טעינה אלחוטית עבור יישום קוצב לב

קוצב לב מלאכותי המושתל מתחת לעור, הוא מכשיר רפואי קטן, המשתמש באימפולסים חשמליים, המועברים על ידי אלקטרודות לכיווץ שרירי הלב, כדי להסדיר את פעימות הלב. ישנם הרבה סוגים של קוצבי לב שעובדים על סוללות לא נטענות למשך כמה שנים. עם זאת, הביקוש לשימוש בסוללות נטענות גדל.

קוצבי לב נמצאים בשימוש מאז 1958, וקוצבי לב המושתלים הראשוניים היו מבוססים על סוללות ניקל-קדמיום נטענות [1]. קוצבים אלה היו נטענים על ידי סליל המוחזק ליד העור, היכן שהותקן הקוצב, במשך כמה שעות. היה צורך לחזור על הליך זה כל כמה ימים. באותה תקופה, הרעיון של שימוש בקוצבי לב נטענים ירד מכמה סיבות. ראשית, לסוללות ניקל קדמיום הייתה תוחלת חיים קצרה יחסית, זאת למרות היותן נטענות, לכן קוצבי לב אלה עדיין היו צריכים להיות מוחלפים לעתים קרובות. שנית, מטופלים לעתים קרובות שכחו להטעין את הקוצבים שלהם על פי לוח הזמנים המומלץ [2]. בגלל התקדמות טכנולוגית ופיתוח סוללות הלא נטענות עם תוחלת חיים גדולה יותר, ירד השימוש בקוצבי הלב המבוססים על סוללות נטענות. ב-1973 פותחו סוללות לא נטענות המבוססות על lithium-iodide, כאשר איתם היה ניתן להשתמש בקוצב בין 5 ל-10 שנים. אפשר לציין, שפותחו סוללות עם תוחלת חיים אפילו גדולה יותר המבוססות על plutonium, אך אלה ננטשו בשל רעילותם.

נכון לעכשיו, יש עניין מחודש בפיתוח קוצבי לב נטענים [3] אשר יכולים לשפר את איכות החיים של המטופלים. המאמר הנוכחי מתאר מערכת טעינה עבור קוצבים, באמצעות פלטות פריט (ferrite) והאלומיניום לשיפור הצימוד בין שני הסלילים.
התכנון של מערכת הטעינה עבור קוצב לב נעשה ע”י שימוש בתוכנות ANSYS Maxwell ו-ANSYS Simplorer. באיור 1 ניתן לראות את המערכת.
הצד של Tx נמצא מחוץ לגוף האדם והצד של Rx נמצא בתוך גוף האדם. כל אחד מהסלילים מכיל 10 ליפופים ברדיוס של a1=a2=15mm. ישנן שתי פלטות של פריט עם רדיוסים b1=24mm ו-b2=16mm. בנוסף משתמשים בפלטות של אלומיניום עם רדיוסים c1=26mm ו-c2=18mm. העובי של פלטות פריט ואלומיניום 1mm. המרחק בין שני סלילים d=15mm.
באיור 2 ניתן לראות את הגיאומטריה של המערכת בתוכנת ANSYS Maxwell ב-3D.
מטרת השימוש בפלטות פריט ואלומיניום היא להגדיל את הצימוד בין שני הסלילים, כפי שניתן לראות באיור 3 (צבע אדום – עוצמה חזקה, צבע כחול – עוצמה חלשה, כל הגרפים מוצגים באותה סקלה של צבעים). תדר עבודה הינו 20kHz.
ע”י שימוש בפלטת האלומיניום בלבד, השדה המגנטי נראה כיווני, אבל עדיין חלש. הליבה העשויה מפריט מחזקת את השדה המגנטי באופן משמעותי.
איור 4 מתאר את המעגל השקול של המערכת.
בתדר

20kHz התוצאות עבור הערכים של מעגל השקול כפי שהתקבלו בתוכנת ANSYS Maxwell הינן:
L1=4168.5nH, L2=3700.2nH, M=522.69nH, R1=18.78mΩ, R2=21.89mΩ, R12=1.78mΩ מקדם צימוד הינו 0.133.
כדי להשיג העברת הספק טובה יותר נדרש להוסיף מעגל תיאום אימפדנסים המורכב מסלילים וקבלים בכל צד של המערכת, כפי שתוכנן בתוכנת ANSYS Simplorer (איור 5).
באיור 5, הבלוק המרכזי מתאר את המעגל השקול. הערכים עבור הרכיבים במעגל התיאום הינם:
CM1=4.45µF, CM2=4.13µF, LM1=10.09µH LM2=11.66µH.
החישובים נעשו ע”י שימוש ב-S פרמטרים, ז”א מקדם החזרה S11 ומקדם העברה S21. המטרה לקבל מקדם העברה מקסימאלי בתדר העבודה 20kHz. הגרפים של S פרמטרים מוצגים באיור 6.
מאיור 6 ניתן לראות שבתדר 20kHz מקדם העברה כ-, ז”א נצילות של 72%. ניתן לאמת את החישוב של S פרמטרים, ע”י שרשור של חמש מטריצות ABCD לקבלת מטריצה ABCD של כל המערכת ואז לחשב את S פרמטרים, ע”י שימוש בנוסחאות הבאות [4, 5]:
כאשר R = 50Ω הינו אימפדנס אופייני עבור חישוב S פרמטרים.
לבסוף, שילבנו בתכנון שלנו את מודל גוף האדם. מפני שגוף האדם עשוי מחומר דיאלקטרי ומדובר על תדר נמוך, לכן לא צפויים להיות שינויים משמעותיים בביצועים. חזרנו על הסימולציה בתוכנת ANSYS Maxwell עם גוף האדם, כפי שנראה באיור 7.
ניתוח הנתונים מראה פרמטרים של מעגל שקול דומים מאוד לאלה שהושגו ללא גוף האדם. מקדם הצימוד התקבל 0.114 במקום של 0.133 כפי שראינו בחישוב הקודם, כלומר חריגה של כ-12%.
מקורות:
[1] Mallela VS, Ilankumaran V and Rao NS., “Trends in Cardiac Pacemaker Batteries”, Indian Pacing and Electrophysiology Journal 4(4):201 (2004)
[2] Maisel WH et al. “Pacemaker and ICD generator malfunctions: analysis of Food and Drug Administration annual reports”, JAMA 295(16), 295:1901 (2006)
[3] K. Song et. al., “Subdermal Flexible Solar Cell Arrays for Pow- 19 ering Medical Electronic Implants”, Adv. Healthc. Mater., doi: 10.1002/adhm.201600222 (2016)
[4] D. M. Pozar, “Microwave Engineering”, Wiley India Pvt., 2009
[5] Vulfin V. and Ianconescu R., “Transmission of the maximum number of signals through a Multi-Conductor transmission line without crosstalk or return loss: theory and simulation”, IET MICROW ANTENNA P, 9(13), pp. 1444-1452 (2015)

הכתבה באדיבות ANSYS. לפרטים נוספים ניתן לפנות לנציגות המקומית.