植入式人体通信技术发展与未来刘益和,张简

人体通信技术是一项新兴的无线通信技术,因创伤小、不会感染和设备定位方便,在人体实时医疗监测领域发挥着非常重要的作用。按照电极的耦合方式分类,人体通信可分为电容耦合型人体通信和电流耦合型人体通信。通过分析整理现有成果可知,电容耦合型人体通信需要共地耦合而不适合于植入式人体通信;电流耦合型人体通信可弥补电容耦合型人体通信的缺点。已有的研究分别对两种耦合方式的样机、实验作了详细的讨论;按照电极的放置位置分别重点分析了“表面-表面”、“表面-植入”、“植入-表面”以及“植入-植入”人体通信的研究现状;指出了该技术的机遇和挑战,展望了该技术的未来。虽然电流耦合型人体通信还面临诸多难题,但是伴随着多种技术的发展,智能化医疗设备的需求,其将成为未来植入式医疗通信技术的必然选择。     

电流耦合型人体通信的原理实验装置设计与测试

研制一套用于电流耦合型人体通信的原理实验装置.分别对装置中的电流驱动电路、电极选择方案、滤波放大电路展开设计与分析,并对各部分性能与整体测试效果展开验证.结果表明装置的设计满足人体通信的原理实验要求.     

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<正>基于准静电场的体域通信技术是一种用于人随身电子设备互连的新方法,是将准静电场耦合到人体并以人体为信道实现数据通信。该领域研究多注重于信号传输中的电极设计、载波频率、调制方式等因     

几种透地通信技术的分析与对比

主要分析了天线磁感应方式、地电极电流场方式以及弹性波方式3种矿山透地通信技术的工作机理、技术特点以及受分层大地介质信道的影响情况,对比了它们的传输衰减、发送设备体积、发射功率以及能量效率等功能参数,最后得出了结论:3种透地通信方式都工作在低频波段,天线磁感应方式和地电极方式的传输衰减较之弹性波方式的要小,而弹性波方式和地电极方式所需的发送设备体积比天线磁感应方式的要小;地电极电流场方式能量效率比其它天线磁感应和弹性波方式要高;弹性波方式透地通信受地层力学特性影响太大,尤其是松散介质层.     

植入式广告特征及其实现方式

概述了植入式广告的定义及其特征,就具体案例对植入式广告的实现方式和存在问题进行了研究分析,认为植入式广告的实现方式主要包括点状植入、现状植入、面状植入,讨论了选择和应用植入式广告的方法。希望这些方法在未来的植入广告应用上可以起到借鉴作用。     

用于植入式医疗装置的逐次逼近式模数转换器

针对植入式医疗装置对模数转换器(ADC)的超低功耗和高精度要求,提出了一种共模恒定型分段混合编码结构的逐次逼近式模数转换器(SAR-ADC)。该SAR-ADC的电容数模转换器DAC中采用分段混合编码结构,兼具了分段二进制编码的低功耗优势和分段温度计编码的高线性度优势。共模恒定型控制方式具有极低的动态功耗。采用HHNEC 0.35μm CMOS工艺完成了10位共模恒定型分段混合编码SAR-ADC的电路和版图设计。后仿真结果表明:所设计的SARADC的电源电压范围为1.8~3V;在采样率为103 s-1的条件下,其有效位数为9.4位;整个SARADC所消耗的电流仅为60nA,在同等工艺条件下具有更低的功耗;所设计的转换器能够满足心脏起搏器等植入式医疗装置的需求。     

基于耦合电感与倍压电容的高增益Boost变换器

针对目前新能源发电系统中的DC/DC升压变换器,普遍存在着输出电压低、开关管峰值电压大等缺点,提出了一种基于耦合电感与倍压电容高增益Boost变换器;该变换器引入耦合电感以及两个倍压电容提高了电压增益;所提结构有效吸收漏感能量,降低开关管电压应力和变换器的损耗,抑制开关管电压尖峰,实现开关管的零电流开通,并且利用耦合电...     

