CN111398724B - 一种无线供电用植入式集成线圈的检测方法 - Google Patents

一种无线供电用植入式集成线圈的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线供电用植入式集成线圈的检测方法。线圈间的能量耦合效率取决于线圈间的耦合系数和线圈的品质因素，而这些参数由线圈的结构、尺寸和线圈周围的环境决定。本发明依据经典线圈模型，对线圈在生物兼容性材料、肌肉组织等多层介质包围下的电阻、电感和电容进行了解析建模，尤其在电容的建模上，通过将多层介质简化为多个单层介质的叠加，再利用单层介质情形的等效介电常数精确拟合，极大地提升了电容模型的精度，从而提高了线圈阻抗和品质因素的计算精度。在无线供电应用中，系统工作频率通常在线圈品质因数最大时对应的频率，本发明提出的模型可以有效预测此频率。

Description

一种无线供电用植入式集成线圈的检测方法
技术领域
本发明属于植入式无线供电系统技术领域，具体涉及一种无线供电用植入式集成线圈的检测方法。
背景技术
植入式心脏起搏器、植入式人工耳蜗、植入式神经刺激器等植入式医疗器件已得到越来越多的应用，帮助人们对抗疾病。为减小植入式器件对人体的侵入性，器件的尺寸也越来越小。采用无线供电来避免电池植入是减小植入器件尺寸重要的手段之一。在基于磁场耦合、电场耦合、超声耦合等多种耦合方式的无线供电技术中，通过体内外线圈间的磁场耦合无线供电是当前最为成熟的技术。在磁场耦合无线供电中，植入体内的接收线圈若能与植入体内的集成电路芯片进行单片集成，不仅可以实现更小的尺寸和更好的一致性，而且相比手工或机械绕制的螺旋线圈具有更好的集成度，有利于实现批量生产。
电能的传输效率是无线供电系统最受关注的参数之一，尤其是在植入式医疗应用中。由于线圈间的能量耦合效率取决于线圈间的耦合系数和线圈的品质因素，而这些参数由线圈的结构、尺寸和线圈周围的环境(如介电常数、磁导率等)决定。然而，随着器件逐渐应用于人体组织内部，器件的周围介质环境变得更加复杂，寄生电容成为最重要也是最复杂的影响因素。若能给出线圈寄生电容与介质环境之间更准确的规律关系，使检测电容更加准确，则可以根据设计目标(比如最大化品质因素)进行快速优化，再利用电磁场仿真工具进行验证即可。在引用材料[1]中，前人提出通过保形映射和施瓦茨变换计算寄生电容，然而，这些计算不适用于单匝线圈，且不够准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线供电用植入式集成线圈的检测方法，通过测量和计算出植入式集成线圈的等效电容、阻抗、品质因数，判断该线圈是否满足使用需求。
本发明的具体步骤如下
步骤一、获取被测线圈、衬底的几何参数、生物兼容性材料的厚度、被测线圈在生物组织肌肉中的位置。建立包含高频相关的线圈集总参数模型，包括被测线圈、包裹在被测线圈外部的生物兼容性材料和生物组织肌肉；被测线圈等效为寄生电感Ls、串联寄生电阻Rs，寄生电容Cp和并联寄生电阻Rp。串联在一起的寄生电感Ls、串联寄生电阻Rs，并联上寄生电容Cp和并联寄生电阻Rp。
步骤二、建立寄生电感Ls的表达式如式(1)所示。
Figure BDA0002458190460000021
式(1)中，c1、c2、c3、c4分别位于被测线圈的四个形状系数；μ为被测线圈所在环境的磁导率；n为被测线圈的匝数；davg为被测线圈的平均半径，davg＝(di+do)/2，di、do分别为被测线圈的内径、外径；ρ为填充因子，其表达式为ρ＝(do-di)/(di+do)。
步骤三、计算被测线圈的寄生电容Cs。
3-1.计算处于空气中且没有衬底的被测线圈的寄生电容C0如式(2)所示；空气介质自谐振频率f0,ST的表达式如式(3)所示。
Figure BDA0002458190460000022
f0,ST＝kFc/2l (3)
式(2)和(3)中，c为真空中电磁波的传播速度；l是被测线圈的长度；kF作为负载系数。
3-2.建立被测线圈在自身底面上方环境中的相对等效介电常数εr-up的表达式如式(4)所示；
Figure BDA0002458190460000023
