Optimization of inductive links for wireless power transfer in implantable biomedical devices in preclinical modeling

Implantable biomedical devices are increasingly expected to operate chronically and autonomously inside the body, without percutaneous wiring. In this context, the ability to deliver electrical power safely, efficiently and reliably across biological tissue becomes a primary constraint. This thesis investigates an inductive wireless power transfer (WPT) link designed to supply an implanted receiver coil in an anatomically realistic human-arm scenario, with the dual objective of maximizing the power delivered to the load and ensuring compliance with safety constraints on local heating and electromagnetic exposure. A multiphysics workflow is developed to co-design link geometry, operating frequency, and impedance matching. The external transmitter and implanted receiver are modeled as resonant coupled coils and optimized around a MHz-range operating point (about 3.9 MHz) to improve coupling at d1=0.8 cm and d2=1.5 cm separations while preserving form factor and patient comfort. The electromagnetic model (Magnetic Fields + Electrical Circuit) is solved together with the matching network to extract mutual inductance, quality factors, power transfer efficiency (PTE), and power delivered to the load (PDL). The model is then extended with a bioheat formulation of the human arm. Electromagnetic losses are used as input to a thermophysiological solver in COMSOL Multiphysics to estimate local specific absorption rate (SAR) and steady-state temperature rise, which are compared against international exposure limits. The study provides quantitative guidelines linking coil geometry, transmitter-receiver distance, achievable PTE and thermal/SAR compliance, and formulates design recommendations for transmitter shaping, receiver placement, and allowable input power to enable continuous transcutaneous powering of implantable bioelectronic systems.

I dispositivi biomedici impiantabili sono sempre più concepiti per funzionare in modo cronico e autonomo all'interno del corpo, senza connessioni percutanee permanenti. In questo quadro, la fornitura sicura, efficiente e affidabile di energia elettrica attraverso i tessuti biologici diventa un vincolo progettuale primario. In questa tesi viene studiato un collegamento di trasferimento di potenza wireless induttivo (WPT) per alimentare in modo transcutaneo un ricevitore impiantato nel braccio umano, con il duplice obiettivo di massimizzare la potenza erogata al carico e garantire il rispetto dei limiti di sicurezza relativi al riscaldamento tissutale e all'esposizione elettromagnetica. È stato sviluppato un flusso di progettazione multiphysics che integra geometria delle bobine, scelta della frequenza di lavoro e rete di adattamento di impedenza. Il trasmettitore esterno e il ricevitore impiantato sono modellati come bobine risonanti accoppiate e ottimizzati in banda MHz (circa 3.9 MHz) per migliorare l'accoppiamento alle distanze d1=0.8 cm e d2=1.5 cm, mantenendo al contempo ingombro ridotto e comfort per il paziente. Il modello elettromagnetico (Campi Magnetici + Circuito Elettrico) consente l'estrazione di grandezze chiave quali induttanza reciproca, fattori di qualità, efficienza di trasferimento di potenza (PTE) e potenza fornita al carico (PDL). Successivamente, il modello è stato esteso includendo una descrizione bio-termica del braccio umano. Le perdite elettromagnetiche alimentano un solver termo-fisiologico in COMSOL Multiphysics per stimare la distribuzione di SAR locale e l'innalzamento di temperatura a regime, confrontati con i limiti normativi internazionali. Il lavoro fornisce linee guida quantitative che collegano geometria delle bobine, distanza trasmettitore-ricevitore, PTE ottenibile e conformità termo-dosimetrica (SAR/temperatura), e propone raccomandazioni progettuali su forma del trasmettitore, posizionamento del ricevitore e potenza di ingresso ammissibile per l'alimentazione continua di sistemi bioelettronici impiantabili.