生命不止,能量不息——植入式摩擦纳米发电机的研究与应用

 2012年,研究人员提出了一种将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机（TENG）,该技术近年来得到了飞速发展,实现了对人体运动能、风能、声波能、海洋能等各种机械能的收集。其中植入式摩擦纳米发电机（iTENG）可将生物体内的心跳、呼吸肌运动等生物机械能转化为电能并驱动有源植入式医疗器件,可显著提高可植入式医疗器件的使用寿命,在未来植入式医疗行业中有着潜在的应用前景。本文综述了iTENG的结构、工作原理、输出性能及其在有源植入式医疗器件供能应用等方面的最新研究进展,并在此基础上进一步分析iTENG应用到临床治疗所面临的挑战。     

针对串联直流电弧的电容电流时频检测方法

针对串联型直流电弧故障产生时伴随着高频分量,提出了一种基于并联电容电流时频特性的串联直流电弧故障检测方法。搭建了直流电弧试验平台,测量流过直流源内部滤波电容支路的电流,检测电容电流中随电弧故障产生的高频电流。在PSCAD/EMTDC软件中建立电弧检测仿真模型,利用Nottingham公式将直流电弧等效为非线性电阻。在仿真平台中对串联电弧产生时的并联电容电流时频特性进行分析,结果表明,串联电弧产生时,并联电容电流出现突变,电容电流频谱中5～50kHz频带范围内的积分值增加。对不同回路电流、电极材料等工况时的并联电容电流进行试验,研究发现,电容电流变化率与回路电流成正比,与电极材料沸点成反比;而电容电流频谱积分差值与回路电流成正比,与电极材料沸点成正比。     

植入医学器件的电能供给及电磁场仿真

利用生物皮肤的电特性,通过皮肤对体内植入式医学电子器件的电池进行充电展开研究。采用有限元法建立体导电能量传递数学模型,通过软件FEMlab3.3建立其场域数值模型,输入信号使用交流电压。在仿真中,进行了模型的频率特性测试,设计了4种不同形状的电极,并以圆柱形电极为例,分别改变电极截面面积和电极之间的距离来优化电极的形状与布局。仿真结果表明,在保证人体安全电流的前提下,体导电电流传递效率可达30%以上。     

磷酸溶液中铜阳极溶解电流混沌的锁相

研究了恒电位下在磷酸溶液中的电流振荡行为,发现2个铜电极的电极间距和恒定电位对耦合电极振荡行为的影响,电极间的耦合作用改变了电极的振荡行为,两电极间呈现有不同相锁定,k/n相锁定和准周期同步,电极间电流振荡锁相,随电极距离的加大而失锁相。实验发现,复杂的耦合作用导致电流振荡中出现了不同形式的锁相,电极间电流振荡的同步由强的耦合所致。     

基于接收侧变结构补偿的恒流恒压无线充电系统

随着无线电能传输技术快速发展,磁耦合式无线充电技术被广泛应用在锂电池充电领域.为进一步提升无线充电系统的安全性与充电效率,在串联-串联(series-series, S-S)型补偿网络的基础上设计一种基于接收侧π/T型变结构补偿网络的恒流恒压无线充电系统.利用等效电路分别建立恒流和恒压充电的模型,通过附加的电容电感和开关改变接收侧拓扑结构,实现无线充电系统输出稳定的电流电压.该结构无需原边和副边复杂的控制和通信,几乎没有无功功率输出.通过DSP控制器作为恒流恒压输出的切换控制器.最后通过仿真和实验验证了基于接收侧π/T型变结构补偿网络恒流恒压输出特性和参数设计的准确性.     

4,4′—联吡啶在银电极表面上吸附行为的研究

本文使用恒电位方波慢扫描法,分别测量了不同浓度的4,4′—联吡啶在银电极表面的微分电容曲线,从而得到4,4′—联吡啶在银电极表面的吸附电位范围为-0.16V～-1.52V(VS:SCE)、吸附类型服从Frumkin型吸附、吸附自由能为-34.87kJ/mol。     

有源植入系统的磁耦合能量传输参数优化

有源植入式医疗设备的金属外壳在磁耦合能量传输应用中,由于涡流效应而限制了磁耦合能量传输的效率,且带来装置发热问题。针对该问题,该文建立含金属介质的磁耦合能量传输的等效电路模型,提出以接收效率为优化目标的系统设计方法,并用于可充电脑起搏器的研制。根据等效电路模型,接收效率取决于接收线圈匝数、负载阻抗和阻抗匹配参数;较高的等效负载阻抗会带来接收线圈最佳匝数增加,同时导致传输功率、传输效率和接收效率增加;电容串联补偿时,最佳补偿电容在较大值时获得,电容并联补偿时,最佳补偿电容在较小值时获得。动物试验结果表明,所研制的可充电脑起搏器在无温度控制下,最高温度多数分布在36~38℃,满足临床使用要求。     

