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当前各种医疗电子器件在体内诊疗领域得到了广泛的应用,在治疗多种疾病中发挥着越来越重要的作用。针对脊髓损伤修复的研究,本课题组在国内外首先提出了“植入式微电子神经信号桥接SOC”的设想,采用微电子神经桥芯片系统来实现中枢神经的功能再生,并进行了一系列的实验研究。结合植入式微电子神经桥芯片的应用目标与现有医疗电子器件供能方式中存在的缺陷,本论文设计、制作了一种用于植入式微电子神经桥芯片的经皮无线供能系统,并通过实验验证了功能的可靠性与稳定性,为将来神经桥芯片的植入临床应用提供了可能。
本文首先根据系统的功能需求与设计目标,提出了应用于植入式微电子神经桥芯片的经皮无线供能系统方案与电路结构,并对系统工作频率、集成方案以及封装方案进行了探讨设计。
本文然后根据电磁耦合的基本原理,对耦合效率与关键因素进行了分析讨论,并对系统中传能线圈进行了参数设计。发射线圈采用漆包铜线来绕制,接收线圈采用PCB工艺来实现。并分析、确定了发射线圈串联补偿、接收线圈并联补偿的能量传输结构。
本文进一步设计、制作了经皮无线供能系统的能量传输子系统,包括了体外能量发射模块和体内能量接收模块。体外能量发射模块的电路主体为E类功率放大器,并设计了方波振荡器为E类功放提供驱动信号。体内能量接收模块包括整流、滤波、稳压以及充电管理等电路,同样通过高效的电路设计来提高无线能量传输的整体效率。
更进一步本文引入了闭环控制的设计。设计、制作了经皮无线供能系统的闭环控制子系统,包括了无线收发电路、体内的电池电量监测电路、体内环境监测电路以及体外的信息显示电路等。子系统能够及时对体内供电状态和温度信息进行监测,并反馈给体外的显示电路进行显示,从而根据监测到的信息进行体外的供能操作,实现无线供能系统的自适应控制。
在对整个系统软硬件分别实现之后,本文还进行了系统的联合测试。首先,利用无线能量传输子系统在空气、浓度为0.9%的盐水和猪皮组织下进行了位置特性测试,验证了系统能够在一定位置容差范围内稳定工作。其次,结合课题组前级设计的单路微电子神经桥芯片,在本文设计的无线供能系统供电下,实现了芯片的信号放大功能。最后,对经皮无线供能系统接收机进行生物相容性和高密封性的封装后,植入家兔腹部皮下,进行了家兔的活体实验。实验结果表明,系统能够有效地向体内传递能量,并及时准确地获取体内的电池电量信息和温度信息,验证了经皮无线供能系统功能的完整性,能够获得临床应用的可能。