CN110991014A - 人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法，该方法基于COMSOL仿真软件对人工心脏无线供能系统建立电‑磁‑热多物理场耦合模型，该模型包括电路模型和几何模型，利用该多物理场耦合模型可分析无线供能系统不同工作状态下各电路的电流、电压与物理场的相互关系及生物安全性。具体步骤如下：首先设置模型向导；其次在电路模块下选择元器件，搭建逆变电路、补偿电路以及整流滤波电路，完成电路建模；然后建立发射线圈、接收线圈和生物组织的几何模型；接着设置元器件、模型材料和边界条件；进行网格剖分、求解器设置和计算；最后改变系统工作状态，设置模型相应属性并求解。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电领域，具体涉及一种人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法。
背景技术
人工心脏已逐渐成为治疗心力衰竭的有效方法之一，传统的人工心脏系统通常采用内置电池或经皮导线的方式传送电能，但是内置电池不可能长时间为人工心脏系统提供能量，而经皮导线使得人体皮肤组织长期开放，因此极易导致接口处的皮肤感染。人工心脏无线供能技术有效解决了上述弊端，这种无接触式电能传输技术通过在病人皮肤下植入接收电路，由体外电能发射线圈透过皮肤向体内接收线圈持续供能，减少了感染的可能性，为患者提供了更好的生活质量。
对于人工心脏无线供能系统，不可忽视体外发射线圈和体内接收线圈产生的高频电磁场和线圈发热对患者健康产生的影响，通常将比吸收率(SAR)、场强(E)和温度(T)作为评估无线供能系统生物安全性的指标。Knecht等人分析了无线供能系统的功率损耗，计算了系统运行时人体皮肤生物组织的温升情况，但该研究忽略了系统电磁安全性；Shibuya等人对安全性指标SAR和E进行了分析，验证了无线供能系统的电磁安全性，但该项研究中系统对象只含有补偿电路以及由发射线圈和接收线圈组成的耦合线圈两部分，没有包含无线供电系统中的逆变电路和整流电路，且输入为正弦波信号，这与实际系统逆变电路提供的高频方波不符，并且也不能反映出基于电力电子线路的无线供能系统各电路与物理场的相互作用关系；栾盈盈等人搭建了基于simulink仿真软件的人工心脏无线供能系统仿真模型，但是该仿真研究无法直观获得系统运行时人体皮肤生物组织的电磁场及温度分布，因此上述研究存在一定局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法，基于COMSOL仿真软件对人工心脏无线供能系统建立多物理场耦合模型，该模型包括电路模型和几何模型，电路模型主要包括高频逆变电路、补偿电路和整流滤波电路，几何模型主要包括发射线圈、接收线圈及人体皮肤生物组织模型，利用该多物理场耦合模型可以研究无线供能系统的电流、电压与物理场的相互关系，并且通过仿真可准确获得无线供能系统在不同工作状态下生物组织安全性指标SAR、E和T的值，将上述值与国际规定限值比较，可以验证人工心脏无线供能系统的生物安全性。
本发明采用的技术方案为：
人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法，依次包括以下步骤:
步骤1：模型向导设置
首先在仿真软件COMSOL Multiphysics的文件菜单中选择“新建”，在新建窗口中，单击“模型向导”，在模型向导窗口，单击“二维轴对称”；其次选择物理场，在“选择物理场”树中选择“AC/DC”>“电路(cir)”、“AC/DC”>“磁场(mf)”以及“传热”>“生物传热(ht)”，依次完成“添加”；再确定研究方式，单击“研究”，在“选择研究”树中选择“所选物理场接口的预设研究”>“瞬态”，单击“完成”。
步骤2：建立系统电路模型
在电路模块下对人工心脏无线供能系统进行电路建模：选择电路所需器件，包括直流电压源、第一逆变器功率开关、第二逆变器功率开关、第三逆变器功率开关、第四逆变器功率开关、发射回路补偿电容、发射回路电阻、外部IVS.U1、外部IVS.U2、接收回路补偿电容、接收回路电阻、第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管、第一滤波稳压电容、人工心脏负载，设置各元器件节点，完成系统逆变电路、补偿电路和整流滤波电路的搭建。
