skip to Main Content
Het draadloos opladen van een medisch implantaat

Doel: Dit project was gericht op het ontwerp van de draadloze energieoverdracht voor een medisch implantaat. Dit implantaat wordt permanent geplaatst in het lichaam van een patiënt en werkt op een batterij. Het moet elke paar dagen draadloos worden opgeladen. We hebben het elektrische circuit van het implantaat gesimuleerd, alsook de interactie van het implantaat met de externe draadloze oplader en het huidweefsel eromheen. Daarnaast zijn twee belangrijke eigenschappen van het systeem onderzocht: hoe veel de temperatuur van het huidweefsel rond het implantaat stijgt door de absorptie van het elektromagnetisch veld en wat de temperatuur van het implantaat zelf is. Met andere woorden: hoeveel energie wordt geabsorbeerd door het huidweefsel rond het implantaat, en kan lokale oververhitting ontstaan door het implantaat?

Een maat voor de hoeveelheid geabsorbeerde energie is de Specific Absorption Rate (SAR). De maximaal toegestane waarde van de SAR is 10 milliwatt per 10 gram. Voor de temperatuur van het implantaat geldt dat het niet meer dan 2 graden warmer mag zijn dan het weefsel eromheen.

Fig1

Figuur 1: Magnetische veldlijnen en stroom in een elektromagnetische simulatie van de zender spoel.

Figuur 2: Opwarming van het lichaam door het implantaat.

Aanpak: Het oplaadmechanisme van de batterij is gebaseerd op twee spoelen: een ontvanger (Rx) en een zender (Tx). De ontvanger is geïntegreerd in het elektrische circuit van het implantaat, en de zender bevindt zich in de externe oplader. We hebben COMSOL Multiphysics gebruikt om de twee spoelen te ontwerpen en te optimaliseren (Fig. 1). Het doel was  om genoeg stroom op te wekken in de ontvanger om het implantaat op te laden, terwijl het energieverlies in beide spoelen en de elektrische circuits zo klein mogelijk is.

In het COMSOL model is de ontvanger 3 cm onder de zender geplaatst. De middelpunten van beide spoelen zijn niet precies boven elkaar geplaatst, maar met een verschuiving van 3 cm, om een realistisch scenario na te bootsen. Het elektrische circuit van het implantaat is gesimuleerd met LTspice, en experimenteel geverifieerd met behulp van een breadboard.

Tot slot zijn simulaties gedaan om lokale warmteontwikkeling in het weefsel en het implantaat te bestuderen, voor verschillende dieptes van het implantaat (Fig. 2). Voor deze simulaties was het nodig om de elektromagnetische en thermische fysica aan elkaar te koppelen met COMSOL.

Resultaten: Met de simulaties in COMSOL Multiphysics, zijn de ontvanger en zender spoelen ontworpen zodat genoeg stroom wordt opgewekt in de ontvanger, zonder de maximaal toegestane SAR waarde te overschrijden (Fig. 3). De SAR waarde, gemiddeld over 10 gram weefsel om de locatie maximale waarde, is een ordegrootte onder de maximaal toegestane waarde.

De breadboard verificatie van het elektrische circuit van het implantaat, inclusief de ontworpen spoelen, kwam goed overeen met de LTspice simulatie en demonstreerde dat genoeg energie overgedragen kan worden naar de ontvanger en dus de batterij.

Simulaties van de warmteontwikkeling zijn uitgevoerd voor verschillende dieptes van het implantaat, zodat we konden kwantificeren voor welke diepte onder de huid de lokale warmteontwikkeling onder de 2 graden blijft. Na de experimentele verificatie van het eindontwerp is dit oplaadmechanisme klaar om geïntegreerd te worden in het ontwerp van het implantaat.

Figuur 3: Specific Absorption Rate (SAR) ten gevolge van de ontvangende spoel. Deze waarde bleek klein te zijn vergeleken met de SAR veroorzaakt door de verzendende spoel. De SAR is maximaal bij het middelpunt van de spoel.

Back To Top