CN101141081A - 电磁软跟踪无线供能装置 - Google Patents

Abstract

一种机电技术领域的电磁软跟踪无线供能装置，包括体外无线数据收发器、体外微处理器、D/A转换器、电压源、Y向发射线圈、X向发射线圈、Z向发射线圈、整流稳压电路、姿态传感器、A/D转换器、钮扣电池、体内微处理器、常闭模拟开关、体内无线数据收发器、接收线圈，电压源与体外无线数据收发器、体外微处理器、D/A转换器相连，电压源输出端分别与Y向发射线圈、X向发射线圈、Z向发射线圈相连，姿态传感器与A/D转换器相连，钮扣电池通过常闭模拟开与体内无线数据收发器、体内微处理器、A/D转换器相连，接收线圈的输出并联整流稳压电路，然后与体内无线数据收发器、体内微处理器、A/D转换器相连。本发明提高能量传输效率，对人体深处器件供电。

Description

电磁软跟踪无线供能装置

技术领域

本发明涉及一种机电技术领域的装置，具体是一种电磁软跟踪无线供能装置。

背景技术

人体内部空间狭小，环境特殊，为了实现无创微创进入人体进行诊疗的的目的，器件体积一般被严格控制，而长时间工作的装置，如人工心脏、人造肛门、微型电子胶囊式内窥镜、胶囊式胃肠动力检测装置，及深入到人体腔道深处工作的机器人内窥镜等，不可能使用电缆进行有线能量传输，因此只能使用电池供电。由于电池供能容量非常有限，远远低于需要的能量，因此开发无线可持续地对微小空间工作器件进行供能的装置十分迫切和必要。

在临床医学上，微波频谱的能量传输技术比较成熟，并已应用工业场合，但由于人体对特定电磁频率的吸收作用，该项技术对于人体来说并不适用。目前大多使用较低频段的电磁场耦合或者光电耦合原理进行无线供能，集中在经皮能量传输层面上，能量发射场经过皮肤浅表层，到达接受装置。电磁经皮能量传输系统(Transcutaneous Energy Transmission System，TETS)中，接收线圈埋于皮肤下，两线圈间距离一般不超过2cm，线圈的尺寸差别不大，耦合程度较高。光耦合系统将光能收集元件埋于皮肤浅层，使用特定频段的光线照射时，内部植入器件因光电作用而产生电能，经收集后对外供能。以上两种系统对于深埋在人体腔道或者在其中运动的器件很难进行能量供应。而且，能量传输的高度方向敏感性，使得这两种系统只能运用于相对人体静止的介入器件的能量供应，而对于介入式运动型装置，例如机器人内窥镜系统，这种能量供应方式就无法应用了。

经对现有技术的文献检索发现，Hwang等在《Proceeding of 2005IEEE EMB，pp809-813》(2005国际电子电工生物医学工程年会)上发表的RelativeLocation Estimation of Power-Receiver from Transmitter for In VivoRobotic Capsules(机器人胶囊能量收发相对位置的估算)提出一对平行安装的接收、发射线圈，该文中提出的这种安装方法过于理想化，其实对于运动器件来说，接收线圈是随机运动的，并不能保持两者的相对平行使发射线圈磁力线最多的穿过接收线圈，在某种极限情况，例如接收线圈轴线与发射线圈轴线垂直时，有可能接收不到能量。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种电磁软跟踪无线供能装置，能确保发射线圈磁力线最多的穿过接收线圈，使其改善电磁耦合系数，提高能量传输效率，能够对人体深处的器件，尤其是位置随机的运动器件进行持续的能量供应。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：体外无线数据收发器、体外微处理器、D/A转换器(数模转化器)、电压源、Y向发射线圈、X向发射线圈、Z向发射线圈、整流稳压电路、姿态传感器、A/D转换器(模数转化器)、钮扣电池、体内微处理器、常闭模拟开关、体内无线数据收发器、接收线圈，其连接关系为：体外无线数据收发器的DIN端口与体外微处理器的TXD端口相连，体外微处理器用户端口与D/A转换器的数据端口相连，电压源的固定电压输出端与体外无线数据收发器、体外微处理器、D/A转换器相连，电压源的三个可调的电压输出端分别与Y向发射线圈、X向发射线圈、Z向发射线圈相连，X向发射线圈、Y向发射线圈、Z向发射线圈均由两个线圈串联组成，每两组线圈的轴线互相垂直，在其间组成一个相对均匀的磁场区，钮扣电池与常闭模拟开关相连，常闭模拟开关与体内无线数据收发器的Vcc端口、体内微处理器的Vcc端口、A/D转换器的Vcc端口相连，姿态传感器的模拟输出端口连接A/D转换器的模拟输入口，A/D转换器的数字输出端口与体内微处理器的用户口端口相连，体内微处理器的RXD端口和体内无线数据收发器的DOUT端口相连，体内微处理器的用户端口P2.0和常闭模拟开关的控制输入端口相连，接收线圈的输出端与整流稳压电路相连，整流稳压电路的电压输出端口VOUT分别与体内无线数据收发器的Vcc端口、体内微处理器的Vcc端口、A/D转换器的Vcc端口相连。

