陳偉華 劉宗旺 李政興 閆孝姮 錢 坤

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 葫蘆島 125000）

0 引言

由于植入式無線供能（Wireless Power Transmission,WPT）心臟起搏器技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)式心臟起搏器更換植入單元引發(fā)的感染、排斥等諸多風(fēng)險(xiǎn)[1-4]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無線供能植入式器件展開了廣泛的研究[5-7]。眾多研究表明，磁耦合諧振式供能是植入式器件較為理想供能方式之一[8-9]。

為減弱WPT 系統(tǒng)充電過程中漏磁場(chǎng)對(duì)人體組織的電磁輻射，廣大學(xué)者對(duì)磁場(chǎng)屏蔽展開了大量研究，主要涉及材料屏蔽和線圈屏蔽兩方面。材料屏蔽的使用會(huì)在一定程度上減弱WPT 漏磁場(chǎng)，但存在渦流損耗、發(fā)熱嚴(yán)重、成本高等問題[10-20]，故不適用于植入式器件。

線圈屏蔽分為主動(dòng)屏蔽與被動(dòng)屏蔽。T.Campi 對(duì)主動(dòng)屏蔽開展進(jìn)一步研究[21-24]，但屏蔽線圈外界激勵(lì)源要時(shí)刻產(chǎn)生精確幅值、相位、方向的磁場(chǎng)以起到對(duì)準(zhǔn)抵消的效果，從而產(chǎn)生屏蔽作用，因此主動(dòng)屏蔽難實(shí)現(xiàn)且成本較高。被動(dòng)屏蔽包括諧振式屏蔽與非諧振式屏蔽。非諧振式屏蔽雖然可減弱漏磁場(chǎng)但明顯降低了系統(tǒng)傳輸效率。楊慶新團(tuán)隊(duì)展開了鄰近多系統(tǒng)間單線圈諧振式屏蔽研究[25]，其研究表明諧振式屏蔽線圈能夠減弱兩個(gè)WPT 系統(tǒng)電磁干擾，但不適用于植入式器件單個(gè)WPT 系統(tǒng)。韓國(guó)學(xué)者在電子數(shù)碼領(lǐng)域也開展了單線圈諧振式屏蔽研究[26-27]，但效率下降幅度較明顯。因此，可以開展多線圈諧振式電磁屏蔽研究，并將其應(yīng)用在醫(yī)學(xué)植入式器件中，減弱漏磁對(duì)人體的影響，同時(shí)保證良好的傳輸效率。

本文提出了一種適用于心臟起搏器無線供能的多線圈諧振式無功屏蔽結(jié)構(gòu)。該多線圈諧振式無功屏蔽結(jié)構(gòu)是對(duì)以往的主動(dòng)屏蔽和非諧振屏蔽做出的進(jìn)一步改進(jìn)。

多個(gè)屏蔽線圈以傳輸線圈的磁場(chǎng)作為激勵(lì)源，在屏蔽線圈中產(chǎn)生抵消磁場(chǎng)，屏蔽環(huán)內(nèi)側(cè)產(chǎn)生與傳輸線圈同向磁場(chǎng)，屏蔽環(huán)外側(cè)產(chǎn)生與內(nèi)側(cè)相反的磁場(chǎng)，進(jìn)而抵消漏磁場(chǎng)且保證了良好的傳輸效率。與有源主動(dòng)屏蔽相比，所提出的多線圈諧振無功屏蔽在磁場(chǎng)屏蔽及功率傳輸效率等方面具有更好的性能、更便捷的應(yīng)用。與非諧振屏蔽相比，所提出的諧振無功屏蔽可調(diào)節(jié)匹配電容來調(diào)控屏蔽線圈的電流與相位，進(jìn)而優(yōu)化屏蔽磁場(chǎng)效果。

1 諧振屏蔽線圈原理分析

1.1 多線圈諧振無功屏蔽設(shè)計(jì)

本文提出的多線圈諧振式無功屏蔽結(jié)構(gòu)如圖1所示，多線圈諧振式無功屏蔽以三環(huán)路屏蔽線圈為例展開分析。圖1 為三環(huán)路屏蔽線圈設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三環(huán)路屏蔽線圈由3 個(gè)1/3 圓環(huán)圍繞發(fā)射線圈外圍構(gòu)成，每個(gè)環(huán)路均包含相應(yīng)的匹配電容，構(gòu)成諧振式無功屏蔽結(jié)構(gòu)。多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)由多個(gè)相同環(huán)路組成，每個(gè)環(huán)路與傳輸線圈的磁場(chǎng)相互耦合，需要對(duì)多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)開展磁場(chǎng)研究。

