Transferencia de energía inalámbrica para alimentación de implantes médicos: diseño y optimización del enlace inductivo y de la topología conversora de energía

Rodríguez Tallón, Juan Carlos (2020). Transferencia de energía inalámbrica para alimentación de implantes médicos: diseño y optimización del enlace inductivo y de la topología conversora de energía. Thesis (Master thesis), E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Transferencia de energía inalámbrica para alimentación de implantes médicos: diseño y optimización del enlace inductivo y de la topología conversora de energía
Author/s:
  • Rodríguez Tallón, Juan Carlos
Contributor/s:
  • Alou Cervera, Pedro
  • Jiménez Carrizosa, Miguel
Item Type: Thesis (Master thesis)
Masters title: Electrónica Industrial
Date: 2020
Subjects:
Freetext Keywords: Convertidores conmutados, WPT, IPT, Electrónica de Potencia, Electrónica Implantable
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La estimulación neuronal profunda o DBS se trata de una terapia paliativa para reducir algunos síntomas neurológicos o psiquiátricos asociados a una disfunción del comportamiento de determinadas zonas del cerebro del afectado. El DBS consiste en la estimulación de núcleos cerebrales concretos, determinados por resonancia magnética (MRI), introduciendo en ellos electrodos, que afectan a diversos componentes neuronales, incluyendo los cuerpos celulares, axones y fibras generando un efecto de inhibición sináptica en las células, mientras tiene un efecto de alta frecuencia sobre los axones eferentes y las fibras. Actualmente los implantes de DBS tradicionales constan de dos componentes principales, unos electrodos estimuladores implantados quirúrgicamente en el cerebro, un implante bajo la clavícula del paciente que cuenta con un generador de pulsos que genera las corrientes de excitación necesarias para el DBS, y una batería electroquímica no recargable o una batería de litio recargable. Desde los grupos de neurocirugía del Hospital de la Princesa se propone la modificación de la localización del implante desde la clavícula a una posición en el lateral de la cabeza, sobre el hueso temporal del paciente, o directamente debajo de este sobre el cerebro. Esta nueva posición del IPG supone, según la experiencia del equipo médico, un menor riesgo de infecciones y facilita la intervención. Asimismo, la reducción del cableado entre IPG y electrodos permite excitaciones de más energía sin calentar el cable y causar posibles lesiones en la zona. Estas modificaciones supondrían una minimización de los riesgos quirúrgicos relacionados con el hardware, y una mejora en la calidad de vida general del paciente. Sin embargo, este planteamiento supone un reto, debido a la necesidad reducir mucho el tamaño de implante para su nueva posición. El objetivo del proyecto es el diseño de este nuevo concepto de implante para DBS, y comprobar su viabilidad técnica desde el punto de vista de la electrónica. Este trabajo se centrará en el estudio, diseño y prototipado de las primeras etapas de carga, esto es el inversor, el enlace inductivo, y el rectificador. Futuros proyectos diseñarán el BMS, neuroestimulador y sistema de comunicación. El implante para ser viable y capaz de competir con otras soluciones similares requiere de 120h de autonomía, que para un consumo estimado de 10mW y funcionamiento a 3.7V, supone la utilización de una batería de 360 mAh. Para maximizar la vida útil de la batería se propone una carga de 1C, esto es 360mA, lo que supone la carga completa del implante en 1 hora. Esta carga supone una transmisión de 1.332W inalámbricamente. Para un rendimiento estimado del 50% total en el sistema, esto supone manejar 2W en el implante. El principal reto en este proyecto es el de cumplir las normativas y especificaciones médicas y, sobre todo, las restricciones de tamaño para permitir la implantación quirúrgica de la electrónica en pacientes (2cm2 en secundario). Consecuencia de estas limitaciones son una alta frecuencia de operación (Banda ISM 6.78 MHz) con un ancho de banda muy limitado y el control de las pérdidas del enlace inductivo en el tejido adyacente al implante. Dentro del amplio abanico de convertidores y configuraciones de enlace inductivo en este proyecto se han desarrollado y analizado en profundidad el amplificador clase D con red auxiliar ZVS, el rectificador de puente completo y el enlace inductivo resonante con compensación serie-serie. Las aportaciones de este proyecto se centran en el proceso de modelado y diseño de sistemas de transferencia de energía inalámbrica para alta frecuencia, tanto en el enlace inductivo como en las topologías de convertidores. Se han desarrollado diversas herramientas computarizadas, modelos y flujos de trabajo para optimizar y acelerar el proceso de diseño de las bobinas del enlace inductivo, así como los inversores en primario.

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Item ID: 57840
DC Identifier: http://oa.upm.es/57840/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57840
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 04 Apr 2020 08:38
Last Modified: 03 Jun 2020 22:30
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