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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:許明政
研究生(外文):Ming-Jeng Hsu
論文名稱:D類功率放大器應用於射頻能量傳輸對生物組織之熱效應探討
論文名稱(外文):Tissue Thermal Effect Studies of Class D RF Transmission
指導教授:婁世亮
指導教授(外文):Shyh-Liang Lou
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:醫學工程研究所
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:91
中文關鍵詞:熱效應特定吸收率D類功率放大器射頻電源傳輸
外文關鍵詞:Thermal effectSARClass D power amplifierRadio frequency
相關次數:
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植入式生醫功能器需要電源才能正常工作。雖然科學家企圖研發人體自身的生物燃料電池以供應植入式功能器所需之電源。植入式功能器仍以電池和射頻無線傳輸提供電源較為常見。其中,射頻的方式是以電磁波耦合的原理,使用二個(體外之發射與體內之接收)線圈既耦合電能又傳輸訊號。由於它具有這一舉兩得的優點,因此獲得相當的重視。文獻顯示,多數以射頻傳輸電源的植入式功能器,其效率在相距3公分處只能接收到約50 mW的電能。這樣的效率限制了植入式功能器的應用層面,也就是只能將生醫功能器植於皮下。為此吾人研發半橋式D類放大器提高輸出功率,企求達成深層植入的目標。
由於無線射頻電源發送器(power transmitter)的輸出功率大為提高,組織熱效應因之而生。本研究課題的目的即在於探討高功率無線電源傳輸在生物組織中之熱效應現象,其中將以特定吸收率 (Specific Absorption Rate, SAR) 之分佈表現之。
在本課題中,吾人已完成高功率D類放大器之射頻電源傳輸系統,有效提升功率接收效率。傳輸效能尤以1.1 MHz的頻率為最佳。傳輸/接收線圈間距為5公分,並以400 kHz至1.2 MHz傳輸電源,能夠接收到176至490 mW,明顯優於文獻所提之接收功率(50 mW)。
在特定吸收率分佈的繪製部分,以頻率1.1 MHz、功率10 W之電磁波,對厚度為4公分之豬肉組織進行照射,發射線圈與組織相距3.5公分,結果顯示(1)瘦豬肉部分:SAR之最大值發生在座標(6,1),值約為5.58,表示如此的射頻能量,在5分鐘內將造成瘦豬肉0.4787 ℃的溫度上升。理想的情況下,照射的時間必須限制為52.22分鐘。(2) 豬油部分:SAR之最大值發生在座標(10,1),值約為2.95,表示如此的射頻能量,在5分鐘內將造成豬油0.4027 ℃的溫度上升。理想的情況下,照射的時間必須限制為62.08分鐘。
在特定吸收率分佈的升溫驗證部份,以頻率1.1 MHz、功率10 W之電磁波,對厚度為4公分之豬肉組織照射5分鐘,發射線圈與組織相距3.5公分,在SAR之最大值的區域,(1) 瘦豬肉部分:吾人以SAR值所預測之升溫為0.4787±0.0705 ℃,而實際量測之升溫為0.3171±0.0723 ℃。(2) 豬油部分:吾人以SAR值所預測之升溫為0.4027±0.0151 ℃,而實際量測之升溫為0.5028±0.0360 ℃。
In general, implantable biomedical devices require electrical power to perform its functionality. In this course, a class-D based radio frequency (RF) power amplifier was developed for transmitting electrical energy from an external device to an implanted unit. The output power of the transmitter can be as high as several hundred watts (W) which is significantly higher than those emitted from class-E based transmitters.
As the high output power can potentially damage tissues caused by thermal effects, safety issues must be taken into account. Specific Absorption Rate (SAR) in watts per kilogram (W/kg) is a measure at which RF energy is exposed to an element or mass of a biological body. In other words, the SAR is a measurement of the heat absorbed by tissues. Thus understanding the distribution of the SAR in tissues is important in studying potential tissue damage when RF power is applied.
In conducting the SAR distribution studies, the RF electromagnetic frequency and energy of 1.1 MHz/10 W were exposed on a stack of pork for 5 minutes. The pork was either lean meat or fat with densities 969.7 kg/m3 and 729.3 kg/m3, respectively. Both lean meat and fat were examined on a set of pre-defined locations. For those locations, the amplitudes of the electrical field and the temperatures before and after the RF exposures were recorded. The SAR values can be derived from the recorded electric fields.
The study results show that the maximum SAR values are 5.58 and 2.95 in lean and fat tissues, respectively. Based on these values, it means that the heat produced by the RF power can be used to predict the lean and fat tissues raise 0.4787±0.0705 ℃ and 0.4027±0.0151 ℃, respectively. As to the recorded temperature changes, the lean meat and the fat tissue increased 0.3171±0.0723 ℃ and 0.5028±0.0360 ℃, respectively.
目錄