圖1 三線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu) Fig.1 Three-coil resonance type shielding structure

在無屏蔽的情況下，WPT 線圈周圍的磁場(chǎng)由發(fā)射線圈和接收線圈決定，在屏蔽線圈工作時(shí)，WPT線圈周圍的磁場(chǎng)由發(fā)射線圈、接收線圈及屏蔽線圈決定，磁通量對(duì)比如圖2 所示。

圖2 無屏蔽線圈WPT 系統(tǒng)磁通量相量圖和具有多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)的總磁通量相量圖 Fig.2 Phasor diagram of magnetic flux generated by WPT system w/o shield and w/including multi-coil resonant shielding structure

圖2 表示W(wǎng)PT 系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)由發(fā)射和接收線圈的磁場(chǎng)之和決定。發(fā)射線圈和接收線圈磁通之間的相位差為90°，如圖2a 所示，因?yàn)閭鬏斁€圈在工作頻率下諧振。當(dāng)屏蔽線圈加入WPT 系統(tǒng)后，總磁場(chǎng)由發(fā)射線圈、接收線圈、屏蔽線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加而成。多組屏蔽線圈在傳輸線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)激勵(lì)下產(chǎn)生抵消磁場(chǎng)，屏蔽線圈產(chǎn)生抵消磁場(chǎng)的相位和幅度由每個(gè)屏蔽線圈中的電流決定[23]。多線圈諧振式屏蔽的基本原理是內(nèi)側(cè)線圈與WPT 系統(tǒng)保持同向，進(jìn)而保證傳輸效率，外圍線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與WPT 系統(tǒng)傳輸線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，故線圈外側(cè)磁場(chǎng)能被抵消。圖2b 為具有屏蔽線圈的WPT系統(tǒng)總磁通量相量圖。

圖3 為在無屏蔽線圈下傳輸線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的橫截面圖。圖4 為諧振無功屏蔽線圈的磁場(chǎng)的橫截面圖。屏蔽線圈在傳輸線圈的磁場(chǎng)作用下，屏蔽回路產(chǎn)生感應(yīng)電壓，電壓產(chǎn)生電流，電流在屏蔽線圈中產(chǎn)生抵消磁場(chǎng)。

圖3 傳輸線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的橫截面圖 Fig.3 Cross-sectional view of the magnetic field generated by the transmission coil

圖4 諧振無功屏蔽線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的橫截面圖 Fig.4 Cross-sectional view of the magnetic field generated by the resonant reactance shielding coil

在本文提出的屏蔽方法中，屏蔽線圈由印制電路板（Printed Circuit Board,PCB）制成，減少空間體積。以傳輸線圈產(chǎn)生的總磁場(chǎng)作為屏蔽線圈激勵(lì)源，屏蔽線圈連接諧振電容來調(diào)節(jié)屏蔽線圈電流的大小與相位，屏蔽線圈產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與傳輸線圈磁場(chǎng)方向相反。屏蔽線圈感應(yīng)的磁場(chǎng)與傳輸線圈產(chǎn)生的總磁場(chǎng)相互抵消，削弱WPT 系統(tǒng)線圈間的近場(chǎng)磁耦合。本文對(duì)多組屏蔽線圈進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、參數(shù)優(yōu)化，使由于近場(chǎng)磁耦合造成的系統(tǒng)傳輸效率下降問題得到有效改善。

在WPT 系統(tǒng)發(fā)射線圈外圍放置多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)，多組屏蔽線圈與發(fā)射線圈共面且環(huán)繞發(fā)射線圈分布，在WPT 系統(tǒng)中放置不同線圈環(huán)路和不同匝數(shù)的多組屏蔽線圈結(jié)構(gòu)，在不同環(huán)路和匝數(shù)的屏蔽線圈作用下，通過對(duì)比傳輸系統(tǒng)的外圍磁感應(yīng)強(qiáng)度及傳輸效率，以及不同屏蔽線圈下系統(tǒng)中各線圈間的耦合系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)中搭建了由傳輸線圈和多線圈諧振式無功屏蔽結(jié)構(gòu)組成的WPT 系統(tǒng)模型，分析不同屏蔽線圈的屏蔽效果、傳輸效率及溫升變化。

