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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.
The limiting factor in developing innovative active implants is currently the permanent and reliable energy supply. Whereas implants with low energy consumption can be powered by primary cells over several years, implants with a higher energy demand like left ventricular assist devices still need percutaneous wires to guarantee a sufficient stable energy supply. A wireless facility for powering active implants can be found in the inductive coupling of resonant tanks. Therefore the inductive transcutaneous energy transfer is one of the key technologies in further developments of active implants. Especially in the field of medical engineering, the knowing of system characteristics and system behavior in an early stage of development is essential. The simulation tool presented here, is able to analyze system behavior besides optimizing the implantable receiving and extracorporeal transmitting coils. For the validation of the simulation tool, based on finite element analyses, several experiments have been done. In addition to the accuracy of inductance and counter inductance prediction, the influence of a change in coil position, the influence of technical and organic materials in the transmission path and the influence of changes in the omic load on the transferred power have been investigated. The good accordance of simulated and measured values allow the simulation based evaluation of perturbations and the design of a closed loop concept to achieve maximal efficiency. Via calculating the current counter inductance, the relative coil position can be determined. Knowing the position allows the patient to adjust the transmitter coil in the best matter. Higher amounts of transferred energy also demand, besides the electromagnetic design a thermal calculation of the implant components. Therefore a thermal model can be coupled to the simulation tool predetermining coil heating. The consideration of tissue in the simulation tool also gives the expectable SAR values. With the presented simulation tool the design of a transcutaneous energy transfer system can be evaluated not only in an electromagnetic but also in a thermal way in an early stage of development.