式(4)中，t3-up、t4-up生物兼容性材料在被测线圈的底面上方部分的厚度、生物组织肌肉环境在被测线圈的底面上方部分的厚度。εr3、εr4分别是生物兼容性材料、生物组织肌肉的相对介电常数。
建立被测线圈在自身顶面下方环境中的相对等效介电常数εr-down的表达式如式(5)所示；
Figure BDA0002458190460000024
式(5)中，t1、t2、t3-down、t4-down分别是衬底氧化层的厚度、衬底的厚度、生物兼容性材料在被测线圈的顶面下方部分的厚度、生物组织肌肉在被测线圈的顶面下方部分的厚度；εr1、εr2分别是衬底氧化层、衬底主体的相对介电常数。
3-3.建立寄生电容CP表达式如式(6)所示。
CP＝(εr-up+εr-down)/2*C0 (6)
步骤四、根据被测线圈的串联寄生电阻Rs、寄生电容Cp、寄生电感Ls和并联寄生电阻Rp，建立被测线圈的阻抗Z的表达式如式(7)所示，品质因数Q的表达式如式(8)所示
Figure BDA0002458190460000031
式(7)中，j为虚数单位；ω为角频率；GP为寄生电导，取值为并联寄生电导Rp的倒数；
Figure BDA0002458190460000032
式(8)中，Im(Z)为阻抗Z的虚部，Re(Z)为阻抗Z的实部。
作为优选，步骤四执行后，根据品质因数Q取最大值时角频率ω的取值，计算出最大Q值对应的工作频率fQmax，作为被测线圈对应的充电端工作时使用的频率。
作为优选，步骤四执行后，判断被测线圈的阻抗Z和品质因数Q的最大值是否满足使用需求；若不满足需求，则更换该被测线圈。
作为优选，所述负载系数kF的取值范围为(0.5，1)。
作为优选，步骤3-2中，被测线圈在自身底面上方环境中的相对等效介电常数εr-up被等效为相互得加三个部分，分别是被测线圈在自身底面上方的生物兼容性材料中的相对等效介电常数、被测线圈在自身底面上方的生物组织肌肉中的相对等效介电常数、被测线圈在自身底面上方的空气中的相对等效介电常数；
作为优选，步骤3-2中，被测线圈在自身顶面下方环境中的相对等效介电常数εr-down被等效为相互得加五个部分，分别是被测线圈在衬底氧化层上的相对等效介电常数、被测线圈在衬底上的相对等效介电常数、被测线圈在自身顶面下方的生物兼容性材料Coating中的相对等效介电常数、被测线圈在自身顶面下方的生物组织肌肉Muscle中的相对等效介电常数、被测线圈在自身顶面下方的空气中的相对等效介电常数；
本发明具备的有益效果：
本发明通过多层介质的介电常数进行分离和等效叠加，提高了被测线圈等效电容的检测精度，从而提高了线圈阻抗、品质因数的检测精度精度，更精准地获得被测线圈最高品质因数对应的工作频率。
附图说明
图1为本发明中被测线圈(植入式硅基集成线圈)的示意图；
图2为本发明的线圈集总参数模型的示意图；
图3为本发明的被测线圈的等效电路分析图；
图4为一个线圈仅被介质A和介质B包围的示意图；
图5为本发明中被测线圈底面上方介质相对介电常数的等效叠加图；
图6为本发明中被测线圈顶面下方介质相对介电常数的等效叠加图；
图7为本发明、现有技术、HFSS仿真结构的最大Q值所在频率随肌肉介质厚度变化的对比曲线图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本申请，并不用于限定本申请。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
适用本发明的无线供电植入式线圈如图1所示，由硅基衬底与金属线圈组成供电线圈，由于工艺的影响，在金属线圈与硅基衬底之间会生成一层氧化膜(成分为二氧化硅)。为模拟植入式无线供电的环境，金属线圈包裹生物兼容性材料PDMS内；生物兼容性材料PDMS再植入人体的肌肉组织中。本发明能够提高了线圈阻抗的检测精度，更准确地预测线圈品质因数Q，以及最大Q值对应的工作频率fQmax。
一种无线供电用植入式集成线圈的检测方法的具体步骤如下
