基于电磁感应的消化道内微系统的无线供能

　　对消化道疾病的检查,目前最常用和最直接有效的方法就是内窥镜检查,它在消化道疾病的诊断中起着极为重要的作用.但现有的常用内窥镜系统都带有引导插管,给系统操作带来不便,同时也给病人造成极大的痛苦,而且检查的部位受到限制,无法实现对小肠部分的检查.

　　随着图像传感器和微机电系统(MEMS)技术的迅速发展,CCD及CMOS图像传感器尺寸大大减小,这使得微型无线内窥镜的出现成为可能.以色列Given Imaging公司开发出口服式内窥镜胶囊PillCamTM,可以以2帧/s的速度将胃肠道内的图像发送到体外的接收器.但是限于胶囊内电池的容量,这种胶囊只能工作6~8 h[1].针对这种情况,日本RF SYSTEM实验室.正在开发体外无线供能的内窥镜胶囊,可以以30帧/s的速度传输动态CCD图像,并且能够在体内旋转以扩大视野[2].

　　以上两种胶囊内窥镜都是被动式的,即吞服后靠胃肠道的蠕动向前推移,直至排出体外,不受控制,也不能定点检查.日本Olympus Medical Sys-tems公司正在研究自主导航驱动的主动式内窥镜胶囊[3].另外,不少国内外研究人员致力于内窥镜驱动机构的研究[4],但因为对能量需求较高,不得不采取有线形式[5-7].

　　介入式无创诊疗系统已经受到广泛关注,但有些问题还亟待解决.这些系统需要进入人体腔道或植入皮下,一般采用电池供能.但是电池含有对人体有害的物质,万一泄露就会危及病人.另一方面,目前的电池容量还不能满足大功耗微系统的需求,可能在诊断治疗结束前,电池已耗尽.无线供能问题已经成为制约植入式医疗器械发展的“瓶颈”问题.本文研究了利用电磁耦合为消化道内微系统进行能量传输的方法,分析了能量传输的效率,为供能系统的设计提供了理论依据.

　　1　系统组成

　　基于电磁耦合的无线能量传输技术已经在人工脏器方面得到了广泛应用[8-10],其基本原理是利用电磁感应定律,体外发射线圈产生变化磁场,体内接收线圈产生感应电动势,两线圈耦合从而达到传输能量的目的.在经皮能量传输系统(TranscutaneousEnergy Transmission,TET)中,发射线圈固定在体表,接收线圈埋于皮下,两线圈距离小于2 cm,耦合程度很高[8, 9].本文研究的重点是针对人体消化道内微小系统,两线圈距离较远,耦合系数在10-3数量级[11].

　　图1所示为系统的结构框图,由3部分组成:发射电路、接收电路、负载.发射端电源为直流电压源(如蓄电池等),经过DC-AC逆变(包括功率放大)后给发射线圈供电.为了提高功率因数,发射端采用串联谐振电路.接收端产生的感应电压经整流、滤波、稳压后给负载供电.从整体上考虑,系统组成一个DC-DC变换器,研究的目的是提高其变换效率.