Проекты

Сравнение эффективности катушек индуктивности разных форм для беспроводной передачи энергии имплантируемым медицинским устройствам

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «IT в медицине, биомедицинские технологии, медицинское приборостроение, бионика» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Медицинское приборостроение, Энергообеспечение имплантируемых устройств
Авторы работы: ГБОУ Школа № 618
Предметы: Физика, Математика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2020 года

Актуальность

Нехватка донорских органов в современном мире является очень серьёзной проблемой. Так, по статистике Всемирной организации здравоохранения, ежегодно происходит пересадка около 5500 донорских сердец, при этом требуемое количество операций в несколько раз выше. Имплантируемый аппарат вспомогательного   кровообращения позволяет пациентам дождаться донорского органа, но требует стабильного питания. И это лишь один из примеров имплантируемых устройств, требующих питания извне.

При проводной передаче энергии существует высокий риск инфицирования (~ 40 %); аккумуляторная передача может обеспечить работу имплантируемых медицинских устройств лишь с низким потреблением энергии. Беспроводная же передача энергии в перспективе может решить данные проблемы, но только при условии высокой эффективности, на что и направлено данное исследование.

Цель

Выявление наиболее эффективной формы катушки индуктивности для беспроводной передачи энергии имплантируемым медицинским устройствам при осевых смещениях.

Задачи

  1. Теоретический анализ проблемы осевых смещений между катушками индуктивности.
  2. Создание трёх пар катушек различной формы.
  3. Экспериментальное исследование эффективности передачи энергии для всех пар катушек при осевых смещениях.
  4. Анализ полученных результатов.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

В качестве объекта исследования использовались 3 пары медных катушек: квадратные, круглые и плоские спиральные. Они имели равную длину провода и одинаковое сопротивление, что обеспечивало корректность проведённых исследований.

Для проведения эксперимента использовалась экспериментальная установка, состоящая из генератора электрических сигналов  Tektronix, цифрового осциллографа LeCroy HDO9104R и подвижной системы позиционирования катушек.
Вся система управлялась с помощью программного обеспечения, написанного в среде LabView.

Описание

На первом этапе автор провёл теоретический анализ физических механизмов беспроводной передачи энергии, изучил и сравнил различные методы энергообеспечения имплантов.

На втором этапе автор выполнил расчёт параметров катушек индуктивности, выбрал формы и размеры и намотал три пары катушек из медного провода с эмалированной изоляцией.
На третьем этапе автором были проведены экспериментальные исследования эффективности передачи энергии с помощью лабораторного оборудования.
Финальным этапом работы стал анализ полученных результатов.

Результаты работы/выводы

Все исследования проводились при следующих параметрах: частота

переменного тока на источнике питания – 1 МГц, входное напряжение 5 В. Результаты измерений для всех пар катушек представлены на графике.

На графике можно увидеть, что эффективность кольцевых и квадратных катушек при осевых смещениях практически одинакова. Отношение выходного напряжения ко входному на расстоянии 10 мм составляет около 19 %. Аналогичный параметр на том же расстоянии у спиральной катушки составляет около 24 %.

По результатам эксперимента наиболее эффективной формой катушки индуктивности для беспроводной передачи энергии имплантируемым медицинским устройствам при осевых смещениях является плоская спиральная.

Перспективы использования результатов работы

Результаты проведённого исследования помогут разработать более совершенную систему энергообеспечения имплантируемых медицинских устройств, а также будут полезны в дальнейших исследованиях в области беспроводной передачи энергии.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИУ МИЭТ, АО «ЗИТЦ», ООО «ЭСДИАР».

Награды/достижения

Конференция «Творчество Юных», НИУ МИЭТ – финалист.

Мнение автора

«Надеюсь, что мой проект будет востребован при разработке медицинских устройств с беспроводной передачей энергии, например насоса искусственного кровообращения, и поможет снизить смертность пациентов из-за недостатка донорских органов.

Конференция была проведена без каких-либо проблем, несмотря на нестандартный удалённый формат. Я рад был поучаствовать в данной конференции, получил новые знания и опыт создания проектов, что поможет мне в дальнейшей работе».