1.2 諧振無功屏蔽基本構(gòu)成及屏蔽原理

多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)以WPT 系統(tǒng)傳輸線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)作為激勵(lì)源，屏蔽線圈產(chǎn)生相反的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而減弱WPT 的漏磁場(chǎng)。本文提出一種多線圈諧振式無功屏蔽結(jié)構(gòu)，降低心臟起搏器WPT 系統(tǒng)漏磁場(chǎng)對(duì)身體的影響，同時(shí)保證良好的傳輸效率，其基本工作原理如圖5 所示。

圖5 WPT 系統(tǒng)的等效電路模型 Fig.5 Equivalent circuit model of WPT system

多線圈諧振式無功屏蔽結(jié)構(gòu)的WPT 系統(tǒng)等效電路模型如圖5a 所示。多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)由多個(gè)相同環(huán)路組成，每個(gè)環(huán)路由屏蔽電感Lsh、屏蔽寄生電阻Rsh、以及匹配和寄生電容Csh構(gòu)成，屏蔽線圈阻抗決定了屏蔽線圈中電流的大小和相位，屏蔽線圈電流決定了屏蔽效率和傳輸效率，單個(gè)屏蔽線圈簡(jiǎn)化電路模型如圖5b 所示。

在WPT 整體結(jié)構(gòu)中，多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳輸線圈是完全對(duì)稱的，發(fā)射線圈和接收線圈的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的。因此，屏蔽線圈的電流都由相同的表達(dá)式描述。為了方便調(diào)控屏蔽線圈中電流的大小和相位，在屏蔽線圈環(huán)路中增加了匹配電容。

系統(tǒng)外圍的多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)受到WPT系統(tǒng)傳輸線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)激勵(lì)時(shí)，屏蔽線圈的感應(yīng)電壓Vind為

式中，ω為傳輸系統(tǒng)的角頻率；B為傳輸線圈間的總磁感應(yīng)強(qiáng)度；B0為射入單個(gè)諧振式屏蔽線圈的總磁通密度；S為單個(gè)諧振式屏蔽線圈的回路面積。

圓環(huán)中單個(gè)屏蔽線圈中的感應(yīng)電流Ish為

式中，Zsh為單個(gè)屏蔽環(huán)路的電抗值；Lsh為單個(gè)屏蔽環(huán)路等效電感值；Csh為單個(gè)屏蔽環(huán)路的諧振電容值；Rsh為屏蔽環(huán)路電阻值。

基于屏蔽線圈的諧振頻率，考慮磁場(chǎng)的幅度和相位的總泄漏磁場(chǎng)，屏蔽線圈的諧振頻率應(yīng)低于系統(tǒng)WPT 工作頻率以抵消漏磁場(chǎng)[28]。當(dāng)屏蔽線圈諧振工作頻率略低于傳輸線圈工作頻率時(shí)，屏蔽線圈中的電流產(chǎn)生與入射磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)。故屏蔽線圈的諧振頻率應(yīng)低于消除漏磁場(chǎng)的工作頻率。即

屏蔽線圈的阻抗可表示為

1.3 屏蔽線圈對(duì)WPT 系統(tǒng)的傳輸效率的影響

為了進(jìn)一步研究多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)加入系統(tǒng)后對(duì)傳輸性能的影響，當(dāng)多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)放置在傳輸線圈之間時(shí)，系統(tǒng)的等效電路模型如圖5a 所示。發(fā)射線圈由串聯(lián)補(bǔ)償電感L1、并聯(lián)補(bǔ)償電容C1、串聯(lián)電容C2、等效電感LTx構(gòu)成；接收線圈包括等效電阻RL、等效電感LRx、串聯(lián)補(bǔ)償電容C3；諧振屏蔽線圈由等效電感Lsh、等效電阻Rsh、補(bǔ)償電容Csh構(gòu)成。IS、IL、Ish分別為發(fā)射線圈、接收線圈、屏蔽線圈中的回路電流。

多線圈諧振式無功屏蔽結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳輸線圈完全對(duì)稱，以傳輸線圈及二環(huán)路屏蔽線圈結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行原理分析，由基爾霍夫電壓定律（KVL）可得

