具备柔性环形整流器的植入式医疗设备紧凑型无线电力传输系统

《Wireless Power Transfer》：Compact wireless power transfer for implantable medical devices with flexibility toroidal rectifier

　　

植入式医疗设备（IMD）迫切需要紧凑型多功能接收线圈。研究人员在本文中提出了一种集成式环形整流器，该器件将耦合、整流和滤波功能整合到一个单一的功率拾取线圈中。此设计仅采用极少量的组件：两个薄膜电路、两个补偿电容器、两个整流二极管和一个滤波电容器。与接收端采用三个独立模块（功率拾取线圈、整流器和滤波器）的传统策略相比，所提出的多功能环形整流器可直接输出直流（DC）功率，因而非常适合植入人体。本文简要阐述了其工作原理。实验结果表明，在40.68 MHz的工作频率下，交直流（AC-DC）功率传输效率达到49.98%。此外，在系统输入功率为1 W的条件下，1 g组织质量的比吸收率（SAR）为4.84 W/kg，10 g组织质量的比吸收率（SAR）为2.25 W/kg，两者均远低于法规安全限值。这种高度集成的架构解决了IMD中接收端紧凑性与功能完整性之间的权衡问题，为下一代植入式系统奠定了技术基础。

**论文解读**

**一、研究背景与问题**

植入式医疗设备（IMD）——如心脏起搏器、神经调控器、药物递送系统、人工耳蜗、脑深部刺激器和葡萄糖监测器等——已被广泛应用于执行生理监测、生物传感和靶向体内刺激等多种核心功能。为确保这些设备能够长期稳定运行，可靠且高效的供电策略至关重要。

无线电力传输（WPT）技术为IMD供电提供了一种极具前景的解决方案。在实际应用中，WPT技术支持两种不同的供电模式：一是无电池运行模式，通常用于直接生理传感（如非实时葡萄糖监测），植入接收器仅在外部发射器靠近时才被激活以进行按需数据采集；二是基于可充电电池的运行模式，通过周期性无线充电维持IMD的长期运行。在众多WPT方法中，近场磁共振无线电力传输（NF-MR-WPT）技术被认为是IMD供电的优选策略。相较于电容耦合、微波辐射、光传输和超声波等其他方法，NF-MR-WPT具有短距离传输效率高、功率等级可扩展、交交（AC-AC）功率传输效率高以及良好的生物相容性等显著优势。此外，在兆赫兹（MHz）频段运行的NF-MR-WPT还具有以下三个关键优点：其一，得益于发射和接收线圈品质因数的提升，功率传输效率得以增强；其二，较高的工作频率使线圈设计更加小型化和轻量化；其三，对线圈失配的容忍度有所改善。

然而，当前制约NF-MR-WPT技术在IMD中实际应用的一个关键挑战在于集成度不足——特别是接收子系统的模块化集成度较低，而该子系统负责采集无线功率以支持IMD的预期功能。在传统实现方案中，接收子系统普遍采用标准化的离散模块架构，通常包含三个独立功能单元：功率拾取线圈、谐振补偿网络和整流模块。虽然这种架构在NF-MR-WPT接收子系统中具有广泛的兼容性，但它并未能解决体内环境特有的运行约束——即需要严格的紧凑性和轻量化设计以减轻患者的不适感。传统的离散架构增加了接收子系统的整体体积和结构复杂性，这些限制与上述体内设计要求直接相矛盾。因此，实现接收子系统的高度系统集成已成为一项关键的技术挑战。

**二、研究内容与意义**

研究人员提出了一种多功能环形整流器（toroidal rectifier），该器件将谐振补偿、整流和滤波三项核心功能整合到一个单匝功率拾取线圈中。从结构上看，该器件包含两个独立的薄膜电路，在工作时两者上产生感应电压，进而利用紧凑的组件——两个补偿电容器、两个整流二极管和一个滤波电容器——实现高效的AC-DC功率转换。实验结果表明，在输入功率为873 mW、植入深度为10 mm的条件下，所提出的多功能环形整流器可实现49.98%的AC-DC效率，从而验证了该集成架构的有效性。这项研究解决了IMD接收端在紧凑性和功能完整性之间的权衡难题，为下一代植入式系统提供了技术基础。

