1、取1赫云擅 天洋火薯硕士学位论文_网嘎R料|躅强勘la一学科专业：毕物医学T幂旱作者姓名：阮=元指导教师：李刚教授门中文摘要在运动障碍性疾病中，帕金森病患病率比较高，是仅次于脑血管病的神经系统常见病之一，给患者及其家属带来了巨大的痛苦。脑深部电刺激由于具有可逆及可调等独特的优势已成为帕金森病手术治疗的理想方法，但全世界只有美国Medtronic公司生产脑起搏器，其价格非常昂贵、使用寿命短，我国普通老百姓对此只能望而却步。因此，设计和生产国产脑起搏器能够产生巨大的社会效益和经济效益。脑起搏器通过产生幅值、频率、脉宽和极性可调的弱电脉冲刺激脑内控制运动的特定功能神经核团，抑制引起帕金森病症状的异常
2、脑神经信号，从而消除帕金森病的症状，使患者恢复自如活动和自理能力。本文提出一种基于MSP430的可充电脑起搏器设计方案，在实现产生弱电脉冲功能的基础上增加了非接触式经皮充电功能。整个脑起搏器系统主要由体外遥控器和体内刺激器两部分组成，两者之间需要进行能量和信号的传输。本论文分为四个部分，第一部分讨论了脑起搏器非接触式能量传输系统的构建方法；第二部分介绍了体内体外无线通信系统的组成和设计；第三部详述了体内刺激器系统的设计方法；第四部分简要地介绍了体外遥控器的设计。体内刺激器是系统的核心部分，也是本设计的重点和难点。由于它最终要通过外科手术植入人体，体积、功耗及安全可靠性是最基本的要求和最大的设计
3、困难。为此，采用了业界最低功耗的MSP430 F149单片机作为系统控制核心，以nRF905作为无线收发模块，采用优化的软件编程结构，将体内刺激器系统的功耗和体积控制在最低。脑起搏器非接触式能量传输系统基于线圈感应耦合及高频开关技术的基本原理，采用了单端反激式拓扑结构，将能量通过两个平面线圈耦合到人体内可充电锂电池，给内部刺激器系统供电。为了能够确定最优的设计方案，本设计详细地考虑了各种相关因素对充电效果的影响，最后以TOP225Y单片开关集成电路为核心构建了脑起搏器能量传输系统。通过试验证明，该系统具有良好的充电效果，能够满足脑起搏器充电要求。本论文的主要创新点在于，脑起搏器的设计在国内尚属
4、首次探讨，在国际上也是首次提出将非接触式感应充电方法应用到脑起搏器系统供能上。关键词：帕金森病；脑起搏器；MSP430；经皮充电；无线通信ABSTRACTParkinson Disease(PD)is one kind of the dyskinesia diseasesit has a quite bigsicken rate and has been a kind of common disease in nerve systemThe PD patientssuffer from huge affliction and the same to PD familyDeep Brain St
5、imulation(DBS)is the most ideal way to treat PD currently all over the world because of its excellentperformanceDBS Can eliminate almost all symptom of PD and make a good livingfor PD patientsAt the same time，DBS has a long term function to PD，but only doesAmerican Medtronic Inc develop and manufact
6、ure DBS and it is quite expensiveItsbattery could be used up after several years then the whole stimulator inside should bechanged againThereby，quite a lot ofdomestic people cant afford to the huge fee andhomemade DBS has been the exigent expectation of the patients and their familyTherefore，it has