所述整流稳压电路、钮扣电池、体内微处理器、常闭模拟开关、体内无线数据收发器、接收线圈、姿态传感器、A/D转换器组成本装置的体内部分的能量接收器。

所述体外无线数据收发器、体外微处理器、D/A转换器、电压源、Y向发射线圈、X向发射线圈、Z向发射线圈为本装置的体外装置。

所述姿态传感器，获取接收线圈轴线的姿态信息，并将姿态信息传递给A/D转换器。

所述A/D转换器，将姿态信息转换为数字量，并将数字量传送给体内微处理器。

所述体内无线数据收发器，将体内微处理器的数字量姿态信息发送至体外。

所述体外无线数据收发器，接收体内无线数据收发器发送的数字量方位角信息。

所述体外微处理器，接收D/A转换器模拟量姿态信息，根据接收到的数字量方位角信息，计算磁场强度分量计算，并判断出在X轴、Y轴、Z轴三个方向上所要施加的数字量电压值，并将结果输出给电压源根据计算所得电压值调整电压源的电压输出。

所述D/A转换器，将数字量的电压值姿态信息转换为模拟量的电压值姿态信息，并将模拟量姿态信息传送给体外微处理器并控制电压源三个独立可调电压端口的输出电压。

本发明工作时，能量接收器固定在器件上，随器件在被检查者体内一起运动，体外安装的X向发射线圈、Y向发射线圈、Z向发射线圈均由两个线圈串联组成，每两组线圈的轴线互相垂直，在其间组成一个相对均匀的磁场区，被检查者置于该区域内。能量接收器中的纽扣电池用于在无线供能还不能提供能量时系统的启动和管理，姿态传感器经过A/D转换器后将姿态信息转换为数字量传送给体内微处理器，然后由体内无线数据收发器发送至体外，在体外部分体外无线数据收发器检测到数据后再回传一个握手信号，接收线圈接收体外的三个线圈的电能，X向发射线圈、Y向发射线圈、Z向发射线圈由具有多个独立通道的可调电压源分别供电，电压源的电压输出由体外微处理器和D/A转换器控制，体外微处理器分析体外无线数据收发器接收到的姿态数据，并计算每个线圈需要施加的电压，以合成在体内接收线圈位置处与接收线圈轴线平行的磁场，接收线圈将接收到的电能传输给系统稳压电路，此时系统稳压电路和纽扣电池同时供电，体内微处理器发出信号到常闭模拟开关断开纽扣电池供电，供电模式切换为整流稳压电路单独供电，并且整流稳压电路也可以向外部负载供能。

本发明首先根据负载的能量消耗确定接收线圈处所需要的磁场强弱，然后根据体内姿态传感器的输出分解该磁场到线圈组坐标系的三个轴，在螺线管内或者核姆霍兹线圈内所生成的磁场沿轴线方向是主要的，其他方向的分量可以忽略不计，因此三个磁场分量可由对应的三个线圈产生，根据螺线管线圈磁场和电流强度的关系确定线圈应该施加的电压值。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：本发明考虑到体内空间狭小，不宜饶制复杂的线圈，因此体内使用简单紧凑的一维接收线圈。由于能量传输对于发射和接收线圈是否共轴非常敏感，因此体内接收线圈上装有姿态传感器，通过无线数据传输将姿态信息传送到人体外，体外设计三个正交发射线圈，利用三线圈产生的磁场合成一个与体内线圈轴线一致的磁场，磁力线最大程度的穿过线圈，从而提高了耦合效率，提高能量传输效率，能够对人体深处的器件，尤其是位置随机的运动器件进行持续的能量供应。

