変位電流と電界結合の２給電経路による新しい生体ワイヤレス給電技術の開発

• Project/Area Number: 23K22819
• Project/Area Number (Other): 22H01549 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
• Research Institution: Toyohashi University of Technology
• Principal Investigator: 田村 昌也 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50736410)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2025: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2024: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2022: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
• Keywords: 無線電力伝送 / ワイヤレス電力伝送 / 無線給電 / ワイヤレス給電 / 非接触給電

Outline of Research at the Start

変位電流と電界結合を利用した生体ワイヤレス給電の研究を行い、体外から体内埋込型医療機器へのワイヤレス給電の実現を目指す。まず、生体組織の高周波導電率特性を明らかにする。次に、等価回路を用いて変位電流と結合係数k、Q値の関係性を解き明かし、新しい設計理論を確立する。最後に試作・評価を行い、性能を確かめる。電磁界曝露のガイドラインであるIEEEとICNIRPの規定とも比較し、その安全性を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

将来、患者のQoL(Quality of Life)を向上させるため体内埋込型医療機器へのワイヤレス給電の需要が高まると予想される。そこで、体表にシールとして貼れる電界方式生体ワイヤレス給電システムの研究を行う。生体組織はQ値が低いため、電界方式での高効率給電は困難である。この原因は組織が持つ高い高周波導電率にあるが、この高周波導電率によって発生する変位電流と結合係数k、Q値の関係性を等価回路を用いて解き明かし、変位電流と電界結合を活用した新しい設計理論を確立する。
今年度は変位電流に関わる生体組織の高周波導電率特性を明らかにすることを目標とした。人体の生体組織に近いとされる皮下脂肪付き豚皮をサンプルに、豚皮の皮膚側、脂肪側のアドミタンス周波数特性を測定するため、同軸プローブを用いて測定を行った。次に、測定したアドミタンス周波数特性から複素誘電率を算出するため、同軸プローブから測定対象までを等価回路化した。等価回路から同軸プローブ法で開放、短絡時のアドミタンス周波数特性と比誘電率が既知である物質のアドミタンス周波数特性を測定することで複素誘電率を導出した。最後に導出した複素誘電率から高周波導電率とQ値を算出した。結果、皮膚側、脂肪側で周波数が増加するにつれ導電率は低下し、Q値は上昇することが明らかとなった。400 MHz以下では皮膚側と脂肪側で導電率の乖離が見られたが、400 MHz以降ではほぼ一致しており、高周波において皮膚と脂肪で導電率の相違はないことがわかった。
次年度の研究を迅速に進めるべく、上述した高周波誘電率・導電率特性を用いて生体組織をモデリングし、電磁界解析を開始した。並行して等価回路のモデリングにも着手した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

令和4年度に実施を予定していた研究はすべて計画通り進み、変位電流に関わる生体組織の高周波導電率特性を明らかにした。また、本結果をもとに査読付き学術論文としてIEEE Microwave and Wireless Components Letters １件、IEICE transaction on Electronics １件、マイクロ波の分野で最も権威ある国際会議の１つであるIEEE Int. Microwave Symp. で発表１件という大きな成果も得た。次年度に向けた研究も滞りなく進めており、本年度の目標を達成したと判断できる。

Strategy for Future Research Activity

計画通り、実機のWPTシステムに非常に近似した特性を得る高精度な電磁界解析モデル作成を行い、容量性結合を介した電力伝送経路と導電性結合による電力伝送経路の2経路を考慮した等価回路の導出を進める予定である。

Research Products

• [Journal Article] Coupler Design and Analysis of Capacitive Wireless Power Charging for Implantable Medical Devices (2022)
  • Author(s): MATSUMOTO Marimo、TAMURA Masaya
  • Journal Title: IEICE Transactions on Electronics Volume: E105.C Issue: 9 Pages: 398-406
  • DOI: 10.1587/transele.2021ECP5058
  • ISSN: 0916-8524, 1745-1353
  • Year and Date: 2022-09-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Capacitive Coupler for Wireless Power Transfer to Intravascular Implant Devices (2022)
  • Author(s): Tamura Masaya、Segawa Takamasa、Matsumoto Marimo
  • Journal Title: IEEE Microwave and Wireless Components Letters Volume: 32 Issue: 6 Pages: 672-675
  • DOI: 10.1109/lmwc.2022.3160688
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 同軸プローブ法における測定可能深度の評価 (2023)
  • Author(s): 青山琉彪, 瀬川貴優, 田村昌也
  • Organizer: 2023年電子情報通信学会総合大会
• [Presentation] Capacitive Wireless Power Transfer Through a Saline Medium (2022)
  • Author(s): Tamura Masaya, Segawa Takamasa, Matsumoto Marimo
  • Organizer: 2022 Asia-Pacific Microwave Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Design of non-tunable matching circuit to improve the charging speed of drone with underwater WPT (2022)
  • Author(s): Fuma Arito, Masaya Tamura
  • Organizer: 2022 Asian Wireless Power Transfer Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Capacitive Coupler for Wireless Power Transfer to Intravascular Implant Devices (2022)
  • Author(s): Tamura Masaya, Segawa Takamasa, Matsumoto Marimo
  • Organizer: 2022 IEEE MTT-S International Microwave Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多層構造をもつ生体組織の合成複素誘電率測定 (2022)
  • Author(s): 瀬川貴優, 松本まりも, 田村昌也
  • Organizer: 2022年電子情報通信学会総合大会