[发明专利]人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法

说明书

本发明公开了一种人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法，该方法基于COMSOL仿真软件对人工心脏无线供能系统建立电‑磁‑热多物理场耦合模型，该模型包括电路模型和几何模型，利用该多物理场耦合模型可分析无线供能系统不同工作状态下各电路的电流、电压与物理场的相互关系及生物安全性。具体步骤如下：首先设置模型向导；其次在电路模块下选择元器件，搭建逆变电路、补偿电路以及整流滤波电路，完成电路建模；然后建立发射线圈、接收线圈和生物组织的几何模型；接着设置元器件、模型材料和边界条件；进行网格剖分、求解器设置和计算；最后改变系统工作状态，设置模型相应属性并求解。

技术领域

本发明涉及无线充电领域，具体涉及一种人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法。

背景技术

人工心脏已逐渐成为治疗心力衰竭的有效方法之一，传统的人工心脏系统通常采用内置电池或经皮导线的方式传送电能，但是内置电池不可能长时间为人工心脏系统提供能量，而经皮导线使得人体皮肤组织长期开放，因此极易导致接口处的皮肤感染。人工心脏无线供能技术有效解决了上述弊端，这种无接触式电能传输技术通过在病人皮肤下植入接收电路，由体外电能发射线圈透过皮肤向体内接收线圈持续供能，减少了感染的可能性，为患者提供了更好的生活质量。

对于人工心脏无线供能系统，不可忽视体外发射线圈和体内接收线圈产生的高频电磁场和线圈发热对患者健康产生的影响，通常将比吸收率(SAR)、场强(E)和温度(T)作为评估无线供能系统生物安全性的指标。Knecht等人分析了无线供能系统的功率损耗，计算了系统运行时人体皮肤生物组织的温升情况，但该研究忽略了系统电磁安全性；Shibuya等人对安全性指标SAR和E进行了分析，验证了无线供能系统的电磁安全性，但该项研究中系统对象只含有补偿电路以及由发射线圈和接收线圈组成的耦合线圈两部分，没有包含无线供电系统中的逆变电路和整流电路，且输入为正弦波信号，这与实际系统逆变电路提供的高频方波不符，并且也不能反映出基于电力电子线路的无线供能系统各电路与物理场的相互作用关系；栾盈盈等人搭建了基于simulink仿真软件的人工心脏无线供能系统仿真模型，但是该仿真研究无法直观获得系统运行时人体皮肤生物组织的电磁场及温度分布，因此上述研究存在一定局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法，基于COMSOL仿真软件对人工心脏无线供能系统建立多物理场耦合模型，该模型包括电路模型和几何模型，电路模型主要包括高频逆变电路、补偿电路和整流滤波电路，几何模型主要包括发射线圈、接收线圈及人体皮肤生物组织模型，利用该多物理场耦合模型可以研究无线供能系统的电流、电压与物理场的相互关系，并且通过仿真可准确获得无线供能系统在不同工作状态下生物组织安全性指标SAR、E和T的值，将上述值与国际规定限值比较，可以验证人工心脏无线供能系统的生物安全性。

本发明采用的技术方案为：

人工心脏无线供能系统的多物理场分析方法，依次包括以下步骤:

步骤1：模型向导设置

首先在仿真软件COMSOL Multiphysics的文件菜单中选择“新建”，在新建窗口中，单击“模型向导”，在模型向导窗口，单击“二维轴对称”；其次选择物理场，在“选择物理场”树中选择“AC/DC”“电路(cir)”、“AC/DC”“磁场(mf)”以及“传热”“生物传热(ht)”，依次完成“添加”；再确定研究方式，单击“研究”，在“选择研究”树中选择“所选物理场接口的预设研究”“瞬态”，单击“完成”。

步骤2：建立系统电路模型