附图说明

图1为本发明的电磁软跟踪无线供能装置的结构示意图；

图2为本发明的能量接收器的结构示意图；

图3为本发明的电磁分量分解原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施包括：体外无线数据收发器1、体外微处理器2、D/A转换器3、电压源4、Y向发射线圈5、X向发射线圈6、Z向发射线圈8、整流稳压电路9、姿态传感器10、A/D转换器11、钮扣电池12、体内微处理器13、常闭模拟开关14，体内无线数据收发器15、接收线圈16，其连接关系为：体外无线数据收发器1的DIN端口与体外微处理器2的TXD端口相连，体外微处理器2用户端口与D/A转换器3的数据端口相连，电压源4的固定电压输出端与体外无线数据收发器1、体外微处理器2、D/A转换器3相连，电压源4的三个可调的电压输出端分别与Y向发射线圈5、X向发射线圈6、Z向发射线圈8相连，X向发射线圈6、Y向发射线圈5、Z向发射线圈8均由两个线圈串联组成，每两组线圈的轴线互相垂直，在其间组成一个相对均匀的磁场区，钮扣电池12与常闭模拟开关14相连，常闭模拟开关14与体内无线数据收发器15的Vcc端口、体内微处理器13的Vcc端口、A/D转换器11的Vcc端口相连，姿态传感器10的模拟输出端口连接A/D转换器11的模拟输入口，A/D转换器11的数字输出端口与体内微处理器13的用户口端口相连，体内微处理器13的RXD端口和体内无线数据收发器15的DOUT端口相连，体内微处理器13的用户端口P2.0和常闭模拟开关14的控制输入端口相连，接收线圈16的输出端与整流稳压电路9相连，整流稳压电路9的电压输出端口VOUT分别与体内无线数据收发器15的Vcc端口、体内微处理器13的Vcc端口、A/D转换器11的Vcc端口相连。

所述整流稳压电路9、钮扣电池12、体内微处理器13、常闭模拟开关14、体内无线数据收发器15、接收线圈16、姿态传感器10、A/D转换器11组成本装置的体内部分的能量接收器7。

所述体外无线数据收发器1、体外微处理器2、D/A转换器3、电压源4、Y向发射线圈5、X向发射线圈6、Z向发射线圈8为本装置的体外装置。

所述姿态传感器10，获取接收线圈16轴线的姿态信息，并将姿态信息传递给A/D转换器11。

所述A/D转换器11，将姿态信息转换为数字量，并将数字量传送给体内微处理器13。

所述体内无线数据收发器15，将体内微处理器13的数字量姿态信息发送至体外。

所述体外无线数据收发器1，接收体内无线数据收发器15发送的数字量方位角信息。

所述体外微处理器2，根据体外无线数据收发器1收到的数字量方位角信息，接收D/A转换器3模拟量姿态信息，计算磁场强度分量计算，并判断出在X轴、Y轴、Z轴三个方向上所要施加的电压值数字量，并将判断结果输出给D/A转换器3电压源4。

所述D/A转换器3，将数字量的电压值姿态信息转换为模拟量的电压值姿态信息，该电压用于控制电压源4独立的三个电压输出并将模拟量姿态信息传送给体外微处理器2。

本实施例工作时，能量接收器7固定在器件上，随器件在被检查者体内一起运动，体外安装的X向发射线圈6、Y向发射线圈5、Z向发射线圈8均由两个线圈串联组成，每两组线圈的轴线互相垂直，在其间组成一个相对均匀的磁场区，被检查者置于该区域内。能量接收器7中的纽扣电池12用于在无线供能还不能提供能量时系统的启动和管理，姿态传感器10经过A/D转换器11后将姿态信息转换为数字量传送给体内微处理器13，然后由体内无线数据收发器15发送至体外，在体外部分体外无线数据收发器1检测到数据后再回传一个握手信号，接收线圈16接收体外的三个线圈的电能，X向发射线圈6、Y向发射线圈5、Z向发射线圈8由具有多个独立通道的可调电压源4分别供电，电压源4的电压输出由体外微处理器2和D/A转换器3控制，体外微处理器2分析体外无线数据收发器1接收到的姿态数据，并计算每个线圈需要施加的电压，以合成在体内接收线圈16位置处与接收线圈16轴线平行的磁场，接收线圈16将接收到的电能传输给系统稳压电路9，此时系统稳压电路9和纽扣电池12同时供电，体内微处理器13发出信号到常闭模拟开关14断开纽扣电池12供电，供电模式切换为整流稳压电路9单独供电，并且整流稳压电路9也可以向外部负载供能。

如图3所示，是X向发射线圈6、Y向发射线圈5、Z向发射线圈8的供电电压的分解原理图。如果满足供能需求的接收线圈16所在处、平行于接收线圈16轴线的磁场强度为B，X向发射线圈6、Y向发射线圈5、Z向发射线圈8产生的磁场分别在X轴、Y轴、Z轴上的磁场强度是主要的，其他方向上很小可以忽略，根据姿态传感器10可以得到接收线圈16与XOY平面夹角为β，与Z轴夹角为γ，在XOY平面内投影与X轴夹角为α，则可以得到应得的X向发射线圈6、Y向发射线圈5、Z向发射线圈8的磁场分量分别为：

