針對植入式醫療設備無線供能系統傳輸效率低和抗偏移能力差的問題，遼寧工程技術大學遼寧省高校工礦電氣設備與電力電子技術重點實驗室研究人員陳偉華、侯海濤、閆孝姮、陳宏強、葉智權在2023年第4期《電工技術學報》上發表題為「基於混合磁負超材料的心臟起搏器無線供能系統」的學術論文，設計了一種基於混合磁負超材料陣列的心臟起搏器無線供能系統，利用磁負超材料（MNG）的磁場折射效應增強線圈間的耦合效果，提升系統的傳輸性能，並通過仿真以及實驗驗證了該方法的安全性、可行性。
研究背景
傳統心臟起搏器依靠鋰電池為設備供電，當體內電池電量耗盡，需要進行二次手術更換，不僅加重了患者的經濟負擔，同時存在二次感染等安全隱患，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術（MCR-WPT）的出現，為解決心臟起搏器持續供電問題提供了新的方案，但由於MCR-WPT系統的二次側部分植入體內，發射線圈和接收線圈難以實現同軸對準，導致系統傳輸效率低，充電時間長。
論文所解決的問題及意義
本文針對心臟起搏器無線供能系統傳輸效率低和抗偏移能力差的問題，設計了一種混合磁負超材料陣列，依靠磁負超材料周期性結構產生的LC諧振匯聚發射線圈與接收線圈之間的磁場，增強線圈間的耦合效果。
相較於目前MCR-WPT系統傳統的抗偏移方法，如閉環控制技術、改善補償網絡等，超材料在提升MCR-WPT系統抗偏移能力上具有獨特的優勢，利用超材料的倏逝波增強特性，無需增加繁瑣的控制手段和複雜的磁耦合機構即可提升MCR-WPT系統的抗偏移能力，極大降低了系統複雜度以及製作成本，更適合應用於植入式醫療設備無線供能系統。
論文方法及創新點
1．MNG基元設計
使用六邊形FR-4基板作為基元底板，組成的MNG陣列結構穩定且面積利用率高，將雙層反向金屬螺旋分別印刷於FR-4基板兩面，金屬螺旋最外圈通過過孔串聯得到更大的等效電感，最內圈通過過孔與集總電容串聯，使用集總電容代替基元自身較低的匝間電容，通過調整集總電容參數可以得到不同諧振頻率的MNG基元。
2.混合MNG陣列設計
當MNG基元處於工作頻率時，自身負磁導率越大，對磁場的匯聚作用越強，同時對系統造成的磁損耗也越高；因此本文根據MCR-WPT系統不同位置漏磁情況，使用兩種負磁導率的基元構成混合MNG陣列，如圖2所示，對於系統漏磁相對較小的中心位置使用磁損耗較低的MNG基元1，系統漏磁較大的外圍使用聚磁能力較強的MNG基元2，增強MCR-WPT系統傳輸效率、抗偏移能力的同時，最大限度降低引入MNG陣列造成的磁損耗。
3.仿真及實驗驗證
使用有限元軟體建立傳統MCR-WPT系統與加入混合MNG陣列的MCR-WPT系統模型進行仿真分析，系統磁場分布如圖3所示：
仿真結果表明，發射線圈與接收線圈間距20mm的情況下，傳統MCR-WPT系統接收線圈附近磁場分布範圍小，磁場強度低；加入混合MNG陣列後，超材料的磁場折射能力使得更多的磁力線穿過接收線圈，增強了線圈間的耦合效果，說明本文提出的混合MNG陣列可以有效降低MCR-WPT系統漏磁，提升系統傳輸效率。
為了檢驗混合MNG陣列的聚磁性能，搭建了心臟起搏器無線供能系統實驗平台，如圖4所示，該系統由直流電源、逆變模塊、發射模塊、接收模塊、整流模塊、負載、混合MNG陣列及測溫模塊組成；同時為準確評估系統的安全性，加入模擬溫升實驗，使用1mm豬皮、2mm脂肪以及5mm豬肉模擬人體胸部組織，使用2mm亞克力板搭建了30cm×30cm×60cm的密閉空間減少外界環境的干擾。
實驗結果表明，與傳統MCR-WPT系統相比，在線圈間距16-28mm情況下，加入混合MNG陣列的MCR-WPT系統輸出電壓、電流明顯增加，系統傳輸效率從8.53%-43.15%提升至40.78%-57.32%；同時對接收線圈不同偏移情況下的MCR-WPT系統進行傳輸性能測試，當系統接收線圈分別發生x軸偏移、y軸偏移以及x、y軸對角線偏移時，加入混合MNG陣列後，系統的傳輸效率分別提升15.05%、18.13%、20.57%提升了MCR-WPT系統的抗偏移能力。
通過模擬溫升實驗可知，加入混合MNG陣列的MCR-WPT系統在30min內系統最大溫升為3.49°C，不會對人體安全造成影響。
結論
本文設計了一種應用於300kHz心臟起搏器無線供能系統的混合MNG陣列，利用超材料的磁負特性增強MCR-WPT系統的傳輸性能，通過仿真及實驗驗證了混合MNG陣列強聚磁、低損耗的特點，同時建立人體上身三維模型進行了系統安全評估，仿真計算了人體各組織的電場強度和比吸收率峰值，最後通過溫升實驗進一步驗證系統安全性、可行性。
團隊介紹
遼寧工程技術大學遼寧省高校工礦電氣設備與電力電子技術重點實驗室，承擔國家自然科學基金項目8項，省級縱向課題48項，企業委託橫向課題54項，發表學術論文400餘篇，授權專利28項。
- 陳偉華：副教授，碩士生導師，研究方向為無線電能傳輸技術、信號處理與模式識別。
- 侯海濤：碩士研究生，研究方向為無線電能傳輸。
- 閆孝姮：副教授，碩士生導師，研究方向為無線電能傳輸、電磁探測與成像。
本文編自2023年第4期《電工技術學報》，論文標題為「基於混合磁負超材料的心臟起搏器無線供能系統」。本課題得到2020年遼寧省教育廳科學研究青年科技人才「育苗」資助項目的支持。