CN102179003A

CN102179003A - 一种植入式医疗器械装置

Info

Publication number: CN102179003A
Application number: CN2011101055633A
Authority: CN
Inventors: 赵益新; 李小虎
Original assignee: Nuo Thatta Shenzhen Science And Technology Development Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN NOTED TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO., LTD.
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2031-04-26
Also published as: CN102179003B

Abstract

本发明公开了一种植入式医疗器械装置，该植入式医疗器械装置包括位于体内的第一无线收发模块，及位于体外的，且用于与所述第一无线收发模块进行通信及为所述第一无线收发模块充电的第二无线收发模块，所述第一无线收发模块包括第一线圈和钛壳，所述第一无线收发模块还包括设置在第一线圈和钛壳之间的磁芯，且所述磁芯的上下表面分别与所述第一线圈和所述钛壳贴合。实施本发明的技术方案，在位于体外的第二无线收发模块为位于体内的第一无线收发模块通过磁耦合的方式充电时，磁芯可改变磁力线路径，阻止磁力线穿过钛壳所形成的涡流效应，因此，不会降低充电效率，也不会引起钛壳的发热。

Description

一种植入式医疗器械装置

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种植入式医疗器械装置。

背景技术

当今，植入式医疗设备种类很多，应用范围也很广，例如心脏起搏器、脑起搏器、胃起搏器、神经肌肉刺激器、电子耳蜗等。目前，应用于植入式医疗设备大多采用磁耦合方式，此方式容易在金属中产生涡流效应。而目前大多数长期植入式医疗装置为保证生物兼容性和机械强度均采用钛合金作为外壳，这就不可避免的在充电过程中产生涡流效应，这不仅会大大降低充电效率，还会引起外壳发热，损坏仪器，甚至对人体造成不同程度的烫伤。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种植入式医疗器械装置，能降低磁耦合充电时钛壳的涡流效应，从而解决涡流效应导致的效率低和发热的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种植入式医疗器械装置，包括位于体内的第一无线收发模块，及位于体外的，且用于与所述第一无线收发模块进行通信及为所述第一无线收发模块充电的第二无线收发模块，所述第一无线收发模块包括第一线圈和钛壳，所述第一无线收发模块还包括设置在第一线圈和钛壳之间的磁芯，且所述磁芯的上下表面分别与所述第一线圈和所述钛壳贴合。

在本发明所述的植入式医疗器械装置中，使用环氧树脂将所述第一线圈和所述磁芯固定在钛壳外侧。

在本发明所述的植入式医疗器械装置中，所述第一线圈为平面螺旋线圈，所述磁芯为与所述第一线圈尺寸一致的平面磁芯。

在本发明所述的植入式医疗器械装置中，所述磁芯的厚度范围为0.8-2mm。

在本发明所述的植入式医疗器械装置中，所述第一无线收发模块还包括：

电池；

整流和驱动电路，用于对所述第一线圈感应到的电压进行整流，并在不充电时驱动所述第一线圈发射无线信号，以与所述第二无线收发模块进行通信；

第一解调电路，用于对所接收的无线信号进行解调；

充电管理电路，用于根据整流后的电压为所述电池充电；

第一控制电路，用于实现充电控制及收发信号控制。

在本发明所述的植入式医疗器械装置中，所述整流和驱动电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管，其中，第一MOS管的栅极、第一MOS管源极、第二MOS管漏极和第四MOS管的栅极一并接所述第一线圈的第一端，第三MOS管的栅极、第三MOS管源极、第四MOS管漏极和第二MOS管的栅极一并接所述第一线圈的第二端，第一MOS管的漏极和第三MOS管的漏极为所述整流和驱动电路的输出端，第二MOS管的源极和第四MOS管的源极接地。

