植入式医疗设备电磁共振无线能量传输系统天线对人体电磁辐射安全影响的研究

宫飞翔 魏志强 丛艳平 迟浩坤 孙民贵 殷 波*

1(中国海洋大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266100)2(美国匹兹堡大学电子与计算机工程学院，美国 匹兹堡 15260)

植入式医疗设备电磁共振无线能量传输系统天线对人体电磁辐射安全影响的研究

宫飞翔1魏志强1丛艳平1迟浩坤1孙民贵2殷 波1*

1(中国海洋大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266100)2(美国匹兹堡大学电子与计算机工程学院，美国 匹兹堡 15260)

电磁耦合谐振式无线电能传输技术利用两个具有相同谐振频率、高品质因数的线圈，当其处于谐振状态时，通过电磁振荡、依靠非辐射场来实现能量的高效传输，因具有较好的距离、空间自由度和效率优势，成为人体植入式装置无线能量供给的创新方法。针对心脏起搏器能量无线传输问题，设计一种新型的植入式天线系统。为验证其人体辐射安全性，针对人体胸腔构建3层介质模型，应用时域有限差分(FDTD)方法，使用HFSS软件对胸腔比吸收率(SAR)进行数值仿真。结果表明，在线圈间距10 mm，中间具有0.1 mm空气层、0.2 mm皮肤层和约9.7 mm肌肉层，激励为9.17 MHz、1 W的条件下，利用这个天线系统对人体植入式设备进行无线能量传输，正常工作情况下10 g生物组织的平均SAR值为0.009W/kg，非正常工作情况下10 g生物组织的平均SAR值最大为0.823 W/kg，均低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的安全标准，从而验证该植入式天线系统对人体影响的安全性。

电磁耦合；植入式设备；无线传能；时域有限差分；比吸收率

引言

植入式医疗电子设备正在超越传统便携式医疗器械成为医疗研发热点，在人体健康状态监控、治疗、维持和康复等方面发挥着重要的作用，更为人类提供了精确、方便、快捷的健康服务。目前，植入式医疗电子设备一般采用高能量电池进行供电，由于其种类和使用方式不同，电池的使用时间有限，所以电池的更换极大地增加了二次手术的感染可能性，并增加了患者的经济负担。因此，无线电能传输成为植入式医疗设备发展的迫切需求。过去医学植入式设备的无线传能多是采用辐射式、感应式，无法同时满足传输距离和传输功率双优的需求，简单、高效、可靠的能源供给已成为人体植入式电子设备的关键，是需要解决的共性瓶颈问题。基于电磁共振人体无线能量传输技术，以其结构简洁、体积微小、传输效率高、传输距离远、无二次手术感染风险等特点，成为解决植入式设备瓶颈问题的最为重要的创新技术。

基于电磁共振无线电能传输技术的工作频率在10 MHz左右，无线能量传输系统在进行充电时必然产生相应的电磁场，生物系统与入体的电磁场相互作用产生一定的效应，当生物体吸收了电磁能量后就会引起生物效应。研究进入人体的电磁波的分布情况和电磁辐射大小是非常必要的，由于实验研究受到测量仪器和人体安全性的限制，数值仿真可提供高精度的辐射剂量数值模拟，精确模拟植入式医疗电子设备无线能量传输系统对人体的辐射作用[1]。目前，分析确定进入人体内的电磁场分布以及电磁波的吸收量，大都是从人体在电磁环境下产生的热效应方面入手，并且采用比吸收率SAR方面来表示人体电磁吸收量[2]。

对人体辐射安全剂量的研究，初期主要集中在无线通信技术设备(手机)等的安全验证方面，大都采用矩量法和FFT-CG迭代算法分析电磁波对人身体的作用，到了20世纪90年代，Sullivan等开始采用时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)来计算此类问题。目前，采用FDTD方法研究电磁辐射时人体的比吸收率(SAR)问题比较多，集中于手持通信终端对人体辐射安全的分析，包括小型螺旋天线、小型PIFA天线以及单极、双极天线与人体头部模型或人体模型的相互作用等[3]。