步骤3：建立系统几何模型
根据发射、接收线圈的实际尺寸在2维轴对称模型下建立几何模型，模拟线圈透过生物组织传输能量的耦合过程，发射线圈和接收线圈为结构尺寸一致的平面螺旋形线圈，在模型中用矩形表示，人体组织用三层简化模型模拟，分别为皮肤层、脂肪层和肌肉层，也用矩形表示。
步骤4：电路元器件参数设置
对逆变开关进行设置，选定方波脉冲作为其激励源，当系统工作在谐振状态时，根据谐振频率f确定脉冲周期T，接着在COMSOL中测出发射线圈和接收线圈的电感，由C＝1/(ω2L)，求出发射、接收回路补偿电容，再确定直流电压源、发射回路电阻、接收回路电阻、稳压电容以及人工心脏等效电阻的大小。
步骤5：材料属性设置
设置材料属性时，将线圈设置为铜，生物组织层通过建立空材料设置相关参数完成，其它区域设置为空气；由于模型涉及到的物理场有磁场和生物传热，在设置生物组织参数时应该考虑到其电特性和热物性，电特性由电导率σ和相对介电常数ε表示，二者为频率函数，可通过查表获得各生物组织层在谐振频率时的电特性参数及热物性参数。
步骤6：边界条件设置
磁场模块：所有域都满足安培定律；二维轴对称线设为轴对称；除轴对称的外边界均为磁绝缘；选择发射、接收线圈对应区域，确定发射线圈和接收线圈的激励、导线的类型、线圈匝数和线圈截面半径；生物传热模块：选择生物组织对应区域；设置生物热的相应参数；二维轴对称线设为轴对称；除轴对称的外边界均满足热绝缘；设定生物组织、线圈和环境初始温度；发射线圈和接收线圈设为固体，空气设为流体。
步骤7：几何模型网格剖分
对几何模型进行网格剖分时，首先选择用户控制网格；其次选定剖分区域，可划分为线圈和除线圈之外的部分；再设置网格类型和大小，类型均为自由三角形网格，确定网格大小时线圈部分应相对细化，其它区域可适当粗化。
步骤8：求解器设置并求解
选中研究下的求解器配置，并对其进行设置：设定瞬态求解器的相对容差为0.01，绝对容差为0.1，时间步进方法为向后差分公式以及求解器类型为PARDISO，最后计算。
步骤9：模型再新设置并求解
调整逆变开关激励源的周期，使系统处于非谐振状态；根据非谐振状态的频率，确定系统在该状态下各生物组织层的电特性参数及热物性参数，重新设置材料属性，对系统进行新的求解计算。
步骤10：仿真结果及分析
经仿真可获得系统运行在不同状态时各电路模块的电流、电压波形以及生物组织中任意点在任意时刻的场强和温度的值，并且根据SAR＝σE2/ρ，可计算出各生物组织层比吸收率的值，通过对上述波形与值的分析，可研究无线供能系统工作状态对电磁场的影响，并且将比吸收率、场强、温度的值与国际规定的限值比较，进而分析和验证人工心脏无线供能系统的生物安全性。
所述步骤4中除选择各电路元器件外还需选择外部IVS.U1及外部IVS.U2，用于连接几何模型中的发射线圈和接收线圈。
所述步骤6中发射线圈和接收线圈的激励均为电路电流，生物组织及接收线圈初始温度为37℃，空气和发射线圈初始温度为30℃。
本发明是基于COMSOL仿真软件，建立了包括高频逆变器和整流滤波电路在内的电路模型，利用有限元法对人工心脏无线供能系统进行耦合剖分。有限元法具有任意布置的网格和节点，对多物理场的耦合分析有极大的灵活性和适应性，本发明对于人工耳蜗、心脏起搏器等需要持续供能的诊疗设备同样具有仿真分析的价值。
附图说明
图1为本发明人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法流程示意图；
图2为人工心脏无线供能系统电路拓扑结构图；
图中：1是直流电压源、2是第一逆变器功率开关、3是第二逆变器功率开关、4是第三逆变器功率开关、5是第四逆变器功率开关、6是发射回路补偿电容、7是发射回路电阻、8是发射线圈、9是皮肤、10是脂肪、11是肌肉、12是接收线圈、13是接收回路补偿电容、14是接收回路电阻、15是第一整流二极管、16是第二整流二极管、17是第三整流二极管、18是第四整流二极管、19是滤波稳压电容、20是人工心脏负载。