在本发明所述的植入式医疗器械装置中，所述充电管理电路为SEPIC拓扑或BUCK-BOOST拓扑的DCDC充电芯片。

在本发明所述的植入式医疗器械装置中，所述第一控制电路包括单片机、第五MOS管、第一三极管、第二三极管、第一二极管、第二二极管、第一电阻和第二电阻，其中，单片机的第一输出端通过第一电阻连接第一三极管的基极，第一三极管的发射极接地，第一三极管的集电极连接第五MOS管的栅极，第五MOS管的漏极接所述整流和驱动电路的输出端，第五MOS管的源极接所述充电芯片的输入端；单片机的第二输出端连接所述充电芯片的使能端，单片机的第二输出端还通过第二电阻连接第二三极管的基极，第二三极管的集电极连接第五MOS管的源极，第二三极管的发射极连接电池的正极，电池的负极接地，单片机的第三输出端连接第一二极管的正极，第一二极管的负极接所述第一线圈的第一端，单片机的第四输出端接第二二极管的正极，第二二极管的负极接所述第二线圈的第二端。

在本发明所述的植入式医疗器械装置中，所述第二无线收发模块包括：

第二线圈；

功率驱动电路，用于驱动所述第二线圈，实现能量向所述第一线圈的馈送；

电流检测电路，用于检测所述第二线圈的电流；

第二解调电路，用于对所接收的无线信号进行解调；

第二控制电路，用于实现收发信号控制及第一无线收发模块的充电控制。

在本发明所述的植入式医疗器械装置中，所述功率驱动电路包括：第六MOS管、第七MOS管、第一扼流电感、第二扼流电感、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第三二极管和第四二极管，其中，第四电阻和第六电阻串联后一端连接电源端，另一端通过第八电阻接地，第七电阻和第五电阻串联后一端连接电源端，另一端通过第八电阻接地，第六MOS管的栅极连接第四电阻和第六电阻的交汇点，第六MOS管的源极连接第六电阻和第八电阻的交汇点，第六MOS管的漏极通过第一扼流电感接电源端，第七MOS管的栅极连接第七电阻和第五电阻的交汇点，第七MOS管的源极连接第五电阻和第八电阻的交汇点，第七MOS管的漏极通过第二扼流电感接电源端，第三二极管的正极连接第四电阻和第六电阻的交汇点，第三二极管的负极连接第七MOS管的漏极，第四二极管的正极连接第七电阻和第五电阻的交汇点，第四二极管的负极连接第六MOS管的漏极，第二线圈的第一端连接第七MOS管的漏极，第二线圈的第二端连接第六MOS管的漏极。

实施本发明的技术方案，由于在第一线圈和钛壳之间设置有磁芯，因此，在位于体外的第二无线收发模块为位于体内的第一无线收发模块通过磁耦合的方式充电时，磁芯可改变磁力线路径，阻止磁力线穿过钛壳所形成的涡流效应，因此，不会降低充电效率，也不会引起钛壳的发热，进而不会损坏仪器，甚至对人体造成不同程度的烫伤。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明植入式医疗器械装置实施例一的部分结构图；

图2是本发明植入式医疗器械装置的第一无线收发模块实施例一逻辑结构图；

图3是本发明植入式医疗器械装置的第二无线收发模块实施例一逻辑结构图；

图4是本发明植入式医疗器械装置的第一无线收发模块实施例二的电路图；

图5是本发明植入式医疗器械装置的功率驱动电路实施例一的电路图。

具体实施方式

图1是本发明植入式医疗器械装置实施例一的部分结构图，该植入式医疗器械装置包括第一无线收发模块和第二无线收发模块，且第一无线收发模块位于体内，第二无线收发模块位于体外，另外，第二无线收发模块可与第一无线收发模块进行通信，且可为第一无线收发模块进行充电。其中，第一无线收发模块包括第一线圈11、磁芯12和钛壳13，且磁芯12设置在第一线圈11和钛壳13之间的磁芯，磁芯12的上下表面分别与第一线圈11和钛壳13贴合。钛壳13用于保证植入体内的第一无线收发模块的生物兼容性和机械强度。实施该技术方案，由于在第一线圈11和钛壳13之间设置有磁芯12，因此在位于体外的第二无线收发模块为位于体内的第一无线收发模块通过磁耦合的方式充电时，磁芯12可改变磁力线路径，阻止磁力线穿过钛壳13所形成的涡流效应，因此，不会引起钛壳的发热，进而不会损坏仪器，避免了因发热对人体造成不同程度的烫伤。同时，设置磁芯12后，不会影响第一无线收发模块和第二无线收发模块之间传输的能量。

