经皮无线供能系统多物理场仿真技术

为了研究人工心脏经皮无线供能系统各电路电量与物理场场量之间的相互关系以及系统生物安全性,提出了一种多物理场仿真研究方法。该方法基于COMSOL仿真软件建立了经皮无线供能系统的电-磁-热多物理场耦合模型,模型包括电路模型和几何模型,电路模型主要包括逆变电路、补偿电路和整流滤波电路,几何模型主要包括发射线圈、接收线圈以及人体皮肤生物组织模型。通过仿真计算获得经皮无线供能系统在谐振和非谐振状态下各电路的电流、电压波形以及生物组织安全性指标比吸收率、场强和温度的数值,并参照国际人体电磁安全和人体生理学标准进行安全性评估,该研究为人工心脏经皮无线供能系统的设计和优化提供了有力的分析工具。     

基于生物安全性的无线能量传输系统接收线圈优化设计

分析了电磁生物安全性和人体内接收线圈温升安全性对无线能量传输系统的接收线圈设计带来的约束,建立了以能量传输效率为目标函数、以安全性和能量需求为约束条件的最优化模型,以实现接收线圈的优化设计.应用最优化模型对胶囊内窥镜的接收线圈进行优化设计,实验证明了该方法的可行性.
     

基于经皮能量传输的人工肛门括约肌生物电磁相容性研究

针对人工肛门括约肌的生物电磁相容性问题,通过对人体断层照片进行图像分割实现了组织的划分和识别,建立了包含40种生物组织的人体电磁模型.运用时域有限差分法,计算了经皮能量传输系统对生物组织产生的辐射剂量,获得了人体不同组织在该电磁场中的比吸收率分布情况,并根据国际人体电磁安全标准对其进行了深入分析.仿真结果表明,经皮能量传输系统在发射功率为1.5W,谐振频率为358kHz的实验环境下对人体组织具有良好的生物相容性.     

镁合金基HA材料生物相容性及生物活性的研究

采用电泳沉积法制备了镁合金基羟基磷灰石表面涂层生物复合材料.利用动物体内埋植实验和SBF浸泡实验分别对复合材料生物相容性及生物活性进行研究.将SD大鼠分为对照组和植入组,植入一定的时间后,取植入物周围组织进行切片、HE染色和组织分析;将复合材料恒温浸泡于SBF溶液四周后取出,通过检测复合材料表面生长磷灰石的能力作为评价该材料的生物活性.实验结果是植入物周围出现组织增生,有结缔组织及新生血管的形成,未见明显的组织炎症反应,无多核的巨细胞、淋巴细胞和中性粒细胞等炎细胞的浸润;复合材料浸泡于SBF溶液后,复合材料表面形成一层类骨磷灰石.表明镁合金基羟基磷灰石生物复合材料无细胞毒性,不引起机体免疫反应,能诱导磷灰石的形成,具有良好的生物相容性及生物活性.     

基于损耗实验的电主轴温度场分析

目的分析高速电主轴温度场分布情况,为研究高速电主轴温升、热变形预测提供理论依据.方法建立高速电主轴1/4三维有限元模型,基于损耗实验计算主轴电机及轴承生热率前提下分析高速电主轴温升分布情况.通过电主轴测试系统建立温升实验,测量高速电主轴外壳不同部位温升验证有限元仿真结论.结果仿真结果表明:高速电主轴稳态温度场中转子处温度最高,温度为84.4℃;高速主轴壳体最高温升出现在电主轴轴头处,温升为23℃,与实验结果相比误差为8.6%.结论通过分析温升仿真和实验得到高速主轴外壳不同部位温升不同,外壳温度变化是一个非线性变化过程,前2000s温度快速升高,2000s后温度逐步稳定.此结论为有效控制高速主轴温升,减小主轴变形及提高主轴精度提供理论基础.     

人工肛门括约肌无线供能系统设计与优化

基于电磁耦合原理,针对人造肛门括约肌系统,设计了一套无线供能系统.该系统主要包括无线能量发射端、接收端、整流模块、稳压模块和充电模块.研究了发射端的发射频率(40～120 kHz)对传输功率的影响,进而优化了稳压模块,并比较了锂电池充电效果.结果表明:在一定发射频率范围内,无线供能传输效率随着发射频率的增大而升高;发射频率为120 kHz时,传输效率可以达到57.47%,接收功率为1.12 W;锂电池能快速充电,为人造肛门括约肌系统提供稳定能量保障.     