步骤一、获取被测线圈、衬底的几何参数、生物兼容性材料的厚度、被测线圈在生物组织肌肉中的位置。建立包含高频相关的线圈集总参数模型如图2所示，包括无线供电系统的供电端Power Supply、包裹在被测线圈外部的生物兼容性材料Coating、被测线圈所在的生物组织肌肉Muscle；如图3所示，该模型中被测线圈等效为寄生电感Ls、串联寄生电阻Rs，寄生电容Cp和并联寄生电阻Rp。串联在一起的寄生电感Ls、串联寄生电阻Rs的相背端并联上寄生电容Cp和并联寄生电阻Rp。其中电感和电阻包含了趋肤效应，电容与电导包含了多层介质的寄生电容和介质损耗。
步骤二、对步骤一中的寄生电感Ls进行高频下解析模型分析，计算电感值Ls如式(1)所示。
Figure BDA0002458190460000051
式(1)中，c1、c2、c3、c4分别位于被测线圈的四个形状系数，其值由线圈的形状决定，获取属于现有技术(采用论文《Simple Accurate Expressions for Planar SpiralInductances》中记载的方法)，本实施例中线圈为八边形线圈，c1、c2、c3、c4的取值分别为1.09、2.23、0、0.17；μ为被测线圈所在环境的磁导率，且μ＝μr·μ0；其中，μr、μ0分别为被测线圈所在环境的相对磁导率和真空磁导率；n为线圈匝数；davg为被测线圈的平均半径，davg＝(di+do)/2，其中di、do分别为被测线圈的内径(最内匝内径)、外径(最外匝外径)；ρ为填充因子，其表达式为ρ＝(do-di)/(di+do)。
步骤三、对被测线圈在步骤一中等效出的寄生电容进行仿真、分析及建模，寄生电容模型因介质层的层叠及相对介电常数的增加变得复杂；计算寄生电容Cs具体如下：
3-1.计算处于空气中且没有衬底的被测线圈的寄生电容C0。C0由空气介质下自谐振频率f0,ST和寄生电感Ls反推得到，如式(2)所示。空气介质自谐振频率f0,ST的表达式如式(3)所示。此时的自谐振频率f0,ST可认为是传输线谐振，即线圈长度l是自谐振频率对应的波长的1/2或1/4(分别对应线圈开路或短路时)；
Figure BDA0002458190460000052
f0,ST＝kFc/2l (3)
式(2)和(3)中，c为真空中电磁波的传播速度；l是被测线圈的导线长度；kF作为负载系数，其值取决于负载，0.5<kF<1；负载越大，则负载系数kF越大；对于50Ω负载，线圈的开口更接近于短路而非开路，kF取0.9。
3-2.建立处于双层介质中的单匝线圈的寄生电容CP,AB与介质厚度及介电常数的关系。通过电磁仿真软件，建立如图4所示物理介质模型，介质A处于线圈的底面上方部分的厚度为tA、介电常数为εrA的一层介质A包裹；并且介质A被更大的介质B(介电常数为εrB)包围时，仿真得到不同厚度情况下，双层介质自谐振频率f0,AB变化情况。
建立双层介质中的单匝线圈的寄生电容CP,AB的表达式如式(4)所示；反推出双层介质的相对等效介电常数εrAB如式(5)所示
Figure BDA0002458190460000061
εrAB＝CP,AB/C0 (5)
用Matlab拟合工具可以拟合得到εrAB的解析表达式如式(6)所示；进而得到双层介质中的单匝线圈的寄生电容CP,AB的更新表达式如式(7)所示；
Figure BDA0002458190460000062
Figure BDA0002458190460000063
式(6)和(7)中，εrA为介质A的介电常数；εrB为介质B的介电常数；tA为介质A处于线圈的底面上方部分的厚度
3-3.将被测线圈在自身底面上方环境中的相对等效介电常数εr-up被等效为相互得加三个部分，分别是被测线圈在自身底面上方的生物兼容性材料Coating中的相对等效介电常数、被测线圈在自身底面上方的生物组织肌肉Muscle中的相对等效介电常数、被测线圈在自身底面上方的空气中的相对等效介电常数；建立εr-up的表达式如式(8)所示；
Figure BDA0002458190460000064
式(8)中，t3-up、t4-up生物兼容性材料在被测线圈的底面上方部分的厚度、生物组织肌肉环境在被测线圈的底面上方部分的厚度。t4-up由在被测线圈在肌肉中的位置和姿态决定，表示被测线圈底面到靠顶面一侧皮肤表面的距离。εr3、εr4分别是生物兼容性材料、生物组织肌肉的相对介电常数。
