2018 Fiscal Year Research-status Report
共振結合型無線電力伝送方式による体内埋め込み医療機器への電力供給の実証研究
| Project/Area Number |
18K12043
|
|---|
| Research Institution | Tokyo City University |
|---|
Principal Investigator |
島谷 祐一 東京都市大学, 工学部, 准教授 (20154263)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小橋 基 岡山大学, 医歯薬学総合研究科, 准教授 (80161967)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 無線電力伝送 / 磁気共鳴 / 埋め込み型医療機器 / 共振回路 / 同調方法 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
心臓ペースメーカーや人工内耳といった体内完全埋め込み型医療機器の共通問題として電源供給問題がある。これらの電源として電池を内蔵すると、その電池を交換するための手術が定期的に必要となる。本研究は「磁気共鳴型無線電力伝送」を用いて、この電池交換手術の負担から利用者を解放しようというものである。この電力伝送方式では体外に送電用共振回路、体内に受電用共振回路を置き、両者の共振周波数を一致させて共鳴させる必要があるのだが、体内環境では受信側の共振周波数が変化してしまうため再同調を行う必要がある。しかし受信回路が体動で常に位置や角度が変化するため従来の同調方法を用いることが困難である。
この問題を解決するため研究代表者らは新しく「同調時出力電圧推定法」という方法を考案し理論構築を行った。本研究課題ではその理論の実証実験を行うことを目的とし、同調回路を試作して実用性を検証することを行なっている。平成３０年度は、1)埋め込み用受信コイルおよび受信回路の設計と製作、2)同調回路の設計と製作、の２点を行い、初年度の研究計画をほぼ達成することができた。１）の受信コイル回路の製作では動物実験で用いるラット体内に埋め込み可能なコイルとして太さ0.2mmのマグネットワイヤを用いた50巻直径25mmのコイルを作成し、実際にラット腹腔内に埋め込んで、長期安定して無線電力伝送ができることを確認した段階である。また２）の同調回路の製作では体内に埋め込む前段階として小型化を考慮しない実働回路を試作し、体内環境を模した生理食塩水中で理論通りの動作が可能であることを確認した。これらの成果は国内学会発表２件、国際学会発表２件、査読付き論文１件としてまとめた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成３０年度の実施計画では、以下の２点を到達目標としていた。それぞれおおむね順調に進展し、次年度の計画への準備段階をほぼ達成して終えることができた。以下ではそれぞれの目標について具体的な進捗状況を報告する。
1)埋め込み用受信コイルおよび受信回路の設計と試作：具体的な回路の設計と試作を行った。ラットの皮下や腹腔内に埋め込み可能なサイズの電力受信用スパイラルコイルとして太さ0.2mmのマグネットワイヤを選定し、巻き数50、直径25mmのコイルを作成した。なお共振周波数は１～２MHzとして共振用コンデンサの値を調整した。購入したLCR測定システムと電力伝送用高周波アンプを用いて今までの設備では困難であった高周波領域の実効自己インダクタンスを測定することが可能となり、生体内を模した生理食塩水中で受信回路設計に必要なパラメータを決定することができた。
2)同調回路の設計と試作：上記実験で得たパラメータ値を用いて、マニュアル操作で動作する同調回路を試作した。同調方法は今回提案した新方式を正確に実機化した。受信側回路の可変コンデンサは４回路入アナログスイッチを２つ用いて８ビット制御とした。製作したデジタル可変コンデンサは設計通り制御ビット数に応じた高い精度とリニアリティを実現することができた。また回路の開閉に必要な高速スイッチは、アナログスイッチを２つ並列結合することで低抵抗化を行うことができた。この試作回路を用いて１MHzで共振する送信回路への同調を試みたところ、96%以上の同調度で送信周波数に同調させることができた。なお高周波出力の振幅測定には予定していたローパスフィルタではなく実効値変換ICチップを用いることでより正確な値を得ることに成功した。その後デジタル可変コンデンサの制御を、IGORプログラムを用いてパソコンで行う試みを開始して現在に至る。
|
| Strategy for Future Research Activity |
平成３０年度の研究が実施計画に基づき順調に進展したため、今後の研究の推進方策も当初の計画通りに立てることができた。今後の実験の中心はラットを用いた動物実験である。試作した受信コイルはラット腹腔内に埋め込むのに十分小型である。現在すでに動物の腹腔内埋め込み手術を開始しており、数匹のラットにコイルを埋め込んだ状況である。今後はこれらのラットおよびさらに手術例を増やしながら埋め込まれたコイルの電気的特性を数ヶ月の長期にわたり測定して、インダクタンス、抵抗、無負荷Q値の変化を調べる予定である。同時に今年度の研究で完成させた同調回路の試作機をラット頭部のソケットを介して体内の受信コイルに接続し、まずはマニュアル操作によって腹腔内の受信コイルを用いた同調が体外の実験同様に可能であるかを調べる。並行してパソコン制御で自動同調が可能なシステムの開発を進める。パソコンを用いたプログラム開発には現在用いているIGOR言語を継続して使用する予定である。パソコンを用いた自動制御に成功したのち、C言語を用いてプログラムをPICに移植する。さらにデジタル可変コンデンサと高速スイッチ部分を小型パッケージのICチップを用いて再実装し、同調回路基板をできる限り小型化する。最終的には同調基板と受信コイルと一体化して体内に埋め込むことを目指す。
|
