Минимизация нагрева имплантируемых устройств с беспроводной индуктивной системой питания

Аннотация

Постановка проблемы: потенциальными причинами нагрева тканей при использовании беспроводной индуктив-
ной системы питания являются индуцируемые в них токи проводимости и смещения, а также выделение тепла на ли-
нейных стабилизирующих и прочих резистивных компонентах приемного модуля, предназначенного для подзарядки
встроенного источника питания. При этом оптимальный уровень мощности электромагнитного поля находится в за-
висимости от расстояния между имплантируемым устройством и передающим индуктивным контуром. В связи с чем
основной задачей исследования являлся синтез адекватного алгоритма автоматической подстройки мощности генера-
тора, учитывающего вариабельность расстояния между индукторами, определяемого конкретными клинико-экспери-
ментальными задачами. Методы: использовались расчетные методы комплексных амплитуд и отраженного импедан-
са трансформатора, численный расчет параметров индукторов методом конечных разностей во временной области,
автоматизированный стендовый эксперимент. Исследования проводились на макете имплантируемого устройства
объемом 9 см3 в полимерном корпусе, находящемся на расстоянии 25–45 мм от передающего контура и обеспечи-
вающем выходную мощность до 0,5 Вт для заряда аккумулятора при частоте поля до 1 МГц. В качестве имитационной
среды организма использовался физиологический раствор. Результаты: на основании анализа расчета электрической
цепи приемного модуля был синтезирован алгоритм автоматической подстройки мощности, основанный на нескольких
линейных зависимостях тока в передающем контуре от сигналов обратной связи и не требующий расчета текущего
значения коэффициента связи индукторов. В результате определялись три оптимальных коэффициента регулирования,
соответствующие фазам недостаточной для начала заряда мощности, нарастания зарядного тока до номинального
значения, чрезмерной мощности. Сравнительный анализ работы пропорционального и релейного регуляторов пока-
зал преимущество первого в условиях частого изменения расстояния между контурами, а также необходимость их
реализации в целом, исходя из нагрева имплантата при постоянном уровне мощности. Предложенная конфигурация
экспериментального стенда позволила оценить минимальное время безопасной работы системы и скорректировать
величину зарядного тока, исходя из условия ограничения нагрева поверхности имплантата значением 2⁰С. Практи-
ческая значимость: внедрение описанного подхода повышает безопасность применения имплантируемых устройств
с перезаряжаемым беспроводным способом источником питания как в экспериментальной, так и в клинической
практиках.