在上述实施例中，优选地，可使用环氧树脂14将第一线圈11和磁芯12固定在钛壳13外侧。这样就不需将第一线圈11和钛壳13分开植入到人体内，减小了手术难度，且提高了植入设备的可靠性和安全性。

另外，在一个优选的实施例中，第一线圈为平面螺旋线圈，如使用直径0.8mm的铜丝绕制而成的直径为3cm的平面螺旋线圈，平面螺旋线圈的直径略小于钛壳的尺寸。磁芯为平面磁芯，且其外形尺寸与平面螺旋线圈的一致，该磁芯的厚度可在0.8-2mm之间，其材料可选择铁氧体（PC40）。

图2是本发明植入式医疗器械装置的第一无线收发模块实施例一逻辑结构图，该第一无线接收模块内置在人体内，且除包括上述实施例中所述的第一线圈11、磁芯12（图1所示）和钛壳13（图1所示）外，还包括整流和驱动电路15、第一解调电路16、充电管理电路17、第一控制电路18和电池19。其中，整流和驱动电路15连接于第一线圈11，且用于对第一线圈11感应到的电压进行整流，并在不充电时驱动第一线圈11发射无线信号以与第二无线收发模块进行通信；第一解调电路16连接于整流和驱动电路15，且用于对所接收的无线信号进行解调，第一解调电路16可选用OOK解调电路；充电管理电路17连接于整流和驱动电路15，且用于根据整流后的电压为电池19充电；第一控制电路18连接于整流和驱动电路15、第一解调电路16、充电管理电路17和电池19，且第一控制电路18用于实现充电控制及收发信号控制。

图3是本发明植入式医疗器械装置的第二无线收发模块实施例一逻辑结构图，该第二无线收发模块位于人体外，且包括第二线圈21、第二解调电路22、功率驱动电路23、电流检测电路24、第二控制电路25和人机交互单元26。其中，第二线圈21的尺寸可略大于第一线圈，如，用直径为0.8mm的铜丝绕制而成的直径为5cm的平面螺旋线圈。功率驱动电路23连接于第二线圈21，且用于驱动第二线圈21，实现能量向第一线圈的馈送；电流检测电路24连接于功率驱动电路23，用于检测第二线圈21的电流；第二解调电路22连接于第二线圈21，且用于对所接收的无线信号进行解调，该第二解调电路22可选用OOK解调电路；第二控制电路25连接于功率驱动电路23、电流检测电路24和第二解调电路22，且该第二控制电路25用于实现收发信号控制及第一无线收发模块的充电控制，人机交互单元26连接于第二控制电路25，用于实现人机交互，例如该人机交互单元26可包括OLED液晶屏、若干按键和蜂鸣器，应当说明的是，人机交互单元26在另一个实施例中可省略。

图4是本发明植入式医疗器械装置的第一无线收发模块实施例二的电路图，该第一无线收发模块除包括图1所示的第一线圈11、磁芯12和钛壳13外，还包括整流和驱动电路15、第一解调电路（未示出）、充电管理电路17、第一控制电路18和电池19。下面详细说明每个部分。

