Одним із прикладів використання досягнень сучасної біомедичної інженерії є використання штучних органів, які імплантуються людині і можуть тимчасово або довгостроково виконувати життєво необхідну функцію. Створені імплантати різної технічної складності, багато з яких мають електричні та електронні складові. До штучних органів критичного життєзабезпечення відносять апарати «штучне серце» (ШС). Споживана потужність таких пристроїв, як наприклад AbioCor» компанії «Abiomed» (США), «HeartWare» (ФРН), HeartAssist 5 PediatricVAD» компанії «MicroMedCardiovascular» становить від 3 до 19 Вт в залежності від фізичного навантаження і психологічного стану людини [1]. Тому виникає одночасно інженерна і медична задача забезпечення надійного електропостачання з необхідною потужністю  таких імплантатів.

За медичними вимогами для тривалого застосування апаратів подібних до ШС є перспективним безконтактний спосіб забезпечення електроживлення з використанням явища електромагнітної індукції. Використовуючи змінне магнітне поле з індуктивним зв'язком між зовнішнім передавальним контуром і внутрішнім імплантованим приймальним здійснюється трансформація електроенергії.

Проведена розрахункова оцінка глибини проникнення змінного магнітного поля в біотканини та допустимий нагрів в області розташування приймального контуру показала, що компромісним значенням частоти поля є інтервал 100…200 кГц.  На цих частотах також є прийнятними маса, розміри та форма внутрішнього (імплантованого) індуктора, які повинні відповідати умовам безпечного розташування в організмі пацієнта та можливими просторовими його зміщеннями в результаті процесів життєдіяльності. З досвіду практичної медицини найбільш прийнятна еліпсоїдальна форма імплантату. Для внутрішнього індуктора, який повинен включати обмотку з ізольованого дроту розташовану в плоскому циліндричному магнітопроводі, доцільна форма суттєво стисненого сфероїда з найбільшим діаметром перетину до 30…40 мм. Наявність магнітопроводу (осереддя) зменшує магнітний потік розсіювання у внутрішні тканини, але одночасно підвищує масу індуктора. Прийнятним рішенням є використання для магнітопроводу середньо частотних феритів з відносною магнітною проникливістю 600-1000.

Конструкцій індукторів придатних до імплантації в організм людини які б знайшли широке практичне застосування на сьогодні не розроблено. Тому доцільно використати деякі елементи апаратних засобів для безконтактного електроживлення радіоелектронної апаратури. Найбільшого розвитку і галузевої стандартизації отримали пристрої для безконтактної зарядки акумуляторів і живлення мобільних засобів зв’язку та комп’ютерної техніки.

Згідно класифікації Асо­ціа­ції користувачів електроніки Consumer Electronics Association технологію безконтактного живлення пропонується  розрізняти в залежності від величини коефіцієнту зв’язку k. Якщо значення k близько до одиниці – то це сильно - зв’язана система (tightly-coupled), якщо k < 0,1 – слабо ­- зв’язана (loosely-coupled). Товщина біотканин між зовнішнім і внутрішнім приймальним індуктором за медичними вимогами становить 10…20 мм. Згідно специфікацій альянсу Alliance for Wireless Power (A4WP) для зазначеної відстані k ≈ 0,1. В цьому випадку рекомендується використовувати технологію MR (Mag­ne­tic Resonant – магнітно-резонансну). За цією технологією передавальний і приймальний індуктори виконані як слабко зв’язані коливальні контури. Компанія Würth Elektronik eiSos, яка входить до консорціуму Wireless Power Consortium (WPC) та альянсу A4WP налагодила випуск спеціальних котушок для передавального і приймального ланцюгів систем безконтактного живлення [2]. За конструкцією це плоскі котушки зі спіральною намоткою. Форма передавальної котушки кругла, а приймальної – еліптична, це дає змогу підтримувати стабільне значення коефіцієнту k при паралельному зміщенні площин котушок. Котушки розраховані на робочий діапазон частот 120…140 кГц, величини значень ефективних струмів 1,4…6 А, амплітуда напруг до 40 В. Такі характеристики, в основному, відповідають умовам живлення апарату ШС.  Дослідження проведені компанією встановили, що найбільша ефективність передачі енергії досягається коли співвідношення числа витків передавальної котушки до приймальної становить 1:3. Також, для роботи з цими котушками компанія Linear Technology Corporation випустила контролер безконтактного живлення LТС4120. Він забезпечує роботу ланцюга приймальної котушки. На одному кристалі реалізовані функції приймача, регулювання рівня вихідного сигналу, випрямляча і стабілізатора вихідної напруги. Для передаючої котушки розроблено цим же виробником демонстраційну плату DC1968A.

Література

1. Go, A. S. et al. Heart disease and stroke statistics—2014 update: a report from the American Heart Association. Circulation 129, e28–e292 (2014).
2. Катушки индуктивности для систем беспроводной зарядки / Рангу Нарайянан //Электронные компоненты. 2017, №6. – С. 54 – 59.