图3为具体实施例几何模型图；
图4为几何模型有限元网格剖分示意图；
图5为具体实施例系统谐振时收发线圈电流图；
图6为具体实施例系统谐振时负载电压图；
图7为具体实施例系统谐振时各组织层最大场强-时间图；
图8为具体实施例系统非谐振240KHz时收发线圈电流图；
图9为具体实施例系统非谐振时240kHz各组织层最大场强-时间图；
图10为具体实施例系统非谐振320KHz时收发线圈电流图；
图11为具体实施例系统非谐振时320kHz各组织层最大场强-时间图；
图12为具体实施例系统谐振时生物组织温度切面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明为人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法，依次包括以下步骤：
步骤1：模型向导设置,具体方法为：
首先在仿真软件COMSOL Multiphysics的文件菜单中选择“新建”，在新建窗口中，单击“模型向导”，在模型向导窗口，单击“二维轴对称”；其次选择物理场，在“选择物理场”树中选择“AC/DC”>“电路(cir)”、“AC/DC”>“磁场(mf)”以及“传热”>“生物传热(ht)”，依次完成“添加”；再确定研究方式，单击“研究”，并在“选择研究”树中选择“所选物理场接口的预设研究”>“瞬态”，单击“完成”。
步骤2：建立系统电路模型，如下：
按照图2人工心脏无线供能系统电路拓扑结构图搭建仿真电路，首先选择电路所需器件：为直流电压源1选择电压源，并将其设置为直流电压源；逆变功率开关2～5均为N沟道MOSFET；为发射回路补偿电容6、接收回路补偿电容13以及滤波稳压电容19选择电容；选择外部IVS.U1及外部IVS.U2，用于连接几何模型中的发射、接收线圈；发射回路电阻7、接收回路电阻14和人工心脏负载20均选定为电阻；整流二极管15～18均为二极管；再设置以上元器件节点，完成系统电路连接。
步骤3：建立系统几何模型，步骤如下：
在二维轴对称模式下建立几何模型，发射线圈8和接收线圈12结构尺寸一致，均用矩形表示：长30.5mm、宽4mm，距轴对称线3.5mm，经二维旋转成外径68mm、内径7mm的平面螺旋形线圈；人体组织皮肤9、脂肪10和肌肉11的模型厚度设定依次为5mm、10mm和40mm。将发射线圈8贴近在皮肤9外表面，接收线圈12放置在脂肪层10，二者相隔10mm，模型如图3所示。
步骤4：电路元器件参数设置,具体设置为：
将功率开关管MOSFET的激励设置为方波脉冲，当确定系统谐振频率为160kHz，可通过调节MOSFET的方波脉冲的周期来实现，对应周期为6.25us，接着在COMSOL中测出发射线圈8和接收线圈12的电感均为21.05uH，由C＝1/(ω2L)，求出补偿电容6和13的值，直流电压源1、发射回路电阻7、接收回路电阻14、稳压电容19以及人工心脏等效电阻20的参数如表1所示。
表1电路元器件参数
步骤5：材料属性设置，具体设置为：
将COMSOL材料库中所含有的空气和铜材料，添加到几何模型中的空气和线圈；对于生物组织皮肤、脂肪和肌肉则先建立空材料，再设置其电特性和热物性参数。由于本案例系统谐振频率为160kHz，由意大利国家研究委员会应用物理研究所的人体组织导电性能表可查得各组织层在160kHz下的电导率σ和相对介电常数ε。具体的生物组织参数如表2所示。
表2生物组织谐振参数
步骤6：边界条件设置,具体方法为：
磁场模块：所有域都满足安培定律；二维轴对称线设为轴对称；除轴对称的外边界均为磁绝缘；选择发射、接收线圈对应区域，发射线圈和接收线圈的激励为电流(电路)激励，导线模型为均匀多匝，线圈匝数为28匝，线圈导线半径为0.49mm；生物传热模块：选择生物组织对应区域；设置生物热的相应参数，具体数值如表3所示；二维轴对称线设为轴对称；除轴对称的外边界均满足热绝缘；初始温度设定如下：生物组织及接收线圈37℃，发射线圈及空气环境为30℃；发射线圈和接收线圈设为固体，空气设为流体。
表3生物组织生物热参数
步骤7：几何模型网格剖分，具体方法为：
