一种人工肛门括约肌经皮电能传输系统优化方法与流程

本发明涉及应用于医疗器械的电子技术领域，尤其涉及一种人工肛门括约肌经皮电能传输系统优化方法。

背景技术：

肛门失禁是肛肠疾病中常见的临床病症，严重影响患者的生活质量，甚至引起人格变化。并且随着人们生活水平的提高，该病症发病率持续上升，影响范围和程度不容低估。

肠造口手术和人工肛门括约肌是外科治疗肛门失禁的主要方法，其中肠造口手术是万不得已的最后选择，给患者带来的生理与心理负担非常沉重。人工肛门括约肌采用人造器官来治疗这一病症，取得了较好的临床效果。但是电能供给一直是限制这一设备发展的主要瓶颈，相比导线方式和电池方式，经皮电能传输技术在安全性与便捷性上显示了巨大的优势，但是该技术离成熟还有相当远的距离。

中国专利文献号cn103683434a，公开日2014-03-26，公开了一种应用于人工肛门括约肌执行模块的基于经皮能量传输的无线体内充电系统，包括：无线能量发射端和无线能量接收端，其中：所述的无线能量发射端包括逆变电路和发射线圈，无线能量接收端包括lc谐振回路、整流滤波电路和负载电路。但是该能量传输系统采用的是单磁芯凸台形式，致使有较多的漏磁产生，耦合效率不理想，因此能量传输的效率不高。

中国专利文献号cn104795905a，公开日2015-07-22，公开了一种用于人工肛门括约肌的经皮能量传输装置，该装置由位于体外的无线能量发射模块和位于体内的带有无线能量接收模块的括约肌执行模块。其中无线能量发射模块包括逆变电路以及能量发射线圈，无线能量接收模块包括能量接收线圈、补偿电容和整流滤波电路。该发明能够在一定程度上降低线圈之间的磁阻，提高能量传输效率，但是没有考虑到无线电能传输过程中的电磁安全性以及副边线圈发热造成的温升安全性，副边线圈的空间利用率低，使得设备植入时对附近组织造成的伤害较大。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种方法，使得人工肛门括约肌经皮电能传输系统即能保证传输效率，又对人体伤害较小。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种人工肛门括约肌经皮电能传输系统的优化方法，通过对副边线圈的参数优化设计，实现减小副边线圈体积，减轻植入装置对人体的伤害。

为实现上述目的，本发明提供一种面向人工肛门的经皮电能传输系统副边线圈参数优化方法，通过对人工肛门括约肌经皮电能传输系统的副边线圈的参数优化设计来实现系统优化，所述方法包括以下步骤：

步骤1、建立适应于肛门括约肌环境，包含原边线圈和所述副边线圈轴向与径向不确定因素的经皮电能传输模型；

步骤2、基于所述副边线圈在人体内部的热传导信息，建立对应的体内热传导模型；

步骤3、基于人体组织在电磁环境下对电磁的吸收信息，获得所述原边线圈结构、电流、驱动频率与人体电磁吸收情况之间的相互关系；

步骤4、计及体外便携式电源状况、安全性所致传输功率上限与体内装置最低传输功率要求，获得对应条件下所述副边线圈的最优参数。

进一步地，所述步骤1采用电磁感应原理，便携电源、逆变电路与所述原边线圈置于体外，所述副边线圈、电源管理以及所述人工肛门括约肌植于体内。

进一步地，所述原边线圈和所述副边线圈轴向与径向不确定因素为偏移和偏转。

进一步地，所述步骤1还包括计算所述原边线圈和所述副边线圈之间的互感，以所述原边线圈中点为原心，轴向为y轴，径向为x轴建立坐标，其中，所述副边线圈中心与所述原边线圈中心的轴向距离为h，径向距离为r，所述副边线圈与所述原边线圈的夹角为θ；所述原边线圈和所述副边线圈之间的互感公式为：

其中，

μ为磁导率，和分别为第i个初级和第j个次级线圈的半径，r为横向位移，θ为线圈间的角位移，k为变量，参数ψ(k)为其函数，为次级线圈任意点的集成角，β,v,ξ为无量纲参数，k(k)和e(k)分别为第一类和第二类全椭圆积分。

进一步地，所述h,r,θ均为有界的随机变量，是所述经皮电能传输过程中的不确定因素，全谐振状态下的最大耦合传输效率为：

其中，α为负载因子，qp,qs为所述原边线圈和所述副边线圈空载品质因数。

进一步地，所述副边线圈在人体内部的所述热传导信息，包括肛门附近复杂环境的热传导系数。

进一步地，所述步骤2还包括考虑胃肠道组织的血液灌注率，采用pennes传热方程描述副边线圈在胃肠道内部的散热情况，散热功率pr为：pr＝kts0τ，其中，kt为与材料有关的散热系数，s0为散热面积，τ为与环境温度的温差；当所述副边线圈发热功率不大于其散热能力时，所述副边线圈发热不会对人体组织造成伤害。

进一步地，所述步骤3还包括根据人体电磁剂量阈值，以及所述人体电磁剂量阈值与激励频率和电流的关系，可以获得给定所述原边线圈对应的所述激励频率和所述电流的边界。

进一步地，所述步骤4对应条件下所述副边线圈的最优参数的计算公式为：

min{v}

其中，v为所述副边线圈体积，f和i为所述激励频率和所述电流，pmin为计及所述不确定因素时接收到的最小功率，p0为系统需求的功率，t为所述副边线圈实时温度，t0为长期工作时的温度上限，通常为42.5⁰，sar为局部比吸收率，j为电流密度。