首先说明的是，在图4中，第一线圈11为电感L1，电容C1并联在电感L1的两端，该电容C1为电感L1的谐振匹配电容。整流和驱动电路15包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4，其中， MOS管Q1的栅极、MOS管Q1源极、MOS管Q2漏极和MOS管Q4的栅极一并接电感L1的第一端，MOS管Q3的栅极、MOS管Q3源极、MOS管Q4漏极和MOS管Q2的栅极一并接电感L1的第二端，MOS管Q1的漏极和MOS管Q3的漏极为所述整流和驱动电路15的输出端，在此说明的是，端口号IO_in0连接第一解调电路（图中未示出），例如OOK解调电路。MOS管Q2的源极和MOS管Q4的源极接地。在该整流和驱动电路15中，四个MOS管Q1-Q4桥接在一起，构成了一个既可全桥整流又可全桥驱动的双向桥，因此，在该第一无线收发模块中，该整流电路既可实现充电，又可实现无线通信，且充电和无线通信共用一个线圈（电感L1）。另外，在该实施例中，充电管理电路17为型号是LT1512的充电芯片U1，该充电芯片U1为SEPIC结构的DC/DC变换器，其可在输入电压高于或低于输出电压的情况下均可正常工作，这样可避免充电过程中第一线圈轻微移动而导致的充电中断。应当说明的是，这仅是本发明的一个实施例，在其它实施例中，充电管理电路17还可选择其它型号的SEPIC拓扑或BUCK-BOOST拓扑的DCDC充电芯片。第一控制电路18包括单片机（未示出）、MOS管Q5、三极管Q6、三极管Q7、二极管D1、二极管D2、电阻R1和电阻R2，其中，单片机的第一输出端IO_out0通过电阻R1连接三极管Q6的基极，三极管Q6的发射极接地，三极管Q6的集电极连接MOS管Q5的栅极，MOS管Q5的漏极接整流和驱动电路15的输出端，MOS管Q5的源极接充电芯片U1的输入端Vin；单片机的第二输出端IO_out2连接充电芯片的使能端SS ，单片机的第二输出端IO_out2还通过电阻R2连接三极管Q7的基极，三极管Q7的集电极连接MOS管Q5的源极，三极管Q7的发射极连接电池BT1的正极，电池BT1的负极接地，单片机的第三输出端IO_out1连接二极管D1的正极，二极管D1的负极接电感L1的第一端，单片机的第四输出端IO_out3接二极管D2的正极，二极管D2的负极接第二线圈L1的第二端。

下面说明图4所示的第一无线收发模块的工作原理。首先说明的是，单片机的四个输出端定义如下：第一输出端IO_out0、第二输出端IO_out2用于控制工作状态，其真值表如下：

IO_out0	IO_out2	工作状态
			０	ｘ	接收状态
１	０	发射状态
			１	１	充电状态

在发射状态下，第三输出端IO_out1、第四输出端IO_out3为发射信号的控制端，指令经过单片机内部编码和调制后，输出到第三输出端IO_out1和第四输出端IO_out3，以控制整流和驱动电路15驱动第一线圈（电感L1）发射无线信号，使其能与位于体外的第二无线收发模块进行通信。在其他状态下，第三输出端IO_out1和第四输出端IO_out3均为低电平。

下面详细说明每个工作状态：若工作在接收状态下，单片机的第一输出端IO_out0为低电平，三极管Q6截至，进而MOS管Q5截至，此时相当于MOS管Q5后面的电路断开连接，整流和驱动电路15实现整流的功能，对第一线圈11（电感L1）所感应的电压进行整流，并通过端口IO_in0传输到第一解调电路进行解调，单片机再对解调后的信号进行分析，就这样完成了信号的接收。若工作在发射状态下，单片机的第一输出端IO_out0为高电平，其第二输出端IO_out2为低电平，此时，三极管Q6导通，进而MOS管Q5导通，充电芯片U1的使能端为低电平，关闭充电芯片U1，而且三极管Q7导通，由电池BT1通过三极管Q7、MOS管Q5为整流和驱动电路15供电。同时，单片机根据发射信号的指令控制其第三输出端IO_out1和第四输出端IO_out3的通断，并通过整流和驱动电路15（此时相当于驱动电路）驱动第一线圈（电感L1）将信号发射出去。若工作在充电状态下，单片机的第一输出端IO_out0和第二输出端IO_out2均为高电平，此时，三极管Q6导通，进而MOS管Q5导通，同时，充电芯片U1由于其使能端为高电平而开始工作，三极管Q7截至，经过磁耦合方式而接收的电压通过MOS管Q5、充电芯片U1为电池BT1充电。另外，在充电过程中，第二无线收发模块每隔一预设时间自动向第一无线收发模块发送指令查询第一无线收发模块的电池电压和温度，用来调整工作状态，同时将信息通过人机交互单元通知用户，确保充电过程安全可靠。此外，第二无线收发模块中的第二控制电路可根据电流检测电路所检测第二线圈的电流来判断第一线圈和第二线圈的耦合程度，从而检测出第一线圈和第二线圈的相对位置，帮助用户快速准确地确定植入体内的第一线圈的位置。

