変位電流と電界結合の２給電経路による新しい生体ワイヤレス給電技術の開発

利用位移电流和电场耦合两种供电路径开发新型生物无线供电技术

• 批准号: 22H01549
• 负责人: 田村 昌也
• 金额: $ 11.07万
• 依托单位: Toyohashi University of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01549/
• 关键词: 無線電力伝送; ワイヤレス電力伝送; 無線給電; ワイヤレス給電; 非接触給電

将来、患者のQoL(Quality of Life)を向上させるため体内埋込型医療機器へのワイヤレス給電の需要が高まると予想される。そこで、体表にシールとして貼れる電界方式生体ワイヤレス給電システムの研究を行う。生体組織はQ値が低いため、電界方式での高効率給電は困難である。この原因は組織が持つ高い高周波導電率にあるが、この高周波導電率によって発生する変位電流と結合係数k、Q値の関係性を等価回路を用いて解き明かし、変位電流と電界結合を活用した新しい設計理論を確立する。今年度は変位電流に関わる生体組織の高周波導電率特性を明らかにすることを目標とした。人体の生体組織に近いとされる皮下脂肪付き豚皮をサンプルに、豚皮の皮膚側、脂肪側のアドミタンス周波数特性を測定するため、同軸プローブを用いて測定を行った。次に、測定したアドミタンス周波数特性から複素誘電率を算出するため、同軸プローブから測定対象までを等価回路化した。等価回路から同軸プローブ法で開放、短絡時のアドミタンス周波数特性と比誘電率が既知である物質のアドミタンス周波数特性を測定することで複素誘電率を導出した。最後に導出した複素誘電率から高周波導電率とQ値を算出した。結果、皮膚側、脂肪側で周波数が増加するにつれ導電率は低下し、Q値は上昇することが明らかとなった。400 MHz以下では皮膚側と脂肪側で導電率の乖離が見られたが、400 MHz以降ではほぼ一致しており、高周波において皮膚と脂肪で導電率の相違はないことがわかった。次年度の研究を迅速に進めるべく、上述した高周波誘電率・導電率特性を用いて生体組織をモデリングし、電磁界解析を開始した。並行して等価回路のモデリングにも着手した。

未来，为了改善患者的QoL（生活质量），植入式医疗设备对无线供电的需求预计将会增加。因此，我们将研究一种基于电场的生物无线供电系统，该系统可以作为贴纸粘贴在身体表面。由于生物组织的Q值较低，利用电场方式很难提供高效的电源。其原因是组织的高高频电导率，我们使用等效电路来阐明这种高频电导率产生的位移电流、耦合系数k和Q值之间的关系，并开发了这种方法。一种利用位移电流和电场耦合的新方法。今年的目标是阐明与位移电流相关的生物组织的高频电导率特性。我们使用同轴探头，使用据说接近人体活体组织的带有皮下脂肪的猪皮样品，测量了猪皮的皮肤侧和脂肪侧的导纳频率特性。接下来，为了根据测量的导纳频率特性计算复介电常数，我们创建了从同轴探头到测量目标的等效电路。通过使用同轴探针法测量开路和短路期间的导纳频率特性以及相对介电常数已知的材料的导纳频率特性，从等效电路导出复介电常数。最后，根据导出的复介电常数计算高频电导率和 Q 值。结果表明，随着皮肤侧和脂肪侧频率的增加，电导率降低，Q值增加。在400 MHz以下，观察到皮肤侧和脂肪侧的电导率存在差异，但在400 MHz之后，它们几乎相同，表明高频下皮肤侧和脂肪侧的电导率没有差异。为了在明年快速推进研究，我们利用上述高频介电常数和电导率特性对生物组织进行建模，并开始电磁场分析。与此同时，我们还开始对等效电路进行建模。