Derin beyin stimülasyonu için verimli bir kablosuz güç transfer sistemi tasarımı

Abstract

İmplante edilebilir aktif tıbbi cihazlara güvenilir enerji sağlanması, Derin Beyin Stimülasyonu (DBS) sistemleri gibi biyomedikal uygulamalarda önemlidir. Geleneksel DBS cihazları, sıklıkla cerrahi müdahaleler gerektiren pillerle çalışmakta, bu durum enfeksiyon riski, hasta rahatsızlığı gibi sorunları beraberinde getirmektedir. Tez kapsamında, bu sorunların önüne geçmek amacıyla DBS cihazlarına kablosuz güç aktarım (KGT) sisteminin doğrudan kranial implantasyonu önerilmiştir. Bu yaklaşım sayesinde boyundan geçen kablolara gerek duyulmaz ve daha küçük piller kullanılabilir. Bu sayede hasta konforu artırılarak farklı enfeksiyon riskleri minimize edilebilir. Ayrıca, ameliyathane yoğunluklarının azaltılmasıyla ülke ekonomisi açısından uzun vadeli ekonomik faydalar da sağlanabilir. Tezde, doğrudan kranial implantasyon için tasarlanan son yıllarda literatürde çalışılan yeni bir DBS cihazı ve bu cihaza uygun hibrit topolojiye sahip bir KGT sistemi geliştirilerek analitik analizi sunulmuştur. Çalışma, geleneksel iki bobinli LCC-C ve dört bobinli LCC-C-C-C topolojisine odaklanmıştır. Bu kapsamda ANSYS ortamında 3D sonlu elemanlar yöntemi ile spiral bobinler modellenmiş, LCC-C ve LCC-C-C-C devre tasarımları analiz edilmiştir. Doku ortamında elde edilen deneysel güç aktarım verimliliği sonuçlarına göre, FR4 üzerine tasarlanan iki bobinli sistem 5mm mesafede %6,8 verimlilik sunarken, dört bobinli sistem %25 verimlilik elde etmiştir. Ayrıca 5mm dikey mesafede 5mm yatay kayma durumunda, iki bobinli sistemin verimliliği %4,41’e düşerken, dört bobinli sistem %16,9’da kalmıştır. Alıcı taraftan elde edilen AC gerilim DC'ye dönüştürülerek 1S LiPo pil, CC-CV modunda şarj edilmiştir. Temel dalga şekillerini üreten DBS prototipi tasarlanmış ve stimülasyon sinyallerinin parametrelerini kontrol etmek için bir mobil uygulama geliştirilmiştir. Bluetooth, kontrol ve stimülasyon devresi aktif durumdayken batarya üzerinden ⁓7 mA akım çekilmiştir. Klinik uygulanabilirlik açısından yapılan SAR analizi, 0,415 W/kg seviyesinde güvenli sonuçlar göstermiştir.

Reliable power supply to implantable active medical devices is important in biomedical applications such as Deep Brain Stimulation (DBS) systems. Conventional DBS devices are powered by batteries that often require surgical interventions, which brings problems such as infection risk and patient discomfort. In this thesis, direct cranial implantation of a wireless power transfer (WPT) system to DBS devices is proposed to avoid these problems. This approach eliminates the need for cables passing through the neck and smaller batteries can be used. In this way, patient comfort can be increased and different infection risks can be minimized. In addition, long-term economic benefits for the national economy can be achieved by reducing operating room crowding. In this thesis, a new DBS device designed for direct cranial implantation, which has been studied in the literature in recent years, and a KGT system with a hybrid topology suitable for this device are developed and analytically analyzed. The study focuses on conventional two-coil LCC-C and four-coil LCC-C-C-C topology. In this context, spiral coils are modeled with 3D finite element method in ANSYS environment and LCC-C and LCC-C-C-C circuit designs are analyzed. According to the experimental power transfer efficiency results obtained in the tissue environment, the two-coil system designed on FR4 offers 6.8% efficiency at 5mm distance, while the four-coil system achieved 25% efficiency. Also, in the case of a horizontal shift of 5mm at a vertical distance of 5mm, the efficiency of the two-coil system decreased to 4.41%, while the four-coil system remained at 16.9%. The AC voltage obtained at the receiver side was converted to DC and the 1S LiPo battery was charged in CC-CV mode. A DBS prototype was designed to generate the fundamental waveforms and a mobile application was developed to control the parameters of the stimulation signals. A current of ⁓7 mA was drawn from the battery when the Bluetooth, control and stimulation circuitry was active. SAR analysis for clinical applicability showed safe results at 0.415 W/kg.