7、quite huge social and economic benefits to design and produce DBSin our countryDBS generates a kind of weak electric pulse to treat PD and the amplitude，frequency，pulse width and polarity of the PWM electric pulse Can be adjustable inlight of different PD patients and different nucleus A kind of cha
8、rgeable DBS designproject based on MSP430 is introduced to Solve the power problem by trallseutaneousbattery charger in the paperThe whole DBS system includes two main parts：one isthe stimulator inside body and the other is the remote device outside bodyThe tWOparts must have the intercommunion of e
9、nergy and signalThis paper is divided tofour main partsThe first part is to describe how to design the non-contact chargingsystem of DBSThe second part is to make up the wireless communication systemThe third part is to devise the inner stimulator in detail and the last part is tO design，the outer r
10、emote device brieflyThe simulator inside body is the most important part ofthe DBS systemand itSquite difficult tO designIt must be implanted into PD patientsbody，SO it must havetiny shape，less power consumption and excellent securityUltra low powerconsumption micro controller unit MSP430F149 iS ado
11、pted in this system， at thesame time，wireless transmission model nRF905 is used to compose the wirelesscommunication systemnRF905 is small in volume and needs few externalcomponents，SO all the circuit Can be integrated into a small volumeThe noncontactenergy transmission system of DBS is based on th
12、e basis of loop-coupling and highfrequency switch technologyIt Can charge lithium-cell by the two filmy plane loop，one is inside the body and the other is outside of bodyThe paper discusses thevarious effect factor on charging system of and optimizes the designFinally wedevelop the charging system o