聯(lián)立式（6）～式（8），求得系統(tǒng)傳輸效率表達(dá)式為

當(dāng)多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)加入原有的WPT 系統(tǒng)時(shí)，各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)均為定值。由式（9）可知，系統(tǒng)的傳輸效率主要影響因子仍是發(fā)射線圈與接收線圈互感，且呈反比關(guān)系；其次是屏蔽線圈與發(fā)射、接收線圈互感；最后是屏蔽線圈間的互感。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，屏蔽線圈的加入對(duì)原諧振不產(chǎn)生影響，屏蔽線圈間互感的影響可忽略不計(jì)。

2 多線圈諧振式無功屏蔽磁場(chǎng)分析

2.1 數(shù)值仿真

2.1.1 模擬設(shè)置

在仿真平臺(tái)搭建由多線圈屏蔽結(jié)構(gòu)及WPT 傳輸系統(tǒng)組成的模型，多個(gè)屏蔽線圈圍繞發(fā)射線圈分布，屏蔽線圈仿真結(jié)構(gòu)包括單圓環(huán)、1/2 圓環(huán)、1/3圓環(huán)、1/4 圓環(huán)。三環(huán)路模型構(gòu)造如圖6 所示，傳輸線圈工作頻率設(shè)置為150kHz，屏蔽線圈諧振頻率設(shè)置為145kHz，略小于WPT 系統(tǒng)的工作頻率，以獲得良好的屏蔽效果。屏蔽線圈中的感應(yīng)電流Ish產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)Bsh，感應(yīng)磁場(chǎng)Bsh與屏蔽線圈匝數(shù)N、線圈環(huán)路面積S有關(guān)。在WPT 系統(tǒng)基礎(chǔ)上，在仿真中設(shè)計(jì)了一種非諧振屏蔽線圈及九種不同匝數(shù)和環(huán)路的多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)。

圖6 三環(huán)路諧振屏蔽線圈的WPT 系統(tǒng)仿真模型 Fig.6 WPT system simulation model of 3-loop resonant shielded coil

在發(fā)射與接收線圈之間放置不同的屏蔽線圈，獲得WPT 系統(tǒng)傳輸效率及外圍磁通密度的變化，根據(jù)傳輸性能的高低及屏蔽線圈周圍磁場(chǎng)變化判斷屏蔽效果。

磁通密度觀察位置從線圈中心開始，以中心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，分別以r1=32mm、r2=35mm、r3=40mm、r4=45mm 為半徑作圓，以不同半徑的圓環(huán)作為磁通密度測(cè)量點(diǎn)，磁場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)位與接收線圈共面，測(cè)量點(diǎn)位如圖7 所示。

圖7 磁場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)位圖 Fig.7 Location map of magnetic field measurement point

仿真參數(shù)設(shè)計(jì)及各個(gè)方案參數(shù)見表1 和表2。

表1 WPT 線圈和屏蔽線圈的幾何參數(shù) Tab.1 Geometric parameters of WPT coil and shielding coil

表2 不同設(shè)計(jì)方案諧振屏蔽線圈參數(shù) Tab.2 Resonant shielding coil parameters of different design schemes

2.1.2 仿真結(jié)果分析

不同屏蔽方案下的WPT 磁場(chǎng)分布如圖8 所示，屏蔽線圈的存在均可在一定程度上抵消WPT 系統(tǒng)漏磁場(chǎng)，弱化總磁場(chǎng)幅值。

圖8 磁通密度分布的俯視圖結(jié)果對(duì)比 Fig.8 Comparison of top view results of magnetic flux density distribution

仿真結(jié)果表明系統(tǒng)的傳輸效率及屏蔽線圈外圍磁場(chǎng)變化，測(cè)量點(diǎn)位如圖7 所示，仿真結(jié)果見表3。非諧振屏蔽線圈傳輸效率降低較為明顯，其余方案?jìng)鬏斝式档头群苄?，而諧振無功屏蔽效果明顯優(yōu)于非諧振屏蔽線圈。WPT 在各方案下效率對(duì)比見表3，在不同屏蔽參數(shù)下3 環(huán)-5 匝屏蔽效果最優(yōu)，且傳輸效率僅衰減了0.992%，在距離中心點(diǎn)35mm 處，比無屏蔽系統(tǒng)磁通量密度最大降低了25.02%。WPT磁場(chǎng)屏蔽效果在所提出的諧振無功屏蔽中是較為明顯的，該多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是有效的。

