基于物理的耳蜗植入体感应式无线电能传输系统设计空间分析框架

《Scientific Reports》：Physics-based design space analysis for inductive wireless power transfer in cochlear implants

　　

摘要

本文提出了一种基于物理的分析框架，用于耳蜗植入体感应式无线电能传输的系统性设计空间分析。一个包含12种线圈的线圈库已完成表征，并针对Maxwell 2D仿真进行了标定。在三种ISM频段（6.78、13.56和27.12 MHz）下，对各收发线圈对进行了评估，采用逐一优化的负载电阻，植入深度范围为3至20 mm。建立了一种约束层级关系：在6.78和13.56 MHz下，发射功率预算构成瓶颈；而在较高频段下，对于效率最高的线圈对，比吸收率（SAR）成为约束条件。结果表明，在受控功率下温升与植入深度无关，且从未观察到温升对运行构成限制。对深度偏差、横向错位和电容容差下的鲁棒性进行了表征，结果表明乘法间隙分解法相比直接评估可将最坏情况下的保持效率低估多达15.5%，这是一种保守但偏悲观的简化方法。在完全植入式耳蜗植入体充电场景中，一个经体模验证的1.36 mK/mW热缩放系数取代了Pennes模型，后者会将温升高估7.3倍。与小型化硬件线圈对相比，解析法得到的最优线圈对可将额外充电时间缩短3.8倍，从45分钟减少至12分钟。