植入式醫(yī)療設(shè)備電磁共振無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)天線對(duì)人體電磁輻射安全影響的研究

宮飛翔 魏志強(qiáng) 叢艷平 遲浩坤 孫民貴 殷 波*

1(中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)2(美國(guó)匹茲堡大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，美國(guó) 匹茲堡 15260)

植入式醫(yī)療設(shè)備電磁共振無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)天線對(duì)人體電磁輻射安全影響的研究

宮飛翔1魏志強(qiáng)1叢艷平1遲浩坤1孫民貴2殷 波1*

1(中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)2(美國(guó)匹茲堡大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，美國(guó) 匹茲堡 15260)

電磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)利用兩個(gè)具有相同諧振頻率、高品質(zhì)因數(shù)的線圈，當(dāng)其處于諧振狀態(tài)時(shí)，通過(guò)電磁振蕩、依靠非輻射場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的高效傳輸，因具有較好的距離、空間自由度和效率優(yōu)勢(shì)，成為人體植入式裝置無(wú)線能量供給的創(chuàng)新方法。針對(duì)心臟起搏器能量無(wú)線傳輸問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新型的植入式天線系統(tǒng)。為驗(yàn)證其人體輻射安全性，針對(duì)人體胸腔構(gòu)建3層介質(zhì)模型，應(yīng)用時(shí)域有限差分(FDTD)方法，使用HFSS軟件對(duì)胸腔比吸收率(SAR)進(jìn)行數(shù)值仿真。結(jié)果表明，在線圈間距10 mm，中間具有0.1 mm空氣層、0.2 mm皮膚層和約9.7 mm肌肉層，激勵(lì)為9.17 MHz、1 W的條件下，利用這個(gè)天線系統(tǒng)對(duì)人體植入式設(shè)備進(jìn)行無(wú)線能量傳輸，正常工作情況下10 g生物組織的平均SAR值為0.009W/kg，非正常工作情況下10 g生物組織的平均SAR值最大為0.823 W/kg，均低于國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(ICNIRP)制定的安全標(biāo)準(zhǔn)，從而驗(yàn)證該植入式天線系統(tǒng)對(duì)人體影響的安全性。

電磁耦合；植入式設(shè)備；無(wú)線傳能；時(shí)域有限差分；比吸收率

引言

植入式醫(yī)療電子設(shè)備正在超越傳統(tǒng)便攜式醫(yī)療器械成為醫(yī)療研發(fā)熱點(diǎn)，在人體健康狀態(tài)監(jiān)控、治療、維持和康復(fù)等方面發(fā)揮著重要的作用，更為人類提供了精確、方便、快捷的健康服務(wù)。目前，植入式醫(yī)療電子設(shè)備一般采用高能量電池進(jìn)行供電，由于其種類和使用方式不同，電池的使用時(shí)間有限，所以電池的更換極大地增加了二次手術(shù)的感染可能性，并增加了患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，無(wú)線電能傳輸成為植入式醫(yī)療設(shè)備發(fā)展的迫切需求。過(guò)去醫(yī)學(xué)植入式設(shè)備的無(wú)線傳能多是采用輻射式、感應(yīng)式，無(wú)法同時(shí)滿足傳輸距離和傳輸功率雙優(yōu)的需求，簡(jiǎn)單、高效、可靠的能源供給已成為人體植入式電子設(shè)備的關(guān)鍵，是需要解決的共性瓶頸問(wèn)題?；陔姶殴舱袢梭w無(wú)線能量傳輸技術(shù)，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、體積微小、傳輸效率高、傳輸距離遠(yuǎn)、無(wú)二次手術(shù)感染風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)，成為解決植入式設(shè)備瓶頸問(wèn)題的最為重要的創(chuàng)新技術(shù)。