可穿戴传感器进展、挑战和发展趋势

 可穿戴传感器是近年来高速发展的传感器技术。其功能、原理和形态各异,并已经广泛应用于国民生活和生产的多个方面。本文结合大量商业化和处于研究阶段的可穿戴产品和器件,简述了可穿戴传感器的主要形式,列举了可穿戴设备的常用测量方法。根据可穿戴传感器及人体的接触方式,将其划分为皮肤接触式传感器、非直接接触式传感器和植入式传感器,结合现有商业化产品及实验室中研究成果,展示了现今可穿戴设备在日常健康、医疗、运动科学、工业和军事等方面的广泛应用。认为可穿戴传感器技术将会在未来同大数据与精准医疗实现更高程度的结合,更好地服务于长期动态的人体信息和环境信息的采集。     

石英音叉陀螺机械及静电耦合误差的消除

为了消除石英音叉陀螺中音叉不对称产生的机械耦合误差及驱动电极与拾取电极间分布电容引入的静电耦合误差,分别采用了质量平衡调节消除机械耦合误差及设计补偿电路消除静电耦合误差的方法.实验结果表明,该方法基本消除了石英音叉陀螺的机械和静电耦合误差,陀螺性能得到明显提高.     

低压电力线载波通信的耦合电路分析

为了利用电力线实现可靠的载波通信,耦合电路的分析与设计是问于:一方面,要求载波信号的加载效率高;另一方面,要求电力网50 Hz的工频信号不能给载波通信系统带来太大的干扰.笔者采用了"电磁耦合"与"阻容耦合"相结合的"复合耦合技术",很好地解决了这一难题.基于这种"复合耦合技术",分析了"电力线载波通信的耦合电路".仿真结果和实验结果表明:该耦合电路既有较高的载波信号加载效率,又能完全地隔离电力网50 Hz的工频信号.因此,该耦合电路可广泛应用于电力线通信系统.     

人体动能驱动的可植入式电磁感应供电方法研究

当前,随着医学技术的飞速发展,满足各类治疗和诊断需求的可植入人体式医用器件日益增多,如何为其提供长期、稳定和高效的电能是一个关键问题.本研究分析了人体运动动能的量级,提出一种可植入式电磁发电装置,可适时捕捉人体动能并将其转化为电能.通过理论分析、模拟及在体实验,证实了新方案可于人体运动中收集到足够的电能来对植入式医疗器件供电,并就各种影响发电的因素,如发电装置内的动态电磁场强度、运动幅度以及不同植入部位的影响进行了全面评估,在此基础上讨论了发电器件微型化的问题.对于今后研究微型植入式医疗器械的永久性充电问题具有重要参考价值.     

异甘草素分子器件输运性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的计算方法,研究了异甘草素分子以不同方式耦合到金电极上时,其耦合程度与结构的伏安特性关系。研究表明,异甘草素分子能够与金电极形成良好的耦合;无论以何种方式耦合,所构成分子器件的电流随电压的增大先增大后减小,即存在负微分电阻效应。分子两端分别通过碳和氧原子与金电极耦合的分子结出现负微分电阻效应所需的电压小于两端分别通过硫原子和探针与金电极耦合的分子结;通过对比发现,在电压小于1.56 V时,分子两端分别通过碳和氧原子直接与金电极耦合的分子结的电阻较小,导电能力强。     

身边科学

日本开发出血液电池日本研究人员新开发出一种利用血液中的糖分发电的燃料电池。最终希望能将其作为人体内植入的医疗部件的电源。研究小组在实验中利用了血液模仿品——牛血清。燃料电池使用碳作为电极,上面涂有分解血液中葡萄糖的酶。酶分解葡萄糖后出现电子,从而产生电流。利用1日元硬币大小(相当于人民币1分硬币大小)的电极,研究人员最终得到了相当于0.2毫瓦的电量。研究人员称,上述发明将能够为植入糖尿病患者体内的测定血糖值的装置提供充足电量。加以改进,可以开发出半永久性燃料电池。目前,心脏起搏器等植入式医疗部件需要通过手术…