CN102553006B - 基于数字线圈对阵列的人工心脏信号能量传递方法及传递纸 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字线圈对阵列的人工心脏信号能量传递方法和传递纸。发射纸和接收纸上均按矩阵形式阵列分别布置有相同的m*n线圈对，线圈相互对应排列；发射纸上线圈与供能模块相连，接收纸上线圈与信号解调模块和合并单元相连。发射纸上每对数字线圈对有且仅有一个线圈传递能量，不同数字线圈通电分表代表信号0和1，m*n对线圈一次完成m*n位信号的传递。对接收纸上m*n对线圈所传输电能进行收集与汇总，进行整流后，实现为人工心脏供电，同时对m*n对线圈中的每个线圈进行电信号检测，获得所传递的信号。本发明在不影响能量传输效率的基础下高速传递信号，电路结构简单，成本低，有利于植入式人工心脏摆脱经皮电缆的束缚。

Description

基于数字线圈对阵列的人工心脏信号能量传递方法及传递纸

技术领域

本发明涉及一种人工心脏信号能量传递方法，尤其是涉及一种基于数字线圈对阵列的人工心脏信号能量传递方法和传递纸。

背景技术

作为人类健康的第一杀手，心血管疾病每年会夺去数千万人的生命，占全球死亡病因的三分之一。在中国大约有1000万心脏衰竭患者，每年有200万以上患者因终末期心衰而死亡，心脏移植是治疗终末期心衰的唯一有效办法，但是每年只有数十例患者有机会接受活体心脏的移植。人工心脏作为活体心脏的替代体，其预期产业规模超过1000亿美元。能量传递系统是连接植入的人工心脏动作和外能源供给的桥梁，信息是人机有效交流的一种途径，传统的人工心脏使用经皮电缆进行能量的传输，用导线或者导管穿过人体，这不仅增加了创口感染的风险，也在很大程度上限制了患者的生活质量。美国马里兰的国立心肺血液研究所提出，人工心脏应该是能够全部植入体内的，没有任何的导线或导管穿透人体体肤。因此，能量和信息无线传递的是一个很好的功能方式。

无线供电思想最早由尼古拉·特斯拉在1890年时候提出，并设计出了的方案，尝试利用地面与大气电离层之间的电磁波来进行远距离的电能传输。麻省理工学院的学者2007年时在科学杂志上提出了利用磁耦合共振实现能量的无线传输，这种方式能实现无辐射的。

人工心脏上的无线能量传输最早由美国密苏里大学的Schuder等人提出，其原理是基于初级线圈和次级线圈的电磁耦合，次级线圈布置在人体的皮下组织，经常是在前胸壁的上部，初级线圈正对次级线圈固定于人体皮肤外表面。外部电路将直流电源转化成为所需的高频交流电源，为初级线圈供能；内部电路将次级线圈接收并转化的高频交流电整流成直流电为人工心脏供能。日本学者Mamoru Takahashi提出将所需要传递的信息高频的加载在能量波上，利用幅值调制方式，通过同一对线圈达到能量信息的同路传输；然而，幅值调制的方式通过传递能量的幅值变化，必然会影响能量传递的效率；日本学者Nozomi Tamura提出将传递信息和能量分开传递，通过使传递信息和能量的线圈中心线垂直放置，达到传递的磁场互不干扰，此方法由于线圈不在一个平面，必然引起植入体积庞大，影响植入；德国宇航中心提出能量和信息分模块传递的方法，利用磁耦合技术单独传递能量，通过增加无线射频模块来实现信息的传递，该方法信号和能量互不干扰，但增加了个射频模块势必会增加了植入装置的体积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字线圈对阵列的人工心脏信号能量传递方法和传递纸，不影响能量传递效率，不增加植入装置体积的基础下，高速、有效的传递信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于数字线圈对阵列的人工心脏信号能量传递方法：

该方法的步骤如下：电源模块、驱动电路及信号控制模块组成供能模块，为发射纸提供电能，发射纸和接收纸上按矩阵式阵列有n*m对数字线圈对，发射纸上数字线圈对将电能以电磁波形式发射出去，同时将信号0,1集成在能量上一起传输；接收纸上的数字线圈通过磁耦合共振接收到电磁能并将之转化成电能，分为两路，一路经合并单元将能量组合汇总后通过整流电路稳定的为人工心脏供电，另一路信号解调模块解调得到所传送的信号，实现人工心脏信号能量的无线同路传输。

所述的供能模块的电源频率与所述数字线圈固有频率相同，安装时发射纸和接收纸上相应配对的数字线圈中心线空间上相互重合，通过磁耦合共振，接收纸上的数字线圈仅能接收到发射纸上所相应配对线圈所传递的能量。