基于電磁共振無(wú)線電能傳輸技術(shù)的工作頻率在10 MHz左右，無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)在進(jìn)行充電時(shí)必然產(chǎn)生相應(yīng)的電磁場(chǎng)，生物系統(tǒng)與入體的電磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生一定的效應(yīng)，當(dāng)生物體吸收了電磁能量后就會(huì)引起生物效應(yīng)。研究進(jìn)入人體的電磁波的分布情況和電磁輻射大小是非常必要的，由于實(shí)驗(yàn)研究受到測(cè)量?jī)x器和人體安全性的限制，數(shù)值仿真可提供高精度的輻射劑量數(shù)值模擬，精確模擬植入式醫(yī)療電子設(shè)備無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)對(duì)人體的輻射作用[1]。目前，分析確定進(jìn)入人體內(nèi)的電磁場(chǎng)分布以及電磁波的吸收量，大都是從人體在電磁環(huán)境下產(chǎn)生的熱效應(yīng)方面入手，并且采用比吸收率SAR方面來(lái)表示人體電磁吸收量[2]。

對(duì)人體輻射安全劑量的研究，初期主要集中在無(wú)線通信技術(shù)設(shè)備(手機(jī))等的安全驗(yàn)證方面，大都采用矩量法和FFT-CG迭代算法分析電磁波對(duì)人身體的作用，到了20世紀(jì)90年代，Sullivan等開(kāi)始采用時(shí)域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)來(lái)計(jì)算此類問(wèn)題。目前，采用FDTD方法研究電磁輻射時(shí)人體的比吸收率(SAR)問(wèn)題比較多，集中于手持通信終端對(duì)人體輻射安全的分析，包括小型螺旋天線、小型PIFA天線以及單極、雙極天線與人體頭部模型或人體模型的相互作用等[3]。

從理論分析和實(shí)際研究進(jìn)展看，SAR計(jì)算的結(jié)果不但與人體的組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而且與射頻源的位置及其與人體的相對(duì)位置相關(guān)[4-5]。因此，模擬具體的輻射現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于取得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果至關(guān)重要。另外，SAR的精確量化分析與人體模型建模的準(zhǔn)確度成正比，模型構(gòu)建與實(shí)際的人體構(gòu)造越相近，分析結(jié)果就越準(zhǔn)確。Shiba等研究了無(wú)線膠囊內(nèi)窺鏡環(huán)境下天線對(duì)人的輻射劑量問(wèn)題，計(jì)算了人類皮膚、脂肪、肌肉、小腸、骨干和血液等組織的比吸收率，驗(yàn)證了體內(nèi)膠囊的輻射劑量的安全性[6]。周曉明教授應(yīng)用時(shí)域有限差分法，研究了3層球體人體頭部模型在單極天線移動(dòng)通信設(shè)備工作頻率為900 MHz 時(shí)的SAR值分布，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了FDTD計(jì)算方法的有效性[7]。2009年，文輝等研究了膠囊內(nèi)窺鏡無(wú)線電能傳輸?shù)娜梭w安全性問(wèn)題，仿真出了真實(shí)的三維人體模型，并應(yīng)用FDTD法，計(jì)算了人體不同組織在發(fā)射功率為25 W、諧振頻率為26 MHz的能量傳輸系統(tǒng)電磁環(huán)境下的電流密度和SAR值。結(jié)果表明，使用該能量傳輸系統(tǒng)時(shí)，人體電磁輻射劑量低于標(biāo)準(zhǔn)值[8]。2012年，趙軍等設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于人體植入式電子設(shè)備的小尺寸無(wú)線充電系統(tǒng)，并應(yīng)用FDTD方法，計(jì)算了該無(wú)線充電系統(tǒng)電磁環(huán)境下頭部模型的SAR分布，低于國(guó)際安全限值標(biāo)準(zhǔn)[9]。

本研究以基于電磁共振的心臟起搏器無(wú)線能量傳輸為應(yīng)用背景，分析了胸腔植入式設(shè)備無(wú)線電能傳輸?shù)妮椛鋭┝繂?wèn)題，設(shè)計(jì)了新型無(wú)線傳能天線系統(tǒng)，采用HFSS軟件對(duì)該天線系統(tǒng)的性能和輻射劑量比吸收率(SAR)進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，應(yīng)用電磁共振技術(shù)對(duì)人體胸腔植入式設(shè)備進(jìn)行無(wú)線電能傳輸，人體所承受的輻射劑量低于國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)制定的安全標(biāo)準(zhǔn)，為電磁共振無(wú)線電傳輸技術(shù)在人體植入式設(shè)備中的應(yīng)用提供了安全參考依據(jù)。