13、f DBS by singlechip switching integrated circuitTOP225YThe experiments show that this charging system has a good function andcan meet the request ofDBSThis paper has two main innovative points：one is that we firstly begin to explorethe measure to design DBS in our country，the other is that the nonco
14、ntact chargingtechnology is firstly introduce to DBS system in all over the worldKeywords：PD；DBS；MSP430；Non-contact Charging：Wireless Communications独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得蠢鲞盘茎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢
15、意。一弥产弓办榔期：年，月伽学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫注盘茔有关保留、使用学位论文的规定。特授权盘鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)一魏子乙三杉签字日期：02磊月，乒日导师签名： 阅1签字日期：彤年f月f u第一章绪论11引言第一章绪论在运动障碍性疾病(Movement Disorders)中，帕金森病(Parkinson Disease，PD)以肌张力增高，运动减少为主要l临床特征，因首先由英国人帕
16、金森(JanesParkinson)于1817年描述而得名【l】。帕金森病起病缓慢，最初的症状往往不易察觉，当出现静止性震颤、肌肉强直、运动迟缓、异常姿势等症状时即可诊断为帕金森病。经研究表明，帕金森病的症状是由于脑内黑质神经细胞产生的多巴胺减少而出现的。黑质是制造并贮存纹状体所需要的神经递质多巴胺的场所，并经黑质纹状体环路向纹状体输送多巴胺。脑内与运动相关的结构通过多巴胺这种神经递质传递信息，从而控制身体的运动。由于多巴胺的减少，使脑内一些与运动相关的功能团(丘脑底核、苍白求)过度兴奋，传递异常信号，最终产生了帕金森病的症状IlJ。调查表明，帕金森病的发病率随年龄的增加而提高，50岁以上为5
17、0010万人。患病率，白种人为60180lO万人，黑种人为85710万人。据不完全统计，目前我国约有120130万帕金森患者，而全世界约有几千万之多。所以帕金森病患病率比较高，是仅次于脑血管病的神经系统常见病之一，给患者及其家属带来了巨大的痛苦I”。现阶段帕金森病还没有非常有效的治疗方法，国内和国际通常使用药物治疗和手术治疗两种治疗手段，但都不能达到治愈的效果，所以治疗帕金森病的长远目标是通过有效的控制症状从而长久地维持病人的日常生活功能。(1)药物治疗，早期的帕金森病只有较轻的症状，可以服用较缓和的药物(如安坦、金刚烷胺或司来吉兰)来控制，若想达到症状不影响日常生活，病人须服用左旋多巴、多巴
18、胺受体激动剂等特殊药物来提高活动功能。大多数的抗帕金森病药物都可能出现眩晕、恶心、呕吐、幻觉、失眠等副作用以及不自主运动和“开关”现象。(2)脑细胞移植和基因治疗，帕金森病脑细胞移植术和基因治疗已在动物实验上取得很大成功，但临床研究显示，胚胎脑移植只能轻微改善60岁以下病人的症状，50的病人在手术后出现不随意运动的副作用，目前此手术还停留在实验室阶第一章绪论段，不宜普遍采用。(3)丘脑或苍白球毁损术，毁损术(如采用微电极记录技术对靶点进行定位，也通常俗称为“细胞刀”)是用电烧灼法破坏脑内功能异常兴奋核团，主要是苍白球和丘脑腹外侧核。毁损术的效果已得到公认，但毁损术是一种破坏性手术，部分病人远期
19、效果不尽人意，并且约4病人出现脑出血、靶点偏差等并发症，严重者还会出现偏瘫、昏迷，甚至危及生命。毁损术一般只能进行一侧，也就是控制一侧肢体症状。但是临床上90的帕金森病病人存在双侧肢体症状和头面部症状。对这些病人只有进行双侧手术才能达到理想治疗效果。毁损术不易双侧大脑同时手术，双侧手术产生并发症的概率高达30，术后大多数病人出现讲话声音降低、吞咽缓慢、流口水、乏力等症状，目前国外已很少施行这种手术。因此毁损术存在明显不足之处，双侧毁损术更不易提倡【4J。(4)脑深部电刺激(DBS，Deep Brain Stimulation)，脑起搏器治疗仅把刺激电极植入大脑特定部位，通过慢性电刺激来达到治疗
