CN101917070A

CN101917070A - 一种植入式医疗供电电路

Info

Publication number: CN101917070A
Application number: CN2010102187387A
Authority: CN
Inventors: 罗倩倩
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2010-12-15

Abstract

本发明公开一种集电磁波供电和通讯于一体的植入式医疗供电装置，包括体外和体内两个模块。体外模块包括体外天线、供电电路、控制电路和调整电路；体内模块包括体内天线、储能元件、频率调整电路和微处理器。与现有技术相比，本发明的优点是本发明通过低频LC震荡传输能量，并完成通讯功能，低频LC震荡电路具有体积小、设计简单，对人体没有伤害等优点。为了解决由器件误差引起的LC震荡频率匹配问题，本发明引入了一种频率调整电路使得接收端与发送端的频率匹配，从而提高了能量接收效率。当用于植入式医疗传感器时，传感器依靠体外无线供电来采集人体体内的生化、电信号等数据，并通过无线通信将信息传至体外设备。

Description

一种植入式医疗供电电路

一、技术领域

本发明涉及一种植入式医疗供电装置，具体涉及一种集电磁波供电和通讯于一体的医疗供电装置。

二、背景技术

目前，主要的医疗传感器从对患者的创伤角度可以分为两类，非介入式和介入式。非介入式如超声、核磁等是在体外传感人体体内的病理信息但无法检查生化、电等信息；而介入式治疗/诊断技术，如有创法测血压、血糖等，又给患者造成很大的痛苦和不便。

专利200610011809.X公开了一种基于电磁耦合方式工作的经皮无线充电装置，该电路用于给可充电的锂电池充电。该装置虽然使用了可充电的锂电池，但其能量密度低，相同能量下的体积较大，而且需要额外的保护电路。

专利200810198233.1公开了一种利用电磁波进行无线供电的装置，该电路较之先前的LC震荡方式有较好的效率。其工作原理基于电磁耦合的方式，与专利200610011809.X相似。LC震荡传递能量是一个很好的方式，具有体积小、可靠的优点，但其震荡频率依赖于电感电容的精确匹配，然而电感电容的误差是服从高斯分布的，在量产时很难保证。

专利00814081.2公开了一种在医疗植入装置中利用波动信号给具有正负电极的元件，如PN结，传输能量的装置。这是一种类似于太阳能电池的技术。

上述三个专利都是无线能量传递的例子，在使用无线技术传输能量给植入式医疗器械时，由于高频率、能量的电磁波会对人体造成伤害，其危害类似于电磁炉、手机对人体的伤害，因此不利于长期、频繁使用。另外，上述专利在解决无线供电问题的同时没有考虑到通讯问题，导致供电和通讯采用两种无线接口，从而给设计以及用户的使用带来诸多不便。如果该项技术用于对体积敏感的场合，如植入式医疗传感器，就必须考虑到被充电或供电部分的尺寸问题。

三、发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提出一种兼具无线供电和通讯功能的电路。

本技术方案涉及的供电装置包括体外和体内两个模块。

体外模块包括以下部分：

①，LC震荡天线，不同的电阻电容组合产生不同的振荡频率，该频率必须是与接收端(体内模块)相匹配的频率。

②，调整电路，利用移频键控FSK的方式将数据发送至天线并检测、调制接收到的数据。

③，供电电路，产生各模块需要的电源。

④，控制电路，产生对调整电路的控制信号并接收、解析终端传回的数据。体内模块包含在植入式医疗装置内，包括以下部分：

①，频率调整模块，用于对接收端的LC振荡频率进行微调，与发送端精密匹配，从而达到最优的能量传输效率。

②，储能元件，能够将天线上搜集的能量储存到该元件上，以供设备连续平稳工作。

③，微处理器模块，能够执行体外设备的命令并将结果回传给体外设备。

与现有技术相比，本发明的优点是本发明通过低频LC震荡传输能量，并完成通讯功能，低频LC震荡电路具有体积小、设计简单，对人体没有伤害等优点。为了解决由器件误差引起的LC震荡频率匹配问题，本发明引入了一种频率调整电路使得接收端与发送端的频率匹配，从而提高了能量接收效率。当用于植入式医疗传感器时，传感器依靠体外无线供电来采集人体体内的生化、电信号等数据，并通过无线通信将信息传至体外设备。由于不需要电池，该装置可以做成非常小的体积植入体内，并适时提供数据。

四、附图说明

图1是本发明的整体结构图。

图2是天线的结构图。

图3是体内模块中的频率调整部分的电路图。

图4是一个体内电路模块具体实施例的电路图。

图5是一个体外电路模块具体实施例的电路图。

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施做进一步的说明。

如图1所示，本发明主要由置于体外的模块A以及置于体内的模块B构成，两个模块没有直接接触，体外模块通过LC振荡方式给体内模块供电，同时，两者通过无线方式发送和接收数据实现通信。

