تصميم وصلة كفوءة لنقل الطاقة بالحث بحجم (8×8) ملم2 للأجهزة الطبية القابلة للزرع .
الملخص
ويعتبر نقل الطاقة بواسطة الحث الكهرومغناطيسي Inductive Power Link (IPL) من افضل الطرق لنقل الطاقة لاسلكيا من ناحية الكفاءة والأمان من بقية الطرق الأخرى لغرض استخدام هذا النوع من نقل القدرة في تطبيقات الاجهزة الطبية القابلة للزرع داخل الجسم Implantable Medical Devices (IMDs). يعتبر التحدي الاكبر في عملية التصميم لنقل الطاقة بالحث (IPL) هو تحقيق الحد الكافي من القدرة المطلوبة في التطبيق مع مراعاة ان يكون حجم الملف المزروع أصغر ما يمكن في داخل الجسم الحي.
في هذا العمل(الاختراع)، تم تصميم الملف المربع الشكل المستوي الحلزوني المطبوع Planar Spiral Coil (PSC)عند تردد الاشتغال 13.56 MHz المستلم للقدرة والمزروع تحت نسيج الجلد الحيوي باقل ابعاد mm2 (8×8) وبنفس كفاءة نقل القدرة Power transfer Efficiency(PTE) للملفات المصممة عالمياً سابقاً والاكبر حجماً . تعتمد كفاءة القدرة المنقولة حثيا" بشكل كبير على الشكل الهندسي للملف وعلى تردد التشغيل وتراكيب الملف المرسل والمستلم. تم اقتراح خوارزميات تحسين المعاملات للأشكال الهندسية لتصميم الملفات المقترحة باستخدام برنامج MATLAB لتحسين كفاءة نقل الطاقة. كما تم اقتراح تصميم وتحسين الملف المستلم مزدوج الطبقة بحجم mm2(8×8) مع مراعاة اقل تأثير للمفاقيد.
تم محاكاة تشغيل الملفات المقترحة باستخدام برنامج المحاكاة التراكيبي للترددات العالية (HFSS 15.03) High-Frequency Structural Simulator في حالتين، حالة الهواء وحالة النسيج الحيوي لجلد الانسان كفاصل بين الملفين المرسل والمستلم. تم مقارنة نتائج الحسابات الرياضية ونتائج المحاكاة الافتراضية بالنسبة لأداء كفاءة نقل الطاقة والوصول لأعلى قيمة ممكنة. أظهرت النتائج أن كفاءة نقل الطاقة(PTE) المحسوبة رياضياً عند استخدام الهواء كمادة عازلة وسطية بسمك 10 ملم كانت 79.9 % بتقنية الملف ذوالطبقة المزدوجة ، في حين أن نتيجة المحاكاة كانت 77.429 % لتقنية ملف الطبقة المزدوجة. كما أظهرت نتائج المحاكاة أنه عند استخدام النسيج البيولوجي كمادة وسطية بسمك 3 ملم، كانت الكفاءة المحققة 70.9% (انخفاض 6.5% فقط)، في تقنية الملف ذات الطبقتين.
تم تنفيذ تصميم الملفات الحلزونية المطبوعة المرسل والمستقبل ذي الطبقتين المحسنين بشكل عملي، وتم اختبارها بشكل تجريبي باستخدام الهواء بسمك 10ملم وأنسجة جلدية بيولوجية بسمك من 3 ̴ 4 ملم كمادة وسطية بين الملفين. وأظهرت النتائج التجريبية أن هناك انخفاضا إضافيا في كفاءة نقل الطاقة لتصبح 51.9% في حالة الهواء و44.2% في حالة نسيج الجلد. وأظهر التحليل المقارن لهذا العمل مع الاعمال الأخرى للباحثين في هذا المجال خلال العقد الماضي أن هذا العمل يوفر ملف مستلم أصغر حجما وأكثر كفاءة في نقل الطاقة.