所述的发射纸上按矩阵式阵列有n*m对数字线圈为a_m*n、b_m*n，每对发射纸上数字线圈有且仅有一个数字线圈传递能量，a_ij通电b_ij不通，代表该对数字线圈传递的信号为0，相反的，b_ij通电a_ij不通，代表该对数字线圈传递的信号为1，那么m*n对数字线圈对同时能传递m*n位信号；所述的接收纸上按矩阵式阵列有n*m对数字线圈A_m*n、B_m*n，利用电源并联均流技术对接收纸上数字线圈能量进行组合汇总，实现为人工心脏供电；通过检测，当接收端线圈有电信号，就能判断出接收纸上数字线圈所配对的传递纸上的数字线圈有无通电，A_i检测到电信号B_i没有，代表该对线圈接收到的信号为0，相反的，B_i检测到电信号A_i没有，代表该对线圈接收到的信号为1，那么m*n对线圈对同时能接收到m*n位信号。

二、一种基于数字线圈对阵列的人工心脏信号能量传递纸：

本发明包括发射纸和接收纸，发射纸和接收纸上均按矩阵形式阵列分别布置有相同的m*n数字线圈对，每对数字线圈均由两个相同线圈组成，发射纸上数字线圈与接收纸上数字线圈一一配对，相互对应排列；发射纸上数字线圈经排线、排线接口与供能模块相连，接收纸上数字线圈经另一排线、另一排线接口与信号解调模块和合并单元相连。

所述的发射纸和接收纸上均按矩阵形式阵列分别布置的m*n线圈对中m为1行以上，n为1列以上，其m*n根据人工心脏所需能量大小设定。

本发明具有的有益效果是：

（1）结构简单，成本低，可操作性强。本发明简化了信号的发射电路，只需增加传递线圈个数就能达到信号传递的效果。

（2）能量传递效率高。本发明利用近场耦合技术，令传递的线圈对之间产生共振来实现能量的传输，信号传递时完全不影响能量的传输。

（3）信号传递速度快，传输量大。本发明采用不同编号线圈组传递能量实现信号的传递，一个传递周期能够传递多位信息，达到信号的高速传递。

（4）信号发射和获取机理简单。本发明信号的发射无需额外调制，而信号接收端也仅需简单的检测接收线圈的电信号通过就能达到信号的收发，信号收发机理简单。

附图说明

图1是发射纸结构示意图。

图2是本发明能量传递纸的结构示意图。

图3是接收端示意图。

图中：1、绝缘塑料纸，2、数字电感线圈，3、排线，4、排线接口，5电源模块，6、信号控制模块，7、驱动电路，8、发射纸，9、接收纸，10、信号解调模块，11合并单元、，12、整流电路，13、人工心脏。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1、图2、图3所示，本发明包括发射纸8和接收纸9，发射纸8和接收纸9上均按矩阵形式阵列分别布置有相同的m*n数字线圈对，每对数字线圈均由两个相同线圈组成，发射纸8上数字线圈与接收纸9上数字线圈一一配对，相互对应排列；发射纸8上数字线圈经排线3、排线接口4与供能模块相连，接收纸9上数字线圈经另一排线3、另一排线接口4与信号解调模块10和合并单元11相连。

所述的发射纸8和接收纸9上均按矩阵形式阵列分别布置的m*n线圈对中m为1行以上，n为1列以上，其m*n根据人工心脏所需能量大小设定。

基于数字线圈对阵列的人工心脏信号能量传递方法：

电源模块5、信号控制模块6及驱动电路7组成供能模块，为发射纸提供电能，发射纸8和接收纸9上按矩阵式阵列有n*m对数字线圈对，发射纸8上数字线圈对将电能以电磁波形式发射出去，同时将信号0,1集成在能量上一起传输；接收纸9上的数字线圈通过磁耦合共振接收到电磁能并将之转化成电能，分为两路，一路经合并单元11将能量组合汇总后通过整流电路12稳定的为人工心脏13供电，另一路信号解调模块10解调得到所传送的信号，实现人工心脏13信号能量的无线同路传输。

所述的供能模块的电源频率与所述数字线圈固有频率相同，安装时发射纸8和接收纸9上相应配对的数字线圈中心线空间上相互重合，通过磁耦合共振，接收纸9上的数字线圈仅能接收到发射纸8上所相应配对数字线圈所传递的能量。

如图1所示，所述的发射纸8上按矩阵式阵列有n*m对数字线圈为a_m*n、b_m*n，每对发射纸上数字线圈有且仅有一个数字线圈传递能量，a_ij通电b_ij不通，代表该对数字线圈传递的信号为0，相反的，b_ij通电a_ij不通，代表该对数字线圈传递的信号为1，那么m*n对数字线圈对同时能传递m*n位信号；所述的接收纸9上按矩阵式阵列有n*m对数字线圈A_m*n、B_m*n，利用电源并联均流技术对接收纸上数字线圈能量进行组合汇总，实现为人工心脏供电；通过检测，当接收端线圈有电信号，就能判断出接收纸上数字线圈所配对的传递纸上的数字线圈有无通电，A_ij检测到电信号B_ij没有，代表该对线圈接收到的信号为0，相反的，B_ij检测到电信号A_ij没有，代表该对线圈接收到的信号为1，那么m*n对线圈对同时能接收到m*n位信号。

