Entwurf und Optimierung eines Übertragungssystems zur induktiven Energieversorgung für medizinische Implantate mit der Trägerfrequenz 13,56 MHz

Hijazi, Naeim

Die Entwicklung eines Augenimplantats mit Komponenten für die drahtlose Energie- und Datenübertragung steht im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Hierfür wurden verschiedene Konzepte zur drahtlosen Übertragung von Energie und Daten an einem medizinischen Implantat untersucht und optimiert. Die Entwicklung des Energieübertragungssystems erfolgte mit dem Ziel der Erreichung einer hoher Effizienz und einer möglichst geringen Wärmeentwicklung. Weiterhin sollte die Energieversorgung zum Implantat so gesteuert werden, dass eine akzeptable konstante Energiemenge übertragen werden kann. Um eine hohe Effizienz zu gewährleisten, müssen der Typ des eingesetzten Verstärkers richtig konstruiert sein und seine Komponenten sorgfältig gewählt werden. Nur durch die Wahl des richtigen Verstärkers kann der Wunsch nach niedrigen Energieverlusten und hohem Wirkungsgrad erfüllt werden. In der Arbeit sind verschiedene Verstärkertypen zur drahtlosen Energieübertragung vorgestellt und untersucht worden, um anschließend den für das Anforderungsprofil am besten geeigneten Verstärkertyp auszuwählen. Dieser Verstärker wurde entworfen und mit Hilfe von Simulationen, Berechnungen und Messungen für den Einsatz optimiert. Der Sender ist mit einem optimierten analogen Klasse-E-Verstärker aufgebaut worden und arbeitet bei einer Trägerfrequenz von 13,56 MHz im ISM-Band. Zunächst wurde der Übertragungskanal innerhalb des elektronischen Systems entsprechend nachgebildet und gemessen. Danach ist das ganze Übertragungssystem entworfen, optimiert, realisiert und getestet worden. Die geeigneten Systemkomponenten zur drahtlosen Datenübertragung mussten noch konzipiert, entwickelt und realisiert werden. Die Algorithmen für Signaldekodierung und Displayansteuerung werden ebenfalls in einer Hardwarebeschreibungssprache (Verilog-HDL) geschrieben und als Displaytreiberchip realisiert. Weitern Bestandteile des Implantats, wie Daten- und Energiechips, wurden als integrierte Schaltkreise gefertigt. Ebenso wurde die geeignete implantierbare Empfangsspule dimensioniert und hergestellt. Die Komponenten des Implantats wurden zusammengebaut und in eine Silikonhülle eingegossen. Im Rahmen des IOS-Projekts (intraokulare Sehhilfe) sollte ein Prototyp des Gesamtsystems entwickelt werden, mit dessen Hilfe nicht nur die prinzipielle Machbarkeit einer technischen Sehhilfe gezeigt werden kann, sondern auch ihre Realisierbarkeit als Mikrosystem nachgewiesen wird.

The development of an eye implant with components for wireless power and data transmission is the focus of the present Thesis. Several concepts for wireless transmission of energy and data at a medical implant have been tested and optimized. The energy transmission system should achieve a high efficiency and low losses. Additionally should the Transmitter continuously provide the implant with an acceptable constant energy. To ensure a high efficiency, the implemented amplifier must be right designed and the amplifier components should be carefully selected. The choice of the amplifier is very important to minimize energy losses and achieve high efficiency. Different types of amplifiers for wireless energy transmission are presented and analyzed in order to select the best type. Next the selected amplifier is designed and optimized with the help of simulations and measurements. The transmitter is using an optimized analog class E amplifier, and operates at a carrier frequency of 13.56 MHz in the ISM band. The transmission channel between the transmitter and receiver is simulated and measured. The complete transmission system is designed, optimized, implemented and tested. Implant components for wireless data transmission should be also designed, developed and implemented. Algorithms for signal decoding and display control are written in a Hardware Description Language (Verilog HDL). The components of the implant, such as data chip, power chip and display driver chip, are implemented as microchips. The implantable receiver coil is dimensioned and realized. The components of the implant are assembled and placed in a silicone case. In the frame of the IOS-Project (German: intraokulare Sehhilfe) a prototype of vision-aid system is developed which shows not only the basic functionality of the system but also its realization as a compact microsystem.

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Hijazi, Naeim: Entwurf und Optimierung eines Übertragungssystems zur induktiven Energieversorgung für medizinische Implantate mit der Trägerfrequenz 13,56 MHz. Ilmenau 2017.

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