20、效果，是一种可逆性的神经调节治疗，不破坏脑组织，不影响今后其他新的方法治疗，因而更体现当今微创外科治疗原则。脑起搏器的治疗效果完全可与毁损术相媲美，还能保护脑黑质组织，起到对因治疗作用，延缓帕金森病本身病情进展。刺激参数可通过体外电脑程控，随时调节刺激强度和频率，找到最佳刺激触点，具有疗效更好，更持久等优点，国外已有8年的治疗随访结果31。对双侧症状的帕金森病病人可同时双侧植入刺激电极，一次手术解决所有症状。治疗手术较为安全，并发症和副作用般都是可逆的，手术死亡率在千分之一以下。脑起搏器治疗已逐步替代毁损术，是目前最理想的外科治疗方法，被认为是帕金森病治疗的第二个里程碑(第一个里程碑为1968
21、年发明的左旋多巴)。然而目前全世界只有美国Medtronie一家公司研制并生产脑起搏器，价格非常昂贵(X2侧手术需要20万人民币)，其电池只能用58年，电池耗尽之后必须更换脉冲发生器，所以DBS虽好却让我国绝大多数帕金森病患者望而却步，他们只能寄希望于国产脑起搏器早日问世。另外，脑起搏器不仅可以用来治疗帕金森病，还可以治疗原发性震颤、癫痫、扭转痉挛等疾病，这些病人在中国至少有几百万，他们时刻饱受疾病的摧残，因此设计和生产国产脑起搏器能够产生巨大的经济效益和社会效益。本方案所设计的脑起搏器的主要特点是在实现脑起搏器基本功能的基础上增加了非接触式经皮充电功能，价格相对较低，使用寿命更长。12国内外
22、研究现状由于现阶段帕金森病的治疗方法都不能达到治愈的效果，所以治疗帕金森病第一章绪论的长远目标是通过有效的控制症状从而长久地维持病人的目常生活功能。脑深部电刺激由于具有可逆及可调等独特的优势己成为帕金森病手术治疗的理想方法。脑起搏器，医学上又称之为脑深部电刺激术，在60年代曾用于控制疼痛，1982年Mundding报道了5例患者运动障碍性疾病脑起搏器治疗均取得了明显疗效，1980年Brice和MeLellan用持续性电刺激治疗硬化性震颤，1983年Hemimburger在双侧丘脑植入电极治疗严重的意向性震颤，欧洲从1987年开始进行脑深部电刺激治疗帕金森的临床研究，90年代中后期在欧美大量应用
23、于I临床141。1993年，DBS通过了欧洲的cE标准，1997年美国FDA(Food and DrugAdministration)批准进入美国市场。自Benabid在1987年成功用脑起搏器刺激丘脑腹外侧核治疗帕金森病震颤以来，国外许多单位相继开展该项技术治疗帕金森病、扭转痉挛、痉挛性斜颈、舞蹈病、强迫症、癫痫等疾病，近几年来作的脑深部电刺激手术已达2万余例。国内自1999年开始已有近20家医院开展了脑起搏器手术，主要集中在上海和北京，共治疗帕金森病和其他疾病200余例。脑深部电刺激手术通过发放弱电脉冲刺激脑内控制运动的特定功能神经核团(苍白球腹后侧核、丘脑底核等)，抑制引起帕金森病症状的
24、异常脑神经信号，从而消除帕金森病的症状，使患者恢复自如活动和自理能力121。该方法的主要优点有：(1)适用于多种症状，包括帕金森病、原发性震颤、癫痫、扭转痉挛等；(2)具有可逆性，停止刺激时，又恢复到原来状态，除刺激器不会对基底节环路造成影响；(3)可调节性，可根据病人症状的轻重调整刺激脉冲的参数；(4)疗效长，不会损坏大脑，故称为帕金森病的“绿色治疗”。因此脑起搏器治疗帕金森病受到了越来越多的关注，成为帕金森病手术的理想方法。目前在欧洲和北美，DBS手术已基本取代毁损手术，在我国，由于经济方面的原因，DBS手术和毁损手术在一定时期内并存，成为治疗帕金森病人的主要手段。Medtronie Ac
25、tiva Therapy System系统主要包括脑深部刺激器DBS和相关手术系统两个部分，其中手术系统在近10年内进行了不断地更新换代，大大提高了手术的效率和成功率，但是对DBS本身却没有进行大的改进。图11为该系统的主要组成部分，除此之外还有用在手术过程中的各种系统，如立体定位仪、EMI扫描仪等等。本文设计脑起搏器系统在满足Medtronic Activa Therapy System刺激系统基本功能的基础上增加了可充电功能，出于安全性的考虑，充电系统采用了非接触式电磁耦合的经皮能量传输方法，通过固定在体外的初级线圈与植入体内的次级线圈之间的电磁感应藕合方式将能量耦合到内部电池，采用这种供