试论非热电磁生物效应实验的重复性

根据生物代谢动态过程中的电磁干扰假说，用量子理论描述了非热电磁生物效应实验的重复性问题。结果表明，随着实验对象复杂程度的增加，非热生物效应实验的重复性降低。研究生物系统内部的复杂相互作用并加以控制，是解决提高实验重复性的重要手段。     

双轴驱动式人造肛门括约肌系统经皮无线供能

作为植入式医疗设备的一种,双轴驱动式人造肛门括约肌(BAAS)系统的经皮无线供能(TET)系统在植入活体后,受到增生包裹等体内环境的影响,面临耦合性能明显低于体外实验的问题,降低了其在医疗中的实用价值.结合现有BAAS的TET系统实验结果,针对受增生包裹导致的传输角度等问题,对现有TET系统的参数进行分析研究,得出了传输角度与传输效率的关系曲线.实验结果表明,在传输距离为30 mm时,传输效率仍可达到60%以上.在传输距离为30 mm条件下,传输角度为20°时,传输效率的均值可达到66.65%;传输角度为30°时,传输效率的均值可达到59.96%.发射线圈充电温度最大值为23℃,充电温度不会对人体造成低温烫伤的情况,满足BAAS系统性能要求,达到了在传输距离较远时仍可高效率传输能量的目的.     

一种经皮无线供能系统

研究了一种经皮无线供能系统.首先通过电路分析得到系统电压增益和传输效率等特性函数,同时根据经皮无线供能典型技术参数进行特性分析,在此基础上设计了基于能量注入的变频恒压控制方案,使得无线供能系统在负载和传输距离变化时始终高效率运行.搭建了经皮无线供能的实验系统,实验结果验证了理论分析和设计方案的正确性,在固定传输距离的整...     

一种DNAN基熔铸炸药铸装工艺安全性分析

为确保DNAN基混合炸药在铸装工艺过程中的安全性,以RZD-1炸药为研究对象,通过工艺安全性分析,获得了安全性风险因素及分类。利用数值仿真和试验测试,对炸药本质安全特性、相容性、热刺激等安全性影响因素进行了研究与分析。结果表明,炸药本质上是安全的,工艺过程中含能固相组分热损伤导致炸药本身机械感度的升高有限(≤40%),符合安全使用要求。装药在熔混和冷却凝固工艺过程中内部温升最大不超过3.5℃,不存在热爆炸的可能。由此证明DNAN基熔铸炸药铸装工艺是安全的。     

生物还原响应的酶交联可注射水凝胶

可注射水凝胶作为生物材料被广泛用于生物医学领域. 合成了含有二硫键的葡聚糖衍生物(Dex-SS-PA), 使用辣根过氧化酶化学交联制备出新型的生物还原响应的可注射水凝胶. 系统研究了这些水凝胶的物理化学属性, 包括成胶时间、胶含量及降解性, 同时使用生死染色实验和噻唑蓝比色法实验评价了它们的细胞生物相容性. 研究结果表明, 葡聚糖的分子量越大、根皮酸的取代度越高、Dex-SS-PA 的浓度越大, 获得的水凝胶成胶时间越短、胶含量越高. 在还原环境中, Dex-SS-PA 水凝胶能够被降解. 此外, 这些水凝胶没有明显的细胞毒性. 因此, 这类新的水凝胶预示着较好的生物医学应用前景.     

MEC系统中基于无线供能的多用户任务调度算法

节能且高效的计算是移动用户设备的必然趋势,针对无线供能的边缘计算网络,提出了一种多用户卸载决策及任务调度算法。在多用户二进制计算卸载模式下,通过联合优化无线供能时间、边缘用户的卸载决策及任务调度建立一个系统执行最大时延最小化的优化问题。由于该优化问题是一个混合整数的非凸优化问题难以求解,设计了一种两层交替迭代的求解方案,第一层采用贪婪算法或基于改进的约翰逊算法,求解出在给定无线供能时间下的用户卸载决策和任务调度,第二层基于黄金分割法求解出最优的无线供能时间。仿真结果表明,算法收敛速度快,并且有效降低了整个系统任务的执行时延。     

避雷线预绞丝端口的电磁损耗分布分析

避雷线预绞丝端口所产生的电磁损耗是预绞丝端口高温的主要热源,局部高温可能导致避雷线发生损伤.基于避雷线与预绞丝之间接触点的实际分布特征,利用Comsol有限元分析软件构建预绞丝端口的三维电磁场仿真模型.通过仿真计算得到预绞丝端口的电磁损耗密度分布,并进行分析讨论.结合稳态温升实验与接触电阻测量实验对仿真模型的准确性进行验证.基于该仿真模型,探究了预绞丝端口电磁损耗与钢的相对磁导率和绞线绞合参数之间的关系.研究结果表明,仿真模型具有足够的准确性,误差没有超过8%.预绞丝端口的电磁损耗主要集中于避雷线与预绞丝之间的接触点,各排接触点的电磁损耗随着轴向距离的增加逐步递减.此外,预绞丝端口的电磁损耗与钢的相对磁导率、相邻接触点的轴向距离呈正相关.     

