Recently, the implantable medical devices (IMDs) market has increased significantly and is being used in various applications. Although these IMDs are excellent for patient symptom monitoring and nerve stimulation, there are still problems such as frequent reoperations due to limitation of battery life, disconnection of wires and infection, and increase in the size of the IMD due to the batteries. The wireless power transfer (WPT) technology can solve problems with conventional systems, such as battery capacity and lifespan and minimization of connection wires. However, due to the nature of the use environment of the IMD, the power transmitter (TX) is located outside the body, and the receiver (RX) is located inside the body, so the human tissue is directly exposed to a strong electromagnetic field (EMF).
In this paper, human exposure to EMF reduction design method in the space between the TX and RX systems, where the strongest EMF is exposed to human tissue, is proposed. Based on the equivalent circuit model analysis of the proposed system, the power transfer characteristics and EMF reduction characteristics of the WPT system according to the design variables are comprehensively analyzed. A design procedure is proposed based on the analyses, and the proposed system compared and verified the power transfer efficiency (PTE) and EMF reduction with the conventional system through simulations and measurements. In addition, through simulation, the evaluation of the human exposure to EMF is verified with three indicators: current density, induced electric field, and specific absorption rate (SAR). Since human exposure to EMF can vary depending on the tissue structure and conditions, sensitivity analyses depending on various tissue structures and conditions are performed, and additionally, an anatomical human model-based evaluation is conducted to verify the effectiveness of the proposed system.
최근 인체 삽입형 의료기기 시장이 크게 증가하고 있으며, 다양한 어플리케이션에 활용되고 있다. 이러한 인체 삽입형 의료기기는 환자의 증상 모니터링, 신경 치료 등 뛰어난 활용성과 효과가 있지만 여전히 배터리 수명 한계로 인한 잦은 재수술, 연결선 단선과 감염 문제, 큰 용량의 배터리 사용으로 인한 삽입 기기의 크기 증가 등의 문제점이 존재한다. 이는 무선전력전송 기술을 이용하여 배터리 용량과 수명 문제, 연결선 최소화 등 기존 시스템이 지닌 문제점을 해결할 수 있다. 하지만, 인체 삽입형 의료기기의 사용 환경 특성 상 전력 송신부는 체외에, 수신부는 체내에 위치하여 인체 조직은 직접적으로 강한 자기장에 노출되는 문제점이 존재한다.
본 연구에서는 인체 조직에 가장 강한 자기장이 노출되는 송수신 시스템 사이의 공간에서의 자기장 저감 설계 방법을 제안한다. 제안한 시스템의 등가 회로 모델 해석을 통해 설계 변수에 따른 무선전력전송 시스템 전력 전달 특성 및 자기장 저감 특성에 대하여 종합적으로 분석한다. 또한, 분석을 기반으로 설계 절차를 제안하며, 제안한 설계 방법은 실험과 시뮬레이션을 통해 전력 전달 특성 및 자기장 저감 특성을 기존 방법과 비교 및 검증한다. 또한, 시뮬레이션을 통해 제안한 시스템의 전자파 인체 노출량 평가를 전류 밀도, 유도 전기장, 전자파 흡수율의 세 가지 지표로 검증한다. 인체 영향은 조직 구조 및 조건에 따라 달라질 수 있으므로, 다양한 조직 구조 및 조건에 따른 민감도 해석을 진행하였으며, 추가적으로 해부학적 인체 모델 기반의 평가를 진행하여 제안한 시스템의 전자파 인체 영향 저감 성능을 검증하고 유효성을 확인한다.
