CN103028196A

CN103028196A - 基于非相干光的反馈式ami能量注入装置

Info

Publication number: CN103028196A
Application number: CN201210567940XA
Authority: CN
Inventors: 宋勇; 郝群; 胡蓝心; 曹杰; 张开宇; 张凯
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-12-24
Also published as: CN103028196B

Abstract

本发明涉及基于非相干光的反馈式AMI能量注入装置，属于光电技术领域。包括非相干光源、滤光片、可变光阑、会聚透镜、光电转换器、温度传感器、测控模块；非相干光源依次通过滤光片、可变光阑、会聚透镜后，经由皮肤层传给光电转换模块；测控模块与光电转换器和可变光阑相连；滤光片、可变光阑、会聚透镜之间连接的距离可根据实际需求来调节；温度传感器位于可变光阑外围遮盖物的下方，以防止非相干光源直接照射，它与会聚透镜不接触，以保证准确感知皮肤温度。本发明采用通过穿戴式LED光源、日光等照明光源实现人体内的AMI能量注入，使AMI植入者可在一种自然的状态下独立完成能量注入，可极大地提高AMI能量注入的便利性。也提高了AMI能量注入的安全性。

Description

基于非相干光的反馈式AMI能量注入装置

技术领域

本发明涉及基于非相干光的反馈式AMI能量注入装置，属于光电技术领域。

背景技术

近年来，有源医学植入物(AMI，Active Medical Implant s)的出现，使医学检测与治疗手段渗入到人体内部，可直接在体内相关部位实现生理信息检测、生物刺激、药物释放、器官功能恢复等，从而极大地提高了获取信息的准确性及治疗的针对性。AMI在人体生理、病理过程的检测与影响方面具有广泛的应用空间，将在未来医学领域发挥越来越重要的作用。AMI需在电能的驱动下才能实现相应的功能，其对电能具有强烈的依赖性。目前已有的AMI主要采用锂电池供电。尽管锂电池具有较高的功率密度及较好的放电特性，但仍难以完全满足AMI的电能需求。因此，从体外对AMI进行二次能量注入成为解决AMI电量供给问题的重要途径。

目前，已开展的AMI能量注入研究可分为：压电法，温差法，射频注入法、光学法等。其中，压电法主要基于压电效应实现机械能向电能的转换。目前，基于压电法产生的能量相对较低。同时，基于体内机械能直接转换为电能的研究处于探索阶段；温差法主要利用人体内部的温度差异产生电能。通过该方法得到的电能同样十分有限；射频注入法主要通过不同方式将电磁能注入到体内，经由相应的耦合装置接收后为AMI电池充电。基于该方法可获得较高的输出功率，但其装置结构复杂，可靠性难以保证。此外，传递力矩所需的强电磁场将对AMI电路及人体生理活动造成干扰；光学注入法主要通过体外的激光光源照射人体皮肤，由植入式光电换装置产生电能。光学注入法具备电磁能量法所具有的高能量传递效率优势，同时避免了能量注入过程中的电磁干扰问题。因此，光学注入法被认为是一种具有潜力的AMI能量注入方式。

目前，光学注入法所存在的主要问题包括：

为了获得所需的入射深度及功率密度，已有的光学注入法的光源主要采用激光光源(相干光源)，而长时间激光照射有可能对人体造成潜在的不利影响。另一方面，激光光源的成本相对较高，体积相对较大。

已有光学注入法需通过人工方式对激光的输出功率、照射时间等进行控制，无法得到体内光电转换状态的反馈，从而难以完全保障AMI能量注入的安全性。

由于需根据AMI植入者的实际情况对激光的波长、功率及照射时间进行严格地控制，已有的光学注入法需在医院内由专业医务人员采用专用激光光源完成，从而降低了能量注入的便利性，不利于AMI的广泛应用。国际卫生组织(WHO，World Health Organization)的报告显示：人体对于日光辐射的限制与光波长及照射时间相关。依据国际非电离辐射保护委员会(ICNIRP，InternationalCommission on Non-Ionizing Radiation Protection)的规定：在10s-8.33h时间范围内，人体对可见光及近红外谱段(400nm-1400nm)的辐射强度限制为2.0×103CAW/m2(CA为与波长λ相关的系数)。