网格剖分时，本发明案例剖分区域分为两部分：线圈和除线圈之外的部分。两部分网格类型皆为自由三角形网格，且线圈的最大单元大小设为1mm，其它区域最大单元大小设为20mm，其网格剖分如图4所示。
步骤8：求解器设置并求解，具体方法为：
选中研究下的求解器配置，并对其进行设置：设定瞬态求解器的相对容差为0.01，绝对容差为0.1，时间步进方法为向后差分公式以及求解器类型为PARDISO，最后计算。
步骤9：模型再新设置并求解，具体方法为：
调整逆变开关激励源-方波脉冲的周期，使系统处于非谐振状态，本发明案例将方波脉冲的周期分别调为4.167us和3.125us，对应非谐振频率为240kHz和320kHz，根据非谐振状态的频率，通过查表获得系统该状态下各生物组织层的电特性参数，参照表4重新设置材料属性，并对系统进行新的求解计算。
表4生物组织非谐振参数
步骤10：仿真结果及分析，具体分析为：
通过仿真可获得系统工作在谐振状态时收发线圈电流，以及负载两端的电压，可知发射线圈和接收线圈电流幅值分别为3.1A和2.2A，系统运行至400us时，负载电压趋于稳定值26.5V，如图5和6所示。图7为系统谐振时各组织层最大场强-时间图，可知皮肤层、脂肪层和肌肉层最大场强依次为28.2V/m、24.5V/m和16.8V/m，根据SAR＝σE2/ρ，可计算出各组织层的最大SAR依次为0.069W/kg、0.029W/kg和0.099W/kg。
图8-图11为系统工作在240kHz、320kHz非谐振状态时，收发线圈电流以及各生物组织层最大电场模随时间变化关系图，对比可知系统工作频率越远离谐振频率，发射、接收线圈电流幅值越小、谐波含量越高，畸变越严重，且各生物组织层最大电场模也逐渐减小，由SAR＝σE2/ρ可知，对应的SAR也减小，均小于谐振状态时的值。
系统谐振状态下仿真温度如图12所示，可知最大温度值位于发射线圈附近为38.8℃，温升1.8℃，这是由于发射线圈电流大，线圈损耗严重，导致其周围组织温升较大。当系统处于非谐振状态时，发射、接收线圈电流均变小，SAR的值也变小，所以可知非谐振状态时，生物组织的温升一定小于1.8℃。
根据国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP，International Commissionon Non-Ionizing Radiation Protection)制定的《限制时变电场、磁场和电磁场暴露的导则》，可得知系统在一定频率下SAR和E的基本限值，如表5所示。根据人体生理学,将41℃作为本发明案例的温度限值。仿真结果表明系统处于谐振或非谐振状态，生物组织电磁辐射剂量和温度均小于ICNIRP和生理学标准，并都留有一定的裕量，验证了人工心脏无线供能系统的生物安全性。
表5 SAR和E的基本限值
Claims (3)
1.人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法，其特征在于所述方法步骤如下:
步骤1：模型向导设置
首先在仿真软件COMSOL Multiphysics的文件菜单中选择“新建”，在新建窗口中，单击“模型向导”，在模型向导窗口，单击“二维轴对称”；其次选择物理场，在“选择物理场”树中选择“AC/DC”>“电路(cir)”、“AC/DC”>“磁场(mf)”以及“传热”>“生物传热(ht)”，依次完成“添加”；再确定研究方式，单击“研究”，并在“选择研究”树中选择“所选物理场接口的预设研究”>“瞬态”，单击“完成”；
步骤2：建立系统电路模型
在电路模块下对人工心脏无线供能系统进行电路建模：选择电路所需器件，包括直流电压源(1)、第一逆变器功率开关(2)、第二逆变器功率开关(3)、第三逆变器功率开关(4)、第四逆变器功率开关(5)、发射回路补偿电容(6)、发射回路电阻(7)、接收回路补偿电容(13)、接收回路电阻(14)、第一整流二极管(1/5)、第二整流二极管(16)、第三整流二极管(17)、第四整流二极管(18)、第一滤波稳压电容(19)、人工心脏负载(20)，设置各电路元器件节点，完成系统逆变电路、补偿电路和整流滤波电路的搭建；
步骤3：建立系统几何模型