选区激光熔化TC4生物腐蚀和生物相容性分析

选区激光熔化(SLM)为降低TC4钛合金医用植入体的弹性模量、减小应力屏蔽效应提供了一种有效的解决方案,但这种材料在投入实际应用前尚需有充分的生物安全性评价。采用SLM技术制备出致密度为99.5%的TC4合金,通过电化学实验、溶血实验和细胞毒性实验测试了SLM成形TC4的生物腐蚀性能和生物相容性,并与传统铸轧工艺制备的合金进行了对比。实验结果表明:前者相比于后者有着更好的耐蚀性能,并且SLM成形TC4还具有优良的生物相容性,在生物医用植入物方面展现出很好的应用前景。     

悬臂梁结构串级无线预测控制算法研究及验证

应用无线方式对结构进行主动控制已经有了初步研究,并逐步取代传统的有线控制策略.无线方式不可避免地引入了延时,影响了系统稳定和控制效果,所以无线主动控制必须要解决延时问题.基于悬臂梁结构搭建了无线控制实验系统,采用PID和模型预测控制相结合的串级控制策略,增加了延时补偿算法,分别以无延时、信号采集端有延时、信号采集端及控制信号输出端都有延时3种工况,对悬臂梁无线控制系统进行了仿真与实验.仿真和实验结果表明,所建立的无线控制系统可以对模型结构实现控制,所运用的延时补偿策略能达到与有线控制相媲美的控制效果,对实际工程应用具有很好的借鉴作用.     

基于生物免疫原理的新型无线传感器网络安全算法

基于无线传感网络安全分析, 提出一种新型无线传感器网络安全算法. 该算法结合生物免疫原理, 通过建立入侵特征库, 使安全系统具有记忆功能和学习功能, 并利用粗糙集解决了传感器网络中信息的不确定性和不完整性. 仿真结果表明, 在网络运行时, 该安全算法可行, 且入侵检测率明显提高.     

体内微机电系统无线能量传输技术的研究

无线能量传输技术主要利用电磁感应原理来传递能量,是近年来比较热门的新型电能供给技术,在许多场合有着广泛的应用前景.对无线能量传输技术进行详细的分析和研究.首先介绍了基于松耦合电磁感应的体内微机电无线能量传输系统的基本原理和基本结构,然后以互感模型为基础,建立了等效电路和数学模型,最后通过计算机仿真和实验对比,分析和讨论了无线能量传输系统电磁耦合结构参数对其系统性能的影响.     

肠道微型仿尺蠖式机器人机载供能线圈优化

采用无线电能传输技术供能的微型仿尺蠖式机器人在肠道疾病微创诊疗方面具有重要的应用价值,其机载供能线圈由圆环形磁芯和缠绕于磁芯上的圆环形绕组构成.本文提出一种机载供能线圈快速设计优化方法.首先,通过对绕组中各匝绕线进行几何建模,测定磁芯磁导率分布,分析金属零件涡流效应对供能线圈参数影响,建立了供能线圈的集成环境模型.然后,结合电磁理论,计算了供能线圈在集成环境中的互感和等效串联电阻.最后,以最大化供能线圈输出功率为目标,在温升安全性要求和机器人内部空间约束下,对绕组的轴向位置、层数、匝数和线径进行优化,获得了各设计参数选取的一般性结论.采用优化设计参数的绕组尺寸仅为?(12.0～12.4) mm×9.9 mm,当其位于磁芯轴向中心位置时,输出功率高达1 478.3 mW.     

生物压电陶瓷复合种植材料的制备与性能研究

研究了一种新型的人工生物压电陶瓷复合种植材料－ＨＡＢＴ生物压电陶瓷。对该种材料的压电性能、力学性能、热学性能、化学性能和生物学性能进行了初步考察和动物试验。结果表明，该材料既具有与人体组织相近的生物相容性和力学相容性，又具有相似于人体自然骨的压电性。该材料还能诱导骨组织的生长，符合生物安全性检测要求。     

微机器人胶囊能量无线传输系统的优化设计

微机器人胶囊能量无线传输系统的传输性能受到谐振频率、耦合系数、线圈匝数、线圈半径、补偿电容、线圈互感等诸多因素影响.为实现系统性能的全局最优,必须在满足微机器人胶囊最低能耗要求的前提下提高系统传输效率,同时兼顾系统稳定性、温升安全性、可靠性、体积参数等因素.文中基于微机器人胶囊能量无线传输系统初级线圈串联补偿-次级线圈串联谐振补偿模型,建立了系统的能效模型,以初、次级线圈匝数与线圈半径、谐振频率等参数作为优化变量,构建了优化问题的目标函数,对微机器人胶囊能量无线传输系统进行综合优化设计.针对该多变量非线性约束优化问题,采用了改进的遗传算法进行优化计算.实验结果表明,所提出的优化设计方法正确有效,所设计的的微机器人胶囊能量无线传输系统样机的能效达86.6 mW,传输效率达8.01%.