发明内容

本发明的目的是为了解决AMI能量注入的问题，提供了一种基于非相干光的反馈式AMI能量注入装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的基于非相干光的反馈式AMI能量注入装置，包括：非相干光源、滤光片、可变光阑、会聚透镜、光电转换器、温度传感器、测控模块。连接关系为：非相干光源依次通过滤光片、可变光阑、会聚透镜后，经由皮肤层传给光电转换模块。在这个装置中：滤光片用于滤除不适合在人体内传输的光谱，例如：紫外光(长时间照射对人体有害)。可变光阑在测控模块的控制下，用于对入射的非相干光的能量及持续照射时间进行实时控制；会聚透镜对非相干入射光进行会聚，以提高其在人体内的入射深度及功率密度；测控模块与光电转换器和可变光阑相连，用于温度反馈并实时控制光阑以便对入射光能量进行控制。其中，滤光片、可变光阑、会聚透镜之间连接的距离可根据实际需求来调节，其中滤光片与会聚透镜距离在2cm内为优先选择。温度传感器位于可变光阑外围遮盖物的下方，以防止非相干光源直接照射，它与会聚透镜不接触，以保证准确感知皮肤温度。

工作过程如下：

第一步：非相干光源输出非相干光；或直接采用日光辐射作为非相干光(此时无需LED光源)。非相干光入射至下方的滤光片。滤光片滤除不适合在人体内传输的光谱。滤光后的非相干光入射至下方的可变光阑。

第二步：在测控模块的控制下，可变光阑对入射的非相干光能量及持续照射时间进行实时控制。通过可变光阑的非相干光入射至下方的会聚透镜。

第三步：会聚透镜对入射的非相干光进行会聚。会聚后的非相干光入射至人体表皮和真皮以及皮下组织，到达光电转换模块。

第四步：温度传感器实时测量AMI上方皮肤表面的温度变化。同时，测控模块实时采集温度传感器的测量结果，依据人体皮肤温度变化与体内光热效应之间的量化关系，实时控制光阑的大小。当体内AMI电池容量达到饱和时，在满足国际卫生组织(WHO)和国际非电离辐射保护委员会(ICNIRP)规定的安全范围内，当人体局部组织温度上升至阈值，则关闭可变光阑，AMI能量的注入过程结束。

有益效果

1、本发明的基于非相干光的反馈式AMI能量注入装置，采用通过穿戴式LED光源、日光等照明光源实现人体内的AMI能量注入，使AMI植入者可在一种自然的状态下独立完成能量注入，可极大地提高AMI能量注入的便利性。同时，避免了射频注入法的电磁干扰问题和激光照射对人体的潜在影响，提高了AMI能量注入的安全性。

2、本发明的基于非相干光的反馈式AMI能量注入装置，提出通过在皮肤表面设置平凸透镜实现照明光在人体内的会聚(聚光)，在保证安全的前提下，提高其在人体组织内的功率密度，进而在较高入射深度内获得所需的能量传输效率。同时，由于实现了入射光会聚，还可相对降低光电转换器件(光电池等)的光敏接收面积，有利于实现AMI的微小型化。

3、本发明的基于非相干光的反馈式AMI能量注入装置，当体内光电池容量达到饱和时，入射照明光将通过光热效应被光电转换器件转换为热量，将使人体局部组织温度上升，进而对人身安全构成影响。针对这一问题，本项目提出了一种基于温度反馈的体内入射光能量控制方法。该方法在体外透镜上方设置自动光阑。以皮肤温度变化为反馈，依据所获得的人体皮肤温度变化与体内光热效应之间的量化关系，实时控制透镜上方的光阑变化，进而实现对入射照明光能量的控制，进一步提高了AMI能量注入的安全性。

4、本发明的基于非相干光的反馈式AMI能量注入装置，AMI能量供给时间仅与电池寿命相关，可使AMI的连续工作时间远大于植入者的寿命。同时，本装置可直接利用穿戴式LED光源、自然界的日光辐射等照明光源为人体内的AMI提供电能，符合未来绿色能源的发展趋势。是一种长期且绿色环保的方式。

附图说明

图1为基于非相干光的反馈式AMI能量注入装置的结构示意图。

其中：1-非相干光源，2-滤光片，3-可变光阑，4-会聚透镜，5-人体的表皮和真皮，6-皮下组织，7-光电转换器，8-温度传感器，9-测控模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

实施例1

本发明的基于非相干光的反馈式AMI能量注入装置，包括：LED光源1、滤光片2、可变光阑3、会聚透镜4、光电转换器7、温度传感器8、测控模块9，如图1所示。连接关系为：LED光源依次通过滤光片2、可变光阑3、会聚透镜4后，经由皮肤层传给光电转换器7。光电转换器7对接受光线响应并转换为电能，供给AMI工作。

