基于近红外光的植入式电子设备无线充电方法

《IEEE Journal on Wireless Power Technologies》：Wireless Charging Method for Implantable Electronic Devices Using Near Infrared Light

　　

摘要：对于无线植入式电子设备（IEDs）长期且可靠电源的需求推动了对可充电解决方案的研究。本论文探索了一种基于近红外（NIR）光的无线充电方法，重点关注其在对准场景下安全、私密且可靠地延长IEDs使用寿命的潜力。研究人员使用单束810 nm近红外发光二极管（LED）在40 mm厚的模拟软组织光学仿体上进行了实验，采用两种照明模式：1）基于国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）和美国国家标准学会（ANSI）标准的高辐照度（NIR LED满功率）和更安全的辐照度水平的连续波（CW）模式，以及2）20 kHz频率下占空比为25%和75%的脉冲波（PW）模式。研究人员使用商业微型光伏（PV）电池代表系统中的能量收集器。关键测量指标包括PV电池的开路输出电压（v_OC）、无线充电时长（t_charge）和能量收集（EH）速率。CW模式下的更高辐照度增加了v_OC和EH速率，从而加速了超级电容器的充电，而更低的辐照度和PW操作则降低了这些指标，但可能更有利于长期可靠性。在关键能量下降/不足期间，可能需要临时增加辐照度。研究人员评估了超级电容器容量的影响，结果表明更大的容量会导致更长的t_charge。研究人员进行了一项耐久性测试以评估所提方法在为超低功耗IEDs供电方面的实际适用性。此外，还在衣物覆盖场景下评估了性能...

## 基于近红外光的植入式电子设备无线充电方法研究解读

### 研究背景、问题与研究意义

植入式电子设备（IEDs）在临床应用中展现出巨大价值，例如心脏起搏器、植入式生物传感器和胰岛素泵等。然而，传统IEDs依赖内置不可充电电池，其有限寿命迫使患者每数年经历一次手术更换电池，这带来了心理、生理和经济上的多重负担。例如，需要永久性心脏起搏的患者中位生存期为8.5年，电池更换率高达约25%。因此，为IEDs提供可持续、无创的无线供能方案成为迫切需求。

在各种无线能量传输（WPT）技术中，感应式、电容式、声学/超声式和射频（RF）链接各有优缺点且面临不同挑战。光学无线能量传输（OWPT）作为一种新兴方法，利用近红外（NIR）光在生物组织中的较高透射率和相对较低的危害性，并具备无电磁干扰、高带宽、磁共振成像兼容以及因窄光束覆盖而带来的安全性和隐私性优势，显示出巨大潜力。然而，目前OWPT尚未在临床上应用于IEDs的外部供能。现有研究多使用高辐照度激光器或针对薄层组织，对于穿越大深度、高衰减组织（如厚脂肪层或体内心脏部位）的可行性，以及在确保安全辐照条件下的系统性能评估尚不充分。此外，实际应用中患者穿着衣物带来的额外光衰减影响也缺乏系统研究。因此，本研究旨在探索一种基于NIR LED的安全、可行且实用的无线充电方法，为超低功耗IEDs提供新的供能解决方案。该论文发表在《IEEE Journal on Wireless Power Technologies》。

### 主要关键技术方法

研究人员为开展研究，采用并集成了以下关键技术方法：首先，制备了聚氯乙烯塑溶胶（PVCP）基光学组织仿体（OTP），通过添加黑色塑料色料（BPC）和二氧化钛（TiO₂）粉末分别模拟组织的光吸收和散射特性，以构建厚度为40 mm的均匀软组织等效模型。其次，构建了基于商用现成组件（COTS）的实验平台，包括作为发射端（TX）的810 nm近红外发光二极管（NIR LED）及其驱动器和作为接收端（RX）的微型单晶硅光伏（PV）电池、电源管理集成电路（PMIC）和超级电容器。第三，采用了连续波（CW）和脉冲波（PW）两种照明模式，并通过调整LED驱动电流和脉冲宽度调制（PWM）占空比（D）来精确控制发射功率（P_tx）和辐照度，以研究其对无线充电性能的影响。第四，基于比尔-朗伯定律（BLL）建立光衰减模型，用于预测光功率在OTP中的衰减并与实测值进行对比验证。第五，依据国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）和美国国家标准学会（ANSI）标准设定皮肤最大允许暴露量（MPE），以确定安全照射条件下的工作点。

### 研究结果

**A. PV电池特性**
通过测量不同照明模式下PV电池的开路电压（v_OC），研究发现v_OC与入射光强度成正比。在CW模式下，P_tx为371 mW和235 mW时，通过OTP后的平均v_OC分别为2.09 V和1.97 V。在PW模式下，较低的占空比导致更低的v_OC。结果表明，即使在安全辐照度下，PV电池产生的电压仍低于2 V，无法直接驱动IED，需连接PMIC进行能量管理和存储。

**B. 连续波（CW）与脉冲波（PW）模式下的无线充电实验**
通过测量0.16 F超级电容器的充电时长（t_charge）和能量收集（EH）速率，研究发现：高辐照度（524 mW/cm2）下，充电时间约为24分钟，EH速率为1052 μW；安全辐照度（332 mW/cm2）下，充电时间延长至约41分钟，EH速率降至623 μW。在PW模式下，占空比75%时充电约31分钟，EH速率为829 μW；占空比25%时则需2.5小时，EH速率为168.6 μW。这表明高功率可实现快速充电，而降低功率或采用脉冲模式虽延长充电时间但有利于组织安全。