从理论分析和实际研究进展看，SAR计算的结果不但与人体的组织结构密切相关，而且与射频源的位置及其与人体的相对位置相关[4-5]。因此，模拟具体的辐射现场对于取得准确的计算结果至关重要。另外，SAR的精确量化分析与人体模型建模的准确度成正比，模型构建与实际的人体构造越相近，分析结果就越准确。Shiba等研究了无线胶囊内窥镜环境下天线对人的辐射剂量问题，计算了人类皮肤、脂肪、肌肉、小肠、骨干和血液等组织的比吸收率，验证了体内胶囊的辐射剂量的安全性[6]。周晓明教授应用时域有限差分法，研究了3层球体人体头部模型在单极天线移动通信设备工作频率为900 MHz 时的SAR值分布，并通过实验证明了FDTD计算方法的有效性[7]。2009年，文辉等研究了胶囊内窥镜无线电能传输的人体安全性问题，仿真出了真实的三维人体模型，并应用FDTD法，计算了人体不同组织在发射功率为25 W、谐振频率为26 MHz的能量传输系统电磁环境下的电流密度和SAR值。结果表明，使用该能量传输系统时，人体电磁辐射剂量低于标准值[8]。2012年，赵军等设计了一种应用于人体植入式电子设备的小尺寸无线充电系统，并应用FDTD方法，计算了该无线充电系统电磁环境下头部模型的SAR分布，低于国际安全限值标准[9]。

本研究以基于电磁共振的心脏起搏器无线能量传输为应用背景，分析了胸腔植入式设备无线电能传输的辐射剂量问题，设计了新型无线传能天线系统，采用HFSS软件对该天线系统的性能和辐射剂量比吸收率(SAR)进行了仿真。结果表明，应用电磁共振技术对人体胸腔植入式设备进行无线电能传输，人体所承受的辐射剂量低于国际非电离辐射防护委员会制定的安全标准，为电磁共振无线电传输技术在人体植入式设备中的应用提供了安全参考依据。

1 电磁共振无线能量传输系统

1.1 系统模型

电磁耦合谐振式无线电能传输技术，是利用两个具有相同谐振频率、高品质因数的线圈，在处于谐振状态时，通过电磁振荡，从而通过非辐射场来实现能量传输。谐振耦合电能无线传输在具有发射回路和接收回路的同时，还具备接收功率的负载以及高频发射功率源。为简化起见，在本研究中忽略了高频逆变的发射源部分，直接将发射电路以及接收电路作为实验对象，则谐振耦合电能无线传输模型如图1所示。其中，Uin为高频发射源，Cs、Cd为串联谐振电容，Rs、Rd分别是两谐振电感线圈在高频下的寄生电阻，Rl为负载电阻，M为线圈之间的互感，D为传输距离，Ls、Ld分别为收发线圈的电感量。

图1 基于电磁共振无线传能电路Fig.1 Circuit of the wireless power transfer system

采用耦合模型CMT进行建模，两个时间域线圈a1(t)、a2(t)的原始储能可分别表示为|a1(t)|2、|a2(t)|2。由CMT可得

(1)

(2)

在上述公式中，a1(t)和a2(t)分别代表发射和接收线圈的耦合模幅，Γ1、Γ2、Γl分别为原线圈的损耗、负载线圈的损耗和负载的吸收功率,K12为两个线圈的耦合率，其中Fs(t)为励磁损耗可忽略不计，ηCMT是无线电能传输系统电能传输效率。由能量守恒定律，可得

(3)

由式(1)～(3)，解得

(4)