B_x＝B·cosβ·cosα

B_y＝B·cosβ·sinα

B_z＝B·sinβ

最后，体外微处理器2根据螺线管磁场强度和电压的关系反推出X向发射线圈6、Y向发射线圈5、Z向发射线圈8各自应该施加的电压。

本实施例考虑到体内空间狭小，不宜饶制复杂的线圈，因此体内使用简单紧凑的一维接收线圈，体外设计了三个正交发射线圈，利用三线圈产生的磁场合成一个与体内线圈轴线一致的磁场，磁力线最大程度的穿过线圈，从而提高了耦合效率。

Claims (9)

1.一种电磁软跟踪无线供能装置，包括：体外无线数据收发器、体外微处理器、D/A转换器、电压源、整流稳压电路、钮扣电池、体内微处理器、常闭模拟开关、体内无线数据收发器、接收线圈，体外无线数据收发器的DIN端口与体外微处理器的TXD端口相连，体外微处理器用户端口与D/A转换器的数据端口相连，电压源的固定电压输出端与体外无线数据收发器、体外微处理器、D/A转换器相连，钮扣电池与常闭模拟开关相连，常闭模拟开关的电压输出端口与体内无线数据收发器的Vcc端口、体内微处理器的Vcc端口相连，体内微处理器的RXD端口和体内无线数据收发器的DOUT端口相连，体内微处理器的用户端口P2.0和常闭模拟开关的控制输入端口相连，接收线圈的输出端与整流稳压电路相连，整流稳压电路的电压输出端口VOUT分别与体内无线数据收发器的Vcc端口、体内微处理器的Vcc端口相连，其特征在于，还包括Y向发射线圈、X向发射线圈、Z向发射线圈、姿态传感器、A/D转换器，X向发射线圈、Y向发射线圈、Z向发射线圈均由两个线圈串联组成，每两组线圈的轴线互相垂直，在其间组成一个相对均匀的磁场区，Y向发射线圈、X向发射线圈、Z向发射线圈分别与电压源的三个可调的电压输出端相连，姿态传感器的模拟输出端口连接A/D转换器的模拟输入口，A/D转换器的数字输出端口与体内微处理器的用户口端口相连，A/D转换器的Vcc端口与常闭模拟开关电压输出端口以及整流稳压电路的电压输出端口VOUT相连。

2.根据权利要求1所述的电磁软跟踪无线供能装置，其特征是，所述整流稳压电路、钮扣电池、体内微处理器、常闭模拟开关、体内无线数据收发器、接收线圈、姿态传感器、A/D转换器组成本装置的体内部分的能量接收器。

3.根据权利要求1所述的电磁软跟踪无线供能装置，其特征是，所述体外无线数据收发器、体外微处理器、D/A转换器、电压源、Y向发射线圈、X向发射线圈、Z向发射线圈为本装置的体外装置。

4.根据权利要求1或2所述的电磁软跟踪无线供能装置，其特征是，所述姿态传感器，获取接收线圈轴线的姿态信息，并将姿态信息传递给A/D转换器。

5.根据权利要求1或2所述的电磁软跟踪无线供能装置，其特征是，所述A/D转换器，将姿态信息转换为数字量，并将数字量传送给体内微处理器。

6.根据权利要求1或2所述的电磁软跟踪无线供能装置，其特征是，所述体内无线数据收发器，将体内微处理器的数字量姿态信息发送至体外。

7.根据权利要求1或3所述的电磁软跟踪无线供能装置，其特征是，所述体外无线数据收发器，接收体内无线数据收发器发送的数字量姿态信息。

8.根据权利要求1或3所述的电磁软跟踪无线供能装置，其特征是，所述体外微处理器，接收D/A转换器模拟量姿态信息，根据接收到的数字量方位角信息，计算磁场强度分量计算，并判断出在X轴、Y轴、Z轴三个方向上所要施加的数字量电压值，并将结果输出给电压源根据计算所得电压值调整电压源的电压输出。

9.根据权利要求1或3所述的电磁软跟踪无线供能装置，其特征是，所述D/A转换器，将数字量的电压值姿态信息转换为模拟量的电压值姿态信息，并将模拟量姿态信息传送给体外微处理器并控制电压源三个独立可调电压端口的输出电压。

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