如图1所示，用于传递能量的数字电感线圈2对阵列固定在绝缘塑料纸1上，参考矩阵排列数组命名规则，线圈对编号如下：线圈对a₁₁、b₁₁,a₁₂、b₁₂, …，a_ij、b_ij…，a_mn、b_mn，共m*n对线圈，通过排线3将阵列中的每个数字电感线圈2与排线接头4相连，便构成了本发明的关键部件之一发射纸8；接收纸9结构形状与发射纸完全一样，数字线圈相应编号改变为线圈对A₁₁、B₁, A₁₂、B₁₂,…，A_ij、B_ij…，A_mn、B_mn。为了确保使用时能量传输的性能，绝缘塑料纸1上的电感线圈2应尽可能密，又为了减小各数字电感线圈2之间传输的相互干扰，数字电感线圈2直径约为8mm，同一对数字电感线圈2中心距约为1mm，每对数字电感线圈2中心距约为2mm。因此，需要通过特殊的IC工艺方可完成上述发射纸8和接收纸9的制作，具体制作方法如下：通过电路精密的印刷工艺，在绝缘纸1上布置排线3；通过热附着工艺，将数字电感线圈2固定在塑料绝缘纸1的正面；在每个数字电感线圈2下方布置过孔，通过压焊工艺，将数字电感线圈2输出端与对应的排线3相连；最后，再次通过压焊工艺，将排线3与排线接口4相连。为了满足不同功率传送需求，塑料绝缘纸1上的数字电感线圈2和排线3都设计成具有独立性，即可以任意去除其中上面的任一数字电感线圈2和排线3，都不会影响整体系统的工作。

如图3所示，将发射纸8贴在人皮肤外侧，将接收纸9正对的布置在内腔的皮肤上，布置时确保数字电感线圈a_ij和A_ij中心线空间上的重合，其中a_ij发射的能量只有A_ij能高效的接收。电源模块5为整个系统提供所需的交流电源，其工作频率与单个数字电感线圈的固有频率相同，信号控制模块6由智能芯片组成，通过人机交换界面等方式，把所需要发送的信息储存在芯片的内部存储单元中，通过端口控制驱动电路7中的开关管的通断控制选择发射纸8上数字电感线圈通断实现电能输送；每个传递周期内，发射纸8上每对数字电感线圈有且仅有一个数字电感线圈工作，a_ij通电b_ij不通，代表该对线圈传递的信号为0，相反的，b_ij通电a_ij不通，代表该对线圈传递的信号为1，那么m*n对线圈对同时能传递m*n位信号；接收纸9上数字电感线圈通过磁耦合共振接收到发射纸8上数字电感线圈传递的能量，由于单个数字电感线圈所能传输接收的能量有限，为了满足人工心脏13运行所需的能量，必须对接收纸9上的数字电感线圈对所接收到的能量进行组合汇总，本发明利用合并单元11实现线圈电源并联均流；合并单元11主要由超导储能元件，电源控制芯片和电流检测芯片组成，其中检测芯片根据负载电流，反馈给控制芯片，调节各线圈能量功率合并，实现线圈电源并联均流、组合汇总储存到超导储能元件中；合并单元11对能量进行组合汇总后经整流模块12将电源转化成直流电为人工心脏13供能，任意时刻接收纸上9同时有m*n个线圈接收到发射纸8上m*n个线圈所传递的能量，达到能量的稳定供给。信号解调模块10与接收纸9直接相连，通过检测接收纸上线圈的电信号，即当接收端线圈电信号强度超过某一定值，就能判断出该线圈对应所配对的发射纸上的线圈有无通电，A_ij检测到电信号B_ij没有，代表该对线圈接收到的信号为0，相反的，B_ij检测到电信号A_ij没有，代表该对线圈接收到的信号为1，那么m*n对线圈对同时能接收到m*n位信号。因此，本发明提供一种高效能量与高速信号同路传输方法与装置。

Claims (2)

1.一种基于数字线圈对阵列的人工心脏信号能量传递纸，其特征在于：包括发射纸（11）和接收纸（12），发射纸（11）和接收纸（12）上均按矩阵形式阵列分别布置有相同的m*n数字线圈对，每对数字线圈均由两个相同线圈组成，发射纸（11）上数字线圈与接收纸（12）上数字线圈一一配对，相互对应排列；发射纸（11）上数字线圈经排线、排线接口与供能模块相连，接收纸（12）上数字线圈经另一排线、另一排线接口与信号解调模块（13）和合并单元（14）相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字线圈对阵列的人工心脏信号能量传递纸，其特征在于：所述的发射纸（8）和接收纸（9）上均按矩阵形式阵列分别布置的m*n线圈对中m为1行以上，n为1列以上，其m*n根据人工心脏所需能量大小设定。