1.2 天线系统

植入式天线系统是人体植入式无线电能传输的重要组成部分。本系统的无线传输天线设计采用3层板、4层线圈的设计方式，中间通过环氧玻璃纤维进行间隔，利用分布参数构成谐振线圈，见图2。通过多层结构增加自感量，背面贴有谐振铜片降低线圈固有频率，参数如下：4层板，矩形，长31 mm，宽14 mm，单层板厚0.33 mm；上3层铺铜，履铜宽度1 mm，厚度0.035 mm，同层履铜间距2 mm。

图2 天线系统。(a)结构设计；(b)实物Fig.2 Antenna system. (a) Structure design; (b) Product

采用HFSS软件(美国ANSYS公司所属的三维电磁仿真软件，15.0版本)，对天线性能进行仿真。为方便观察，材质为FR_4的绝缘板被隐藏，彩色部分为履铜，第1～4层分别为紫色、黄色、红色，第4层没有铺铜，部分仿真模型见图3，设置材质为铜，激励功率为1 W，扫频、设定边界条件后运行，得到谐振频率为9.17 MHz。

图3 天线仿真结构Fig.3 Simulation of antenna structure

2 辐射剂量的安全性

2.1 比吸收率的概念

生物体与电磁波的作用机理非常复杂，而且难以通过实验方法验证，为描述生物组织与电磁波的相互作用程度，20世纪60年代美国学者Schwan提出比吸收率(SAR)的概念[10]。SAR目前已成为国际上通用的描述电磁波对人体相互作用的物理量，表示人体1 kg质量内吸收或消耗的电磁能量对时间的导数，其单位用W/kg表示，有

(5)

式中，t为时间，W为辐射功率，m为生物组织的质量，V为生物组织的体积，ρ为生物组织的电导率。

2.2 平均SAR的计算

人体不同组织的介电特性和导电特性是不同，这就导致了电磁场在人体组织中的不均匀分布。人体组织吸收电磁辐射能量的程度与组织所处的电磁场特性相关，更与组织本身的电导率息息相关，人体不同部位的SAR值是不同的。但是，有时需要描述人整体在电磁环境下吸收电磁能量的大小，这就提出了平均SAR的概念，计算如下：

(6)

式中，σx(i,j,k)、Ex(i,j,k)、V(i,j,k)为各点沿x、y、z方向的电导率，ρ(i,j,k)是各点的组织密度。

3 辐射剂量的数值仿真

通过时域有限差分法(FDTD),对电磁谐振情况下人体辐射剂量进行了数值仿真。为模拟真实的多层介质环境，构建了胸腔人体植入式传能的3层模型(空气、皮肤、肌肉)，模拟真实环境下电磁波穿透人体的过程，见图4。

图4 无线传能。(a)实际场景；(b)模型构建Fig.4 Schematic. (a) Schematic diagram; (b) Simulation

仿真在两个线圈之间加入人体组织，模拟植入式医疗设备的无线充电系统进行仿真，系统模型上方为发射线圈，下方为接受线圈，间距10mm，中间有0.1mm的空气层、0.2mm的皮肤层和9.7mm的肌肉层， 激励设置为谐振频率9.17MHz，输出功率1W，仿真结果如图5所示。

图5 人体胸腔电磁共振能量传输效果Fig.5 Simulation results figure of the system

由图5可见，磁场分布主要集中在发射和接收线圈附近，表明能量消耗较少，实现了高效率传输。在天线的两处添加两条直线(线1和线2)来计算SAR值：如图6所示，线1为线圈中心位置的竖直方向，起点和终点分别为发射线圈和接受线圈的靠近人体组织的位置，横坐标表示竖直方向到发射线圈的距离；如图7所示，线2在靠近线圈边缘的位置，起点和终点分别为发射线圈和接受线圈的靠近人体组织的位置，横坐标表示竖直方向到发射线圈的距离。其中，SAR1为局部SAR值，SAR2为平均SAR值。

图6 SAR值结果(线1)Fig.6 Results of SAR (line1)

图7 SAR值结果(线2)Fig.7 Results of SAR (line2)