根据发射、接收线圈的实际尺寸在2维轴对称模型下建立几何模型，模拟线圈透过生物组织传输能量的耦合过程，发射线圈(8)和接收线圈(12)为结构尺寸一致的平面螺旋形线圈，在模型中用矩形表示，人体组织用三层简化模型模拟，分别为皮肤层(9)、脂肪层(10)和肌肉层(11)，也用矩形表示；
步骤4：电路元器件参数设置
对逆变开关(2)～(5)进行设置，选定方波脉冲作为其激励源，当系统工作在谐振状态时，根据谐振频率f确定脉冲周期T，接着在COMSOL中测量发射线圈(8)和接收线圈(12)的电感，根据C＝1/(ω2L)，求出补偿电容(6)和(13)的值，再确定直流电压源(1)、发射回路电阻(7)、接收回路电阻(14)、稳压电容(19)以及人工心脏等效电阻(20)的大小；
步骤5：材料属性设置
设置材料属性时，将线圈(8)和(12)设置为铜，生物组织层(9)、(10)和(11)通过建立空材料并设置相关参数完成，其它区域设置为空气；由于模型涉及到的物理场有磁场和生物传热，在设置生物组织参数时应该考虑到其电特性和热物性，电特性由电导率σ和相对介电常数ε表示，二者是频率函数，可通过查表获得各生物组织层在谐振频率下的电特性及热物性参数；
步骤6：边界条件设置
磁场模块：所有域都满足安培定律；二维轴对称线设为轴对称；除轴对称的外边界均为磁绝缘；选择发射、接收线圈对应区域，确定发射线圈和接收线圈的激励、导线的类型、线圈匝数和线圈截面半径；生物传热模块：选择生物组织对应区域；设置生物热的相应参数；二维轴对称线设为轴对称；除轴对称的外边界均满足热绝缘；设定生物组织、线圈和环境初始温度；发射线圈和接收线圈设为固体，空气设为流体；
步骤7：几何模型网格剖分
对几何模型进行网格剖分时，首先选择用户控制网格；其次选定剖分区域，可划分为线圈和除线圈之外的部分；再设置网格类型和大小，类型均为自由三角形网格，网格大小设置时，线圈部分应相对细化，其它区域可适当粗化；
步骤8：求解器设置并求解
选中研究下的求解器配置，并对其进行设置：设定瞬态求解器的相对容差为0.01，绝对容差为0.1，时间步进方法为向后差分公式以及求解器类型为PARDISO，最后计算；
步骤9：模型再新设置并求解
调整方波脉冲的周期，使系统处于非谐振状态；根据非谐振状态的频率，确定系统在该状态下各生物组织层的电特性参数及热物性参数，重新设置材料属性，对系统进行新的求解计算；
步骤10：仿真结果及分析
经仿真可获得系统工作在不同状态时系统电流、电压波形以及生物组织中任意点在任意时刻的场强和温度的值，并且由SAR＝σE2/ρ，可计算出各生物组织层比吸收率的值，通过对上述波形与值的分析，可研究人工心脏无线供能系统工作状态对电磁场的影响，将比吸收率、场强、温度的值与国际规定的限值比较，进而分析和验证人工心脏无线供能系统的生物安全性。
2.根据权利要求1所述人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法，其特征在于：所述步骤4中除选择各电路元器件外还需选择外部IVS.U1及外部IVS.U2，用于连接几何模型中的发射线圈和接收线圈。
3.根据权利要求1所述人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法，其特征在于：所述步骤6中发射线圈和接收线圈的激励均为电路电流，生物组织及接收线圈初始温度为37℃，空气和发射线圈初始温度为30℃。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 谢岳等: "基于半控整流电路的无线电能传输技术的研究" * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111398724A (zh) * | 2020-04-20 | 2020-07-10 | 杭州电子科技大学温州研究院有限公司 | 一种无线供电用植入式集成线圈的检测方法 |
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|---|---|
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