将被测线圈在自身顶面下方环境中的相对等效介电常数εr-down被等效为相互得加五个部分，分别是被测线圈在衬底氧化层上的相对等效介电常数、被测线圈在衬底上的相对等效介电常数、被测线圈在自身顶面下方的生物兼容性材料Coating中的相对等效介电常数、被测线圈在自身顶面下方的生物组织肌肉Muscle中的相对等效介电常数、被测线圈在自身顶面下方的空气中的相对等效介电常数；建立εr-down的表达式如式(9)所示；
Figure BDA0002458190460000071
式(9)中，t1、t2、t3-down、t4-down分别是衬底氧化层的厚度、衬底的厚度、生物兼容性材料在被测线圈的顶面下方部分的厚度、生物组织肌肉在被测线圈的顶面下方部分的厚度。t4-down由在被测线圈在肌肉中的位置和姿态决定，表示被测线圈顶面到靠底面一侧皮肤表面的距离。其中εr1、εr2分别是衬底氧化层(二氧化硅)的相对介电常数、衬底(单质硅)的相对介电常数。
3-4.建立所有介质中的单匝线圈的寄生电容CP与各层介质厚度及介电常数的关系。根据步骤3-2的结论与叠加原理，将两层介质的等效相对介电常数与介质厚度的关系，推广得到多层介质环境下的寄生电容CP表达式如式(10)所示。
CP＝εr-effC0＝(εr-up+εr-down)/2*C0 (10)
式(10)中，εr-eff为被测线圈在在所有介质中的相对等效介电常数。
步骤四、根据被测线圈的串联寄生电阻Rs、寄生电容Cp、寄生电感Ls和并联寄生电阻Rp，建立被测线圈的阻抗Z的表达式如式(11)所示，品质因数Q的表达式如式(12)所示
Figure BDA0002458190460000072
式(11)中，j为虚数单位；ω为角频率；GP为寄生电导，取值为并联寄生电导Rp的倒数；串联寄生电阻Rs和并联寄生电阻Rp根据现有技术计算得到(通过论文《Formulas forthe skin effect》中的方法计算)。
Figure BDA0002458190460000073
式(12)中，Im(Z)为阻抗Z的虚部，Re(Z)为阻抗Z的实部。
步骤五、根据品质因数Q取最大值时角频率ω的取值，计算出最大Q值对应的工作频率fQmax，作为被测线圈对应的充电端工作时使用的频率。同时，判断被测线圈的阻抗Z和品质因数Q的最大值是否满足使用需求；若不满足需求，则更换该被测线圈。
为验证本申请检测出的寄生电容的准确性，进行以下对比试验：
被测线圈参数：金属材料为金；外径Do为4mm；内径Di为3.5mm；厚度t为25um；匝数n为1。介质参数：衬底氧化层的二氧化硅相对介电常数2.8，厚度为50nm；衬底主体的硅相对介电常数11.9，厚度为25um；生物兼容性材料相对介电常数为2.8，厚度为500um；生物组织肌肉相对介电常数54.8，厚度为变量t4-up和t4-down，单位为mm，且t4-up＝t4-down。
建立包含硅胶、生物组织肌肉、衬底、衬底氧化层的多层介质物理三维模型，通过电磁仿真软件计算其阻抗Z以及品质因数Q最大时对应的频率fQmax，并通过改变生物组织肌肉的厚度，得到品质因数Q的随肌肉介质厚度变化的HFSS仿真曲线，如图7中的“△”连线所示。
通过本发明的方法，通过改变肌肉介质的厚度(即t4-up和t4-down)，得到品质因数Q的随生物组织肌肉厚度变化的曲线，如图7中的“▼”连线所示。
通过现有技术(具体为论文《ModelingandOptimizationofPrinted Spiral CoilsinAir,Saline,andMuscle Tissue Environments》中记载的方法)中的方法，通过改变肌肉介质的厚度，得到品质因数Q的随生物组织肌肉厚度变化的曲线，如图7中的“◇”连线所示。
对比图7中的三条曲线，本发明获得出的品质因数相比于现有技术获得出的品质因数更加接近仿真的结果，即更加准确。

Claims (6)

1.一种无线供电用植入式集成线圈的检测方法，其特征在于：步骤一、获取被测线圈、衬底的几何参数、生物兼容性材料的厚度、被测线圈在生物组织肌肉中的位置；建立包含高频相关的线圈集总参数模型，包括被测线圈、包裹在被测线圈外部的生物兼容性材料和生物组织肌肉；被测线圈等效为寄生电感Ls、串联寄生电阻Rs，寄生电容Cp和并联寄生电阻Rp；串联在一起的寄生电感Ls、串联寄生电阻Rs，并联上寄生电容Cp和并联寄生电阻Rp；