图5是本发明植入式医疗器械装置的功率驱动电路实施例一的电路图。在该功率驱动电路中，电阻R4和电阻R6串联后一端连接电源端VCC，如16V，另一端通过电阻R8接地，电阻R7和电阻R5串联后一端连接电源端VCC，另一端通过电阻R8接地， MOS管Q8的栅极连接电阻R4和电阻R6的交汇点， MOS管Q8的源极连接电阻R6和电阻R8的交汇点，MOS管Q8的漏极通过扼流电感L3接电源端VCC， MOS管Q9的栅极连接电阻R7和电阻R5的交汇点， MOS管Q9的源极连接电阻R5和电阻R8的交汇点，MOS管Q9的漏极通过扼流电感L4接电源端VCC，二极管D3的正极连接电阻R4和电阻R6的交汇点，二极管D3的负极连接MOS管Q9的漏极，二极管D4的正极连接电阻R7和电阻R5的交汇点，二极管D4的负极连接MOS管Q8的漏极，第二线圈（电感L2）的第一端连接MOS管Q9的漏极，第二线圈（电感L2）的第二端连接MOS管Q8的漏极。另外，电容C3为第二线圈的谐振匹配电容。该功率驱动电路可自激震荡，其震荡频率时由第二线圈（电感L1）、电容C3、扼流电感L3、L4和第一线圈的互感值来决定的。该功率驱动电路实现了第二线圈的驱动，使能量向第一线圈的平滑馈送，且频率可自动调整，这样可以在一定距离范围内使第一线圈和第二线圈均可接近谐振耦合，保证充电效率，具有一定容错行。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种植入式医疗器械装置，包括位于体内的第一无线收发模块，及位于体外的，且用于与所述第一无线收发模块进行通信及为所述第一无线收发模块充电的第二无线收发模块，所述第一无线收发模块包括第一线圈和钛壳，其特征在于，所述第一无线收发模块还包括设置在第一线圈和钛壳之间的磁芯，且所述磁芯的上下表面分别与所述第一线圈和所述钛壳贴合。