中文摘要 I
Abstract III
目錄 V
圖索引 VIII
表索引 XII
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 文獻回顧 3
1.2.1 Class E功率放大器 4
1.2.2 Class D功率放大器 5
1.2.3 非游離輻射 6
1.2.4 特定吸收率(specific absorption rate; SAR) 7
1.3 研究動機與目的 8
1.4 論文架構 8
第二章 理論基礎 10
2.1 無線電源傳輸系統之簡介 10
2.1.1 D和E類功率放大器 11
2.2 線圈電源耦合之原理 14
2.3 特定吸收率 18
2.3.1 理論模擬計算值 18
2.3.2 實驗量測值 19
2.4 非游離輻射之定義 20
2.4.1 非游離輻射之生物熱效應 21
第三章 材料與方法 23
3.1 半橋式Class D功率放大器 23
3.1.1 高功率D類放大器射頻電源傳輸系統之製作 24
3.1.2 系統驗證 29
3.2 熱效應測試 30
3.2.1 溫度量測系統 31
3.3 特定吸收率分佈(SAR distribution) 34
3.3.1 特定吸收率分佈圖之驗證 35
第四章 結果與討論 39
4.1 高功率D類放大器射頻電源傳輸系統 39
4.2 高功率D類放大器射頻電源傳輸系統之熱效應測試 43
4.2.1 射頻能量照射水之熱效應 43
4.2.2 射頻能量照射豬肉之熱效應 46
4.3 特定吸收率分佈 48
4.3.1 瘦豬肉之特定吸收率分佈 48
4.3.2 豬油之特定吸收率分佈 49
4.4 驗證生物組織之特定吸收率分佈圖 50
4.4.1 瘦豬肉特定吸收率分佈圖之驗證 50
4.4.1.1 瘦豬肉特定吸收率分佈圖之自我驗證 50
4.4.1.2 瘦豬肉特定吸收率分佈圖之升溫驗證 52
4.4.2 豬油特定吸收率分佈圖之驗證 52
4.4.2.1 豬油特定吸收率分佈圖之自我驗證 53
4.4.2.2 豬油特定吸收率分佈圖之升溫驗證 54
4.5 資料點的數量對特定吸收率分佈圖之影響 55
4.6 特定吸收率之cubic內差值與實驗值比較 58
第五章 結論與未來展望 62
5.1 結論 62
5.2 未來展望 64
參考文獻 71
附錄A 多通道溫度量測系統軟體圖解 74
附錄B 文獻圖解說明 76
附錄C 生物組織之升溫表 77

