2021 Fiscal Year Research-status Report
経皮トランスから人体に流れる高周波漏れ電流を抑制した経皮電力伝送システムの研究
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20K04423
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
柴 建次 東京理科大学, 先進工学部電子システム工学科, 准教授 (10343112)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 医療機器 / 高周波漏れ電流 / 経皮エネルギー伝送 / 絶縁樹脂 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
送電コイルと受電コイルの磁界共振を利用し，体内埋込型補助人工心臓などの医療機器に，高効率でワイヤレス電力供給する方法（経皮電力伝送）がある．これらの送電コイルは皮膚の上に置かれ，受電コイルは体内に埋め込まれる（経皮トランスと呼ぶ）．経皮トランスは，あらかじめ絶縁樹脂により防水処理を施すが，100k～20MHzの高周波電圧が印加されているため，絶縁樹脂中の容量成分を通過して高周波電流が人体に漏れることがわかってきた．そこで，本研究では高周波患者漏れ電流Iは，どのように発生しているのか解析と実験から明らかにする．
経皮電力伝送システムから流れる漏れ電流Iは，経皮トランスから，周りの絶縁樹脂を静電的に通過して人体に流れていると考え，本年度は，この厚さや種類を変えたときに，樹脂の静電容量の影響を受けないようになる絶縁樹脂の種類と厚さを変えて高周波漏れ電流を測定した．絶縁樹脂の種類は，発泡ポリスチレン，PTFE，シリコーンの3種類とし，厚さは1～3mmまで変化させた．絶縁樹脂の表面から，成人男性のインピーダンスである250Ωを通って，大地に流れる電流を広帯域オシロスコープで測定した．その結果，比誘電率の低い発泡ポリスチレンを用い，厚さを3mm程度にすることで，漏れ電流は5.6 mA程度と最も小さくなり，医療機器のガイドラインにあたるIEC60601-1制限値の10mAを越えないことがわかった．
また，解析においては，送電コイルの端子電圧と漏れ電流の関係を調べるため，送電コイル，受電コイル，人体，大地からなる3D電磁界解析モデルを試作して調査しており，現在も継続中である．
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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
経皮電力伝送用送電コイル用の絶縁材料の検討を行い，かつ，この送電コイルから漏れていく高周波漏れ電流を測定することができたため，順調とした．また，立位時における経皮電力伝送（TET）用コイル装着部（胸部）から足裏までのインピーダンスの解析に加え，成人男性が大地に寝ている場合のインピーダンスも解析することができた（今後学会発表予定）．しなしながら，本成果の周波数は400kHzのみであり，他の周波数のインピーダンスの計算や体型・体勢を変えた場合の検討はまだ行っていないため，次年度への課題とした．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度は，主に，①経皮電力伝送システムから漏れる高周波患者漏れ電流の測定（体の姿勢や体格を変えた場合，体内回路も入れた場合）と，②さらなる抑制対策を行う．①のために，体内回路を試作し，これを含めて漏れ電流を測定する．②のために30MHz近くまで絶縁が可能な絶縁トランスの設計と，絶縁性能（コモンモード）及び伝送効率の測定も行う．測定には，コモンモードを防ぐ工夫をしたパワーアンプや絶縁アンプ，絶縁トランス，大型UPS,電流プローブ，オシロスコープ等が必要になるため不足したものがでれば購入して測定する．また，③高周波数漏れ電流用人体インピーダンスの計算として，体型を変えた場合，体の向きを変えた場合のインピーダンスを電磁界解析し，100k-30MHzまでの人体データベースを作る．人体モデルは，数種類の臓器の電気インピーダンスがすべて含まれている3D人体モデルを用いる．3D人体モデルの構築に当たり，CADソフトやCAD用ワークステーションが必要に成る場合は購入する．さらには，④上述のシステムの漏れ電流を，電気回路を用いて書き，漏れ電流の理論値が求められるようにする．この際に，電気回路シミュレータを使う必要があれば購入する．
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| Causes of Carryover |
漏れ電流を正確に測定するため，電圧プローブや，高周波電流プローブも購入したが，予定していたものより安価なものが買えたため，予定額と差が生じた．ただし，性能が不十分な場合は，来年度追加購入する．
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