**三、主要关键技术方法**

环形整流器由两个对称的薄膜铜箔（由单匝线圈对半分割而成）、两个整流二极管、两个补偿电容器和一个滤波电容器构成。两个二极管的阴极连接至公共导体，阳极分别连接至不同导体。为抑制漏感并提高功率传输效率，使用了两个补偿电容器C_s；滤波功能则由滤波电容器C实现。铜箔用聚酰亚胺（polyimide，PI）封装以防止导体与人体组织直接接触。线圈体积为31.73 mm³，外径20 mm，宽度5 mm，厚度0.1 mm。研究人员利用基尔霍夫电压和电流定律推导了电路公式，建立了输入阻抗表达式并给出了谐振条件2ω(L+M)=1/ωC_S。比吸收率（SAR）仿真通过全波软件Ansys HFSS进行，采用三层（皮肤-脂肪-肌肉，厚度分别为2 mm、2 mm和6 mm）人体组织模型。实验验证方面，研究人员将环形整流线圈嵌入猪肉组织中以模拟三层人体组织，发射器置于皮肤表面并保持1 mm空气间隙，使用QX-ASA100M信号源驱动发射器，用Keysight DSOX3024T示波器监测电压和电流波形，在4 Ω固定直流负载下测试了植入深度（d）、横向偏移（d_p）、旋转角度（φ）和曲率（K）四种条件下的效率。

**四、研究结果**

**环形整流器结构及工作条件**：环形整流器由两个对称薄膜铜箔、两个整流二极管、两个补偿电容器和一个滤波电容器组成。在工作时，每半个周期内一个二极管导通，等效短接其并联电容器C_s，而另一个二极管截止，在其所在支路形成开路，从而使交流（AC）电压和电流均可输出至与滤波电容器并联的负载。单端口环形线圈被拆分为两个对称部分后，等效电路可表示为两条支路，两个电感之间存在互感M。所提出的非自谐振整流线圈充分利用整个线圈在每个半周期进行整流，每半周期仅一个二极管导通，减少了集总元件数量，从而降低了损耗。为缓解漏感问题，在线圈中引入两个集总补偿电容器。为确保输出波形平滑连续，在两个导体之间放置滤波电容器C，从而使端口获得稳定的直流供电。

**采用环形整流器的WPT系统η_AC-DC**：研究人员构建了以环形整流器为接收器的WPT系统，发射器为谐振频率40.68 MHz的线圈，接收器同样调谐至40.68 MHz谐振。实验表明，当植入深度d=10 mm时，η_AC-DC可达49.98%；在固定d=10 mm时，只要横向偏移d_p小于10 mm，效率保持在49%以上；旋转角度φ=30°时效率为49.76%；曲率K=90 m^-1时效率为47.39%。在输入功率P_IN=671.137 mW、工作频率f=40.68 MHz、d=10 mm、负载电阻R_L=4 Ω条件下，直流输出电压V_out,DC=1.157 V，直流输出功率P_out=334.7 mW，AC-DC转换效率η_AC-DC=49.86%。

**比吸收率分析**：在40.68 MHz工作频率和1 W输入功率条件下，1 g平均峰值SAR为4.84 W/kg，10 g平均峰值SAR为2.25 W/kg。基于IEEE标准C95.1-1999和95.1-2005（1 g平均限值1.6 W/kg，10 g平均限值2.0 W/kg），外部发射线圈的最大安全输入功率按1 g平均标准确定为330 mW，按10 g平均标准确定为889 mW。研究人员指出，皮肤与发射器之间的空气间隙以及接收器中使用聚酰亚胺封装均有助于降低SAR。与已有研究相比，所提出的环形整流器在保持紧凑外形的同时表现出相对较高的η_AC-DC。

**五、总结与结论**

本文提出了一种兼具耦合和整流功能的新型环形整流器。该线圈在10 mm植入深度下可实现49.98%的AC-DC效率，同时具备生物安全性，能够为IMD应用提供足够的功率。这项研究通过高度集成的架构成功解决了IMD接收端紧凑性与功能完整性之间的矛盾，为下一代植入式系统的发展奠定了重要的技术基础。