26、能方式，具有无需外接管线、无感染危险等优点。感应充电技术目前在电动车、电动刮胡刀、大型移动机电设备、移动机器人、射频卡等场合中应用相对比较广泛，由于植入第一章绪论式医疗系统必须有很高的安全性，所以该充电技术在植入式医学系统领域中应有较少，还没有成功的先例。(a)总体结构 (b)程控仪(c)内部刺激器 (d)神经测试刺激器图卜l Medtronic脑起搏器系统主要构成部分13本文的主要工作对于植入式电子系统来说，必须考虑以下几个问题：(1)微小体积、超低功耗及高可靠性；(2)电源供给；(3)植入材料的人体相容性；(4)体内外信息的交换等。本文在此基本要求下，主要进行了以下几个方面的探讨：(一)脑
27、起搏器非接触式能量传输系统的理论研究及系统设计。为了避免体内刺激器电源能量耗尽后必须更换脉冲发生器带给患者的痛苦以及节省巨额费用，要求脑起搏器可以进行充电。在对各种植入式系统充电技术进行比较下，决定采用线圈耦合及高频开关技术的基本原理，将能量通过两个平面线圈耦合到人体内刺激器，给内部刺激器系统供电。在论文中，详细的介绍了感应充电的基本原理和单端反激式开关电路的设计，探讨了充电线圈结构、线圈间距、充电系统工作电压、工作频率对充电效果的影响，并在相关试验的基础上设计了以第一章绪论ToP225Y单片开关集成电路构成的脑起搏器能量传输系统，通过试验证明，该系统能够满足脑起搏器充电要求。(二)脑起搏器无
28、线数据传输系统软硬件设计。内部刺激器与外部遥控器之间的信息交流，需要通过无线数据通信的方式来进行。首先对几种短距离无线的通信方式进行比较，从而确定RF方式是构成脑起搏器无线通信系统的理想方法，最后选取nRF905作为本系统的射频收发模块。文章着重讨论了以nRF905和MSP430 F149构成无线通信系统的方法，通过软硬件组合实现体外遥控器和体内刺激器之间的无线数据通信，并在实现通信功能的基础上探讨了无线通信系统节省功耗的相关方法。(三)内部刺激器系统软硬件设计。脑深部电刺激最终通过发放弱电脉冲刺激脑内控制运动的特定功能神经核团，达到消除帕金森病症状使患者恢复自由活动和自理能力的目的，而刺激信
29、号的产生则是通过内部刺激器系统来完成。由于是植入式仪器，要求体积小、功耗低，为此选择了美国1rI公司生产的高集成度、低功耗的微处理器MSP430 F149作为系统的控制核心，通过它来接收外部遥控器的遥控指令，进而产生电压、频率、脉宽和电极可调的脉冲信号。整个内部刺激器系统由钛金密封后通过手术植入于锁骨皮下，并利用植于头、颈、肩的皮下的延伸导线，连接植入脑内的刺激电极。脑深部刺激电极为一绝缘的细导线，内层由铂铱材料制成，外层为聚亚安脂保护外套，在尖端有四个电极触点，通过该电极触点即可发送刺激脉冲信号来刺激耙点。由于内部刺激器是整个脑起搏器系统中最为重要的部件，论文特别详细的介绍了该部分软硬件的设
30、计。(四)外部遥控器系统软硬件设计。对于不同的病人、不同的神经核团需要使用不同幅值、频率、脉宽的弱电脉冲信号，随着患者使用时间的推移，刺激参数也要进行不断的调整，因此必须通过遥测技术与内部刺激器之问进行通信，该程控过程主要是通过体外遥控器来实现。在整个脑起搏器系统中，外部遥控器是医护人员对内部刺激器的刺激参数和电池参数进行检测与控制的必备工具。由于设计难度相对较低，本文中简要的介绍其组成部分、软硬件设计以及提高可靠性的方法。第二章脑起搏器非接触式充电系统设计21引言第二章脑起撙器非接触式充电系统设计为了避免体内刺激器电源能量耗尽后必须更换脉冲发生器带给患者的痛苦以及节省巨额费用，要求脑起搏器可
31、以进行充电，但是由体外向体内进行充电具有比较大的难度，国内外目前还没有相关的成熟技术出现。电源的长期供给对于植入式电子系统来说，是一个非常重要的问题，植入高效的电池是比较直接的解决植入系统连续供电的方法。目前人们开发出的可植入人体的电池包括化学电池、核电池，生物电池等。由于锂电池在工作过程中不产生气体，电池可以密封在金属壳体中，具有很高的可靠性和能量密度，因此是体内植入仪器电池的首选。出于安全性考虑，本系统采用了非接触式电磁耦合的经皮能量传输方法。经皮能量传输是通过固定在体外的初级线圈与植入体内的次级线圈之间的电磁感应藕合方式供能，采用这种供能方式，具有无需外接管线、无感染危险等优点。本章将着
