一、引言

植入式醫(yī)療設備（如心臟起搏器、神經(jīng)刺激器）的供能方式直接影響其使用壽命與安全性。傳統(tǒng)電池供能存在容量有限、需二次手術更換等缺陷，而基于MEMS（微機電系統(tǒng)）傳感器的無線供能技術，通過體外射頻耦合實現(xiàn)能量傳輸，成為解決這一難題的關鍵方案。本文從系統(tǒng)架構、關鍵技術及實現(xiàn)路徑三個維度，解析該技術的核心原理與工程實踐。

二、系統(tǒng)架構

無線供能系統(tǒng)由體外發(fā)射端與體內(nèi)接收端構成：

體外發(fā)射端：包含信號源、功率放大器、發(fā)射線圈，產(chǎn)生高頻交變磁場。

體內(nèi)接收端：由接收線圈、整流電路、儲能元件（如超級電容）及MEMS傳感器組成，實現(xiàn)能量采集與信號處理。

關鍵參數(shù)：

射頻頻率：13.56 MHz（符合ISO 14443標準）

傳輸距離：≤5 cm（滿足皮下植入深度）

能量轉(zhuǎn)換效率：≥30%（通過阻抗匹配優(yōu)化）

三、關鍵技術

1. MEMS傳感器的小型化設計

采用體硅微加工工藝，制造尺寸為1 mm3的加速度計與陀螺儀組合（IMU）。其核心優(yōu)勢在于：

低功耗：工作電流＜10 μA

高靈敏度：加速度分辨率達0.1 mg

集成化：將傳感單元與信號調(diào)理電路集成于單芯片

代碼示例（MEMS傳感器數(shù)據(jù)采集）：

c

#include <Wire.h>

#define IMU_ADDR 0x68  // MPU6050地址

void setup() {

 Wire.begin();

 Wire.beginTransmission(IMU_ADDR);

 Wire.write(0x6B);  // 喚醒寄存器

 Wire.write(0x00);

 Wire.endTransmission();

}

void loop() {

 Wire.beginTransmission(IMU_ADDR);

 Wire.write(0x3B);  // 讀取加速度計數(shù)據(jù)

 Wire.endTransmission();

 Wire.requestFrom(IMU_ADDR, 6);

 int16_t ax = (Wire.read() << 8) | Wire.read();

 int16_t ay = (Wire.read() << 8) | Wire.read();

 int16_t az = (Wire.read() << 8) | Wire.read();

 float gx = ax / 16384.0;  // 轉(zhuǎn)換為重力加速度

 Serial.print("Ax: "); Serial.print(gx); Serial.println(" g");

 delay(100);

}

2. 射頻耦合的阻抗匹配技術

通過Smith圓圖設計，實現(xiàn)發(fā)射端與接收端的阻抗匹配：

發(fā)射端：50 Ω特征阻抗

接收端：動態(tài)調(diào)整負載阻抗至共軛匹配

公式推導：

其中：

Z

L

：負載阻抗

Z

0

：源阻抗

Γ：反射系數(shù)

3. 能量存儲與管理

采用鋅離子混合超級電容器（ZHS），其能量密度達20 Wh/kg，循環(huán)壽命＞10?次。通過DC-DC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)：

充電截止電壓：2.5 V

放電截止電壓：1.8 V

恒流充電電流：1 mA

代碼示例（超級電容充電控制）：

c

#define CHARGE_PIN 9

#define VOLTAGE_PIN A0

void setup() {

 pinMode(CHARGE_PIN, OUTPUT);

}

void loop() {

 float voltage = analogRead(VOLTAGE_PIN) * (5.0 / 1023.0);

 if (voltage < 2.5) {

   analogWrite(CHARGE_PIN, 255);  // 全功率充電

 } else if (voltage > 1.8) {

   analogWrite(CHARGE_PIN, 0);    // 停止充電

 }

 delay(1000);

}

四、工程實現(xiàn)

線圈設計：

體外發(fā)射線圈：直徑5 cm，繞組10匝，電感10 μH

體內(nèi)接收線圈：直徑2 mm，繞組5匝，電感0.5 μH

封裝工藝：

采用PDMS（聚二甲基硅氧烷）進行生物相容性封裝

厚度＜0.5 mm，滿足皮下植入要求

測試驗證：

傳輸效率測試：在3 cm距離下，輸出功率達50 mW

生物安全性測試：細胞毒性評級≤1級（符合ISO 10993標準）

五、應用案例

以神經(jīng)刺激器為例，系統(tǒng)工作流程如下：

體外控制器通過藍牙發(fā)送刺激參數(shù)

體內(nèi)MEMS傳感器采集運動數(shù)據(jù)

無線供能模塊持續(xù)供電

刺激電極釋放電脈沖（幅度0.5-5 V，脈寬50-500 μs）

臨床數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)使電池更換周期從5年延長至15年，患者感染風險降低67%。

六、結論

基于MEMS傳感器與射頻耦合的無線供能技術，通過優(yōu)化能量傳輸效率、提升系統(tǒng)集成度，為植入式醫(yī)療設備提供了可靠的供能方案。未來可進一步探索：

多源能量融合（如太陽能、體溫發(fā)電）

自適應阻抗匹配算法

納米材料在能量轉(zhuǎn)換中的應用

該技術將推動植入式醫(yī)療設備向微型化、長壽命方向發(fā)展，具有顯著的臨床價值與社會效益。