1 電磁共振無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)模型

電磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)，是利用兩個(gè)具有相同諧振頻率、高品質(zhì)因數(shù)的線圈，在處于諧振狀態(tài)時(shí)，通過(guò)電磁振蕩，從而通過(guò)非輻射場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳輸。諧振耦合電能無(wú)線傳輸在具有發(fā)射回路和接收回路的同時(shí)，還具備接收功率的負(fù)載以及高頻發(fā)射功率源。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，在本研究中忽略了高頻逆變的發(fā)射源部分，直接將發(fā)射電路以及接收電路作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，則諧振耦合電能無(wú)線傳輸模型如圖1所示。其中，Uin為高頻發(fā)射源，Cs、Cd為串聯(lián)諧振電容，Rs、Rd分別是兩諧振電感線圈在高頻下的寄生電阻，Rl為負(fù)載電阻，M為線圈之間的互感，D為傳輸距離，Ls、Ld分別為收發(fā)線圈的電感量。

圖1 基于電磁共振無(wú)線傳能電路Fig.1 Circuit of the wireless power transfer system

采用耦合模型CMT進(jìn)行建模，兩個(gè)時(shí)間域線圈a1(t)、a2(t)的原始儲(chǔ)能可分別表示為|a1(t)|2、|a2(t)|2。由CMT可得

(1)

(2)

在上述公式中，a1(t)和a2(t)分別代表發(fā)射和接收線圈的耦合模幅，Γ1、Γ2、Γl分別為原線圈的損耗、負(fù)載線圈的損耗和負(fù)載的吸收功率,K12為兩個(gè)線圈的耦合率，其中Fs(t)為勵(lì)磁損耗可忽略不計(jì)，ηCMT是無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)電能傳輸效率。由能量守恒定律，可得

(3)

由式(1)～(3)，解得

(4)

1.2 天線系統(tǒng)

植入式天線系統(tǒng)是人體植入式無(wú)線電能傳輸?shù)闹匾M成部分。本系統(tǒng)的無(wú)線傳輸天線設(shè)計(jì)采用3層板、4層線圈的設(shè)計(jì)方式，中間通過(guò)環(huán)氧玻璃纖維進(jìn)行間隔，利用分布參數(shù)構(gòu)成諧振線圈，見(jiàn)圖2。通過(guò)多層結(jié)構(gòu)增加自感量，背面貼有諧振銅片降低線圈固有頻率，參數(shù)如下：4層板，矩形，長(zhǎng)31 mm，寬14 mm，單層板厚0.33 mm；上3層鋪銅，履銅寬度1 mm，厚度0.035 mm，同層履銅間距2 mm。

圖2 天線系統(tǒng)。(a)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(b)實(shí)物Fig.2 Antenna system. (a) Structure design; (b) Product

采用HFSS軟件(美國(guó)ANSYS公司所屬的三維電磁仿真軟件，15.0版本)，對(duì)天線性能進(jìn)行仿真。為方便觀察，材質(zhì)為FR_4的絕緣板被隱藏，彩色部分為履銅，第1～4層分別為紫色、黃色、紅色，第4層沒(méi)有鋪銅，部分仿真模型見(jiàn)圖3，設(shè)置材質(zhì)為銅，激勵(lì)功率為1 W，掃頻、設(shè)定邊界條件后運(yùn)行，得到諧振頻率為9.17 MHz。

圖3 天線仿真結(jié)構(gòu)Fig.3 Simulation of antenna structure

2 輻射劑量的安全性

2.1 比吸收率的概念

生物體與電磁波的作用機(jī)理非常復(fù)雜，而且難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證，為描述生物組織與電磁波的相互作用程度，20世紀(jì)60年代美國(guó)學(xué)者Schwan提出比吸收率(SAR)的概念[10]。SAR目前已成為國(guó)際上通用的描述電磁波對(duì)人體相互作用的物理量，表示人體1 kg質(zhì)量?jī)?nèi)吸收或消耗的電磁能量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，其單位用W/kg表示，有