圖索引

圖1.1 生醫植入式電刺激器系統示意圖 3
圖2.1 無線電源傳輸系統示意圖 10
圖2.2 轉換器之示意圖 11
圖2.3 D類功率放大器 12
圖2.4 E類功率放大器 13
圖2.5 D類功率放大器開關導通時間 14
圖2.6 E類功率放大器開關導通時間 14
圖2.7 感應電動勢之示意圖 15
圖2.8 發射線圈與接收線圈電源耦合之示意圖 17
圖3.1 研究流程 23
圖3.2 半橋式D類功率放大器 24
圖3.3 高功率D類放大器射頻電源傳輸電路發射端設計方塊圖 25
圖3.4 發射端電路實照圖 25
圖3.5 高功率D類放大器射頻電源傳輸電路接收端電路圖 26
圖3.6 接收端電路實照圖 27
圖3.7 發射線圈 28
圖3.8 接收線圈 28
圖3.9 空氣中功率傳輸之實驗設置 29
圖3.10 多軸定位控制器 29
圖3.11 Class D對(a)水(b)豬肉之熱效應實驗設置 30
圖3.12 Class D對水與豬肉的溫度變化之紀錄時序 31
圖3.13 溫度量測架構圖 31
圖3.14 溫度量測主機 32
圖3.15 type K之熱電偶 32
圖3.16 type K熱電偶溫度與電位轉換示意圖 33
圖3.17 程式執行流程 33
圖3.18 Class D對生物組織內部量測電場強度示意圖 34
圖3.19 量測生物組織內電場強度 34
圖3.20 量測瘦豬肉升溫之架構,其中(上)為保麗龍箱之上視圖,(下)為外視圖 35
圖3.21 量測豬油升溫之架構,其中(上)為保麗龍箱之上視圖,(下)為外視圖 36
圖3.22 驗證特定吸收率分佈圖之實驗設置 37
圖3.23 升溫驗證示意圖 37
圖4.1 發射端電路成品 40
圖4.2 Class D頻率400 kHz輸出功率10瓦之射頻電源傳輸訊號 40
圖4.3 Class D頻率1.2 MHz輸出功率10瓦之射頻電源傳輸訊號 41
圖4.4 Class D在空氣中之功率傳輸並與文獻【2,14】比較 42
圖4.5 於瘦豬肉與豬油中之功率傳輸 43
圖4.6 Class D 10 W對水溫度變化之實驗設置 44
圖4.7 Class D 10 W對水的溫度變化之紀錄時序 44
圖4.8 1 c.c.水置於距400 kHz/10 W發射線圈0, 1, 2, 和3公分的溫度變化 44
圖4.9 1 c.c.水置於距1.1 MHz/10 W發射線圈0, 1, 2, 和3公分的溫度變化 45
圖4.10 400 kHz/10 W對240公克豬肉溫度變化之實驗設置 47
圖4.11 240公克豬肉置於距400 kHz/10 W發射線圈0.5, 1.5,和3.5公分之溫度變化 47
圖4.12 10 W/1.1 MHz之瘦豬肉SAR分佈圖 48
圖4.13 10 W/1.1 MHz之豬油SAR分佈圖 49
圖4.14 完整資料點之瘦豬肉SAR分佈圖 51
圖4.15 非完整資料點之瘦豬肉SAR分佈圖 51
圖4.16 瘦豬肉溫度量測點示意圖 52
圖4.17 完整資料點之豬油SAR分佈圖 53
圖4.18 非完整資料點之豬油SAR分佈圖 54
圖4.19 豬油溫度量測點示意圖 55
圖4.20 不同數量之資料點對瘦豬肉SAR分佈圖之影響 56
圖4.21 不同數量之資料點對豬油SAR分佈圖之影響 57
圖4.22 瘦豬肉之特定吸收率分佈(28、44、77點) 58
圖4.23 豬油之特定吸收率分佈(28、44、77點) 60
圖5.1 發射天線之軸對稱幾何外型 65
圖5.2 設定邊界條件 66
圖5.3 設定線圈上之電流密度 66
圖5.4 設定介質為空氣 67
圖5.5 設定漆包線材質 67
圖5.6 模擬區域之網格化 68
圖5.7 發射天線之有限元素分析 68
圖5.8 平面線圈之磁力線示意圖 69
圖5.9 SAR分佈之有限元素分析 69

表索引

表3.1 發射線圈之規格 27
表3.2 接收線圈之規格 27
表3.3 生物組織之相關參數 36
表4.1 400 kHz/10 W發射線圈於29分鐘內使1.c.c水變化之溫差 45
表4.2 1.1 MHz/10 W發射線圈於29分鐘內使1.c.c水變化之溫差 45
表4.3 400 kHz/10 W發射線圈於29分鐘內使240公克豬肉變化之溫差 47
表4.4 實驗值與cubic內差值之比較(瘦豬肉) 59
表4.5 升溫的實驗值與預測值之比較(瘦豬肉) 59
表4.6 實驗值與cubic內差值之比較(豬油) 59
表4.7升溫的實驗值與預測值之比較(豬油) 60
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