设备供能问题且避免了传统有线能量传输的弊端。这种传输方式利用电... 详细信息

随着医疗技术水平的发展，对应用于植入式的医疗产品的研究越来越多，这些研究给患者带来了福音。在这些研究领域中，一个热点的课题就是经皮能量传输，它解决了给医疗设备供能问题且避免了传统有线能量传输的弊端。这种传输方式利用电感线圈间电磁耦合来传输能量，体内线圈接收的电磁能量必须通过转换和管理才能给植入体内的医疗探测等设备供能。目前，大部分研究都是采用分立器件来进行，搭建的能量恢复及管理系统电路在体积和功耗上都过于庞大，增加了植入的难度。本文受国家自然科学基金的资助，针对植入式经皮能量传输系统开展研究，试图利用集成电路设计出一个集成化程度高、系统较为完善的能量恢复及管理的芯片，实现整个能量传输在体内系统的单片集成化，从而达到较小植入体积、降低功耗、提高传输效率和安全性。本文首先分析了能量恢复及管理的系统链路，同时分析了需要利用集成电路设计的模块，之后对每一个模块的工作原理和电路设计进行了详尽的阐述。能量恢复模块主要包括整流电路、带隙基准、低压差线性稳压源(LDO)等电路。针对于LDO的设计，本文提出一个动态零极点补偿机制和增加压控电流源（VCCS）控制零点共同作用的方法来提高系统稳定性，同时给出一个利用前向跨导通路来提高电源抑制比的机制;能量管理模块主要包括反馈调节电路、过流过温保护电路等，在反馈调节电路中设计了一个可以方便设定高低电平的三角波产生器，利用PWM直流误差放大的工作原理并结合负载电容调制来实现能量反馈调节，相对于传统方案，这种方案电路简单，调节能力可靠。上述模块中的各个电路，都给出了设计指标及性能参数，且都进行了仿真验证。论文采用Global Foundry0.18um CMOS工艺对电路模块进行了版图设计与验证。版图后仿真结果表明，电源恢复模块实现了从交流能量到负载输出60mA、输出电压1.8V的直流能量，其静态电流小于200uA，电源抑制比在直流时小于-90dB，1MHz时小于-30dB，LDO输出从空载到60mA相位裕度均大于60度等。反馈调节等保护电路可以实现对体外发射能量电路的控制和系统在不良工作情况工作下的保护，提高了植入式医疗设备的安全性。

关键词：经皮能量传输带隙基准低压差线性稳压源反馈调节负载电容调制