Медицинская Техника / №1, 2017 / с. 41-44

Методы компенсации смещений катушек в системах индуктивной чрескожной передачи энергии к имплантируемым медицинским приборам

А.А. Данилов, Э.А. Миндубаев, С.В. Селищев

Аннотация

Рассмотрена проблема изменений выходных характеристик (напряжение, сила тока, мощность) систем индуктивной передачи энергии к имплантируемым медицинским приборам, вызванных смещениями приемной и передающей катушек относительно друг друга. Приведена классификация смещений. Рассмотрены основные методы компенсации смещений: механическая фиксация положения катушек, определение взаимного положения катушек для устранения смещений или подстройки параметров работы передающей части, оптимизация формы катушек для достижения стабильности в заданном диапазоне смещений, управление рабочей частотой передающей части системы. Показано, что выбор решения проблемы компенсации смещений зависит от особенностей прибора, в первую очередь от места имплантации катушек индуктивности и потребляемой мощности.

Вернуться к содержанию

Сведения об авторах

Арсений Анатольевич Данилов, канд. физ.-мат. наук, доцент,
Эдуард Адипович Миндубаев, аспирант,
Сергей Васильевич Селищев, д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой, кафедра биомедицинских систем, Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, г. Зеленоград,
e-mail: arseny.danilov@gmail.com