体外模块由控制电路1、调整电路2、体外天线3以及供电电路4组成。控制电路1将用户的输入(如频率的设置、传递给体内模块的参数)转换成调整电路2的输入，并负责处理经调整模块2传回的体内模块的信息。调整电路2将控制电路1的输入信息调制成发送天线3所需要的信号，并解调接收到的来自体内模块B的信息。供电电路4实现对整个体外模块的供电管理。图中的控制电路1可以选用TI的MSP430F2xx系列单片机，采用单片机实现灵活的配置、通讯管理，调整电路2可以采用TI的TMS3705，使用134.2KHz的调制频率，天线是一组LC网络。

体内模块由体内天线6、频率调整电路7、微处理器8以及储能元件10组成。与体外模块不同的是：体内模块需要在功耗和体积上尽可能地小，以使上述的低频供电能满足系统的需要。体内天线6与体外天线3具有相同的参数和功能。频率调整电路7实现对体内天线6的微调，使体内天线6与体外天线3达到精确匹配。这解决了元件误差不一致所导致的匹配问题，从而使能量传输的效率达到最大。体内天线6在频率调整电路7的调整下将接收到的能量存储到储能元件10上。储能元件10累积来自体内天线6的能量为整个系统提供能量，同时具有稳压的作用，储能元件10也可为接入的传感器9提供能量。为方便实现，图中的频率调整电路7可以采用TI的芯片TMS37157，微处理器8可以采用TI的超低功耗单片机MSP430F2xx系列。进一步，储能元件10也可以理解成一个具有正负极的能量存储体，当选用极低功耗传感器时它可以是一个电容。当传感器的功耗较大时，单纯的电容就很难满足系统的需求，这时的储能元件可以是一个可充电的电池。

体外模块A和体内模块B都包括天线模块，即体外天线3以及体内天线6。如图2所示，包括两个元件12电感(记为L)以及元件13电容(记为C)，其谐振频率f的计算公式为f＝1/2*pi*sqrt(LC)。这样通过选择适当的电感、电容值，可以设定想要的频率。设计时对电感和电容的选取都应该尽量采用最高精度的，电容最好使用COG类型的，以获得最小的误差。

如图3所示的体内频率调整模块7，该模块用于微调由元件12、13组成的体内天线6的震荡频率使之与体外的天线相匹配，从而达到最高的效率。频率调整模块7的工作原理可以用元件16～21组成的开关电容组合来解释。图中开关16与电容19串联，开关17与电容20串联，开关18与电容21串联，各组采用并联的方式连接在一起。当开关16闭合时电容13、19并联合成更大的电容，在元件12保持不变的情况下，增大电容可减小震荡频率。元件19、20、21是电容，通过开关16、17、18的作用来改变总并联电容的大小。在实际操作时元件19、20、21应该选取小的不同的值，如1pF，2pF，4pF，就如同天平的砝码一样。另外，频率调整模块7体内电路如果采用分立器件会受到系统寄生电容的影响，从而影响系统精度。好在现在有芯片体内集成的高精度校准的开关电容技术，如TI的芯片TMS37157就具有这种功能。

图4是一个体内电路的具体实施例。图4中的传感器模块可以选择各种低功耗的传感器，暂以温度传感为例。L1，C1，C2实现了基于LC震荡的体内接收天线6，U2是将电磁波的能量转换并存储在C3，C4上，C3，C4为U1及传感器供电。C3、C4对应储能元件10，U1对应微处理器8。以温度传感为例，U1内置温度传感器，将温度信息通过SPI接口传递给U2，U2负责与基站的通讯，U2对应频率调整单元7。更复杂的传感器如心电信号可以将传感器(运放)输出接在U1的1，2管脚上。U1的1，2管脚既是ADC的输入也是通用的输入输出管脚，可以方便地连接传感器。

图5是一个体外电路的具体实施例。U7，C5～C9实现了从5V到3.3V的电压转换，调整电路的工作电压是5V而空是电路的工作电压是3.3V，所以需要加入一个降压电源产生3.3V电压，这一部分相当于供电电路4的功能。U3，C10～13实现了体外控制电路1的功能，这一部分主要由TI单片机MSP430F2003完成，单片机可以根据用户的要求产生命令给调整电路。L2，R5～6，C17实现了体外天线3的功能，其他器件实现了调整电路2的功能。由于内部天线带有自动调整功能，所以外部天线的器件参数选取是比较宽松的，通常1％精度的器件就好了，调整电路根据微处理器的要求对天线进行控制，产生所需要的134.2KHz。

Claims

1.一种植入式医疗供电装置，包括体外模块和体内模块，所述体外模块包括体外天线和供电电路，所述体内模块包括体内天线，储能元件，其特征是：

A，所述体外模块还包括控制电路和调整电路，所述控制电路将频率的设置、传递给体内模块的参数等用户的输入信息转换成所述调整电路的输入，并负责处理经调整电路传回的体内模块的信息，调整电路将控制电路的输入信息进行调制，由体外天线发出，并对接收到的来自体内模块的信息进行解调；

B，所述体内模块还包括频率调整电路和微处理器，频率调整电路用来实现对体内天线的微调，使体内天线与体外天线达到精确匹配。

2.根据权利要求1所述的植入式医疗供电装置，其特征是所述体外天线是低频LC震荡天线。

3.根据权利要求1或2所述的植入式医疗供电装置其特征是所述体外模块的调整电路利用移频键控FSK的方式将数据发送至天线并检测、调制接收到的数据。