基于自适应波束成形的超声能量与数据传输系统在主动式医疗植入物中的应用研究

为解决主动式医疗植入物(active medical implants)的持续供能难题，研究人员开发了一种基于自适应波束成形的超声能量与数据传输(USPT)系统。该系统通过可穿戴设备与植入式设备的协同工作，实现了0.16 mW的整流输出功率（0.5 cm水介质）和1 kbit/s的数据传输速率，并创新性地采用飞行时间(ToF)测量实现植入物位置反馈。这项发表在《Micro and Nano Engineering》的研究为毫米级健康监测植入物提供了可持续能源解决方案，突破了传统电磁能量传输的功率密度限制（FDA标准10 mW/cm2 vs 超声720 mW/cm2 ）。

　　

在医疗技术快速发展的今天，主动式医疗植入物如心脏起搏器、神经刺激器和连续血糖监测(CGM)设备正深刻改变着慢性病管理方式。然而这些设备的微型化进程正面临"能量瓶颈"——传统锂电池体积大、寿命有限，而电磁无线充电又受限于人体组织的导电性和FDA严格的功率密度限制（仅10 mW/cm²
）。更棘手的是，毫米级植入物在体内可能发生位移，导致能量传输效率骤降。如何实现安全、高效且能适应位置变化的持续供能，成为制约下一代可植入医疗设备发展的关键难题。

针对这一挑战，某研究机构团队在《Micro and Nano Engineering》发表创新成果，开发出集超声能量传输(USPT)、数据通信和位置反馈于一体的自适应系统。研究人员采用16阵元相控阵（1×1 cm²
，PZT-5H压电材料）实现波束成形，通过Krimholtz-Leedom-Matthaei(KLM)模型优化声能传输效率，结合6级Cockcroft-Walton电压倍增器实现能量转换，并创新性地利用飞行时间(ToF)测量实现植入物三维定位。测试表明，该系统在0.5 cm水深条件下可输出0.16 mW功率，数据传输速率达1 kbit/s，位置定位误差小于1.3 mm。

系统设计与工作原理
通过等效电路建模揭示，超声链路效率受介质衰减系数(μ)和换能器阻抗(Z_T
)共同影响。相控阵采用动态相位控制（分辨率1.22°），根据公式Δ?=2π·d₀
·cosθ/λ实现波束聚焦，在10 mm距离处形成显著压力集中区。

材料与方法
压电换能器在680 kHz呈现最佳响应，通过有限元分析(FEM)模拟显示，2 mm立方体换能器在5 mm聚焦深度产生线性声强分布。实验系统包含FPGA控制的16通道高压驱动器(±24V)和植入端STM32L476微控制器，采用水介质模拟生物组织环境。

功率链路与压力场表征
当聚焦于(0,0,10 mm)时，接收端在1 kΩ负载上获得2.6 V_pp
输出，功率达0.9 mW。压力场测绘显示，相控阵可将声压有效集中在目标区域，侧瓣干扰控制在可接受范围。

植入物位置反馈
利用四角阵元接收反向传输脉冲，通过广义Morse小波提取680 kHz信号成分。实测案例中，将(5,-4,10 mm)位置的植入物定位为(5.9,-3.4,9.7 mm)，误差主要来自机械支架形变。

数据传输验证
采用连续波(CW)调制实现双向通信，差分驱动模式使4 cm距离上的12位数据帧传输成功，对应体温模拟值"364"。微控制器运行期间系统功耗150 mW，单次数据传输能耗2.5 mJ。

植入系统整体评估
在5 mm传输距离下，储能电容(1000 μF)充电功率0.16 mW，支持微控制器完成ADC采样、矩阵运算和数据传输的完整工作循环。尽管充电时间达1.5分钟，但通过间歇工作模式（占空比1.2%）实现了功能闭环。

这项研究的重要意义在于首次将自适应波束成形、双向数据传输和实时位置反馈集成于单一超声平台。相比传统电磁方案，超声系统突破性地将可用功率密度提升72倍（720 vs 10 mW/cm²
），为毫米级植入式传感器开辟了新可能。特别是提出的CW调制简化了通信设计，而基于ToF的定位方法无需额外传感器即可实现亚毫米精度。未来通过ASIC集成和新型声耦合材料开发，该系统有望推动可穿戴-植入式医疗设备进入"无电池"新时代。