32、重介绍感应充电的基本原理和单端反激式开关电路的设计方法，探讨充电线圈结构、线圈间距、充电系统工作电压、工作频率等因素对充电效果的影响，并在相关试验的基础上介绍了以ToP225Y单片开关集成电路构成脑起搏器能量传输系统的设计方法，并进行相关的实验，结果表明该系统能够满足脑起搏器充电要求。22脑起搏器能量传输系统由于体积的限制，能量传输系统是在非接触式经皮充电的基本理论上结合开关电源基本原理设计而成的，整个充电系统框图如图21所示。通过单端反激式变换器的开关作用将能量以耦合的方式传输到次级线圈，经整流后给内部锂电池充电，同时微处理器MSP430 F149通过内部12位ADC检测充电电压和电流，根据
33、锂电池充电标准曲线来控制内部充电电路的开启。当充电电压和电流达到预设值时，内部充电电路关闭并通过无线收发模块发出充电完毕信号，通知用户充电结束。第二章脑起搏器非接触式充电系统设计图21 脑起搏器非接触式充电系统结构图221单端反激式电路分析llllJ脑起搏器能量传输系统是基于线圈耦合和高频开关技术的基本理论设计的，由于开关工作频率高，线圈的体积可以显著减小，节省了系统空间。用于开关电路的主拓扑按工作方式主要分为：单端反激式交换器、单端正激式变换器、推挽式变换器、半桥式变换器、全桥式变换器。其中，后三种统称为多端变化器，多端变化器由于电路需要的功率元件较多，控制电路复杂，因而不适合脑起搏器系统的
34、设计。单端反激式变换器电路形式简单，体积小，因此被选作本系统充电电路的拓扑结构，如图22所示。电路工作过程如下：当高压开关功率管Q导通时，它在变压器初级电感线圈中储存能量，与变压器次级相连的二极管D2处于反偏置状态，所以二极管D2截止，在变压器次级回路无电流流过，即没有能量传递给负载。当Q截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转过来，使得二极管D2导通，给输出电容C2充电，同时在负载RL上也有了电流，电路工作波形如图23所示。人体皮肤D2Ic。I么么一广厂厂。I 。图22单端反激式电路 图2-3单端反激式变换电路波形第二章脑起搏器非接触式充电系统设计设绕组N1的电感量为Ll，N2的电感量为L
35、2，忽略管子饱和压降，在Q导通(trt2)时，Q的饱和压降V。约为O7v，输入电压Vce基本上等于初级线圈Ll上的Eg压Vl，根据电路原理可知：K=阮=厶鲁(2-1)其eo，i。为晶体管中的集电极电流，也就是L1中的电流。由此可得：=去眇=争。 )其中，I。为Ll中的初始电流，可以忽略不计，所以可得：io=等t (2-3)由这个公式可以看出，Q导通器件，LI中的电流i。是线性上升的，如图2-3所示。当t=toIl时，初级线圈中的电流达到最大值：=鲁，研 (2川电源Vce输出的能量存储在线圈中，大小为：昙厶kz (25)如果传输效率为100，则次级线圈中可以耦合到的能量为：彬：1厶匕2(2-6)
36、设初级次级线圈匝数比为n，即：堕：玎2 (27)则有：上一 1厶 疗212H 2n|lK：堡行(28)(2-9)(210)在功率开关管Q导通(toll)期间，电路中将电场能量变为磁场能量存储在电感中，此时负载电流I。由电容C2供给。若输出电压最大允许变化量为vo，输出平均电流为I。，则C2的容量应该为：第二章脑起搏器非接触式充电系统设计c：盈Vo(2-11)在功率开关管Q截止(ton)期间，电感L2存储的能量通过整流管D2流向负载，此时若忽略整流管的正向压降，1,2两端电压就等于输出电压V。，流过电感L2的电流为：k一善(f-6) 12)(2-122刮锄一壬Q当t=t3时，i2=0，则：k=笔
37、)=笔。 综合可得：乏切硼鲁。 (2聊即：圪=等毒=鲁磊=等志 Q彤，。 疗。 押丁(16) 甩(1一万)、 占：盆其中：T，为开关控制PWM信号的占空比。在此电路中，功率开关管Q截止时承受的电压V。应该等于Vce加上t咂期间Ll两端的感应电压，即：吃=吃+Vo刀=吃F1了(2-16)因此，功率开关管必须能够承受较大电压，必须选取V。足够大的管子。222减小平面线圈体积的措施由于内部刺激器最后需要通过外科手术植入人体，对体积有严格要求，因此，控制平面线圈的大小成为充电系统设计的关键。假设原线圈匝数为N1，副线圈匝数为N2，忽略原、副线圈之间的漏磁影响，铁芯中各个横截面上的磁感应通量中都一样大，
