蓬勃动力,能量迸发

作者 Venkat Gaddam,美国明尼阿波利斯Medtronic 公司的高级电气工程师。

Medtronic 借助仿真技术确保皮下医疗设备安全充电。

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Charged Up - Medtronic neurostimulator

Neurostimulator recharge diagram 
充电器与神经刺激器图

植入在患者皮肤下面的神经刺激器能够提供温和的电子信号,这样可以通过阻止疼痛信号到达大脑而减轻疼痛。与在患者体内循环的口服药物不同,神经刺激器可直接针对经受疼痛煎熬的具体区域。为了确定神经刺激器是否能缓解疼痛,患者在接受长期治疗之前,可以先进行试用;如果患者决定接受不同治疗,则可以通过手术取出该设备。可充电神经刺激器的电池由低频电感能量转换器采用连接到患者腰带的充电器进行充电。充电器可发射3~300kHz 的非辐射磁场,能够穿透人体组织和植入装置的密封金属外壳进行通信与充电。

根据相关操作配置,工作频率超过9kHz 的无线电力传输装置应遵守美国联邦通信委员会(FCC)第15 部分或第18 部分的规定。医疗设备制造商应定期咨询FCC 工程与技术试验部知识数据库(KDB)办公室,以获得有关无线电力传输合规评估的进一步指导。进行上述咨询后,全球最大的医疗技术公司Medtronic 被要求证明无线电力发射器的射频(RF)暴露合规性。

比吸收率(人体暴露于充电器产生RF 电磁场时吸收能量的比率)测试装置需要花费高昂的成本与大量时间进行构建。Medtronic 采用ANSYS Maxwell电磁场仿真软件对充电器的运行进行仿真,并预测局部人体组织的SAR,从而避免产生上述成本,同时及时地研发出神经刺激器产品。仿真显示充电器产生的SAR 远远低于现有FCC 限制;FCC接受相关仿真结果可用于神经刺激器充电器的认证。

ANSYS Maxwell tissue model
ANSYS Maxwell 中带充电器线圈的10 克组织模型
Muscle tissue ANSYS Maxwell model
1克肌肉组织的Maxwell模型

Medtronic 采用ANSYS Maxwell 电磁场仿真软件对充电器的运行进行仿真,并预测局部人体组织的SAR,从而避免产生上述成本,同时及时地研发出神经刺激器产品。

经皮充电产生的SAR

§2.1093(d)(2) 提出的现有FCC RF暴露规定:整个人体平均SAR 暴露极限为0.08 W/kg,而任何1 克立方体形状组织的平均空间峰值SAR 不超过1.6W/kg。SAR 是通常用于量化人体组织暴露于射频信号时所受影响的变量(给定密度下,一定体积内质量增量吸收的能量增量的时间导数)。通过计算电磁源附近的SAR 值可以确定空间峰值SAR。之后将相关域分成给定尺寸的立方体,然后评估各立方体的平均SAR 值。由平均SAR 值最高的立方体确定峰值空间平均SAR。

Medtronic 的工程师相信其充电系统产生的暴露电平较低,但是需要测量其电平,才能获得对新产品的批准。有一些获得FCC 认证的测试组织机构可以承包SAR 测量,但是Medtronic 工程师很快了解到这些组织机构无法运行相关神经刺激器充电器所用的低频率的测试。

Medtronic 的工程师相信其充电系统产生的暴露电平较低,但是需要测量其电平才能获得对新产品的批准。

ANSYS human body model coil position
ANSYS人体模型中的线圈定位

用ANSYS MAXWELL 评估SAR

Medtronic 的工程师采用 ANSYS Maxwell评估充电器线圈产生的SAR值,希望FCC 允许以经过验证的精确仿真结果代替物理测试。他们之所以选择Maxwell,是因为相关工具易于建立模型与网格,而且求解时间相对较短。Medtronic 的工程师采用了Maxwell 提供的人体组织模型,其中包括划分为10克立方体和1 克立方体的肌肉。此外,他们还采用了包含皮肤、脂肪、筋膜和肌肉层的切片组织模型。工程师指定了充电器所产生磁场的强度与几何结构。Maxwell 相应生成了用于求解相关问题的合适网格,并采用有限元方法计算整个求解域内的准静态电磁场。

Medtronic 的工程师携手ANSYS 的支持工程师创建了一个简单的VisualBasic 脚本,其可以根据仿真结果计算SAR 值。为了计算峰值空间平均SAR,该脚本计算了0.25 米×0.19 米×0.04米组织切片内每个单元的SAR。每个10 克立方体均带2.15 厘米的边缘。Maxwell 仿真技术预测的峰值SAR 值远远低于当前的FCC 限值。

SAR values based on the simulation results
根据仿真结果获得的SAR值

工程师采用三种不同方法验证Maxwell预测的精确性。

验证仿真

Simulation vs. testing
根据分析与物理测试结果验证模型

Medtronic 的工程师采用三种不同方法来验证Maxwell 预测的精确性。首先,他们创建了一个非常简单的模型,并且用Biot-Savart 方程式手动计算磁场(该方程式可以将磁场与电流幅度、方向、长度与接近度关联在一起),而且同时还利用Maxwell 软件进行了计算。然后,他们采用NARDA Safety Test Solutions® 电磁场探测分析仪建立了简单的物理测试,以测量充电器产生的磁场;接着将这些测量结果与Maxwell 仿真结果进行对比。最后,工程师采用ANSYS HFSS 3D 全波电磁场仿真器仿真了峰值10 克平均与峰值1克平均SAR 值。 Maxwell 仿真结果与上述各种验证方法的结果只差百分之几。

Medtronic 将Maxwell 仿真结果纳入新产品材料一并提交给FCC。Medtronic 的工程师能够进一步证明:即使模型中的组织几何结构被分成不同立方体组合时,也不会产生更高的SAR值。方法是以离散步长围绕组织几何结构移动立方体,同时计算该立方体在各个可能位置的平均SAR 值。扫掠立方体体积可以确定每个可能的立方体在目标组织体积内的平均SAR 值。相关结果证明1 克立方体可能的最高峰值平均SAR值为15.68mW/kg,比任意分割的模型中的值高出不到1%。

Medtronic 确定了ANSYS Maxwell 能够提供相对简单的方法来快速测量10 克与1 克峰值空间平均SAR,符合FCC 充电设备的法规要求。FCC 接受了相关仿真结果,因此与采用物理测试获得相同数据相比,该公司节约了大量时间与资金。

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