Revision: Modeling of Capacitive Resonant Wireless Power and Data Transfer to Deep Biomedical Implants

    El resto de este documento está organizado de la siguiente manera. La Sección II analiza el diagrama funcional del sistema propuesto, los resultados analíticos y de simulación, y el modelado del método de elementos finitos. En la Sección III, se presenta el análisis experimental de la energía, la transferencia de datos utilizando enfoques CC, RCC y RCCI, y la transmisión de datos a través de IoT al servidor en la nube. La sección IV proporciona la conclusión.

Aportes  

Invesgitcacion de capacitancia de placa intermedia adicional entre el transmisor (Tx) y el receptor (Rx)

 El método de acoplamiento capacitivo resonante (RCC), Se Aclara el campo eléctrico creado entre las placas es fuerte bajo la resonancia, lo que aumenta la PTE del sistema.

pruebas con la capacitancia de placa intermedia (RCCI) para mejorar aún más la PTE.

determinacion de la distribución del campo eléctrico, la variación de temperatura y el SAR del tejido de la cabeza.

Investigaciones en  diferentes distancias de acoplamiento entre las placas.

(ASK) a una velocidad de 50 kb/s para sistemas CC, RCC y RCCI.

el sistema propuesto se integra con las tecnologías emergentes de Internet de las cosas (IoT).

. El PTE aumenta a medida que aumenta el condensador de acoplamiento equivalente; sin embargo, en la práctica en tiempo real, el valor máximo del condensador de acoplamiento será inferior a 0,3 p

RCCI muestra una tasa de absorción ligeramente alta en comparación con el CC y el RCC debido a la alta tasa de transferencia de campo eléctrico

Materiales utilizados 

amplificador de potencia de clase E

el circuito resonante proporciona una compensación LC .

 banco virtual de National Instruments (NI-8014)

Las placas están recubiertas con gel de silicona MED-2000 con un espesor de 1 mm para biocompatibilidad y un recubrimiento de parileno C de 2 μm para una superficie uniforme.

las medidas de salida se toman utilizando DSO de dos canales Keysight.

 transistor (BC547)

ESP-12E Development KG164

Retrazo de envio de datos un retraso de 20 a 25 ms

Teoría  

Mension de transferencia de potencia ultrasónica, el método termoiónico, el acoplamiento resonante inductivo (IRC) y el acoplamiento capacitivo. 

Capacitancia equivalente

Topología  

  

Fig. 1. Diagrama de bloques funcional del sistema RCC con transferencia de datos

La unidad contsta capacitancia del receptor, un circuito resonante, un rectificador de clase E, una batería, un sensor de presión y una unidad de modulación

 La unidad del lado del receptor de datos está conectada con las placas Tx, que consta de un filtro de paso bajo, un amplificador operacional y una unidad de demodulación. Los datos recibidos se transmitirán a la nube a través de IoT para comprobar frecuentemente el estado del paciente y del sensor.

 estándares IEEE.

Fig. 17. Configuración de medición del sistema CC con tejido de cerdo. [1]

El circuito de transferencia de datos de enlace ascendente requiere un circuito simple con bajo consumo de energía  utilizando un transistor (BC547) para las operaciones de “ON” y “OFF” del interruptor en función de los datos del mensaje.

En el lado receptor, la unidad de demodulación consta de un detector de envolvente que crea una envolvente para la señal modulada obtenida de las placas capacitivas, y el comparador OP-AMP (IC741) convierte la envolvente en señal de datos comparándola con la señal de referencia

Fig. 19. Circuito de transferencia de datos de enlace ascendente y configuración experimental [1]

Durante la medición de la transferencia de datos, la fuente de entrada al amplificador de potencia de clase E se apaga y el voltaje de salida se mide en las placas Tx

el sistema propuesto es más adecuado para interconectar el módulo IoT fuera del tejido y transferir los datos recibidos desde las placas capacitivas a un servidor en la nube ThingSpeak.. 

Parámetros 

Caso 1 (Sistema CC) 

ambas placas a distancia de 25 mm del Tx y RX 0.9V

20 mm, los voltajes de salida aumentan a 1,1 V

 PTE de 24,2% para CC 

5 V 

Caso 2 (Sistema RCC): 

PTE de 34,14%  para RCC

 1,54 V

a 1,79 V

A 17 mm, la potencia Rx consta del componente de frecuencia operativa f0 (6,78 MHz) y el componente de baja frecuencia fl (6,56 MHz), y a 14 mm, los componentes inferiores de frecuencia dividida ( fl) se reducen ligeramente a 6,48 MHz

3) Caso 3 (Sistema RCCI):

25mm 1.81 V

20 mm 2,1 V

PTE de  42,21%   para  RCCi

frecuencia de resonancia diseñada de 6,78 MHz con una tasa de transferencia de potencia máxima. 

de dos pares de capacitancia separados por una distancia de 15 a 30 mm .

la frecuencia del voltaje recibido se divide en 6,59 y 6,78 MHz a una distancia de 17 mm y 6,29 y 6,78 MHz a una distancia de 14 mm

Con CC Para la capacitancia equivalente óptima de 0,3 pF a 6,78 MHz, el PTE máximo obtenido es 24,2%

Con e RCC La eficiencia máxima para el valor del capacitor de acoplamiento de 0.3 pF es 34.14%

8. La eficiencia máxima para el valor del capacitor de acoplamiento de 0,3 pF es 42,21.

 El voltaje máximo de la fuente se establece en 5 V

 resistencia de carga de 50 ohmios 

Aplicaciones mencionadas 

 sensores neuronales implantables, a implantes cerebrales

marcapasos, bombas cardíacas, robots de cápsulas y sensores cerebrales

 carga de vehículos, eléctricos y la detección de fallas en líneas de transmisión 

implantes profundos como el sensor de presión intracraneal (PIC) y los implantes cerebrales distribuidos

IOT

Bibliografía 

R. Narayanamoorthi, “Modeling of Capacitive Resonant Wireless Power and Data Transfer to Deep Biomedical Implants,” IEEE Trans Compon Packaging Manuf Technol, vol. 9, no. 7, pp. 1253–1263, Jul. 2019, doi: 10.1109/TCPMT.2019.2922046.