38、原线圈上电流不断变化使得磁感应通量也跟着不断变化，从而会在绕制在铁芯上的每一匝线圈中都产生同样的感应电动势：一!竺 (217)协 则原线圈中感应总电动势为：第二章脑起搏器非接触式充电系统设计毛一l警 (218)副线圈中感应总电动势为：s2一N1(2-19)假设原线圈上的电压是按正弦规律变化的，则电流和磁感应通量中也按照正弦变化。设磁感应通量矿2sin纠，其中丸为工作磁通的幅值。则原、副线圈中感应总电动势为：e，=一l警=一ml丸cos刎=缈l九sin(研一争：。出2屯3in(纠一 (2。20)为了验证频率对能量及信号传输的影响，选取线径为O12mm的漆包线(可承受O02A的最大电流)，原线圈4
39、50匝(内阻53欧姆)，副线圈400匝(内阻46欧姆)，当两线圈间距为lmm时，在原线圈加电压Vin=3sinwt(v)。选取不同的频率，粗略测得副线圈两端电压如图2-4所示，其中纵坐标代表输出电压有效值m，横坐标代表信号频率(KHz)。25V幽2脚151050Q- 、7 j l 频率、白p夺p椤矿p矿，K图24相同输入下电压输出与频率之间的关系曲线可见，提高加在初级线圈上交流电的频率可以达到与增加线圈匝数同样的效果，所以本系统采用高频电能传送方式。采用平面超薄型线圈，可以大大减少线圈匝数，从而达到节省内部空间的目的。第二章脑起搏器非接触式充电系统设计223平面线圈自感与互感为了合理的设计平面
40、线圈，必须对它的参数进行分析。首先计算平面线圈的自感。假设圆截面细导线构成的圆环的半径为R，导线的半径为a，且有Ra，真空磁导率为p o，则其自感为：L=,uoROn坠一175)：，七R(1llRlna+In8175) (221)多匝的平面螺旋线圈的电感可看成是多个圆环电感的串联，设总匝数为N，则总电感应该是各个单圆环电感之和：L=,uo妻R(1ll警-175)：胁兰R(1118一Ina-175)+妯置(2-22)线圈匝数不多时，Ri可以看成公差为b的等差数列，设&为螺旋线圈内侧圆周半径，则上式中的最后一项近似为：置hlR=(R+f6)tn(R+f6)?-oIn民+西lll(R+1) (2-2
41、3)则N匝平面线圈的总电感可以用下式近似表示：上风陋294一In口)(岛+掣6)+RoIne,o+掣b(1nRo+1)i(2-24)L 上 厶 j由此可见，影响电感L的主要因素是匝数N，在N和Ro较小的情况下，平面线圈的电感与匝数、半径近似成正比例关系。充电系统的能量靠两个平面线圈之间的耦合来实现的，两线圈之间的互感对能量传输效率起重要作用，现在以两个线圈之间理想耦合方式为例计算两个平面线圈之问的互感。两个单匝圆环Dl和02同轴平行放置，如图25所示，两者间距为h。图25两个平面线圈之间的同轴耦合在Dl和Q上分别截取线元dLl和d12，设dLl和d12之间的距离为r，r在环平面上的投影为rJ，
42、夹角为0，则根据三角函数和立体几何的有关知识有：第二章脑起搏器非接触式充电系统设计，=矗2+2，rj2=R2+R2一RlR2 cosO，川鸩=R1R2cosOdIvdO则通过线圈的磁链与电流之间的关系，可以得到两个线圈间的互感：M啦。=M：=争=鲁L L等=丝47r n如r而雨R萨2 cos0丽矗口：巡e。百亍芸竺一0(2-25) 2山2+马2+坞22置R cosO由式(225)可以看出，两个平面线圈之间的互感主要与两者之间的距离和各自的尺寸相关，h越小，M越大。224非接触式能量传输试验及数据分析结合前面的电路和分析，选用大功率开关管E13005A、肖特基整流管二极管IN5819、电解电容l
43、OOuF，初级线圈和次级线圈均采用平面线圈形式。平面结构线圈，导线一般采用铜箔，多采用单层和多层印刷电路版制造，也可利用圆形铜箔多个折叠而成。但是在试验阶段，设计了如图2-6所示的线圈，其中初级线圈采用035mm漆包线，缠绕200匝，次级线圈采用O1mm漆包线，缠绕100匝。初级线圈 次级线圈图26初次级线圈结构第二章脑起搏器非接触式充电系统设计充电电流受到开关管工作频率、电源电压、线圈间距及其错位的影响，相关试验数据如下：其中，图27显示的是，在电源电压为30V、开关频率为1082kHz，线圈中心同轴、无磁芯条件下，充电电流随着两个平面线圈之间距离的变化情况。EV蠖脚458 10 12 15