表3 磁場(chǎng)和傳輸效率對(duì)比 Tab.3 Comparison of magnetic field and transmission efficiency

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

諧振式無線供能心臟起搏器多線圈無功屏蔽實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖9 所示，整個(gè)系統(tǒng)由電源、逆變模塊[29]、發(fā)射線圈模塊、接收線圈模塊、屏蔽線圈模塊、磁場(chǎng)測(cè)量模塊、測(cè)溫模塊、帶有鐵氧體薄膜鈦合金外殼、負(fù)載電阻構(gòu)成。

圖9 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái) Fig.9 Experimental system platform

發(fā)射線圈與接收線圈傳輸間距為8mm，采用厚度為1mm 的鈦合金材料TC4 制作了一個(gè)尺寸為66mm×66mm×8mm 的金屬外殼，作為植入心臟起搏器的外殼。鈦合金外殼、線圈及屏蔽線圈大小均參考實(shí)際心臟起搏器大小[9]。此外本文設(shè)計(jì)采用容量為800mA·h 的鋰電池，額定充電電壓為3.7V，額定充電電流為200mA，考慮最大充電電壓為4.50V，因此充電功率Pbatt=1.8W，負(fù)載電阻為10Ω。真空和空氣、以及非磁性（包括生物組織）材料的磁導(dǎo)率相同[9,30]，故可用空氣簡(jiǎn)單代替生物組織進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

傳輸線圈與屏蔽線圈的尺寸和仿真參數(shù)一致，見表1、表2。實(shí)驗(yàn)采用PCB 制作了相應(yīng)的屏蔽線圈，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的九種屏蔽線圈耦合系數(shù)見后文，所采用的屏蔽線圈如圖10 所示，實(shí)驗(yàn)線圈分別與表2中2～10 編號(hào)一一對(duì)應(yīng)。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了九種參數(shù)下系統(tǒng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度、傳輸效率及系統(tǒng)中各線圈間的耦合系數(shù)及溫升。

圖10 九組實(shí)驗(yàn)諧振屏蔽線圈 Fig.10 9 groups of experimental resonance shielding coils

LCC-C 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以使WPT 系統(tǒng)在穩(wěn)定諧振和高效率下運(yùn)行，在諧振頻率150kHz 條件下設(shè)置補(bǔ)償參數(shù)。將鐵氧體薄膜置于接收端，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到傳輸線圈參數(shù)增益為1.7 倍，增益后參數(shù)設(shè)置見表4。

表4 WPT 傳輸線圈主電路參數(shù) Tab.4 WPT transmission coil main circuit parameters

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)分析可知，選取四組耦合方案進(jìn)行屏蔽實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)配置編號(hào)分別為0/3/6/9，在相同條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位如圖7 所示，利用Origin 軟件生成磁場(chǎng)屏蔽效果如圖11所示。

圖11 諧振屏蔽線圈x-y 平面上的磁通密度 Fig.11 Magnetic flux density on the x-y plane of the resonant shielding coil

由圖11 可知，3 組諧振屏蔽線圈均在不同程度上減弱了線圈外圍以磁場(chǎng)的影響，同時(shí)降低了磁通密度最大值。在當(dāng)前WPT 系統(tǒng)的配置前提下，2、3、4 環(huán)路屏蔽線圈中5 匝線圈屏蔽效果均優(yōu)于其他兩匝線圈。

綜上所述，三組實(shí)驗(yàn)中，3 環(huán)-5 匝屏蔽效果最優(yōu)，距中心點(diǎn)35mm 處磁通量密度減小了20.22%。

在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，分別采集輸入/輸出的電壓與電流，電壓/電流波形如圖12 所示。

圖12 實(shí)驗(yàn)采集電壓/電流波形 Fig.12 Experimental acquisition voltage/current waveformdiagram

諧振屏蔽線圈依次置于WPT 系統(tǒng)，根據(jù)圖11磁通量密度及圖12 電壓/電流波形。對(duì)不同方案的WPT 系統(tǒng)屏蔽效果、工作效率進(jìn)行歸納分析，結(jié)果如圖13 所示。

