Publicação

Wireless power transmission for power-hungry biomedical devices

Detalhes bibliográficos
Resumo:	As fontes de energia tradicionais limitam a miniaturização de dispositivos médicos implantáveis, dado que a densidade energética das baterias é insuficiente e o fabrico e integração destas com microssistemas é um desafio. Métodos alternativos para alimentar estes dispositivos são, portanto, muito desejados. Isto permitiria o desenvolvimento de dispositivos mais pequenos, necessários para a criação de novas aplicações que irão revolucionar os cuidados de saúde. À medida que os dispositivos implantáveis ficam mais pequenos, a eficiência da transferência de energia também diminui devido a transdutores e antenas menos eficientes ou ao uso de frequências mais altas que sofrem maior atenuação nos tecidos. Para compensar isto, deve-se aumentar a potência transmitida. Contudo, existem regras de segurança que impõem limites à potência que podemos enviar através do corpo humano. Esta tese aborda as lacunas dos sistemas de transferência de energia sem fios tradicionais através da exploração de parâmetros da ligação que permitam o aumento da energia transferida para o implante sem aumentar os níveis de SAR. Para tal, foi desenvolvido um sistema de transferência de energia sem fios que usa múltiplos transmissores. Através do posicionamento dos transmissores de forma a que os caminhos de propagação de cada um dos seus sinais não se intersetem à superfície do meio, onde o SAR é maior, a energia colocada dentro do meio aumenta enquanto o SAR máximo permanece inalterado. Juntamente com um mecanismo de focagem de energia através da manipulação das fases dos sinais, a distribuição de potência dentro de um fantoma de cabeça humana aumentou drasticamente mantendo o SAR máximo inalterado. O sistema proposto forneceu -13.7 dBm a uma antena colocada a uma profundidade de 5.3 mm num fantoma de cabeça humano. Ajustando a potência transmitida para o SAR10g ser 10 W/kg, a antena receberia -0.9 dBm. Foi também demonstrado que o sistema aumenta até 18 dB e 25 dB a potência entregue a um dispositivo sem fios que circula dentro de modelos de corpo e cabeça humano, respetivamente, comparativamente a um sistema tradicional de uma antena. O sistema de transferência de energia sem fios apresentado nesta tese é escalável, segue o implante enquanto este se move, e concentra energia na sua localização. Adicionalmente, trata o meio como uma caixa negra, não precisando de informação prévia sobre este. Assim sendo, o dispositivo desta tese tem o potencial de contribuir para a forma como se implementam ligações de transferência de energia sem fios para implantes médicos miniaturizados.
Autores principais:	Dinis, Hugo Daniel Costa
Assunto:	Transferência de energia sem fios Dispositivo médico implantável SAR Wireless power transfer Implantable medical device
Ano:	2021
País:	Portugal
Tipo de documento:	tese de doutoramento
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade do Minho
Idioma:	inglês
Origem:	RepositóriUM - Universidade do Minho

Descrição
Resumo:	As fontes de energia tradicionais limitam a miniaturização de dispositivos médicos implantáveis, dado que a densidade energética das baterias é insuficiente e o fabrico e integração destas com microssistemas é um desafio. Métodos alternativos para alimentar estes dispositivos são, portanto, muito desejados. Isto permitiria o desenvolvimento de dispositivos mais pequenos, necessários para a criação de novas aplicações que irão revolucionar os cuidados de saúde. À medida que os dispositivos implantáveis ficam mais pequenos, a eficiência da transferência de energia também diminui devido a transdutores e antenas menos eficientes ou ao uso de frequências mais altas que sofrem maior atenuação nos tecidos. Para compensar isto, deve-se aumentar a potência transmitida. Contudo, existem regras de segurança que impõem limites à potência que podemos enviar através do corpo humano. Esta tese aborda as lacunas dos sistemas de transferência de energia sem fios tradicionais através da exploração de parâmetros da ligação que permitam o aumento da energia transferida para o implante sem aumentar os níveis de SAR. Para tal, foi desenvolvido um sistema de transferência de energia sem fios que usa múltiplos transmissores. Através do posicionamento dos transmissores de forma a que os caminhos de propagação de cada um dos seus sinais não se intersetem à superfície do meio, onde o SAR é maior, a energia colocada dentro do meio aumenta enquanto o SAR máximo permanece inalterado. Juntamente com um mecanismo de focagem de energia através da manipulação das fases dos sinais, a distribuição de potência dentro de um fantoma de cabeça humana aumentou drasticamente mantendo o SAR máximo inalterado. O sistema proposto forneceu -13.7 dBm a uma antena colocada a uma profundidade de 5.3 mm num fantoma de cabeça humano. Ajustando a potência transmitida para o SAR10g ser 10 W/kg, a antena receberia -0.9 dBm. Foi também demonstrado que o sistema aumenta até 18 dB e 25 dB a potência entregue a um dispositivo sem fios que circula dentro de modelos de corpo e cabeça humano, respetivamente, comparativamente a um sistema tradicional de uma antena. O sistema de transferência de energia sem fios apresentado nesta tese é escalável, segue o implante enquanto este se move, e concentra energia na sua localização. Adicionalmente, trata o meio como uma caixa negra, não precisando de informação prévia sobre este. Assim sendo, o dispositivo desta tese tem o potencial de contribuir para a forma como se implementam ligações de transferência de energia sem fios para implantes médicos miniaturizados.