Список литературы

1. Amar A.B., Kouki A.B., Cao H. et al. Power Approaches for Implantable Medical Devices // Sensors. 2015. Vol. 15. № 11. PP. 28889-28914.
2. Bocan K.N., Sejdic E. Adaptive transcutaneous power transfer to implantable devices: A state of the art review // Sensors. 2016. Vol. 16. № 3. E393.
3. Wang J., Smith J., Bonde P. Energy transmission and power sources for mechanical circulatory support devices to achieve total implantability // The Annals of Thoracic Surgery. 2014. Vol. 97. № 4. PP. 1467-1474.
4. Yakovlev A., Kim S., Poon A. Implantable biomedical devices: Wireless powering and communication // IEEE Communications Magazine. 2012. Vol. 50. № 4. PP. 152-159.
5. Li X., Yang Y., Gao Y. Visual prosthesis wireless energy transfer system optimal modeling // Biomedical Engineering Online. 2014. Vol. 13. № 3.
6. Danilov A.A., Itkin G.P., Selishchev S.V. Progress in methods for transcutaneous wireless energy supply to implanted ventricular assist devices // Biomedical Engineering. 2010. Vol. 44. № 4. PP. 125-129.
7. Lenaerts B., Puers R. Omnidirectional inductive powering for biomedical implants. – Springer Netherlands, 2009.
8. Eldridge P., Simpson B.A., Gilbart J. The Role of Rechargeable Systems in Neuromodulation // European Neurological Review. 2011. Vol. 6. № 3. PP. 187-192.
9. Clark G. Cochlear implants: Fundamentals and applications. – Springer, 2003. 831 p.
10. Weiland J.D., Humayun M.S. Visual Prosthesis // Proceedings of the IEEE. 2008. Vol. 96. № 7. PP. 1076-1084.
11. Slaughter M.S., Myers T.J. Transcutaneous energy transmission for mechanical circulatory support systems: History, current status, and future prospects // Journal of Cardiac Surgery. 2010. Vol. 25. № 4. PP. 484-489.
12. Schuder J.C. Powering an artificial heart: Birth of the inductively coupled-radio frequency system in 1960 // Artificial Organs. 2002. Vol. 26. № 11. PP. 909-915.
13. Danilov A.A., Mindubaev E.A. Influence of angular coil displacements on effectiveness of wireless transcutaneous inductive energy transmission // Biomedical Engineering. 2015. Vol. 49. № 3. PP. 171-173.
14. Danilov A., Mindubaev E., Selishchev S. Space-frequency approach to design of displacement tolerant transcutaneous energy transfer system // Progress in Electromagnetics Research M. 2015. Vol. 44. PP. 91-100.
15. Okamoto E., Yamamoto Y., Akasaka Y. et al. A transcutaneous energy transmission system with hybrid energy coils for driving an implantable biventricular assist device // Artificial Organs. 2009. Vol. 33. № 8. PP. 622-626.
16. Mehta S.M., Pae W.E. Jr., Rosenberg G. et al. The LionHeart LVD-2000: A completely implanted left ventricular assist device for chronic circulatory support // The Annals of Thoracic Surgery. 2001. Vol. 71. № 3. PP. S156-S161.
17. Wilson B.S., Dorman M.F. Cochlear implants: Current designs and future possibilities // Journal of rehabilitation research and development. 2008. Vol. 45. № 5. PP. 695-730
18. Dormer K.J., Richard G.L., Hough J.V., Nordquist R.E. The use of rare-earth magnet couplers in cochlear implants // Laryngoscope. 1981. Vol. 91. № 11. PP. 1812-1820.
19. Carlson M.L., Neff B.A., Link M.J., Lane J.I. et al. Magnetic Resonance Imaging with Cochlear Implant Magnet in Place: Safety and Imaging Quality // Otology & Neurotology. 2015. Vol. 36. № 6. PP. 965-971.
20. Practice of Intramedullary Locked Nails / Ed. Leung K.-S. et al. – Springer Berlin Heidelberg, 2006.
21. Friedmann J., Groedl F., Kennel R. A Novel Universal Control Scheme for Transcutaneous Energy Transfer (TET) Applications // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2015. Vol. 3. № 1. PP. 296-305.
22. Ozeki T., Chinzei T., Abe Y., Saito I. et al. Functions for detecting malposition of transcutaneous energy transmission coils // American Society for Artificial Internal Organs Journal. 2003. Vol. 49. № 4. PP. 469-474.
23. Hu L., Fu Y., Ruan X., Xie H., Fu X. Detecting Malposition of Coil Couple for Transcutaneous Energy Transmission // American Society for Artificial Internal Organs Journal. 2016. Vol. 62. № 1. PP. 56-62.
24. Fu Y., Hu L., Ruan X., Fu X. A transcutaneous energy transmission system for artificial heart adapting to changing impedance // Artificial Organs. 2015. Vol. 39. № 4. PP. 378-387.
25. Larsson B., Elmqvist H., Ryden L., Shueller H. Lessons from the first patient with an implanted pacemaker: 1958-2001 // Pacing and Clinical Electrophysiology. 2003. Vol. 26. № 1. PP. 114-124.
26. Arzuaga P. Cardiac pacemakers: Past, present and future // IEEE Instrumentation and Measurement Magazine. 2014. Vol. 17. № 3. PP. 21-27.
27. Flack F.C., James E.D., Schlapp D.M. Mutual inductance of air-cored coils: Effect on design of radio-frequency coupled implants // Medical & Biological Engineering. 1971. Vol. 9. PP. 79-85.
28. Fiandra O. The first pacemaker implant in America // Pacing and Clinical Electrophysiology. 1988. Vol. 11. № 8. PP. 1234-1238.
29. Pelletier B., Spiliopoulos S., Finocchiaro T., Graef F. et al. System overview of the fully implantable destination therapy – ReinHeart-total artificial heart // European Journal of Cardio- Thoracic Surgery. 2015. Vol. 47. № 1. PP. 80-86.
30. Zierhofer C.M., Hochmair E.S. Geometric approach for coupling enhancement of magnetically coupled coils // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 1996. Vol. 43. № 7. PP. 708-714.
31. Jow U.-M., Ghovanloo M. Design and optimization of printed spiral coils for efficient transcutaneous inductive power transmission // IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems. 2007. Vol. 1. № 3. PP. 193-202.
32. Danilov A.A., Mindubaev E.A., Selishchev S.V. Design and Evaluation of an Inductive Powering Unit for Implantable Medical Devices Using GPU Computing // Progress in Electromagnetics Research B. 2016. Vol. 69. PP. 61-73.
33. Galbraith D.C., Soma M., White R.L. A wide-band efficient inductive transdermal power and data link with coupling insensitive gain // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 1987. Vol. BME-34. № 4. PP. 265-275.
34. Kiani M., Ghovanloo M. An RFID-based closed-loop wireless power transmission system for biomedical applications // IEEE transactions on circuits and systems. II, Express briefs. 2010. Vol. 57. № 4. PP. 260-264.
35. Si P., Hu A.P., Malpas S., Budgett D. A frequency control method for regulating wireless power to implantable devices // IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems. 2008. Vol. 2. № 1. PP. 22-29.
36. Aldhaher S., Chi-kwong Luk P., Whidborne J.F. Tuning class E inverters applied in inductive links using saturable reactors // IEEE Transactions on Power Electronics. 2014. Vol. 29. № 6. PP. 2969-2978.
37. Waters B.H., Sample A.P., Bonde P., Smith J.R. Powering a Ventricular Assist Device (VAD) with the Free-Range Resonant Electrical Energy Delivery (FREE-D) System // Proceedings of the IEEE. 2012. Vol. 100. № 1. PP. 138-149.
38. Schormans M., Valente V., Demosthenous A. Frequency Splitting Analysis and Compensation Method for Inductive Wireless Powering of Implantable Biosensors // Sensors. 2016. Vol. 16. № 8. E1229.