Wireless power transfer with bidirectional telemetry for active implantable medical devices
Aktif vücut içine yerleştirilebilir medikal cihazlara kablosuz güç aktarımı ve iki yönlü iletişimi
- Tez No: 489474
- Danışmanlar: PROF. DR. NEVZAT GÜNERİ GENÇER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 121
Özet
Bu tezde vücut içerisine yerle¸stirilebilir medikal cihazlar için bir kablosuz güç aktarım sistemi sunulmustur. Son 20 yıldır, daha küçük ve uzun ömürlü cihazlar yapmak amacıyla tekrar şarj edilemeyen bataryalar tekrar şarj edilebilir olanlar ile değiştirilmeye başlanmıştır. Bu değişimin bir sonucu olarak kablosuz güç aktarım sistemleri bu cihazlarda uygulanmıştır. Elektromanyetik indüksiyon yöntemi diğer yöntemler arasında en çok tercih edilen ve güvenliği kanıtlanmış olan yöntemdir. Ancak, bu sistemlerdeki düşük manyetik bağlanma katsayısı cihazların vücut içerisine yerleştirilme derinliğini sınırlandırmış ve bataryanın tekrar şarj edilme süresini uzatmıstır. Bu çalışmada, çoklu bobin kullanım yaklaşımı (Güçlü Bağlantılı Manyetik Resonans) Litz kablo tipi kullanılarak uygulanmıştır. Bu yaklaşımla hedeflenen güç aktarım verimliliğini arttırmak ve geleneksel methodlarda görülen problemleri çözmektir. Sistem maksimum çalı¸sma frekansı olarak 1 MHz seçilmiştir. Frekans seçimi için yüksek kalite faktörüne sahip bobin tasarlamak için kullanılan Litz kablonun değişken akımdaki resistansı analiz edilmiş ve seçilen frekansın doku üzerindeki iletkenlik ve yalıtkanlık güç kayıpları incelenmiştir. Kablosuz güç aktarımını kontrol etmek ve medikal cihaz ile haberleşebilmek amacıyla yarı çift yönlü bir telemetri sistemi tasarlanmıştır. Kablosuz güç aktarım sistemi tasarım sürecinde önce analitik sistem modellemesi yapılmış sonra model MATLAB platformu üzerinde optimize edilmiştir. Elde edilen sonuçlar daha sonra COMSOL programında doğrulanmıştır. Sistemin farklı vücut derinliklerinde aynı performansı göstermesi için frekans kontrolü uygulanmıştır. Verici kısımda kullanılan güç yükselticiyi yeni frekansa uyumlu hale getirmek için kondansatör anahtarlama metodu kullanılmıştır. Yakın mesafe haberleşmesinde genlik kaydırma yöntemi hem ileri hem de geri telemetride düşük sinyal geçişleri ile implement edilmiştir. Buradaki amaç, haberleşme sırasında alıcı voltaj seviyesinin düşmesini engellemektir. Telemetri için tasarlanan devre yapılarının simulasyonu LT Spice programında yapılmıştır. Vücut içerisine yerleştirilebilir medikal cihaz ve harici şarj cihazınının elektronik kart tasarımı Altium CAD programında yapılmıştır. Medikal cihaza 4 cm mesafede 485 mW güç aktarılırken % 58 (DC/DC) verimliliğe ulaşılmıştır. Manchester kodlanmış yarı çift yönlü telemetri sisteminde ise 19200 veri iletim hızına erişilmiştir.
Özet (Çeviri)
This thesis presents a wireless power transfer (WPT) system for powering implantable medical devices (IMDs).In order to make IMDs smaller and longer life devices primary batteries are replaced with rechargeable ones for the last two decades. Consequently, WPT systems are implemented for IMD's. Electromagnetic induction is the most preferred and safety proven method among existing WPT methods. However, loose coupling inherent in these systems limits the implant depth and increases the battery recharge time. A multi-coil approach (Strongly Coupled Magnetic Resonance) using Litz wire is implemented in this work to increase the power transfer efficiency and to alter problems defined in the traditional methods. 1 MHz operation frequency is selected by analyzing AC resistance of Litz wire types to achieve high quality factor coils and also by analyzing dielectric and conductivity losses in tissue. To take control over WPT and communicate with the device, a half-duplex bidirectional telemetry system is designed. In the design procedure, first, WPT system is modeled analytically and then optimized in MATLAB platform. The results are verified numerically in COMSOL Multiphysics program. A frequency control method is demonstrated by using a switch capacitor array at the power amplifier side to adapt the system to different implant depths. In the telemetry part, ASK modulation is used for both forward and backward communication with low modulation depth without disturbing the received power at the implant side. Modulator and demodulator circuit designs are simulated using LT Spice software. PCB design for the hardware of both implantable device and the external charger device is performed in Altium CAD platform. 58 % (DC/DC) power transfer efficiency is achieved to transfer 485 mW power at 4 cm implant depth. A Manchester encoded half-duplex bidirectional telemetry system with 19200 baud rate is also established.
Benzer Tezler
- Wireless data transmission for medical implants with fully digital non-coherent detection
Tıbbi implantlar için tamamen dijital tutarlı olmayan tespitli kablosuz veri aktarımı
MERT DOĞAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
- Tam-çift yönlü bilişsel röle ağları için enerji hasatlamalı yeni bir spektrum paylaşım protokolü
An energy-harvesting spectrum sharing protocol for cognitive full-duplex relaying networks
HÜSEYİN ONUR BAKTIROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
- Manyetik rezonans kuplaj yöntemiyle kablosuz güç aktarım sistemi tasarımı
Wireless power transmission system design via magnetic resonance coupling
MUHAMMED TURAN ARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KADİR ERKAN
- Darbeli lazer diyotlar ile kablosuz güç aktarımı uygulaması ve elektriksel parametrelerin performans üzerine etkilerinin incelenmesi
Wireless power transfer application with pulsed laser diodes and investigation of the effects of electrical parameters on performance
HAYRİ YİĞİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ RIFAT BOYNUEĞRİ
- Kablosuz güç transferinin küçük ev aletlerine uygulanması
Application of wireless power transfer for small home appliances
CANBERK SEZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Makineleri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NİHAN ALTINTAŞ