圖13 實(shí)驗(yàn)屏蔽效果及傳輸效率對(duì)比 Fig.13 Experimental shielding effect and transmission efficiency comparison diagram

WPT 系統(tǒng)各方案屏蔽線圈與傳輸線圈耦合系數(shù)見表5。由表5 可知，多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)的加入及多組屏蔽線圈參數(shù)改變不會(huì)改變系統(tǒng)中發(fā)射線圈與接收線圈間耦合系數(shù)，原系統(tǒng)的諧振狀態(tài)不因屏蔽線圈的加入而改變，屏蔽線圈與傳輸線圈的耦合系數(shù)隨屏蔽線圈匝數(shù)及環(huán)路數(shù)的增加而減小。放置屏蔽線圈時(shí)，2 環(huán)5 匝的傳輸效率減弱最為明顯，比無屏 蔽線圈時(shí)效率降低了3.69%；其中3 環(huán)-5 匝屏蔽效果最優(yōu)且傳輸效率減小得最少，衰減效率為1.23%。

表5 WPT 系統(tǒng)各方案屏蔽線圈與傳輸線圈耦合系數(shù) Tab.5 Coupling coefficient of shielding coil and transmission coil of each scheme of WPT system

實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了仿真分析中多線圈諧振式屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效果、傳輸性能及優(yōu)化結(jié)果的正確性。同時(shí)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證多線圈無功屏蔽線圈對(duì)系統(tǒng)的屏蔽效果及傳輸性能，在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中對(duì)WPT 系統(tǒng)中各線圈間的互感進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)互感計(jì)算公式計(jì)算出線圈間的耦合系數(shù)，其中L1、L2分別為各自不同電感值，M為兩線圈互感。不同方案各線圈耦合系數(shù)見表5，屏蔽線圈間耦合系數(shù)見表6。

表6 WPT 系統(tǒng)各方案屏蔽線圈耦合系數(shù) Tab.6 Coupling coefficients of shielding coils of WPT system

3 人體模型安全評(píng)估

3.1 SAR 值評(píng)估

本文工作頻率為150kHz，需要考慮比吸收率對(duì)人體安全的影響。比吸收率SAR 定義為單位質(zhì)量組織吸收功率的時(shí)間平均值，單位為W/kg。

式中，σ、ρ分別為人體組織電導(dǎo)率與密度；SAR 與電場(chǎng)強(qiáng)度E的二次方成正比。評(píng)估局部組織的SAR，通常在質(zhì)量為10g 的人體組織上取平均值。據(jù)研究，4W/kg 是生物接收SAR 值的上限，ICNIRP2020 規(guī)定一般公眾接觸全身平均限制值為0.08W/kg，故本文選用0.08W/kg 作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[30]。

本文采用COMSOL 官網(wǎng)上人體半身模型作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在半身模型基礎(chǔ)上加入本文研究的諧振式無功屏蔽WPT 系統(tǒng)，開展體內(nèi)安全評(píng)估。

圖14 為系統(tǒng)處于工作狀態(tài)30min 后的SAR 值分布，最高SAR 值點(diǎn)出現(xiàn)在接收線圈附近，其值為0.03W/kg，人體各部分組織的 SAR 值均滿足ICNIRP2020 準(zhǔn)則安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖14 人體組織SAR(W/kg)分布 Fig.14 SAR(W/kg) distribution of human tissue

3.2 電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)評(píng)估

由 ICNIRP2020 指南相關(guān)準(zhǔn)則可知，當(dāng)f=150kHz 時(shí)，人體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度峰值限制為87V/m。人體磁通密度峰值限制為2.7×10-5T[31]。在150kHz 頻率下，心臟起搏器熱源主要包括電磁熱與代謝產(chǎn)熱，在電磁輻射下，通過生物熱量方程來計(jì)算組織內(nèi)的溫升[32]。對(duì)人體模型溫升的安全性研究方面，在歐洲標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了有源植入式醫(yī)療器械溫度限制，其中有源植入式醫(yī)療器械外表面的加熱限制為不得超過正常體溫2℃以上[33]。在人體模型模擬溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)，將人體的初始溫度設(shè)置為36℃，考慮到人體組織發(fā)熱，充電效率以及患者的心理狀態(tài)變化，充電時(shí)間不宜過長(zhǎng)，因此將充電時(shí)間設(shè)置為30min。