(5)

式中，t為時(shí)間，W為輻射功率，m為生物組織的質(zhì)量，V為生物組織的體積，ρ為生物組織的電導(dǎo)率。

2.2 平均SAR的計(jì)算

人體不同組織的介電特性和導(dǎo)電特性是不同，這就導(dǎo)致了電磁場(chǎng)在人體組織中的不均勻分布。人體組織吸收電磁輻射能量的程度與組織所處的電磁場(chǎng)特性相關(guān)，更與組織本身的電導(dǎo)率息息相關(guān)，人體不同部位的SAR值是不同的。但是，有時(shí)需要描述人整體在電磁環(huán)境下吸收電磁能量的大小，這就提出了平均SAR的概念，計(jì)算如下：

(6)

式中，σx(i,j,k)、Ex(i,j,k)、V(i,j,k)為各點(diǎn)沿x、y、z方向的電導(dǎo)率，ρ(i,j,k)是各點(diǎn)的組織密度。

3 輻射劑量的數(shù)值仿真

通過(guò)時(shí)域有限差分法(FDTD),對(duì)電磁諧振情況下人體輻射劑量進(jìn)行了數(shù)值仿真。為模擬真實(shí)的多層介質(zhì)環(huán)境，構(gòu)建了胸腔人體植入式傳能的3層模型(空氣、皮膚、肌肉)，模擬真實(shí)環(huán)境下電磁波穿透人體的過(guò)程，見(jiàn)圖4。

圖4 無(wú)線傳能。(a)實(shí)際場(chǎng)景；(b)模型構(gòu)建Fig.4 Schematic. (a) Schematic diagram; (b) Simulation

仿真在兩個(gè)線圈之間加入人體組織，模擬植入式醫(yī)療設(shè)備的無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)模型上方為發(fā)射線圈，下方為接受線圈，間距10mm，中間有0.1mm的空氣層、0.2mm的皮膚層和9.7mm的肌肉層， 激勵(lì)設(shè)置為諧振頻率9.17MHz，輸出功率1W，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 人體胸腔電磁共振能量傳輸效果Fig.5 Simulation results figure of the system

由圖5可見(jiàn)，磁場(chǎng)分布主要集中在發(fā)射和接收線圈附近，表明能量消耗較少，實(shí)現(xiàn)了高效率傳輸。在天線的兩處添加兩條直線(線1和線2)來(lái)計(jì)算SAR值：如圖6所示，線1為線圈中心位置的豎直方向，起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為發(fā)射線圈和接受線圈的靠近人體組織的位置，橫坐標(biāo)表示豎直方向到發(fā)射線圈的距離；如圖7所示，線2在靠近線圈邊緣的位置，起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為發(fā)射線圈和接受線圈的靠近人體組織的位置，橫坐標(biāo)表示豎直方向到發(fā)射線圈的距離。其中，SAR1為局部SAR值，SAR2為平均SAR值。

圖6 SAR值結(jié)果(線1)Fig.6 Results of SAR (line1)

圖7 SAR值結(jié)果(線2)Fig.7 Results of SAR (line2)

從圖6、7的結(jié)果可以看出，在發(fā)射線圈和接受線圈周圍，SAR值明顯高于兩線圈之間的部分，說(shuō)明在電能無(wú)線傳輸過(guò)程中，天線接觸的部分電磁輻射劑量較大。為了驗(yàn)證系統(tǒng)非正常工作時(shí)的最大輻射劑量問(wèn)題，對(duì)僅有發(fā)射線圈正常工作而接受線圈不能正常工作的狀況進(jìn)行數(shù)值仿真，給出了兩處測(cè)量位置在不同距離下的10g組織峰值，如表1、2所示。

表1 系統(tǒng)正常工作時(shí)人體組織各位置的SAR值Tab.1 SAR of different tissues when system worked normally

