使用 Ansys HFSS 对植入式医疗设备进行无线电力传输和 SAR 仿真
无线电力传输 （WPT） 无需物理连接器或电线即可传输电能。这项技术在各个领域都具有巨大潜力，尤其是在医疗保健领域，它可以应用于为植入式医疗设备提供动力，例如起搏器、神经刺激器和药物输送系统。通过消除对有线连接的需求，WPT 可以提高医疗设备的舒适度和使用寿命，降低感染风险，并为患者提供更大的灵活性。
然而，随着医疗设备引入无线电源，确保安全变得至关重要。需要考虑的一个关键因素是比吸收率 （SAR），它衡量人体吸收的电磁能量。对于植入式医疗设备，必须评估 SAR 以确保无线电力传输不超过安全限度，从而可能对组织或器官造成伤害。
仿真无线电力传输和 SAR 对于优化植入式医疗设备的性能，同时确保患者安全至关重要。Ansys HFSS凭借其先进的电磁仿真功能解决了这些挑战，使工程师能够详细建模和分析植入式设备。通过准确仿真功率传输效率和 SAR 水平，HFSS 提供了关键见解，支持设计更安全、更高效和更可靠的医疗设备。
在本博客中，我们将探讨如何使用Ansys HFSS仿真植入式医疗设备的无线电力传输和SAR。
协同仿真工作流程：
SAR 量化了单位质量的组织吸收电磁能的速率。它以瓦特/千克 （W/kg） 表示，由下式给出：
哪里：
- σ = 组织的电导率 （S/m）
- |E| = 电场强度 （V/m）
- ρ = 组织的质量密度 （kg/m³）
在美国和加拿大，SAR 限值设定为 1.6 W/kg，平均超过 1 g 组织。在欧洲经济区，该限值更高，为 2 W/kg，平均为 10 g 较大体积的组织。
在以下示例中，使用 Ansys 头部模型对以 15 MHz 运行的 WPT 系统进行仿真。
WPT 设备的 HFSS 模型和 Ansys 头部模型
在 HFSS 中单独模拟发射器/接收器线圈有助于确定其电感，然后用于计算在所需工作频率下实现谐振所需的电容。本例创建了以下线圈，显示 15 MHz 时的电感为 0.238 μH。
发射线圈
微亨式发射器线圈电感
此外，线圈的自谐振可以绘制如下图：
发射机 Z 参数
线圈的 HFSS 仿真完成后，它就会链接到电路，在那里添加调谐电容器并进行调谐以实现 15 MHz 的谐振。带有调谐电容器的电路原理图如下所示：
绘制的 S 参数显示出出色的谐振，在 15 MHz 时回波损耗优于 -30 dB。
回波损耗
在完整的 HFSS 模型中，接收器使用了类似的线圈，并增加了一个塑料外壳。
该模型（包括发射器、接收器和磁头）最初在 HFSS 中进行仿真，然后动态链接到 Circuit，其中调谐电容器被添加到设计中。在 Circuit 中调谐电容器后，更新的激励被推回 HFSS，从而允许使用集成电路元件实现电磁场的可视化并启用 SAR 计算。带有调谐电容器的电路原理图如下所示：
协同仿真允许电路模型控制激励，以便对 EM 解决方案进行后处理。要在 HFSS 中以 50 欧姆负载设置 1W 的输入功率，应根据以下关系将端口 1 的电压源属性中的 ACMAG 设置为 20V：
WPT S 参数在 15 MHz 时表现出良好的谐振，回波损耗优于 -19 dB，插入损耗为 -0.75 dB。
S 参数
相应的 WPT 效率（以 S21 的平方量值计算）为 84%。
WPT 效率
将更新的激励推回 HFSS 后，将计算 SAR 最大值和分布。首先，创建一个对象列表，包括 skin 和 skull 对象。然后，在 SAR 设置窗口中将其选中，其中指定了组织质量和体素大小。在以下设置下，使用 IEC/IEEE 62704-4 方法计算超过 1 克组织的平均 SAR。
在 HFSS 中，可以通过 Edit Sources 窗口验证输入功率。在这种情况下，输入功率为 1 W。
在 1 W 的输入功率和 1 g 的组织质量下，模拟的 SAR 最大值为 0.4 W/kg。这相当于 4 W 的输入功率才能达到 1.6 W/kg 的美国限制。
超过 10 g 的模拟 SAR 最大值平均值为 0.082 W/kg，这相当于 24.4 W 的输入功率才能达到 2 W/kg 的欧盟限制。
