基于三维NEMS柔性谐振增强子的微型可穿戴植入式磁共振无线能量传输系统基础研究

Wireless energy transfer is the best power delivery method for micro wearable interactive and implantable medical therapy devices, how to realize the high efficiency, far distance and bio-security is a frontier research field, which is of great significance and huge application. This project innovatively puts forward a magnetic resonance energy transfer scheme based on 3D NEMS flexible multi integrated enhanced resonators, which can effectively reduce the volume of the system, improving energy transfer efficiency, integration level and biocompatibility. Firstly, the distribution characteristics of magnetic resonance coupling was analyzed by coupled mode theory, combined by the bio electromagnetic model, and the coupling efficiency and its relationship with electric parameter was also computed, in order to guide the future system design. Finite element method was used to build the 3D NEMS multi integrated enhanced resonator model, and the structure material and fabrication method was also considered with the model optimization. The research of key fabrication process as the first step, then the 3D NEMS flexible multi integrated enhanced resonators was assembled. Bio animal implant experiment was carried out in order to study the bio-compatibility and bio-security of the whole system..The object of our project are to publish papers indexed by SCI、EI and ISTP, to apply patents of national invention and to train students.

无线能量传输是微型植入式可穿戴交互和医学仪器供能的最佳解决方案，如何实现高效率、远距离和安全的能量供给是当前国际前沿研究领域，具有巨大的应用需求和研究意义。本项目创新性的提出基于NEMS方法实现三维柔性多谐振子集成增强的磁共振无线能量传输方案，可以大幅度减小系统的体积、提高能量传输的效率、集成度和生物兼容性。基于耦合模理论分析磁共振耦合场分布特性，并结合人体组织的生物电磁学模型，求解微型磁共振能量传输的效率模型及其与电学参数的关系，指导系统设计；研究三维NEMS多谐振子集成增强子的理论与器件模型，综合考虑多种类型的结构材料和工艺对电感模型的影响，优化和设计谐振增强子器件模型；研究NEMS柔性谐振子的关键制作工艺，组装形成三维多谐振子集成谐振增强子；开展动物植入式实验，研究磁共振能量传输的生物兼容性与安全性问题。.项目的成果表现为发表高水平检索学术论文，申请国家发明专利和培养研究生。

基于三维NEMS柔性谐振增强子的微型可穿戴植入式磁共振无线能量传输系统基础研究是基于微型植入式脑机接口和医疗器件的研究背景，如人工视网膜、人造耳蜗、神经电刺激器和心脏起搏器等。传统的微型植入式医疗器件多采用电池供电，存在寿命短、体积大、易泄露、生物兼容性差等诸多缺陷，因此能够自主提供连续稳定的输出功率，实现不间断续航的无线供电技术对于此技术至关重要。.本项目创新性地提出从研究尺寸、材料的共振耦合模型入手，优化系统和谐振子模型，利用NEMS技术设计和实现高性能、高密度、高集成度的微型柔性立体谐振子，旨在提高磁共振能量传输的距离和效率、减小接收端的有效体积、提高系统的集成性和生物兼容性。.在HFSS中对双线圈耦合共振模型进行了建模并且进行了参数优化，对谐振子匝数、半径、导线间距以及线宽等物理参数与谐振子电感值和品质因数等电参数之间的关系进行了详尽的仿真与分析；为了保证输入信号的最大功率传输，对前级的谐振耦合模型进行了精确的匹配；为了满足后端不同负载的稳定的供能要求，设计并搭建了接收端的信号处理模块，包括整流、滤波和稳压模块。.最终，利用两个半径为10mm的柔性立体线圈来实现能量的共振耦合，通过调谐电容构成串联耦合谐振回路，谐振频点为13.56MHz，在对耦合谐振回路进行阻抗匹配之后，S11达到-30dB，达到了良好的匹配效果，实现了能量的有效传输。将能量耦合传输模块与能量信号处理模块进行整合搭建与测试，测试结果表明对于此无线能量传输系统，当输入信号频率为13.56MHz，传输距离为6mm，负载为1000Ω，输入功率为200mW时，输出负载端电压为8.35V，输出功率为70mW，系统的最大传输效率为35%。.这些研究的突破是实现微型磁共振无线能量系统在植入式医疗仪器中应用的关键，可大幅度降低植入式医疗仪器的成本和治疗的风险，同时减轻了患者的痛苦，为实现具有自主产权的先进植入式生物医疗系统奠定基础，在提升国民健康水平和生活质量方面有重大的意义。

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