**C. 能量密度**
研究人员计算了不同照明模式下OTP表面的能量密度（ED）。结果显示，安全辐照度虽功率低，但因暴露时间长，总ED可达约800 J/cm2，远高于高辐照度情况。对照国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）的短期皮肤暴露限值，高辐照度（524 mW/cm2）在10秒内会超过此限值，而安全辐照度则在限值以下。

**D. 组织安全分析的局限性**
研究明确指出，其安全性分析主要基于入射辐照度的标准限值（如MPE），并未在实验中进行原位温度测量。因此，未来的研究需要进行直接的温升测量，以符合ISO 14708-1:2000 E标准中温升不超过2°C的要求，从而更全面地评估OWPT的组织热安全性。

**E. 超级电容器容量的影响**
在CW 371 mW条件下，通过更换不同容量（0.27 F、0.40 F、0.52 F）的超级电容器进行充电实验，结果表明：容量越大，可存储的能量越多，但所需的充电时间（t_charge）也相应延长。相比0.16 F，使用0.52 F超级电容器的充电时间增加了195%，但EH速率略有提升。这表明在系统设计中需权衡能量存储容量与充电间隔。

**F. 耐久性测试**
对充满电的0.52 F超级电容器进行恒阻放电测试，以评估其供电时长。模拟超低功耗IED（如起搏器，电流约50 μA）时，放电时间约为20小时，表明每次充满电可支撑近一天的低功耗运行。而模拟中等功耗IED（如胰岛素泵，电流约4.5 mA）时，放电时间仅为约13分钟。测试结果验证了超级电容器作为IED储能器件的潜力，尤其适合长周期、低功耗的应用。

**G. 衣物影响的实验**
通过测试两种不同孔隙率（?）的纺织品（棉布Sample #1: ?=19.78%；牛仔布Sample #2: ?=7.19%）覆盖在OTP上，研究发现衣物作为附加的光学屏障会显著削弱无线充电性能。高孔隙率棉布导致充电时间增加约26.7%，EH速率降低约21%；而低孔隙率牛仔布则使充电时间延长611%，EH速率降低约85.9%。这表明衣物是OWPT系统中不可忽视的衰减因素。

**H. 新颖性**
通过与现有研究对比，本研究的创新点体现在：（1）定义了一个安全意识下的连续波（CW）工作点；（2）系统评估了脉冲波（PW）照明模式；（3）将衣物作为实际衰减层纳入了与组织损耗叠加的综合评估中。此外，研究将系统性能指标从链路级（如v_OC，P_rx）拓展到了系统级储能基准（如不同容量超级电容器充电和耐久性测试），提供了更具临床转化价值的指标。

### 总结讨论与结论翻译

**总结讨论：** 研究展示了在严格对准条件下，使用810 nm NIR LED穿越光学组织仿体进行无线充电的可行性。尽管结果令人鼓舞，但研究中指出了未来需要关注的五个关键挑战：1）缺乏用于评估植入用PV电池电性能的标准方法；2）缺乏针对穿越生物组织进行无线充电的特定安全与应用标准，当前参考的激光安全标准可能不完全适用于非相干LED；3）缺少专为植入设计的商业化PV电池，现有电池存在刚性、光谱不匹配等问题；4）需建立能量存储设备（如超级电容器）在植入环境下的安全性和生物相容性标准；5）实际操作中发射端与接收端之间的对准偏差（如角度或横向偏移）会严重影响系统性能，需要开发抗对准偏差技术。

**结论翻译：** 结果表明，使用810 nm NIR LED穿越厚生物组织进行OWPT是可行的。具体来说，研究人员评估了不同照明模式下PV电池的v_OC、t_charge和EH速率。研究发现，超级电容器的再充电时间取决于辐照度水平。在高工作点下，PV电池接收更多光功率，导致v_OC和EH速率增加，t_charge缩短。相反，在更安全的辐照度下，较低的光功率导致v_OC和EH速率降低，t_charge延长。从长期安全角度通常更倾向于使用更安全的辐照度水平。然而，在危急情况下（如IED突然能量耗尽），为了维持IED正常运行，暂时增加辐照度可能是必要的。还研究了PW照明模式。在D = 75%时，每个周期内更长的“开启”时间段增加了入射到PV电池上的光功率，导致EH速率高于D = 25%的情况。衣物实验证实，衣物在该系统中充当光学屏障。链路预算和无线充电性能的下降主要是由于入射光功率的降低，因为入射到PV电池表面的大部分NIR光无法到达PV电池。这种损失减少了到达接收器的光功率，从而降低了能量转换效率。研究人员还通过改变超级电容器容量并进行放电测试，将分析从链路级接收拓展到存储级结果。更高的超级电容器容量导致更长的无线充电时间。IED的电流消耗直接影响t_discharge。电流消耗较低的IED会延长放电时间，从而允许更长的运行周期。相反，较高的电流消耗会导致超级电容器存储的能量更快耗尽。这凸显了开发改进型超级电容器以实现IED更持久运行的必要性。总体而言，这些数据为基于NIR-LED的、面向超低功耗IEDs的OWPT系统的设计和功率预算提供了临床可转化的指标。