2.根据权利要求1所述的植入式医疗器械装置，其特征在于，使用环氧树脂将所述第一线圈和所述磁芯固定在钛壳外侧。

3.根据权利要求1所述的植入式医疗器械装置，其特征在于，所述第一线圈为平面螺旋线圈，所述磁芯为与所述第一线圈尺寸一致的平面磁芯。

4.根据权利要求1所述的植入式医疗器械装置，其特征在于，所述磁芯的厚度范围为0.8-2mm。

5.根据权利要求1所述的植入式医疗器械装置，其特征在于，所述第一无线收发模块还包括：

电池；

第一解调电路，用于对所接收的无线信号进行解调；

充电管理电路，用于根据整流后的电压为所述电池充电；

第一控制电路，用于实现充电控制及收发信号控制。

6.根据权利要求5所述的植入式医疗器械装置，其特征在于，所述整流和驱动电路包括第一MOS管（Q1）、第二MOS管（Q2）、第三MOS管（Q3）和第四MOS管（Q4），其中，第一MOS管（Q1）的栅极、第一MOS管（Q1）源极、第二MOS管（Q2）漏极和第四MOS管（Q4）的栅极一并接所述第一线圈的第一端，第三MOS管（Q3）的栅极、第三MOS管（Q3）源极、第四MOS管（Q4）漏极和第二MOS管（Q2）的栅极一并接所述第一线圈的第二端，第一MOS管（Q1）的漏极和第三MOS管（Q3）的漏极为所述整流和驱动电路的输出端，第二MOS管（Q2）的源极和第四MOS管（Q4）的源极接地。

7.根据权利要求6所述的植入式医疗器械装置，其特征在于，所述充电管理电路为SEPIC拓扑或BUCK-BOOST拓扑的DCDC充电芯片。

8.根据权利要求7所述的植入式医疗器械装置，其特征在于，所述第一控制电路包括单片机、第五MOS管（Q5）、第一三极管（Q6）、第二三极管（Q7）、第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第一电阻（R1）和第二电阻（R2），其中，单片机的第一输出端通过第一电阻（R1）连接第一三极管（Q6）的基极，第一三极管（Q6）的发射极接地，第一三极管（Q6）的集电极连接第五MOS管（Q5）的栅极，第五MOS管（Q5）的漏极接所述整流和驱动电路的输出端，第五MOS管的源极接所述充电芯片（U1）的输入端；单片机的第二输出端连接所述充电芯片（U1）的使能端，单片机的第二输出端还通过第二电阻（R2）连接第二三极管（Q7）的基极，第二三极管（Q7）的集电极连接第五MOS管（Q5）的源极，第二三极管（Q7）的发射极连接电池的正极，电池的负极接地，单片机的第三输出端连接第一二极管（D1）的正极，第一二极管（D1）的负极接所述第一线圈的第一端，单片机的第四输出端接第二二极管（D2）的正极，第二二极管（D2）的负极接所述第二线圈的第二端。

9.根据权利要求1至8任一项所述的植入式医疗器械装置，其特征在于，所述第二无线收发模块包括：

第二线圈；

电流检测电路，用于检测所述第二线圈的电流；

第二解调电路，用于对所接收的无线信号进行解调；

10.根据权利要求9所述的植入式医疗器械装置，其特征在于, 所述功率驱动电路包括：第六MOS管（Q8）、第七MOS管（Q9）、第一扼流电感（L3）、第二扼流电感（L4）、第四电阻（R4）、第五电阻（R5）、第六电阻（R6）、第七电阻（R7）、第八电阻（R8）、第三二极管（D3）和第四二极管（D4），其中，第四电阻（R4）和第六电阻（R6）串联后一端连接电源端，另一端通过第八电阻（R8）接地，第七电阻（R7）和第五电阻（R5）串联后一端连接电源端，另一端通过第八电阻（R8）接地，第六MOS管（Q8）的栅极连接第四电阻（R4）和第六电阻（R6）的交汇点，第六MOS管（Q8）的源极连接第六电阻（R6）和第八电阻（R8）的交汇点，第六MOS管（Q8）的漏极通过第一扼流电感（L3）接电源端，第七MOS管（Q9）的栅极连接第七电阻（R7）和第五电阻（R5）的交汇点，第七MOS管（Q9）的源极连接第五电阻（R5）和第八电阻（R8）的交汇点，第七MOS管（Q9）的漏极通过第二扼流电感（L4）接电源端，第三二极管（D3）的正极连接第四电阻（R4）和第六电阻（R6）的交汇点，第三二极管（D3）的负极连接第七MOS管（Q9）的漏极，第四二极管（D4）的正极连接第七电阻（R7）和第五电阻（R5）的交汇点，第四二极管（D4）的负极连接第六MOS管（Q8）的漏极，第二线圈的第一端连接第七MOS管（Q9）的漏极，第二线圈的第二端连接第六MOS管（Q8）的漏极。