步骤二、建立寄生电感Ls的表达式如式(1)所示；
Figure FDA0002458190450000011
式(1)中，c1、c2、c3、c4分别位于被测线圈的四个形状系数；μ为被测线圈所在环境的磁导率；n为被测线圈的匝数；davg为被测线圈的平均半径，davg＝(di+do)/2，di、do分别为被测线圈的内径、外径；ρ为填充因子，其表达式为ρ＝(do-di)/(di+do)；
步骤三、计算被测线圈的寄生电容Cs；
3-1.计算处于空气中且没有衬底的被测线圈的寄生电容C0如式(2)所示；空气介质自谐振频率f0,ST的表达式如式(3)所示；
Figure FDA0002458190450000012
f0,ST＝kFc/2l (3)
式(2)和(3)中，c为真空中电磁波的传播速度；l是被测线圈的长度；kF作为负载系数；
3-2.建立被测线圈在自身底面上方环境中的相对等效介电常数εr-up的表达式如式(4)所示；
Figure FDA0002458190450000013
式(4)中，t3-up、t4-up生物兼容性材料在被测线圈的底面上方部分的厚度、生物组织肌肉环境在被测线圈的底面上方部分的厚度；εr3、εr4分别是生物兼容性材料、生物组织肌肉的相对介电常数；
建立被测线圈在自身顶面下方环境中的相对等效介电常数εr-down的表达式如式(5)所示；
Figure FDA0002458190450000021
式(5)中，t1、t2、t3-down、t4-down分别是衬底氧化层的厚度、衬底的厚度、生物兼容性材料在被测线圈的顶面下方部分的厚度、生物组织肌肉在被测线圈的顶面下方部分的厚度；εr1、εr2分别是衬底氧化层、衬底主体的相对介电常数；
3-3.建立寄生电容CP表达式如式(6)所示；
CP＝(εr-up+εr-down)/2*C0 (6)
步骤四、根据被测线圈的串联寄生电阻Rs、寄生电容Cp、寄生电感Ls和并联寄生电阻Rp，建立被测线圈的阻抗Z的表达式如式(7)所示，品质因数Q的表达式如式(8)所示
Figure FDA0002458190450000022
式(7)中，j为虚数单位；ω为角频率；GP为寄生电导，取值为并联寄生电导Rp的倒数；
Figure FDA0002458190450000023
式(8)中，Im(Z)为阻抗Z的虚部，Re(Z)为阻抗Z的实部。
2.根据权利要求1所述的无线供电用植入式集成线圈的检测 方法，其特征在于：步骤四执行后，根据品质因数Q取最大值时角频率ω的取值，计算出最大Q值对应的工作频率fQmax，作为被测线圈对应的充电端工作时使用的频率。
3.根据权利要求1所述的无线供电用植入式集成线圈的检测 方法，步骤四执行后，判断被测线圈的阻抗Z和品质因数Q的最大值是否满足使用需求；若不满足需求，则更换该被测线圈。
4.根据权利要求1所述的无线供电用植入式集成线圈的检测 方法，所述负载系数kF的取值范围为(0.5，1)。
5.根据权利要求1所述的无线供电用植入式集成线圈的检测 方法，步骤3-2中，被测线圈在自身底面上方环境中的相对等效介电常数εr-up被等效为相互得加三个部分，分别是被测线圈在自身底面上方的生物兼容性材料中的相对等效介电常数、被测线圈在自身底面上方的生物组织肌肉中的相对等效介电常数、被测线圈在自身底面上方的空气中的相对等效介电常数。
6.根据权利要求1所述的无线供电用植入式集成线圈的检测 方法，步骤3-2中，被测线圈在自身顶面下方环境中的相对等效介电常数εr-down被等效为相互得加五个部分，分别是被测线圈在衬底氧化层上的相对等效介电常数、被测线圈在衬底上的相对等效介电常数、被测线圈在自身顶面下方的生物兼容性材料Coating中的相对等效介电常数、被测线圈在自身顶面下方的生物组织肌肉Muscle中的相对等效介电常数、被测线圈在自身顶面下方的空气中的相对等效介电常数。
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