【摘要】：心臟移植是治療終末期心衰患者最有效的救治手段,因缺乏心臟供體,人工心臟應(yīng)運而生,成為自然心臟合適的替代品。人工心臟正常的工作需要電能從體外傳輸?shù)襟w內(nèi)進行供給,利用導(dǎo)線穿透皮膚的方式不僅增加了患者感染的可能,也為患者的生活帶來不便。經(jīng)皮能量傳輸,將電能以無線的方式傳輸?shù)襟w內(nèi),為人工心臟供能,能有效降低感染,同時提升病人的生活品質(zhì)。在實際使用中,經(jīng)皮變壓器線圈的相對位置通常會跟隨著患者的動作(如呼吸引起皮膚蠕動)而產(chǎn)生變化,此外,人工心臟所需的功率也受患者處于不同體征狀態(tài)(如運動和休息等)而變化,從而引起系統(tǒng)負載的變化。負載和線圈相對位置的變化,即傳輸阻抗的變化,會對經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的傳輸性能帶來很大影響,如系統(tǒng)的傳輸效率和負載的輸出穩(wěn)定性。因此,本文圍繞傳輸阻抗的變化,對人工心臟經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)進行相關(guān)的研究。論文首先通過對經(jīng)皮能量傳輸機理研究,建立經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,針對人工心臟經(jīng)皮能量傳輸阻抗變化情況,設(shè)計阻抗壓縮補償電路拓撲結(jié)構(gòu),與傳輸線圈產(chǎn)生諧振的同時壓縮傳輸阻抗等效變化范圍,以滿足E類放大電路理想阻抗范圍要求,最終提高系統(tǒng)的傳輸能力和傳輸效率。針對經(jīng)皮傳輸系統(tǒng)耦合性能通常受經(jīng)皮變壓器線圈之間錯位影響情況,通過在體外線圈上布置傳感線圈陣列,通過對傳感線圈上的電壓信號采集和處理,體內(nèi)無需無任何附加裝置植入情況下實現(xiàn)對體內(nèi)線圈位置的檢測,通過改變線圈之間的軸向和徑向位置對該方法有效性進行實驗驗證。針對負載輸出電壓隨著人工心臟工作功率變化和變壓器線圈錯位產(chǎn)生而發(fā)生變化情況,提出了在無需體內(nèi)電壓信號反饋的情況下在體外實現(xiàn)負載電壓控制調(diào)節(jié)方法,利用變壓器線圈位置和初級線圈電流檢測結(jié)果對負載電壓進行推算,再通過PI控制器通過調(diào)節(jié)輸入電源電壓實現(xiàn)對負載電壓的控制,最后通過改變負載電阻和變壓器線圈位置模擬經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)傳輸阻抗變化情況,進行負載電壓控制的實驗驗證。論文的主要研究工作如下：1.E類逆變電路變阻抗自適應(yīng)方法研究。通過對阻抗壓縮和諧振補償原理研究,設(shè)計了串并聯(lián)電容結(jié)構(gòu),利用串聯(lián)電容與傳輸線圈產(chǎn)生諧振提升系統(tǒng)的傳輸能量和效率,同時,結(jié)合并聯(lián)電容對系統(tǒng)等效傳輸阻抗范圍進行壓縮,以滿足E類放大電路理想阻抗變化范圍�；诮�(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)理論模型,對阻抗壓縮和諧振補償結(jié)構(gòu)進行數(shù)學(xué)建模分析,并針對人工心臟具體傳輸阻抗范圍,給出系統(tǒng)電路參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法,最后通過改變負載輸出功率(12-60W)和變壓器線圈相對位置(縱向3-15mm,橫向0-20mm)來模擬人工心臟在實際使用中可能產(chǎn)生的功率變化和線圈位置偏移情況,對設(shè)計的經(jīng)皮能量系統(tǒng)效率進行測試,驗證了阻抗壓縮和補償結(jié)構(gòu)的有效性。2.體內(nèi)線圈位置檢測方法研究。針對經(jīng)皮變壓器線圈之間錯位現(xiàn)象,提出了利用傳感線圈陣列對體內(nèi)線圈發(fā)射電磁場進行檢測實現(xiàn)體內(nèi)線圈位置檢測的方法,通過在體外線圈側(cè)布置相應(yīng)的傳感線圈陣列,對傳感線圈上的電壓進行檢測,并根據(jù)感應(yīng)電壓信號特點,提出了相應(yīng)的信號分離方法,將傳感線圈上由體外線圈和體內(nèi)線圈分別感應(yīng)所形成的電壓進行分離；根據(jù)傳感線圈和體內(nèi)線圈形狀特征,建立了互感值關(guān)于體內(nèi)線圈位置理論模型,提出了查表法和迭代法兩種逆向計算方法實現(xiàn)體內(nèi)線圈位置的計算；利用該體內(nèi)線圈位置檢測方法,能夠指導(dǎo)用戶對體外線圈位置進行調(diào)整,進而提升經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的傳輸性能；最后,通過改變經(jīng)皮變壓器線圈之間的相對位置(縱向3-15mm,橫向0-20mm)進行相關(guān)實驗驗證,說明該位置檢測方法的有效性。3.變傳輸阻抗下負載輸出電壓穩(wěn)定性研究。針對變傳輸阻抗下系統(tǒng)負載輸出電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象,提出了體內(nèi)無需植入任何傳感裝置下載體外實現(xiàn)對體內(nèi)負載電壓測量控制方法,基于體內(nèi)線圈位置檢測結(jié)果,結(jié)合體外線圈電流檢測信息,通過對經(jīng)皮電能傳輸系統(tǒng)的電壓傳輸比建模分析,實現(xiàn)對體內(nèi)負載電壓的推算,根據(jù)系統(tǒng)特性設(shè)計PI控制器,通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)電源輸入電壓,實現(xiàn)體內(nèi)負載電壓輸出穩(wěn)定；通過改變經(jīng)皮變壓器線圈之間的相對位置和負載電阻進行相關(guān)實驗驗證,說明該電壓控制方法的有效性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH789

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本文編號：2355236