在这个装置中：滤光片2用于滤除不适合在人体内传输的光谱，例如：紫外光(长时间照射对人体有害)。可变光阑3在测控模块9的控制下，用于对入射的非相干光1的能量及持续照射时间进行实时控制；会聚透镜4对非相干入射光进行会聚，以提高其在人体内的入射深度及功率密度；测控模块9与温度传感器8和可变光阑3相连，用于温度反馈并实时控制可变光阑3以便对入射光能量进行控制。其中，滤光片2、可变光阑3、会聚透镜4之间连接的距离为2cm。温度传感器8位于可变光阑3外围遮盖物的下方，以防止非相干光源1直接照射，它与会聚透镜4不接触，以保证准确感知皮肤温度。

工作过程如下：

第一步：LED光源输出非相干光；或直接采用日光辐射作为非相干光(此时无需LED光源)。LED光源的非相干光入射至下方的滤光片。滤光片2滤除不适合在人体内传输的光谱。滤光后的非相干光入射至下方的可变光阑3。

第二步：在测控模块9的控制下，可变光阑3对入射的非相干光能量及持续照射时间进行实时控制。通过可变光阑3的非相干光入射至下方的会聚透镜4。

第三步：会聚透镜4对入射的非相干光进行会聚。会聚后的非相干光入射至人体表皮和真皮5以及皮下组织6，到达光电转换模块7。

第四步：温度传感器8实时测量AMI上方皮肤表面的温度变化。同时，测控模块9实时采集温度传感器对人体皮肤温度变化的测量结果，依据测量结果来控制可变光阑3的大小。当体内AMI电池容量达到饱和时，在满足国际卫生组织(WHO)和国际非电离辐射保护委员会(ICNIRP)规定的安全范围内，当人体局部组织温度上升至阈值，则关闭可变光阑，AMI能量的注入过程结束。

在整个过程中，所用典型LED光源模型的功率为5mW，经由前端透镜系统后，入射到皮肤表面的光斑半径1cm，设定照射时间为30min。在这个条件下，经由表皮层，真皮层和脂肪层的吸收后，到达肌肉组织层的功率0.89mW。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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保护范围之内。

Claims

1.基于非相干光的反馈式AMI能量注入装置，其特征在于：包括非相干光源(1)、滤光片(2)、可变光阑(3)、会聚透镜(4)、光电转换器(7)、温度传感器(8)、测控模块(9)；非相干光源(1)依次通过滤光片(2)、可变光阑(3)、会聚透镜(4)后，经由皮肤层传给光电转换模块；测控模块(9)与光电转换器(7)和可变光阑(3)相连；滤光片(2)、可变光阑(3)、会聚透镜(4)之间连接的距离可根据实际需求来调节；温度传感器(8)位于可变光阑(3)外围遮盖物的下方，以防止非相干光源(1)直接照射，它与会聚透镜(4)不接触，以保证准确感知皮肤温度。

2.如权利要求1所述的基于非相干光的反馈式AMI能量注入装置，其特征在于：所述滤光片(2)、与会聚透镜(4)之间连接的距离不大于2cm。

3.如权利要求1所述的基于非相干光的反馈式AMI能量注入装置，其特征在于：工作过程如下：

第一步：非相干光源(1)输出非相干光；或直接采用日光辐射作为非相干光；非相干光入射至下方的滤光片(2)；滤光片(2)滤除不适合在人体内传输的光谱；滤光后的非相干光入射至下方的可变光阑(3)；

第二步：在测控模块(9)的控制下，可变光阑(3)对入射的非相干光能量及持续照射时间进行实时控制；通过可变光阑(3)的非相干光入射至下方的会聚透镜(4)；

第三步：会聚透镜(4)对入射的非相干光进行会聚；会聚后的非相干光入射至人体表皮和真皮以及皮下组织，到达光电转换模块；

第四步：温度传感器(8)实时测量AMI上方皮肤表面的温度变化；同时，测控模块(9)实时采集温度传感器(8)的测量结果，依据人体皮肤温度变化与体内光热效应之间的量化关系，实时控制光阑的大小；当体内AMI电池容量达到饱和时，人体局部组织温度上升至阈值，则关闭可变光阑(3)，AMI能量的注入过程结束。