进一步地，所述步骤4之后还可以包括如下步骤：

步骤5、计算优化后的所述副边线圈在正常工作状态下的传输功率，并判断最小传输功率是否大于预设功率以及最大传输功率是否符合电磁生物安全性和温升安全性条件；

步骤6、若满足所述步骤5条件，则将优化后的参数作为常规工作信息；

步骤7、若不满足所述步骤5条件，则返回所述步骤1。

所述步骤4还包括：

步骤4.1、从各相互关系中确认符合约束条件的所述副边线圈体积最小的相互关系；

步骤4.2、根据所述的相互关系调整所述副边线圈的结构参数。

通过本发明的优化设计方法，基于包含轴向、径向偏移与偏转等不确定因素的经皮电能传输模型，以获得功率传输的鲁棒稳定性边界，基于建立的人体电磁计算模型与生物传热模型，以获得括约肌肌群环境下经皮电能传输系统对人体组织细胞的安全性阈值，并以此优化，实现了提高经皮电能传输系统的安全性与稳定性的目的。

并且通过本发明的优化设计方法，确定副边线圈在给定体外便携式电源状况、安全性所致传输功率上限与体内装置最低传输功率要求的工作信息，并以此优化，实现了提高副边线圈及人工肛门括约肌空间利用率，减少植入装置对人体的伤害的目的。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的流程示意图，

其中s10-步骤1，s20-步骤2，s30-步骤3，s40-步骤4，s50-步骤5，s60-步骤6，s70-步骤7；

图2是人工肛门括约肌经皮电能传输系统结构示意图；

图3是原边线圈和副边线圈相对位置空间坐标图；

图4是副边线圈结构示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。

如图1所示，本发明提供一种面向人工肛门的经皮电能传输系统副边线圈参数优化方法，通过对人工肛门括约肌经皮电能传输系统的副边线圈的参数优化设计来实现系统优化，供能对象为水泵式人工肛门括约肌系统，负载平均为45欧，功耗大小为700mw。

面向人工肛门的经皮电能传输系统副边线圈参数优化方法包含7个步骤：

步骤1(s10)，基于人体姿态变化与其它外部因素造成的原副边线圈位置变化情况，建立包含轴向、径向偏移与偏转等不确定因素的经皮电能传输模型。

原副边线圈均由铁氧体磁片和平面螺旋litz线绕组组成，原边线圈位于体外，尺寸要求不严格，副边线圈植入皮下，其外径和厚度都要求尽量小。轴向间距为20±5mm，径向间距为±5mm，角度偏差为±7.5°。

步骤2(s20)，基于副边线圈在人体胃肠道内部的热传导信息建立对应的体内热传导模型；

设定原副边额定轴向距离为15mm，此时副边线圈处于腹部下方的皮下脂肪部分，传热环境相对单一。

步骤3(s30)，基于人体组织在电磁环境下感应的电流密度与对电磁能的吸收程度，获得原边线圈结构、电流、驱动频率与人体电磁计量之间的相互关系；

采用有限元软件建立人体电磁计算模型计算人体组织在电磁场中的电磁剂量分布，其中sar值受电场强度、电导率和组织密度影响，与外加电磁场的驱动频率成正比，j值受电场强度和电导率影响，与原边发射电流的大小和频率成正比。

步骤4(s40)，计及体外便携式电源状况、安全性所致传输功率上限与体内装置最低传输功率要求，获得对应条件下副边线圈的最优参数；

优化后的副边线圈结构如图4所示，采用30匝44awg绞合得到的litz线绕制，副边线圈共2层，每层13匝，外径17.5mm，内径5.5mm，单层电感39.06μh，电阻2.1ω。所采用的磁芯相对磁导率为2900，磁片厚度1mm，电导率0.25(ωm)-1。

优选地，在步骤4之后，还包括以下步骤：

步骤5(s50)，计算优化后的副边线圈在正常工作状态下的传输功率，并判断最小传输功率是否大于预设功率以及最大传输功率是否符合电磁生物安全性和温升安全性条件。

当原边线圈上的电流频率为270khz，大小为900ma时，能够持续为人工括约肌提供700mw以上的功率，并且在最极端的情况下，sar值最大为16.1mw/kg小于icnirp设定的最小基本限值0.4w/kg，j值最大为2.14a/m2，小于icnirp设定的最小基本限值10a/m2，同时，副边线圈温度没有超过限值。故可将这些参数作为常规工作信息。这一设计在相同尺寸在优于已有结果，在满足系统功率需求的前提下，体积下降超过36％。

步骤6(s60)，如果满足条件则将优化后的参数作为常规工作信息。

步骤7(s70)，如果不满足条件则返回步骤1。

如图2所示，其是人工肛门括约肌经皮电能传输系统结构示意图，便携电源、逆变电路与原边线圈置于体外，副边线圈、电源管理以及所述人工肛门括约肌植于体内。

如图3所示，其是原边线圈和副边线圈相对位置空间坐标图，原边线圈中点为原心，轴向为y轴，径向为x轴建立坐标，其中，副边线圈中心与原边线圈中心的轴向距离为h，径向距离为r，副边线圈与原边线圈的夹角为θ。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。