ABSTRACT

This paper presents a thermal study of a double-layer encapsulation for an interventional medical device, which operates temporarily inside the human esophagus for cardiac imaging. The surface temperature of test samples, representing the device, was assessed by experiments and numerical simulations. The test samples consisted of a heat source, a heat sink and a double-layer encapsulation consisting of a 3D printed biocompatible polymer (thickness 0.9 mm), with an electroplated Cu inner layer (0, 10, 80 or 150 µm thick). The surface temperature of test samples was measured in a tissue-mimicking thermal phantom at 37°C, with different heat source power levels. Experimental results showed that the maximum steady-state surface temperature could be reduced significantly by a 10 µm thick Cu layer (compared to no Cu layer). Increasing the Cu layer thickness further had a rather small effect, at least for low power levels. The maximum steady-state surface temperature was an exponential function of the Cu layer thickness. Test samples with a Cu electroplated polymer encapsulation and a heat source power of 0.5 W satisfied the maximum temperature limit for thermal safety (43°C) when the Cu layer was thicker than about 80 µm. Simulated surface temperatures were in good agreement with experimental values, for a model using two different thermal contact conductance coefficients (for different materials) for the sample-phantom boundary condition. The simulation model was also used to suggest alternative materials for the outer layer of an encapsulation with a metal inner layer, for reducing the surface temperature.

摘要

本文介绍了一种用于介入医疗设备的双层封装的热研究，该设备临时在人类食道内进行心脏成像。通过实验和数值模拟评估代表器件的测试样品的表面温度。测试样品由热源、散热器和双层封装组成，双层封装由 3D 打印的生物相容性聚合物（厚度 0.9 mm）和电镀铜内层（0、10、80 或 150 µm 厚）组成。测试样品的表面温度在 37°C 的组织模拟热模型中测量，具有不同的热源功率水平。实验结果表明，10 µm 厚的铜层（与没有铜层相比）可以显着降低最大稳态表面温度。增加铜层厚度进一步产生了相当小的影响，至少对于低功率水平。最大稳态表面温度是铜层厚度的指数函数。当铜层厚于约 80 µm 时，具有铜电镀聚合物封装和 0.5 W 热源功率的测试样品满足热安全的最高温度限制 (43°C)。对于使用两种不同的热接触传导系数（针对不同材料）的模型，模拟的表面温度与实验值非常吻合，用于样本-模型边界条件。该仿真模型还用于建议具有金属内层的封装外层的替代材料，以降低表面温度。至少对于低功率水平。最大稳态表面温度是铜层厚度的指数函数。当铜层厚于约 80 µm 时，具有铜电镀聚合物封装和 0.5 W 热源功率的测试样品满足热安全的最高温度限制 (43°C)。对于使用两种不同的热接触传导系数（针对不同材料）的模型，模拟的表面温度与实验值非常吻合，用于样本-模型边界条件。该仿真模型还用于建议具有金属内层的封装外层的替代材料，以降低表面温度。至少对于低功率水平。最大稳态表面温度是铜层厚度的指数函数。当铜层厚于约 80 µm 时，具有铜电镀聚合物封装和 0.5 W 热源功率的测试样品满足热安全的最高温度限制 (43°C)。对于使用两种不同的热接触传导系数（针对不同材料）的模型，模拟的表面温度与实验值非常吻合，用于样本-模型边界条件。该仿真模型还用于建议具有金属内层的封装外层的替代材料，以降低表面温度。当铜层厚于约 80 µm 时，具有铜电镀聚合物封装和 0.5 W 热源功率的测试样品满足热安全的最高温度限制 (43°C)。对于使用两种不同的热接触传导系数（针对不同材料）的模型，模拟的表面温度与实验值非常吻合，用于样本-模型边界条件。该仿真模型还用于建议具有金属内层的封装外层的替代材料，以降低表面温度。当铜层厚于约 80 µm 时，具有铜电镀聚合物封装和 0.5 W 热源功率的测试样品满足热安全的最高温度限制 (43°C)。对于使用两种不同的热接触传导系数（针对不同材料）的模型，模拟的表面温度与实验值非常吻合，用于样本-模型边界条件。该仿真模型还用于建议具有金属内层的封装外层的替代材料，以降低表面温度。对于使用两种不同的热接触传导系数（针对不同材料）的模型，模拟的表面温度与实验值非常吻合，用于样本-模型边界条件。该仿真模型还用于建议具有金属内层的封装外层的替代材料，以降低表面温度。对于使用两种不同的热接触传导系数（针对不同材料）的模型，模拟的表面温度与实验值非常吻合，用于样本-模型边界条件。该仿真模型还用于建议具有金属内层的封装外层的替代材料，以降低表面温度。