根據(jù)R.L.Mcintosh 等的計(jì)算結(jié)果設(shè)置人體組織參數(shù)特性及相關(guān)參數(shù)[34]，利用COMSOL 進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析。通過軟件模擬了充電30min，人體組織內(nèi)部電場(chǎng)、磁通密度、溫度場(chǎng)分布如圖15～圖17 所示。

圖15 電場(chǎng)分布 Fig.15 Distribution of electric field

圖16 磁通密度分布圖 Fig.16 Distribution of magnetic flux density

圖17 溫度場(chǎng)分布 Fig.17 Distribution of temperature field

圖15～圖17 顯示了具有屏蔽結(jié)構(gòu)的心臟起搏器無線供能系統(tǒng)在人體內(nèi)部產(chǎn)生的電場(chǎng)、磁通密度、溫度場(chǎng)分布圖。在接收線圈附近電場(chǎng)強(qiáng)度、磁通密度、溫度場(chǎng)均達(dá)到最大值，電場(chǎng)強(qiáng)度為6.02V/m，磁通密度為2.08×10-5T，最高溫升為1.877℃。電場(chǎng)、磁場(chǎng)均低于ICNIRP 指南規(guī)定的限制標(biāo)準(zhǔn)，溫升低于植入式器件規(guī)定溫升限制，在人體組織加熱方面符合人體安全標(biāo)準(zhǔn)。故具有屏蔽結(jié)構(gòu)的無線充電系統(tǒng)不會(huì)造成熱損傷，因此多線圈無功屏蔽的WPT 系統(tǒng)符合ICNIRP2020 指南準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該系統(tǒng)溫升安全特性，在3 環(huán)-5 匝最優(yōu)屏蔽線圈條件下，進(jìn)行充電測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，將溫度傳感器置于接收線圈與鈦合金外殼之間，溫度采樣間隔為1s，圖18 所示為該系統(tǒng)充電30min 溫升數(shù)據(jù)采集圖。

由圖18 可知，實(shí)驗(yàn)環(huán)境初始溫度為31.5℃，實(shí)驗(yàn)測(cè)得最大溫升為1.01℃。相較于無線供能心臟監(jiān)護(hù)系統(tǒng)溫升的研究[35]，本研究有效地降低了該系統(tǒng)磁場(chǎng)泄露，降低了人體組織溫升，提高了系統(tǒng)安全性。

4 結(jié)論

為最大限度降低漏磁場(chǎng)對(duì)人體組織的影響，本文在150kHz 條件設(shè)計(jì)了多線圈諧振式無功屏蔽心臟起搏器無線供能系統(tǒng)。在LCC-C 補(bǔ)償電路拓?fù)浠A(chǔ)上，對(duì)多組屏蔽線圈進(jìn)行理論分析，建立了多種環(huán)路、不同匝數(shù)的仿真模型，通過對(duì)比三種屏蔽線圈下的磁通密度及效率，綜合確定最佳的屏蔽線圈結(jié)構(gòu)。在屏蔽線圈的作用下，WPT 系統(tǒng)外側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯降低，且保證了良好的傳輸性能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用多線圈諧振式無功屏蔽結(jié)構(gòu)能在保證傳輸效率的同時(shí)顯著降低WPT 系統(tǒng)附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以降低漏磁場(chǎng)對(duì)人體組織的影響。3 環(huán)-5 匝線圈為最優(yōu)屏蔽結(jié)構(gòu)，其屏蔽效果優(yōu)于其他屏蔽線圈，在距離中心點(diǎn)35mm 處，磁通密度降低了20.22%，傳輸效率可達(dá)76.03%。通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了人體模型溫度評(píng)估，在充電30min 過程中，電場(chǎng)強(qiáng)度為 6.02V/m、磁通密度2.08×10-5T、溫升為1.01℃，均符合國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)。

本文為無線供能心臟起搏器電磁屏蔽研究提供了技術(shù)支持，在植入式器件應(yīng)用中具有參考價(jià)值。本文所驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，僅為部分線圈環(huán)路與固定線圈尺寸，下一步可以考慮研究傳輸線圈與屏蔽線圈間參數(shù)、尺寸最佳關(guān)系，使磁場(chǎng)屏蔽效果得到進(jìn)一步優(yōu)化。