Simulationstool zur Auslegung transkutaner Energieübertragungssysteme

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Die größte Herausforderung bei der Entwicklung innovativer aktiver Implantate ist deren dauerhafte und zuverlässige Versorgung mit elektrischer Energie. Während Implantate mit geringem Energiebedarf mittels Primärzellen schon Laufzeiten von bis zu zehn Jahren erreichen, müssen andere, beispielsweise Herzunterstützungssysteme noch über perkutane Leitungen mit Energie versorgt werden. Eine kabellose Möglichkeit aktiven Implantaten dauerhaft elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, bietet die induktive Kopplung von Schwingkreisen. Damit ist der transkutane Energietransfer mittels induktiver Kopplung eine Schlüsseltechnologie für die weitere Entwicklung aktiver Implantate. Insbesondere im Bereich der medizintechnischen Entwicklung ist es von großem Interesse, das Verhalten und die Eigenschaften aller Systemkomponenten frühzeitig zu kennen und beschreiben zu können. Das hier vorgestellte Simulationstool zur Auslegung Transkutaner Energie Transfersysteme (TET-Systeme) ermöglicht neben der Analyse des Systemverhaltens auch die Optimierung der implantierbaren Sende- und transkutanen Empfangsspulen. Zur Validierung des auf Finiter-Elemente-Simulation beruhenden Simulationstools werden Versuchsreihen durchgeführt und mit den Simulationsergebnissen verglichen. Neben der Analyse der Induktivitäten und Gegeninduktivtäten wird auch der Einfluss unterschiedlicher relativer Spulenpositionen, technischer und organischer Materialien im Übertragungsspalt sowie der Einfluss der Lastimpedanz auf die übertragene Leistung untersucht. Die gute Übereinstimmung von Simulation und Messung erlaubt eine Beurteilung der Störeinflüsse und die Auslegung eines Regelungsverfahrens zur Erreichung optimaler Wirkungsgrade auf Basis der Simulationsergebnisse. Über die Berechnung der Gegenkopplung kann schließlich die relative Spulenposition bestimmt werden. Damit ist die optimale Ausrichtung der Spulen durch den Patienten möglich. Um die Implantatkomponenten auch nach thermischen Gesichtspunkten auslegen zu können, wird ein an die elektromagnetische Simulation gekoppeltes thermisches Modell vorgestellt und im Modellversuch validiert. Durch die Berücksichtigung der Gewebe im Finiten-Elemente-Modell kann darüber hinaus auch der SAR-Wert bei der Auslegung ermittelt werden. Das vorgestellte Simulationstool berücksichtigt somit bereits in der frühen Entwicklungsphase alle zur Auslegung der Implantatkomponenten wesentlichen Merkmale.