从图6、7的结果可以看出，在发射线圈和接受线圈周围，SAR值明显高于两线圈之间的部分，说明在电能无线传输过程中，天线接触的部分电磁辐射剂量较大。为了验证系统非正常工作时的最大辐射剂量问题，对仅有发射线圈正常工作而接受线圈不能正常工作的状况进行数值仿真，给出了两处测量位置在不同距离下的10g组织峰值，如表1、2所示。

表1 系统正常工作时人体组织各位置的SAR值Tab.1 SAR of different tissues when system worked normally

以上数据表明，在发射线圈和接受线圈周围的SAR值明显高于两线圈之间部分的SAR值。同时，数据对比可以发现，当只有发射线圈正常工作时，辐射剂量要大于双线圈正常工作时的辐射剂量，这是因为发射线圈的能量大部分被人体组织所吸收的缘故。

表2 只有发射线圈工作时人体组织各位置的SAR值Tab.2 SAR of different tissues when only transmitter coil worked

目前，世界卫生组织(WHO)在确定电磁场人体辐射剂量安全评估方面，努力协调非离子辐射委员会(ICNIRP)和美国电气与电子工程师协会(IEEE)的《IEEE关于人体曝露到0～3 kHz电磁场的安全水平标准》等标准[11]。国际和欧洲采用的限值为：在非受控电磁环境下，10 g生物组织的平均SAR值须低于2 W/kg；所设计的天线系统在输入功率为1W时，正常工作情况下10g生物组织的平均SAR值为0.009 W/kg，非正常工作情况下10 g生物组织的平均SAR值最大为0.823 W/kg。在本研究中，所设计的无线传能系统，辐射剂量均低于全部标准。

4 讨论和结论

本课题分析了胸腔基于电磁共振无线电能传输过程中的安全性问题，对人体植入式电子设备无线传能对人体的辐射剂量进行了研究。为模拟电磁波穿过人体不同介质的实际情况，构建了空气-皮肤-肌肉3层模型，在天线的中心和边缘处选取了两处位置来计算比吸收率(见图6、7)，表明系统正常工作时各个位置电磁辐射剂量的最大值小于ICNIRP标准；针对双线圈系统只有发射线圈正常工作(如电池充满或接受天线失效)时进行数值分析(见表2)，其电磁辐射剂量最大值也小于国际安全标准阈值。不同的是，通过表1、2数据结果的对比分析，表明谐振工作时辐射剂量主要集中在发射线圈和接收线圈，而且接受线圈的辐射剂量要大于发射线圈的辐射剂量，表明系统谐振工作时，大部分能量被接受线圈吸收，只在发射和接受线圈附近出现了少量的电磁辐射，而当只有发射线圈工作时，辐射剂量呈现出降低趋势，展现出典型的电磁波辐射衰减特征。综合分析表明，在辐射剂量安全方面，基于电磁共振的人体无线电能传输技术的安全性符合国际ICNIRP标准，为基于电磁无线电能传输在人体植入式设备领域的无线电能传输提供了安全性验证。

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Research on the Effects of Antenna Electromagnetic Radiation to Human Body Safety for Implantable Medical Device Wireless Energy Transmission System Based on Magnetic Resonance

Gong Feixiang1Wei Zhiqiang1Cong Yanping1Chi Haokun1Sun Mingui2Yin Bo1*

1(SchoolofInformationScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,Shandong,China)2(DepartmentofNeurologicalSurgery,Electriacal&ComputerEngineering,UniversityofPittsburgh,Pittsburgh,PA15260,USA)

magnetic resonance; implantable device; wireless power transfer; specific absorption rate(SAR); finite difference time domain (FDTD)

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 04.016

2015-03-23， 录用日期:2015-11-12

国家国际科技合作专项项目(2013DFA10490)；青岛市战略性新兴产业培育计划项目(13-4-1-45-hy)

R318

D

0258-8021(2016) 04-0497-05

*通信作者(Corresponding author)， E-mail:ybfirst@126.com