2019 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
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18K12043
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
島谷 祐一 東京都市大学, 工学部, 准教授 (20154263)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小橋 基 岡山大学, 医歯薬学総合研究科, 准教授 (80161967)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、体内完全埋め込み型医療機器の共通問題である電源供給問題について、研究代表者らが提唱している方法に基づき、その実証実験を進めようとするものである。体外から体内深部に埋め込まれた医療機器に無線電力伝送を行おうとする際には、「磁気共鳴型無線電力伝送」が有利であると考えられる。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「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。初年度の平成30年度には、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。昨年度はさらにこれを発展させ、実際に受信コイルをラット腹腔内に数週間の長期にわたって埋め込み、埋め込まれたコイルの、インダクタンス、抵抗、無負荷Q値の変化などを測定し、その問題点を明らかにした。さらに当初計画にはなかった同調方法の理論的発展を進めることができたので、新たに研究に取り入れることにした。これらの成果は国内学会発表４件、国際学会発表４件、査読付き論文１件としてまとめた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和元年度の実施計画では、ラットを用いた動物実験に研究の主眼を置き、１）試作した受信コイルをラット腹腔内に数週間埋め込んで、コイルの電気的特性を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。２）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、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。３）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。という３点を到達目標としていた。このうち、１）の腹腔内長期埋め込みに関しては計画通り研究が進み、興味深い成果を得ることができた。すなわちコイルの起きる特性の変化は当初予想していた線間寄生容量の変化ではなく、むしろ交流抵抗における変化であり、この変化は埋め込み直後に最も大きくその後徐々に減少する傾向があることがわかった。いずれにせよこれらの影響で同調周波数は長期にわたり変化することが判明したので、同調システムの必要性が改めて確認されたと言える。この成果は国際学会および国内学会で報告した。２）の埋め込んだコイルと外部装置による手動同調実験も概ねうまく行っている。すなわち１）の実験で用いたラットを利用して外部装置に接続し、受信回路スイッチの開閉に伴う電位変化をオシロスコープで観察しながら同調を行うことは比較的容易であった。３）に関してはまだ十分な成果を得るに至っていない。出力電位の正確な自動測定が予想より困難であることや、自動制御に用いるアナログスイッチの内部抵抗が同調制度に予想以上に影響することがわかり、当初のアルゴリズムでは適切な同調周波数に収束させることが困難であった。これは今後同調パラメータの値を調節することと電位測定回路を見直すことで改善されていくものと思われる。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度の研究が実施計画に基づき概ね順調に進展したため、今後の研究の推進方策も基本的には当初の計画通りに行う予定である。まずは若干の遅れが見られる同調動作の自動化に関しては、外部同調回路の設計変更と、その制御アルゴリズムを試行錯誤で調整することで研究を推進する。動物実験と同時に体内ファントムを用いた実験を取り入れることで開発の速度を上げる。一方で適切な回路素子の探索とそれを用いた試作を繰り返し、受信側同調回路を体内埋め込み可能な大きさまで小型化する試みを行う。できればPICを用いた完全埋め込み型の装置を目指したいが、困難も予想されるため、少なくとも制御CUPを外部に接続した状態での埋め込み装置の開発までは到達したいと考えている。一方、昨年度は理論的な発展も進めることができた。すなわち、この研究の元となっている、回路の開閉による出力電圧の測定という方法と同様の手法を用いながら、受信装置ではなく送信装置側で同調を可能にする方法の発見に至ることができた。これにより受信回路を大幅に小型化することが可能となる。したがって、この方法に基づく試作回路の開発も新たに研究計画に加えて実証研究を促進させていく考えである。
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