以上數(shù)據(jù)表明，在發(fā)射線圈和接受線圈周圍的SAR值明顯高于兩線圈之間部分的SAR值。同時(shí)，數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)只有發(fā)射線圈正常工作時(shí)，輻射劑量要大于雙線圈正常工作時(shí)的輻射劑量，這是因?yàn)榘l(fā)射線圈的能量大部分被人體組織所吸收的緣故。

表2 只有發(fā)射線圈工作時(shí)人體組織各位置的SAR值Tab.2 SAR of different tissues when only transmitter coil worked

目前，世界衛(wèi)生組織(WHO)在確定電磁場(chǎng)人體輻射劑量安全評(píng)估方面，努力協(xié)調(diào)非離子輻射委員會(huì)(ICNIRP)和美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)的《IEEE關(guān)于人體曝露到0～3 kHz電磁場(chǎng)的安全水平標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)[11]。國(guó)際和歐洲采用的限值為：在非受控電磁環(huán)境下，10 g生物組織的平均SAR值須低于2 W/kg；所設(shè)計(jì)的天線系統(tǒng)在輸入功率為1W時(shí)，正常工作情況下10g生物組織的平均SAR值為0.009 W/kg，非正常工作情況下10 g生物組織的平均SAR值最大為0.823 W/kg。在本研究中，所設(shè)計(jì)的無(wú)線傳能系統(tǒng)，輻射劑量均低于全部標(biāo)準(zhǔn)。

4 討論和結(jié)論

本課題分析了胸腔基于電磁共振無(wú)線電能傳輸過(guò)程中的安全性問(wèn)題，對(duì)人體植入式電子設(shè)備無(wú)線傳能對(duì)人體的輻射劑量進(jìn)行了研究。為模擬電磁波穿過(guò)人體不同介質(zhì)的實(shí)際情況，構(gòu)建了空氣-皮膚-肌肉3層模型，在天線的中心和邊緣處選取了兩處位置來(lái)計(jì)算比吸收率(見(jiàn)圖6、7)，表明系統(tǒng)正常工作時(shí)各個(gè)位置電磁輻射劑量的最大值小于ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)；針對(duì)雙線圈系統(tǒng)只有發(fā)射線圈正常工作(如電池充滿或接受天線失效)時(shí)進(jìn)行數(shù)值分析(見(jiàn)表2)，其電磁輻射劑量最大值也小于國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)閾值。不同的是，通過(guò)表1、2數(shù)據(jù)結(jié)果的對(duì)比分析，表明諧振工作時(shí)輻射劑量主要集中在發(fā)射線圈和接收線圈，而且接受線圈的輻射劑量要大于發(fā)射線圈的輻射劑量，表明系統(tǒng)諧振工作時(shí)，大部分能量被接受線圈吸收，只在發(fā)射和接受線圈附近出現(xiàn)了少量的電磁輻射，而當(dāng)只有發(fā)射線圈工作時(shí)，輻射劑量呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，展現(xiàn)出典型的電磁波輻射衰減特征。綜合分析表明，在輻射劑量安全方面，基于電磁共振的人體無(wú)線電能傳輸技術(shù)的安全性符合國(guó)際ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)，為基于電磁無(wú)線電能傳輸在人體植入式設(shè)備領(lǐng)域的無(wú)線電能傳輸提供了安全性驗(yàn)證。

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Research on the Effects of Antenna Electromagnetic Radiation to Human Body Safety for Implantable Medical Device Wireless Energy Transmission System Based on Magnetic Resonance

Gong Feixiang1Wei Zhiqiang1Cong Yanping1Chi Haokun1Sun Mingui2Yin Bo1*

1(SchoolofInformationScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,Shandong,China)2(DepartmentofNeurologicalSurgery,Electriacal&ComputerEngineering,UniversityofPittsburgh,Pittsburgh,PA15260,USA)

magnetic resonance; implantable device; wireless power transfer; specific absorption rate(SAR); finite difference time domain (FDTD)

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 04.016

2015-03-23， 錄用日期:2015-11-12

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2013DFA10490)；青島市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)培育計(jì)劃項(xiàng)目(13-4-1-45-hy)

R318

D

0258-8021(2016) 04-0497-05

*通信作者(Corresponding author)， E-mail:ybfirst@126.com