安全舒适高可靠植入式脊髓电刺激器无线供电方法和系统研究

Neuropathic pain is a complex, chronic pain state that affects the patient’s mental health and life quality seriously, the amount of person who lack of work ability by neuropathic pain is more than the total affected by heart disease, cancer and diabetes combined. Spinal cord stimulation, which delivers tiny electric pulses to the nerves that mask pain signals traveling to the brain, is considered as the advanced treatment of neuropathic pain in the world. However, the life-time of the implantable battery in the pulse generator is limited and a surgery is needed to replace the battery when it reaches extremely low capacity levels. Therefore, it is necessary to develop the mid range wireless power transfer system for the implantable spinal cord stimulator..Based on the theory of magnetic coupling resonance, this project will propose a highly safety and reliability wireless power transfer methodology with improved comfort. The structures of segmented transmitting coil and receiving coil as well as the corresponding power transfer mechanism will be discussed, in order to make the resonant voltage decrease from several kilo volts to the safe range of human body; The in vivo power transfer method with high efficiency will be investigated to reduce the volume of implantable power receiving part, which is useful to improve the patient’s comfort; The strategy that can transmit power and data at the same time will be proposed, then the real-time transfer power status can be monitored, and the output power of transmitting coil can be adjusted to make the transferred power steady.

神经性慢性疼痛是一种严重影响患者生活质量和身心健康的常见病，因该病丧失劳动能力的人数比糖尿病、癌症及心脏病患者总和还多。脊髓神经电刺激器是目前国际上治疗神经性慢性疼痛的先进疗法，它利用植入脊髓的电极发出电刺激，有效阻断疼痛信号的传导。然而，由于植入一次性电池寿命有限，手术更换电池给患者带来极大的痛苦，因此急需发展适用于脊髓电刺激器的中距离无线供电方法和系统。.本项目拟基于磁耦合谐振原理实现安全舒适高可靠脊髓电刺激器的无线供电。研究多段式谐振发射、接收线圈结构及其电能传输机理，使谐振元件电压从原来的上千伏降低到人体安全范围之内，保证脊髓电刺激器无线供电的安全性；探讨适合于脊髓电刺激器的高效谐振无线供电方法，减小植入人体内的电能接收部分体积，提高人体的舒适性；提出可同时实现电能传输和人体内外信息交互的方法，实时监测脊髓电刺激器的电能传输状况，控制和调节发射线圈的电能输出，实现高可靠性无线供电。

随着现代医学的发展，越来越多植入式电子设备用于治疗某种疾病、提高或替代某个人体器官的功能。由于电池寿命有限且需要手术更换，经皮能量传输技术易引起皮肤感染和并发症，如何安全、可靠、长期向植入式电子医疗设备提供能量成为亟待解决的问题。本项目基于磁耦合谐振原理和宇称时间对称原理，系统性地研究了植入式脊髓电刺激器无线供电系统，对推动无线电能传输技术在植入式电子医疗设备中的应用具有重要的科学和现实意义。.本项目根据安全舒适高可靠植入式脊髓电刺激器无线电能传输系统的要求，在线圈结构、谐振拓扑、电源系统、检测方法和输出控制等方面取得了进展。第一，针对植入式脊髓电刺激器无线电能传输系统体内空间的大小限制，研究了不对称线圈无线电能传输系统的工作特性，提出了多段式大发射线圈和螺旋式小接收线圈的优化设计方法，解决了发射线圈高品质因数、高谐振频率和高谐振电压之间的矛盾，保证了无线供电的安全性；第二，针对植入式脊髓电刺激器无线电能传输系统需要同时满足宽工作范围和高传输效率的要求，设计了可适应负载宽范围变化的谐振拓扑以及高效率的电源系统，解决了体内电能接收部分的体积和温升之间的矛盾，提高了无线供电的舒适性；第三，针对植入式脊髓电刺激器无线电能传输系统因传输距离方向等易发生变化而造成输出电压波动，提出了仅需要发射端检测的恒压控制方法，并基于宇称时间对称原理实现了恒输出功能，确保了无线供电的可靠性。.截至目前，本项目共发表文章16篇，其中SCI收录8篇、EI收录6篇、核心期刊2篇，授权发明专利1项、实用新型专利9项，出版专著1部，获得科研奖励1项，已培养硕士生6名、博士生2名，超过了项目的预定成果目标。