镍钛合金在可植入天线应用中的功效分析

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可植入设备的设计是神经假体成功进入临床应用的一个重要环节特别是视觉假体。可植入设备必须实现从外部源提供的电源和数据。视觉假体装置的进一步升级改造依赖于电极的数量增加,以便向患者提供更好的视觉质量。然而,电极数量增加的必然需要更大的传输功率。解决大功率传输的最大挑战在于,能量传输设计必须严格遵循有限的可植入空间限制。能量传输设计必须达到传输效率最佳,且能量传输系统尺寸保持在最低限度。此外,还必须认真考虑射频功率对生物组织的负面影响。电感耦合是人体或动物体内的可植入电子设备常用的能量与数据传输方法。通常采用单天线组件,经皮从外部天线发送接收能量和数据。内部天线组件的设计和具体天线材料的选择必须符合尺寸小、不易变形,而且具备较好的生物相容性。与其他材料形比,镍钛合金是一种不易变形的金属材料,可以实现最大空间利用效率的天线设计,而且具备较佳的生物相容性。天线尺寸必须实现最小化设计,同时试图限制射频辐射对生物组织的影响。本论文已经设计了几种可行的天线,以取代原来简单结构的环形天线,使之能够应用于当前几乎所有的视觉假体装置。  本论文利用CST电磁学仿真计算软件模拟不同材料和不同几何形状的射频天线的。首先选择垂直螺旋天线,进行镍钛合金与金、铜的天线性能仿真。从CST材料库中选择了铜、黄金作为天线材料,并根据镍钛合金的特性,创建了镍钛合金的素材库。使用相同的仿真环境,针对三种材料进行能量密度辐射、散射参数模拟。仿真结果表明,铜和金作为射频天线,性能相当,镍钛合金低频性能上略低于金、铜。虽然镍钛合金不是最佳的天线材料,但它比较适合用于低频天线应用。  在初步仿真模拟之后,本论文提出了由镍钛合金与其他金属组合的复合天线设计,它包括内环形线圈,被包围在镍钛合金制成外环天线之内。在该设计的基础上,制作了一个复合天线模型,用于验证该天线设计的可行性。镍钛合金管弯曲成环状,形成第一个环形天线。在镍钛合金管内,铜线缠绕多圈,以形成第二环形天线。本论文还提出一种双臂螺旋结构天线设计,该设计具有较佳的空间利用率。针对铜、金、镍钛合金三种材料,并结合头部皮肤环境模型,利用CST软件获得了组织的特定吸收比率及螺旋天线的远场能量辐射图。结果表明,与金、铜等高性能天线材料相比,采用镍钛合金作为天线材料,在低频能量辐射效率方面并不差。兼顾镍钛合金还具有其他优越特性,例如形状记忆特性、生物相容性和弹性,镍钛合金可以作为植入式天线材料的优先选择。
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