44、 18 20 23 26 30图27 相同条件下，不同线圈间距时的充电电流图2-8显示的是，在电源电压为30V、线圈间距为20mm，线圈中心同轴、无磁芯条件下，充电电流随着开关工作频率而变化的情况。E一蜒诏30252015105O8 28 48 68 88 108 120 140 160 180 200图28 相同条件下，不同开关工作频率时的充电电流频率(kHz)柏拈筋加佰竹5o第二章脑起搏器非接触式充电系统设计图2-9示的是，在开关频率为108kHz、线圈间距为20ram，线圈中心同轴、无磁芯条件下，充电电流随着电源电压而变化的情况。鼍一斌世3025201510503 6 9 12 15 1
45、8 21 24 27 30图2-9 相同条件下，不同电源电压时的充电电流电压(、n图210显示的是，在电源电压为30V、线圈间距为20ram，线圈中心同轴、有磁芯条件下，充电电流随着开关工作频率而变化的情况。EV煺脚3025201510508 28 48 68 88 108 120 140 160 180 200图210 相同条件下，不同开关工作频率时的充电电流频率(kHz)图211示的是，在开关频率为108kHz、线圈间距为20ram，线圈中心同轴、有磁芯条件下，充电电流随着电源电压而变化的情况。第二章脑起搏器非接触式充电系统设计，、50E 45避40脚353025201510503 6 9
46、 12 15 18 21 24 27 30图21l 相同条件下，不同电源电压时的充电电流电压(、n从上面几组实验可以看出，两线圈间距越小、电源电压越大，锂电池获得的充电电流越大，增加磁芯可以取得一定的效果，但是对频率则有较高的要求，整个充电系统只有在合适的工作频率时才可以取得最大的充电效果。另外在此实验基础上需要对线圈的标准化设计进行进一步的改进，首先是要采用合理的磁芯，对磁芯材料的主要要求是损耗小，温度范围宽，软磁铁氧体是现在高频电子变压器使用的主要磁芯材料，是目前比较理想的选择。其次需要通过内部刺激器的总体体积，来确定磁芯以及线圈的形状和尺寸，同时合理的考虑电磁性能、散热等参数。225脑起
47、搏器能量传输电路通过前面的分析可知，基于高频开关电源技术设计的充电电路具有体积小、效率高、稳定性好、性能灵活等优点，特别适合于脑起搏器能量传输电路的设计。由于开关工作频率比较高，线圈的体积可以显著减小，从而节省系统空间。单端反激式变换器电路形式简单，体积小，而且变换器工作电压越高，输出电流也会越大。为了得到较大充电电流的同时简化充电电路设计，脑起搏器能量传输系统直接通过市电50Hz取电，经整流滤波后给单端反激式变换器供电。由于是高电压强电流供电，因此必须考虑大功率开关管的选取、电感绕制、工作温度、安全性、控制环的稳定性等一系列问题，故其设计过程较复杂。为此，本系统尽量采用高集成度、高可靠性的芯
48、片来完成设计。美国Power Integration公司生产的第二章脑起搏器非接触式充电系统设计TOPswitch系列集成电路将脉宽调制(PWM)电路与高压MOSFET开关管及驱动电路集成在一起，从而可大大减少外围电路，降低系统成本，提高系统可靠性。同时，该芯片的MOSFET开关管刚好工作在100kHz开关频率，刚好符合脑起搏器的设计要求。TOPSwitch系列芯片采用脉宽调制方式，内部集成了一只高压MOSFET管、PWM控制电路以及必需的辅助电路。由于高压MOSFET管、PWM及驱动电路集成在一个芯片里，大大提高了电路的集成度，外接元器件少，可降低成本，缩小体积，提高可靠性；内置高压MOSF
49、ET管寄生电容小，可减少交流损耗；内置的启动电路和电流限制减少了直流损耗；CMOS的PWM控制器及驱动器功耗只有6mW，有效地降低了总功耗，提高了效率；只三个功能引脚：源极、漏极和控制极，电路设计简单；MOSFET管耐压高达700V，220V交流电经整流滤波后，可直接供该电路使用：芯片内部具有完善的自动保护电路，包括输入欠压保护、输出过流、过热保护及自动再启动功能等。TOPSwitch系列芯片内部功能框图如图212所示。图212 1oPSwitch系列芯片内部结构框图Topswitch系列芯片内部功能主要由以下几部分组成：N沟道高压MOSFET管、栅极驱动器、电压模式的PWM控制器、误差放大器、100kHz振荡器、输入欠压保护、输出过流、过热保护电路及尖峰抑制电路等。现对主要功能模块作第二章脑起搏器非接触式充电系统设计简单介绍。(1)振荡器：振荡器通过内部电容器线性地充放电，产生脉宽
